生物柴油和石化柴油碳煙形成的數(shù)值模擬及試驗研究.pdf

1、本文以三維CFD(KIVA3V-R2)數(shù)值模擬為主,結(jié)合定容燃燒彈光學測試和發(fā)動機臺架試驗,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,預混燃燒比例增大,燃燒由以擴散燃燒

2、為主的雙峰放熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐灶A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,全程碳煙質(zhì)量(NTISM)趨近于0,接近無煙燃燒。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。
　　為進一步闡釋容彈中石化柴油碳煙形成歷程,本文改進了石化柴油現(xiàn)象學碳煙模型,考慮了表面氧化反應對碳煙數(shù)密度的影響,并利用不同初始溫度和氧濃度條件下高時間分

3、辨的定量碳煙測量數(shù)據(jù)對模型進行廣泛驗證,并與Hiroyasu-NSC碳煙模型的預測精度進行比較。結(jié)果表明,改進的碳煙模型耦合KIVA3V程序計算所得碳煙浮起長度、碳煙凈質(zhì)量及其空間分布均與試驗結(jié)果吻合較好,且其預測精度優(yōu)于Hiroyasu-NSC碳煙模型。氧濃度降低,氧化反應是影響碳煙變化的決定性因素,低氧濃度下氧化反應速率降低,石化柴油碳煙凈質(zhì)量、凈個數(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,碳煙生成反應受到

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

5、進行機理分析表明:該模型可以很好預測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)量變化趨勢相悖是因為主導碳煙變化的機理不同:高溫環(huán)境下,碳煙生成反應速率增大,氧化反應速率減小,生物柴油碳煙凈質(zhì)量、凈個數(shù)峰值升高;而低溫環(huán)境下,生成和氧化反應速率同時降低,但生成反應是影響碳煙變化的決定性因素,碳煙凈質(zhì)量、凈個數(shù)峰值降低。不同氧濃度下乙炔凈質(zhì)量變化不明顯,這是因為乙炔生成反應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,生物柴油化學特性對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)象學碳煙模型,構(gòu)建了可計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)模型以獨立計算混合燃料中各組分的蒸發(fā)速率。采用高壓共軌柴油機測試數(shù)據(jù)對模型進行驗證,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、EGR率等多種條件下燃燒和碳煙形成的預測與試驗結(jié)果吻合;提高生物柴油摻混比例或推遲供油時刻將導致碳煙生成反應速率降低,碳煙凈質(zhì)量峰值減小、柴油機碳煙排放降低。增大EGR率,環(huán)境氧濃度降低,碳煙氧化反應速率降低,碳煙排放升高,EGR率在42％時的碳煙排放較無EGR時提高了1.7倍。
　　本文發(fā)展了石化柴油現(xiàn)象學碳煙模型,提出了生物柴油現(xiàn)象學碳煙模型,構(gòu)建了生物柴油碳煙生成簡化機理,并在廣泛的試驗條件下加以驗證,這對于發(fā)展更為