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。     

EGR对不同生物柴油/柴油掺混比下碳烟前驱体形成的影响

以生物柴油和柴油混合燃料为研究对象,采用AVL-Fire和Chemkin软件耦合,简化正庚烷-癸酸甲酯-9-癸烯酸甲酯燃烧反应机理作为燃烧化学反应动力学机理,构建了有3 299个组分和10 806个基元反应的生物柴油/柴油化学反应动力学模型,分析了EGR率和生物柴油/柴油掺混比对乙炔、苯、萘、菲和芘等碳烟前驱体生成规律的影响.结果表明:碳烟前驱体主要生成于预混燃烧阶段;随着曲轴转角的增加,碳烟前驱体生成量呈先升高后降低的趋势;随着生物柴油/柴油掺混比的增加,碳烟前驱体的初始生成时刻提前,生成量峰值和最终生成量都有所降低;随着EGR率的增加,生成量峰值时刻都有所滞后,乙炔生成量峰值降低,最终生成量逐渐升高,苯、萘、菲和芘最终生成量有所增加.     

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.     

小分子含氧燃料对正庚烷燃烧碳烟前驱物的影响

为了探讨含氧燃料/正庚烷燃烧过程中芳香烃(PAH)的形成过程,深入理解含氧燃料对柴油机颗粒形成的影响,采用化学动力学软件构建了含氧燃料/正庚烷/PAH着火燃烧模型。在类似柴油机燃烧的条件下,研究添加小分子含氧燃料二甲醚、甲醇和乙醇对正庚烷燃烧过程中碳烟前驱物芳香烃的影响。研究结果表明:随着燃料中氧含量的增加,不完全燃烧中间产物C2H2、C2H4含量和芳香烃含量逐渐降低;二甲醚和乙醇的含氧量相同,但由于其分子结构中氧原子位置的不同,导致燃料碳的迁移路径不同,最终使得二甲醚降低PAH的能力强于乙醇;虽然甲醇、乙醇有相同的含氧官能团,但得益于甲醇分子没有C-C结构,使得甲醇降低PAH的能力要强于乙醇。     

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.     

不同燃料对压燃发动机燃烧及关键组分的影响

采用计算流体动力学(CFD)模拟技术研究了直喷式柴油机燃用不同燃料(柴油、甲苯、十二烷、十六烷、正庚烷及异庚烷)的燃烧特性以及燃烧过程中关键反应组分的变化历程,分析了不同燃料燃烧反应组分与放热率之间的关系.研究结果表明:缸内压力计算值与参考文献中实验值较吻合,验证了模型的正确性;燃用甲苯缸内压力、放热率以及累积放热量最大;燃用甲苯缸内燃烧反应产生的H,N,OH与O活性基量级最大.此外,燃用6种不同燃料,均是OH活性基生成较多.     

柴油机燃烧过程中多环芳香烃的生成机理

以正庚烷和甲苯作为柴油燃料替代混合物,构建了1个包含多环芳香烃（PAHs）的柴油燃料替代混合物燃烧化学动力学机理,PAHs的生成考虑到5个苯环。该机理包括153种组分,697个基元反应。在激波管、正庚烷预混火焰和均质充量压燃着火发动机条件下对该机理进行了验证,结果表明构建的机理在HCCI燃烧方面的预测性能是可靠的,可以进一步简化,进而为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合计算燃烧和排放提供了可行的途径。     

柴油机掺烧醇类燃料燃烧排放特性的试验研究

针对不同醇类组分对柴油机的实用性影响进行研究。在单缸柴油机上分别燃用纯柴油、乙醇柴油和正丁醇柴油三种燃料,并进行负荷特性的燃烧排放对比试验。结果表明,与纯柴油相比,正丁醇柴油和乙醇柴油的滞燃期延长0.1°～2°曲轴转角,最大放热率峰值升高最大可达36％,最大爆发压力推迟约0.4°～4°曲轴转角;中等转速1500 r/min时,正丁醇柴油和乙醇柴油的动力性优于纯柴油;高转速2000 r/min时,正丁醇柴油、乙醇柴油与纯柴油动力相当,正丁醇柴油的当量燃油消耗率与乙醇柴油、纯柴油相比分别减少约2.5％和4％。正丁醇柴油的NOx排放大多数工况下低于纯柴油约17％～39％,且降低效果较乙醇柴油更为明显,而乙醇柴油在标定转速中高负荷工况时NOx排放高于纯柴油;醇类柴油的碳烟排放比纯柴油降低,正丁醇柴油相对于乙醇柴油抑制碳烟生成的工况点更多,在标定点工况下正丁醇柴油比纯柴油的碳烟可降低62％。可见作为柴油机的替代燃料,在大多数工况下正丁醇柴油燃烧排放性能优于乙醇柴油。该研究为柴油机燃用正丁醇的推广提供了试验依据。     

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。     

短链醇酯与柴油混合燃料燃烧过程分析

为了解短链醇酯混合燃料的燃烧特性,在柴油机上燃用不同比例乙醇-碳酸二甲酯(DMC)-柴油多元混合含氧燃料,并运用Chemkin软件模拟缸内燃烧氧化动力学性质,探究含氧官能团对燃烧过程影响的机理.结果表明:由于短链醇酯燃料具有较高的汽化焓及较低的十六烷值,延缓了混合燃料的着火过程,故随混合燃料中乙醇和DMC掺混比例的增加,缸压曲线不断后移,压力峰值逐步降低;但由于着火延迟期内形成的可燃混合气量增多,使放热率峰值逐步上升.反应动力学结果显示:低温区活性自由基·OH主要由正庚烷(柴油替代物)脱氢生成,乙醇和DMC的加入能争夺低温反应区内的·OH,使反应活性较强的·OH转化为活泼性稍差的H_2O_2,抑制了整个燃烧过程,使着火延迟期变长;在高温阶段,乙醇分子中C—C和C—O键的断裂优于C—H和O—H键,而DMC主要发生C—O的裂解,C=O键因键能更高未断裂.     

直喷汽油机颗粒物生成及排放特性研究进展

通过对缸内直喷汽油机颗粒物生成机理、排放特性以及影响因素的研究进行综述,了解到直喷汽油机碳烟的生成主要源于缸内壁面油膜的池火燃烧和局部混合气过浓的影响,多环芳香烃是碳烟生成的主要前驱物;直喷汽油机颗粒物排放要高于进气道喷射汽油机以及装有颗粒捕集器的柴油机,并且与发动机运行及控制参数、混合气组织方式、燃油理化特性等有较大关系,通过优化燃烧组织措施,采用含氧燃料等方法能有效降低颗粒物排放.     

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.     

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.     

一种新型含氧燃料对柴油机燃烧特性的影响

为解决柴油机的碳烟颗粒和氮氧化物排放难以同步降低的矛盾,在一台TY1100直喷柴油机上对新设计的一种含氧添加剂乙酸-2-甲氧基乙酯(MEA)和柴油的混合燃料进行了燃烧和排放的试验研究.结果表明:MEA可与柴油实现良好的互溶;在相同的工况下,随着混合燃料中MEA比例的增加,柴油机缸内的最高压力变化较小,但滞燃期略有延长,瞬时放热率增加,燃烧持续时间变短;MEA可以显著降低柴油机的碳烟排放,可使HC和CO的排放有一定程度的降低,但对发动机NOx的排放没有明显的影响;在不改变发动机结构参数的条件下,当燃用体积分数为15%的MEA混合燃料时,发动机的碳烟排放平均降低约50%,发动机的标定功率下降约5%,而热效率提高约2%.     

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。     

新型氧化添加剂EGM影响柴油机性能和排放特性的研究

提出了用含氧柴油添加剂EGM降低柴油机碳烟排放的方法,建立了超声波EGM-柴油在线混合装置,在4JB1直喷柴油机上试验研究了含氧添加剂对发动机性能和排放特性的影响。结果表明,在大负荷时随着混合燃料中的EGM增加,碳烟和CO的排放显著降低;对NOx的排放影响很小;在小负荷时HC的排放增加。     

新型氧化添加剂EGM影响柴油机性能和排放特性的研究

提出了用含氧柴油添加剂EGM降低柴油机碳烟排放的方法，建立了超声波EGM-柴油在线混合装置，在4JB1直喷柴油机上试验研究了含氧添加剂对发动机性能和排放特性的影响。结果表明，在大负荷时随着混合燃料中的EGM增加，碳烟和CO的排放显著降低；对NOx的排放影响很小；在小负荷时HC的排放增加。     

含氧燃料添加对引燃式天然气发动机细颗粒排放的影响

为了降低柴油引燃天然气发动机的颗粒排放,在改装的柴油机上试验研究了含氧燃料碳酸二甲酯(DMC)添加对柴油引燃天然气发动机燃烧和颗粒排放的影响。通过对比分析不同的含氧燃料掺混比下的燃烧参数和颗粒排放特性发现:随着引燃燃料中DMC掺混比的增大,引燃燃料中含氧量(氧的质量分数)的不断增加,滞燃期逐渐推迟,初始燃烧放热率峰值增大,初始燃烧期逐渐延长,总燃烧持续期不断缩短;柴油引燃天然气发动机的颗粒排放呈现单峰分布,随着引燃燃料中含氧量的增加,颗粒数量浓度峰值粒径向大颗粒粒径方向移动,颗粒的数量浓度和质量浓度同时减小,当引燃燃料中含氧量达20%时,颗粒质量浓度降幅达70%,颗粒数量浓度降幅达86%。因此,引燃燃料中添加含氧燃料DMC是一种降低柴油引燃天然气发动机颗粒排放的有效方法。     

F-T柴油/乙醇混合燃料的燃烧及排放特性

在具有高十六烷值的F-T柴油中添加不同比例的乙醇燃料制得乙醇/F-T柴油混合燃料,通过与0#柴油和纯F-T柴油进行比较,研究其燃烧和排放特性。研究结果表明:与0#柴油相比,F-T柴油的滞燃期最短,混合燃料的滞燃期小于0#柴油、大于F-T柴油,且混合燃料乙醇比例越高,滞燃期越长;混合燃料燃烧始点提前,累计放热量达50%时的曲轴转角CA50增大,燃烧放热中心推迟,燃烧放热率第一峰值点下降,预混燃烧放热量降低,使燃烧温度降低,第二峰值点上升,扩散燃烧比重增大。在外特性2 000 r/min下,相比于0#柴油,混合燃料E10、E20的NO_x排放分别降低了24.9%和30.6%,碳烟排放分别降低了65.1%和76.2%,甲醛排放分别降低了67.7%和45.9%。     

煤基醇类混合燃料柴油机的性能研究

在F-T柴油中添加10%体积比的甲醇、乙醇与丁醇燃料,研究不同的醇燃料对于发动机性能的影响。研究结果表明:相对于0#柴油,混合燃料燃烧始点提前,燃烧放热中心向后推迟,燃烧放热率第一峰值点降低,所在相位提前,预混合燃烧放热量降低,有利于降低燃烧过程的最高温度,实现低温燃烧;第二峰值点升高,扩散燃烧所占比重增加。相比于原机水平,混合燃料动力性能有10%左右的降低,燃油经济性能变化不大。在外特性2 000 r/min下,混合燃料M10、E10与N10的NOX排放分别降低23.19%、19.77%、18.67%。外特性下,碳烟排放分别平均降低80.40%、67.20%、71.47%。因此,煤基醇燃料能够实现NOX与碳烟排放的同时降低,并且相同体积的甲醇燃料对于柴油机排放的优化效果更加明显。