生物柴油和石化柴油碳煙形成的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究.pdf

1、本文以三維CFD(KIVA3V-R2)數(shù)值模擬為主,結(jié)合定容燃燒彈光學(xué)測(cè)試和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),系統(tǒng)研究了石化、生物柴油不同燃燒邊界條件下的碳煙形成機(jī)理,揭示不同初始環(huán)境溫度、環(huán)境氧濃度、生物柴油摻混比例、供油定時(shí)和EGR率下碳煙和燃燒中間產(chǎn)物的形成歷程及空間分布。
　　本文首先在定容燃燒彈中采用光源前置消光法(FILE)研究初始溫度和氧濃度對(duì)石化、生物柴油燃燒和碳煙形成的影響。研究發(fā)現(xiàn)初始溫度降低,預(yù)混燃燒比例增大,燃燒由以擴(kuò)散燃燒

2、為主的雙峰放熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐灶A(yù)混燃燒為主的單峰放熱,碳煙凈質(zhì)量降低;初始溫度700 K時(shí),全程碳煙質(zhì)量(NTISM)趨近于0,接近無(wú)煙燃燒。高溫環(huán)境下,隨氧濃度降低生物柴油碳煙凈質(zhì)量升高;低溫環(huán)境下,隨氧濃度降低碳煙凈質(zhì)量降低。與石化柴油相比,生物柴油燃燒壓力峰值小,碳煙凈質(zhì)量少。
　　為進(jìn)一步闡釋容彈中石化柴油碳煙形成歷程,本文改進(jìn)了石化柴油現(xiàn)象學(xué)碳煙模型,考慮了表面氧化反應(yīng)對(duì)碳煙數(shù)密度的影響,并利用不同初始溫度和氧濃度條件下高時(shí)間分

3、辨的定量碳煙測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行廣泛驗(yàn)證,并與Hiroyasu-NSC碳煙模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行比較。結(jié)果表明,改進(jìn)的碳煙模型耦合KIVA3V程序計(jì)算所得碳煙浮起長(zhǎng)度、碳煙凈質(zhì)量及其空間分布均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,且其預(yù)測(cè)精度優(yōu)于Hiroyasu-NSC碳煙模型。氧濃度降低,氧化反應(yīng)是影響碳煙變化的決定性因素,低氧濃度下氧化反應(yīng)速率降低,石化柴油碳煙凈質(zhì)量、凈個(gè)數(shù)和燃燒中間產(chǎn)物凈質(zhì)量峰值升高,碳煙平均摩爾質(zhì)量減小。初始溫度降低,碳煙生成反應(yīng)受到

4、梯級(jí)抑制:碳煙生成反應(yīng)速率首先開始降低,隨后碳煙前驅(qū)物生成反應(yīng)速率亦降低;最終,碳煙凈質(zhì)量和凈個(gè)數(shù)峰值降低,碳煙平均摩爾質(zhì)量增大。700 K初始溫度,整個(gè)燃燒室內(nèi)當(dāng)量比均低于2,碳煙生成質(zhì)量趨近于零。
　　在改進(jìn)的石化柴油現(xiàn)象學(xué)碳煙模型基礎(chǔ)上,耦合生物柴油官能團(tuán)結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙形成的化學(xué)作用,提出了生物柴油現(xiàn)象學(xué)碳煙模型,并應(yīng)用不同初始溫度和氧濃度的容彈燃燒和碳煙結(jié)果進(jìn)行廣泛驗(yàn)證。將該模型耦合KIVA3V程序?qū)θ輳椫猩锊裼吞紵熜纬蓺v程

5、進(jìn)行機(jī)理分析表明:該模型可以很好預(yù)測(cè)由溫度和氧濃度改變引起的燃燒壓力、放熱率及碳煙凈質(zhì)量的變化;氧濃度降低,不同溫度環(huán)境的碳煙質(zhì)量變化趨勢(shì)相悖是因?yàn)橹鲗?dǎo)碳煙變化的機(jī)理不同:高溫環(huán)境下,碳煙生成反應(yīng)速率增大,氧化反應(yīng)速率減小,生物柴油碳煙凈質(zhì)量、凈個(gè)數(shù)峰值升高;而低溫環(huán)境下,生成和氧化反應(yīng)速率同時(shí)降低,但生成反應(yīng)是影響碳煙變化的決定性因素,碳煙凈質(zhì)量、凈個(gè)數(shù)峰值降低。不同氧濃度下乙炔凈質(zhì)量變化不明顯,這是因?yàn)橐胰采煞磻?yīng)的溫度界限和濃度界

6、限更寬。初始溫度降低,生物柴油碳煙及燃燒中間產(chǎn)物變化與石化柴油類似。對(duì)燃燒過程、燃燒中間產(chǎn)物及碳煙的分析表明,生物柴油化學(xué)特性對(duì)碳煙形成的影響要大于其物理特性。
　　基于所提出的石化、生物柴油現(xiàn)象學(xué)碳煙模型,構(gòu)建了可計(jì)算混合燃料碳煙形成的石化-生物柴油碳煙模型,并構(gòu)建了多組分蒸發(fā)模型以獨(dú)立計(jì)算混合燃料中各組分的蒸發(fā)速率。采用高壓共軌柴油機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,研究結(jié)果表明,石化-生物柴油碳煙模型耦合KIVA3V程序?qū)θ剂辖M分、供

7、油定時(shí)、EGR率等多種條件下燃燒和碳煙形成的預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果吻合;提高生物柴油摻混比例或推遲供油時(shí)刻將導(dǎo)致碳煙生成反應(yīng)速率降低,碳煙凈質(zhì)量峰值減小、柴油機(jī)碳煙排放降低。增大EGR率,環(huán)境氧濃度降低,碳煙氧化反應(yīng)速率降低,碳煙排放升高,EGR率在42％時(shí)的碳煙排放較無(wú)EGR時(shí)提高了1.7倍。
　　本文發(fā)展了石化柴油現(xiàn)象學(xué)碳煙模型,提出了生物柴油現(xiàn)象學(xué)碳煙模型,構(gòu)建了生物柴油碳煙生成簡(jiǎn)化機(jī)理,并在廣泛的試驗(yàn)條件下加以驗(yàn)證,這對(duì)于發(fā)展更為