丁醇—柴油双燃料清洁燃烧的数值研究

【摘要】合理利用替代燃料是内燃机节能减排的可行且有效的途径之一。丁醇是极具发展潜力的新型生物替代燃料，针对丁醇在柴油机上的应用，本文通过数值模拟研究了丁醇对柴油机的燃烧和排放特性的影响。首先，构建了丁醇-柴油双燃料简化反应动力学模型。采用考虑误差传播的直接关系图法对正丁醇详细机理进行了缩减，构建出了一个包含69种组分，149个基元反应的正丁醇简化机理，该简化机理预测结果与详细机理以及试验滞燃期数据在较宽工况范围下吻合良好，证明了简化机理的有效性。结合合理简化的正庚烷简化机理，构建了一个包含75种组分，167个基元反应的正丁醇-正庚烷简化机理，为丁醇-柴油双燃料燃烧过程的模拟提供了合理的化学反应动力学模型，且在保证计算精度的前提下明显改善了计算效率。在对喷油模型的模型参数校准验证之后，对丁醇-柴油双燃料发动机的燃烧过程进行了模拟研究，结合发动机试验结果分析了丁醇-柴油混合燃料直喷和双喷射方式的燃烧和排放生成机理。结果表明，相对于纯柴油及双喷射燃烧，混合燃料直喷具有最长的滞燃期，而丁醇高的汽化潜热是其滞燃期明显延长的主要原因；丁醇的含氧特性及较柴油更快的燃烧速度是两种喷射方式的燃烧持续期均比纯柴油缩短的原因。与纯柴油相比，混合燃料直喷和双喷射的NOx排放分别增长了28%和9%，燃烧过程中具有更宽的高温区域是混合燃料直喷方式NOx排放更高的原因。混合燃料直喷的soot排放比纯柴油降低约40%，原因是掺混丁醇后降低了燃烧总体当量比和改善了局部当量比分布均匀性。双喷射由于局部当量比过浓，造成燃烧过程中soot生成峰值较高，而对soot最终排放的改善效果没有混合直喷方式明显。最后，在标定模型的基础上研究了柴油两次喷射对双喷射燃烧方式的影响。结果显示，采用柴油两次喷射，放热规律呈现出两阶段放热峰值，随着初次喷油量的增加，第一阶段放热峰值更为明显；初次喷油量保持不变，第一阶段放热峰值随喷射时刻的提前而降低。柴油两次喷射策略对双喷射油耗和排放影响复杂，在-33°CAATDC附近初次喷射8mg左右柴油可以达到排放和油耗较好的折衷。本研究对深入理解丁醇-柴油双燃料燃烧机理以及丁醇在柴油机中的清洁燃烧理论具有一定的参考价值。
【作者】吴振阔；
【导师】陈征；
【作者基本信息】湖南大学，动力机械及工程，2014，硕士
【关键词】数值模拟；正丁醇-正庚烷简化机理；混合燃料；双喷射；两次喷射；柴油机；燃烧；排放；

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