正丁醇/柴油PAHs简化机理的构建与仿真

为了探讨正丁醇/柴油碳烟的生成途径,分析了正丁醇氧化历程和PAHs(苯、萘、菲、芘)生成路径,保留了与正丁醇/柴油混合燃料PAHs生成密切相关的基元反应,对正丁醇的氧化机理和PAHs的生成机理进行了简化,并加入正庚烷简化机理,构建了由73种组分和89个基元反应的正丁醇/柴油PAHs简化机理.采用简化机理对正丁醇/柴油混合燃料的反应温度等参数进行模拟,结果与反射激波管试验结果一致,验证了简化机理的可行性.在此基础上通过模拟计算,分析了正丁醇/柴油不同掺混比、当量比的PAHs生成量和生成速率随时间变化的规律.结果表明:随着正丁醇掺混比的增加,PAHs生成量和生成速率逐渐减小,峰值出现时刻推迟,总生成量的降幅依次增大;随着当量比的增大,PAHs物质的量峰值增大,峰值出现的时刻推迟.     

正丁醇——柴油燃烧碳烟前驱物的化学动力学分析

为了解正丁醇—柴油燃烧碳烟前驱物(PAHs)的形成过程,以正庚烷—正丁醇—多环芳香烃—甲苯简化机理作为正丁醇—柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理,应用化学动力学软件建立零维发动机模型,模拟混合燃料在不同的进气温度(303 K、363 K、423 K)和当量比(0.5、1.0、1.5)条件下发动机内正丁醇—柴油燃烧PAHs的生成规律,并与纯柴油进行比较,进一步分析加入正丁醇后碳烟前驱物减少的原因。结果表明:在不同的进气温度和当量比下,柴油中掺入20%的正丁醇(B20)时,在燃烧中期(CA50)碳烟前驱物苯(A_1)、萘(A_2)、菲(A_3)和芘(A_4)的生成均与C_2H_2、C_2H_3、C_3H_3、C_4H_3、C_4H_4和C_4H_5等燃烧中间小分子物质有关;B20与纯柴油(D100)相比,C_2H_2、C_2H_3、C_3H_3、C_4H_3、C_4H_4和C_4H_5等中间小分子物质的生成速率减慢且消耗速率较快,其负归一化反应系数要比D100条件下高0.2左右;同时,A_1、A_2、A_3和A_4的缸内生成速率和生成量也有所降低。因此,在柴油中掺入一定比例的正丁醇可以改善发动机PAHs和碳烟排放。     

添加正丁醇对柴油机燃烧路径影响的模拟研究

为了研究含氧燃料正丁醇对正庚烷和甲苯燃烧的化学反应过程以及对碳烟生成过程和排放的影响,使用正丁醇—正庚烷—甲苯简化机理耦合多步碳烟生成模型作为柴油—正丁醇混合燃烧的化学反应动力学机理,在计算流体动力学(CFD)软件上建立三维数值模型来模拟柴油机的燃烧和排放过程。通过对比分析纯柴油(B0)和纯柴油中掺入15%正丁醇(B15)两种燃料燃烧过程表明,正丁醇能使低温反应阶段的HO_2的浓度升高,B15相对B0增加了约11%;由于正丁醇脱氢反应与正庚烷对OH的争夺,使正庚烷的消耗变慢;正庚烷含量与为反应提供大量OH的H_2O_2有着直接关系;正丁醇为反应提供了大量的OH,H_2O_2的浓度B15相对B0降低了约27%,OH的浓度却略有上升。正丁醇能降低生成碳烟前驱物的重要物质乙炔的浓度,而且影响甲苯向苯环的形成过程,能减少苯(A1)的生成量,B15相对B0降低约15%,从而减少了碳烟前驱物的生成,碳烟排放降低,为含氧燃料正丁醇在柴油机上的应用提供参考。     

EGR率对正丁醇/柴油燃烧过程及排放的影响

采用不同EGR率,对柴油机燃用含正丁醇质量分数为10%的混合柴油(N10)进行了台架试验,研究了EGR率对燃用正丁醇/柴油的燃烧过程与排放的影响.结果表明:相同工况下,随着EGR率的增加,最大爆发压力下降,压力急剧升高点所对应的曲轴转角后移,主燃烧开始时刻和瞬时放热峰值也发生明显后移,滞燃期有所延长,放热峰值逐渐下降;柴油机HC,CO,碳烟排放随着EGR率的增加而有所升高,但碳烟排放仍低于柴油;NOx排放随着EGR率的增加而逐渐降低,且高负荷时,降低趋势更为明显,负荷为75%时,与EGR率为0相比,EGR率为10%时NOx排放降低了47.2%,EGR率为20%时NOx排放降低了86.3%.     

CFD耦合化学动力学模拟EGR对柴油机燃烧的影响

研究了柴油机低速部分负荷工况引入不同EGR对缸内燃烧排放特性的影响.将CHEMKIN-Ⅱ化学反应求解器集成到KIVA 3V Release 2程序中,用正庚烷化学反应机理替代柴油燃烧,建立柴油机缸内燃烧数值模拟模型;结合试验数据,模拟分析喷油时刻保持不变,EGR率(废气再循环)从0%增加到60%的燃烧过程、NOx和碳烟排放.结果表明:引入大比例EGR后点火延迟明显增长,燃烧相位推迟,燃烧温度降低;较低燃烧温度避开了NOx的高浓度生成区,EGR率60%时NOx排放比无EGR时降低93.5%;但高EGR率未使燃烧路径避开碳烟生成区,加之较低的氧浓度不利于碳烟的氧化,碳烟排放增高.     

正庚烷HCCI燃烧下多环芳烃生成机理与影响因素分析

通过修改化学动力学软件SENKIN,建立了正庚烷均质充量压缩点燃(HCCI)燃烧过程数值模拟的单区模型.利用此模型对正庚烷HCCI燃烧下芳烃(苯、萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.同时,分析了过量空气系数、进气初始压力和发动机转速对多环芳烃形成规律的影响.计算中采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理(共包括107种组分、542个基元反应).结果表明,在低温反应阶段并没有苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)、芘(A4)生成;当进入高温反应阶段后,苯、萘、菲、芘的浓度迅速升高至峰值,然后均陡直下降为零.随着过量空气系数的增大,苯的摩尔分数峰值降低,但菲的摩尔分数峰值变化较小.同时,苯、萘、菲的摩尔分数随进气初始压力的降低而降低;随着发动机转速的下降,苯的摩尔分数先降低后增加,萘的摩尔分数却是先增加后降低,而菲的摩尔分数却持续降低.     

食用油下脚料制生物柴油混合燃料的发动机性能改善研究

在单缸直喷柴油机上燃用生物柴油混合燃料进行动力性与经济性、燃烧与排放特性试验。研究表明:与燃用纯生物柴油相比,发动机燃用生物柴油醇类混合燃料功率降低;有效燃油消耗率增加,有效能量消耗率降低;燃烧压力曲线后移,小负荷时峰值压力降低,中高负荷时峰值压力增加;CO与碳烟排放浓度降低(掺混甲醇效果更好)、HC排放略有增加但绝对值低、NOX排放基本保持不变。     

柴油机燃用纳米CeO_2催化柴油的缸内碳烟分布

利用缸内燃烧可视化技术研究了催化柴油的碳烟生成过程和浓度分布规律,并分析了高压共轨柴油机燃用催化柴油的燃烧特性和烟度排放.结果表明:随着CeO_2质量浓度的增大缸内燃烧时碳烟火焰出现位置提前,消失的时刻更早;与燃用纯柴油相比,催化柴油的缸内碳烟生成区域减小,碳烟浓度降低,碳烟面积占有率比较小,而柴油机排气烟度有所降低,且随着负荷的增加改善效果更明显;纳米CeO_2颗粒会改善燃油燃烧过程并提高放热速率,柴油机燃用催化柴油后燃烧始点提前,缸内压力峰值、放热率峰值和压力升高率峰值均增大,且对应相位更加靠近上止点.     

甲醇/柴油PAHs形成途径的动力学模型与仿真

对甲醇/柴油化学反应和多环芳香烃(PAHs)的生成机理进行了分析,构建了由228种组分和1 584个基元反应组成的甲醇/柴油PAHs计算模型.采用CHEMKIN软件中的reflect shock和均质零维反应模型,研究了甲醇/柴油混合燃料的PAHs生成过程及变化规律.结果表明:该模型能准确预测甲醇/柴油燃烧过程中的反应温度,甲醇摩尔分数,反应中间产物CO,CO2,O2的摩尔分数随时间的变化规律和着火延迟;甲醇/柴油燃烧过程中,单个苯环主要通过丙炔基聚合和环化反应以及苯基的加氢反应形成;多个苯环主要通过脱氢加乙炔反应形成;PAHs的生成量随着甲醇掺混比例的增加而下降;随着混合气当量比减小,PAHs的前驱体C2H2,C3H3生成量减少.     

双燃料发动机低温燃烧排放性能仿真

为缓解船用发动机NOx排放过高问题,提出柴油掺烧丁醇并结合EGR（exhaust gas recirculation）技术的试验方案。在4190ZLC-2型柴油机台架基础上,利用AVL_FIRE软件建立柴油-丁醇CFD模型。设置丁醇掺混比0%、10%、20%、30% 4组变量,EGR利用率0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%、17.5% 6组变量,对发动机NO、碳烟（Soot）和CO生成及排放质量分数进行分析。结果表明:掺烧丁醇并结合EGR能够实现发动机的低温燃烧,减少CO和碳烟的生成,且显著降低NO排放。当丁醇掺混比为B20、EGR利用率12.5%组合时,NO排放比原机降低58.97%,Soot生成质量峰值比原机降低37.5%,CO排放比原机降低23.53%。研究结果可为船用柴油机采用柴油/丁醇/EGR低温燃烧提供一定的指导依据。     

基于ROP的含氧燃料PAHs形成分析

利用反射激波管模型,采用生成速率法(ROP)对含氧燃料燃烧过程中PAHs中的主要物质苯、萘、菲、芘进行了模拟分析,探讨了含氧燃料PAHs形成的途径.结果表明:在当量比1.0、初始温度1 600 K的初始条件下,乙醇、二甲醚和碳酸二甲酯燃烧过程中,苯、萘、菲、芘的生成速率在数量级上依次递减;苯主要通过炔丙基的聚合反应形成;萘生成的主要反应是苯基的二次脱氢加乙炔及苯基与乙烯基乙炔的化合反应;菲和芘的形成主要是通过脱氢加乙炔反应;H和OH自由基对PAHs的氧化起着重要的作用;对于第3体"M"参与的反应,燃用乙醇抑制PAHs的形成,燃用DME对PAHs的形成影响不大,燃用DMC促进PAHs的形成.     

F-T柴油与生物柴油混合燃料的特性研究

针对目前柴油机替代燃料多为单一项,且替代燃料性能各有特点的状况,将F-T柴油和生物柴油掺混燃烧,通过试验研究,分析了0#柴油与3种混合柴油(B20F,B50F,B100)在2 400r/min不同负荷下的燃烧特性。结果表明,混合燃料随着生物柴油添加比例的增加,滞燃期变长,燃烧压力峰值、压力峰值相位、压力升高率峰值及放热率峰值均逐渐增大,但均比0#柴油低;且随着负荷的增加,燃烧压力、压力升高率和瞬时放热峰值均先增后减;混合燃料的碳烟排放明显降低,B50F和B80F的NOx排放与0#柴油接近,B20F的NOx排放比0#柴油降低了2.1%~16.7%。B20F是一个较好的混合比例,是一种较好的替代燃料。     

EGR率对生物柴油燃烧颗粒的影响

为进一步降低柴油机的颗粒排放,通过建立改进颗粒排放模型,改变进气成分,探讨不同EGR率(0,10%,20%,30%,40%)对柴油机燃用不同掺混比例生物柴油(B0,B50,B100)的颗粒质量、颗粒粒径以及颗粒数的影响,并考察生物柴油结合EGR对颗粒的作用效果.结果表明:随着EGR率增加,颗粒排放呈先升高后降低的趋势,当EGR率增加到20%时,颗粒排放达到峰值,缸内颗粒的最高质量浓度增加,颗粒的分布区域增加;随着EGR率和生物柴油掺混比的增大,颗粒粒径分布发生由核态向聚集态再向核态的转变,核态颗粒数随EGR率升高呈先减小后增加趋势;相同EGR率下,核态颗粒数在颗粒总数量中所占比例随生物柴油掺混比的增加而增加,聚集态颗粒与核态颗粒的变化规律相反.     

柴油-生物柴油混合燃烧对碳烟排放的影响

应用零维单区模型对柴油-生物柴油混合燃料在内燃机中的燃烧进行了数值模拟计算,从化学动力学角度,通过分析混合燃料在内燃机均质压燃边界条件下燃烧的关键中间产物和最终生成物的摩尔分数变化以及关键基元反应,总结出了生物柴油掺入柴油后燃烧对碳烟排放的影响.结果表明:生物柴油甲基酯团中的氧原子在燃烧反应过程中始终与燃料中的一个C原子相连,因此使可能生成(soot)的C原子减少,从而降低了混合燃料soot的排放.但生物柴油与其他有氧燃料相比,如乙醇,掺入柴油燃烧降低soot排放的效果要差,有氧燃料中含氧部分的化学结构的差异会对降低soot的排放产生不同效果的影响.     

后喷时刻和EGR率对柴油低温燃烧和排放的影响

为了研究不同EGR(废气再缩环)率下后喷时刻对柴油机性能的影响,在一台改造的单缸柴油机上,总循环喷油量固定为每循环50mg,后喷油量为每循环8mg,通过改变EGR率大小和后喷时刻的方法开展了试验研究。研究结果表明:加了后喷之后,缸内峰值压力降低,燃烧相位后移,EGR率较低时放热率峰值略有增高,而EGR率较高时放热率峰值逐渐降低;与无后喷相比,后喷时刻(上止点后)为15℃A和25℃A时,指示热效率降低;EGR率较低,后喷时刻(上止点后)为5℃A时NOx排放有所升高,高EGR率时,后喷时刻对NOx排放几乎没有影响;不同EGR率下,后喷时刻对Soot(碳烟)排放影响不同,主要取决于后喷时的缸内温度;虽然后喷时刻对CO和THC排放影响较小,但在高EGR率下,随后喷时刻推迟,CH4所占比例降低。     

生物柴油掺混比对发动机燃烧及颗粒物组分的影响

为了研究生物柴油对柴油机燃烧及颗粒物组分的影响,在一台四缸车用共轨柴油机上进行发动机燃用调合生物柴油的性能试验,利用燃烧分析仪分析生物柴油对发动机燃烧过程的影响,利用热重分析仪(TGA)研究颗粒物氧化特性,利用气相色谱/质谱联用仪(GC-MS)研究生物柴油对颗粒物SOF组分的影响。结果表明:随着生物柴油掺混比例的增加,发动机最大爆发压力增大,缸压曲线前移,预混燃烧放热率峰值减小,峰值对应的曲轴转角提前,B20放热率峰值对应的曲轴转角比B0提前2.8°CA,峰值减小19%。随着生物柴油掺混比例增加,颗粒物中H2O和可溶性有机物(SOF)的质量分数增加,碳烟(Soot)和无机盐的质量分数减小,并且颗粒物中SOF的组分酯类及酸类物质增加,烷烃类、芳香烃及酚类物质相应地减少。B0排放颗粒物中SOF的碳原子数主要在C12~C24之间,B20排放颗粒物中SOF碳原子数分布范围较为集中,主要在C15~C22之间。     

直喷式柴油机燃用生物柴油的性能与排放

为了研究生物柴油在柴油机上的应用,在一台四缸涡轮增压直喷式柴油机上进行不同掺混比生物柴油与柴油混合燃料的性能对比试验,分析了在不同转速和负荷下柴油机燃用不同掺混比混合燃料的动力性、经济性和排放特性。研究结果表明:生物柴油与柴油相比,在2 200 r/min负荷特性下,有效能耗率减少,NOx排放增加较多,中小负荷碳烟排放基本相同,大负荷碳烟排放明显降低,中小负荷HC排放明显降低,大负荷HC排放基本一致,CO排放基本不变;在外特性下,功率略有增加,HC排放和碳烟排放均有所降低,CO排放和NOx排放增加。     

掺混比对正丁醇—柴油混合燃料性能影响的研究

为了研究正丁醇—柴油混合燃料对柴油机性能的影响,在一台单缸风冷柴油机上进行了正丁醇—柴油混合燃料的试验研究。试验分别选择了6种不同掺混比(B5,B10,B15,B20,B30,B40)的正丁醇—柴油混合燃料进行动力性、排放性和燃油经济性的对比分析。结果显示,三种转速下,B5~B30范围内,随着正丁醇掺混比的增加,缸内平均压力和燃烧放热率峰值逐渐升高,且放热率峰值后移。额定工况(3 600 r/min,100%负荷)下,B40混合燃油缸内平均压力峰值低于纯柴油,柴油机功率下降。随着掺混比的增加,小负荷(10%和25%负荷)时,NO排放略有降低,幅度为3.71%~11.6%。大负荷(75%和100%负荷)时,NO排放随掺混比增加逐渐增多。额定工况时,B40的NO排放相对纯柴油升高14.1%,B30升高11.3%。所有工况下,碳烟排放随掺混比增加都有一定程度降低。大负荷高转速(3 600 r/min)时,碳烟排放降低最为明显。额定工况下,B40的碳烟降低达50.9%,B30降低43%。B0~B30范围内,燃油消耗率相对纯柴油变化不明显,B40时显著上升。从动力性,排放性及燃油经济性三方面综合考虑,B30为最优方案。     

F-T柴油废气氛围下的燃烧及排放特性

针对煤制高十六烷值F-T柴油,在非道路柴油机上加装EGR,探究了不同EGR率下燃用F-T柴油的燃烧特性及排放特性.结果表明:引入EGR使滞燃期延长,燃烧重心后移,最高爆发压力、瞬时放热率峰值和缸内平均燃烧温度降低;与不引入EGR相比,EGR率为15%时,NO_x显著下降,燃烧参数变动小,HC和CO略有增加;EGR率为30%时,燃烧重心明显后移,NO_x的比排放最大降幅为61.6%,HC和CO的比排放增幅分别为13.2%和13.3%;F-T柴油在单缸机的颗粒粒径分布呈对数正态分布,随着EGR率的增加,低负荷时,峰值粒径减小,颗粒向小粒径颗粒转化;中、高负荷时,峰值粒径增加,颗粒向大粒径颗粒转化.     

重力场作用下三种不同燃料液滴在垂直电场中的燃烧特性

该文选取丙醇、癸烷、柴油为实验液滴燃料,通过利用高速摄像机对液滴燃烧时火焰和粒径的实时测量,以及激光诱导白炽光(LII)对碳烟体积分数的测量方法,研究了重力场作用下液滴在垂直电场中的燃烧特性。研究结果表明:三种燃料火焰高度均随极板间电压的增加而增加,火焰宽度随极板间电压的增加而减小;丙醇燃烧基本不生成碳烟,癸烷及柴油火焰中碳烟体积分数随极板间电压增加而减少;燃烧速率常数随极板间电压的增加而增加,其中丙醇、癸烷、柴油燃烧速率常数最大增加值分别为9%、20%、30%。分析研究表明:电场对火焰的拉伸有助于抑制碳烟的生成和促进碳烟的氧化,降低了火焰中的碳烟生成量,削弱了碳烟对外的辐射换热,从而促进了燃料的燃烧。