二元燃料著火與柴油甲醇燃燒排放的數(shù)值模擬研究.pdf

1、為了更有效地提高燃料的熱效率，柴油天然氣（DNDF）和柴油甲醇（DMDF）二元燃料以壓燃方式工作得到高度的重視。試驗中發(fā)現(xiàn)天然氣和甲醇都推遲了柴油的著火，但其著火機(jī)理尚不清楚。另外，針對DNDF燃燒排放的數(shù)值模型已經(jīng)比較成熟，而針對DMDF燃燒排放的數(shù)值模型研究則明顯不足。此外，雖然圍繞DMDF這種燃燒方式已經(jīng)從技術(shù)上進(jìn)行了很多的試驗研究并積累了不少經(jīng)驗，但是這些經(jīng)驗還需更深入的理論分析并提煉為數(shù)學(xué)模型。鑒于目前對DMDF的理論研究存在

2、的一些不足，包括對其著火機(jī)理的研究還不完善，預(yù)測其滯燃期的經(jīng)驗公式還未建立，DMDF模擬研究則幾乎全部集中在三維模擬上且使用的三維模型也未經(jīng)過廣泛驗證。因此，本研究主要針對上述兩種二元燃料的著火機(jī)理以及DMDF燃燒排放的數(shù)值模型開展相關(guān)研究。
　　本研究內(nèi)容主要包括三個方面：
　?。?）在定容彈上研究DNDF和DMDF的著火特征，對兩者異同進(jìn)行比較，并擬合出這兩種二元燃料燃燒的滯燃期經(jīng)驗公式，通過化學(xué)反應(yīng)機(jī)理數(shù)值分析，擴(kuò)展研

3、究多種二元燃料的著火機(jī)理，包括柴油/甲醇、柴油/天然氣、柴油/液化石油氣、柴油/乙醇和柴油/正丁醇；
　?。?）在KIVA的基礎(chǔ)上，建立DMDF燃燒排放的三維數(shù)值模型，并通過試驗驗證了模型的可靠性，對著火過程、噴油時刻以及EGR率進(jìn)行了參數(shù)研究；
　?。?）基于FORTRAN語言，建立DMDF準(zhǔn)維燃燒模型，并進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架的試驗驗證。
　　通過試驗研究和理論分析得出以下結(jié)論：
　?。?）定容彈試驗發(fā)現(xiàn)，無論甲醇還

4、是甲烷都明顯推遲了柴油的著火，甲醇的推遲作用強(qiáng)于甲烷。在試驗的基礎(chǔ)上，提出低溫條件下柴油在單碳物質(zhì)混合氣著火的滯燃期經(jīng)驗公式，且與試驗結(jié)果有很好的擬合。甲醇、甲烷推遲柴油著火的原因在于甲醇和甲烷的燃料脫氫反應(yīng)消耗了大量的OH自由基，同時在后續(xù)的反應(yīng)中，并沒有通過低溫鏈分支反應(yīng)大量產(chǎn)生OH，這就導(dǎo)致了二元燃料自由基池中的OH的凈減少，從而抑制了柴油著火。甲醇的推遲作用強(qiáng)于甲烷是由于甲醇脫氫反應(yīng)速率強(qiáng)于甲烷，同時在低溫氧化過程中甲烷可以通過

5、鏈傳遞反應(yīng)CH3+HO2=CH3O+OH貢獻(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的OH，而在甲醇氧化中則沒有這類反應(yīng)。對二元燃料著火機(jī)理的擴(kuò)展研究結(jié)果表明，二元燃料燃燒中高辛烷值燃料對柴油低溫著火的影響取決于高辛烷值燃料的脫氫反應(yīng)和低溫鏈分支反應(yīng)。在低溫氧化（<1000K）中，推遲柴油著火的能力的順序為：乙烷>丙烷>正丁烷>正戊烷>正己烷；醇類對柴油著火的抑制作用強(qiáng)于與其具有相同碳原子數(shù)的烷烴。
　?。?）基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型和半經(jīng)驗排放模型的三維數(shù)值模型

6、，能夠很好地預(yù)測DMDF的燃燒排放特性。該化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型有65步反應(yīng)、43個組分，包含了NOX和C2H2的相關(guān)反應(yīng)，其中C2H2作為碳煙生成的前驅(qū)物。該模型通過層流預(yù)混火焰組分濃度和DMDF發(fā)動機(jī)臺架試驗驗證。利用該模型進(jìn)行的參數(shù)研究表明，對于DMDF模式，甲醇的加入導(dǎo)致柴油著火推遲的四個原因中（甲醇高的辛烷值；降低了氧濃度；增加了進(jìn)氣的比熱；化學(xué)反應(yīng)耦合影響），化學(xué)反應(yīng)耦合影響是導(dǎo)致柴油著火推遲的最主要原因；而對于DNDF，甲烷高

7、的辛烷值與化學(xué)耦合這兩種因素對柴油著火推遲的影響相當(dāng)。在采用EGR時，DMDF模式下的NOX下降幅度與純柴油模式相差無幾，而碳煙的增加幅度卻減小了，因此DMDF模式下采用EGR技術(shù)對排放更有利；另外，DMDF模式下的燃燒特征對EGR更敏感。
　?。?）所建立的DMDF準(zhǔn)維模型能夠很好地模擬DMDF燃燒。該模型通過一個雙韋伯函數(shù)模型與甲醇火焰?zhèn)鞑ニ俾誓Ｐ蛠砟MDMDF的燃燒，通過三個韋伯函數(shù)來模擬大負(fù)荷時出現(xiàn)的甲醇自燃的現(xiàn)象。該模型