柴油机燃用正丁醇/柴油颗粒形成过程研究

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内燃机的替代燃料以及颗粒排放等问题,引起了各国政府和学者的关注。正丁醇是一种含氧燃料,在柴油机上应用能有效地降低颗粒排放。论文针对柴油机燃用正丁醇/柴油混合油情况开展了研究,考察不同正丁醇添加比例对油品的影响,重点分析了颗粒的形成过程。通过柴油机台架试验,采集示功图,探讨正丁醇/柴油混合油的缸内燃烧压力、压力升高率和放热率等,运用扫描电镜和热重法,研究了混合油的颗粒形貌特征;通过构建正丁醇/柴油混合油的化学动力学模型,分析了碳烟前驱物(PAHs)对颗粒的影响规律。  研究了正丁醇/柴油混合油的基本物理化学特性。采用经验公式对不同正丁醇添加比例的混合油的馏程、热值及十六烷值进行分析;开展了正丁醇/柴油混合油的粘温特性试验;探讨了正丁醇添加比例、温度对混合油密度及粘度的影响规律。  分析了柴油机燃烧颗粒的生成过程,主要包括燃油分解、多环芳香烃的生成、碳核的形成、颗粒表面生长。可以得出,多环芳香烃是碳烟形成的前驱物质,对最终的生成量有重要的作用。运用CHEMKIN软件,构建了包含多环芳香烃生成过程的正丁醇/正庚烷的化学动力学模型,并验证了机理模型的准确性。通过生成速率法,探讨了影响多环芳香烃生成的关键基元反应,比较了各基元反应对PAHs生成的作用(促进或抑制)。结果显示,苯的总生成过程既有快速生成阶段又有快速消耗阶段;苯脱氢氧化成苯基是抑制苯生成的关键基元反应;随正丁醇添加比例的升高,多环芳香烃的摩尔分数峰值所对应的时刻有所延迟,且峰值降低。  在186F柴油发动机上,通过燃用不同正丁醇添加比例的混合油,测量分析柴油机缸内燃烧过程及排放污染物。由试验结果可知,随正丁醇添加比例的增加,在全负荷下,对比燃烧纯柴油,缸内燃烧压力升高;低负荷工况下,预混燃烧所占比例变大,放热率曲线呈现单峰。随正丁醇添加比例的上升,CO和HC排放量均有明显升高;烟度明显降低;在小负荷工况时,NOx排放量稍有下降,在高负荷工况下NOx排放量有所增加。  开展了扫描电镜试验,对不同掺混比例下正丁醇/柴油混合油燃烧颗粒的形貌特征及元素组成进行了研究。结果显示,混合油燃烧颗粒的结构形式呈团状或链状结构;随着正丁醇添加比例的增加,混合燃料燃烧颗粒的粒径变小,团聚度变高,排列更紧凑;由颗粒样品能谱图可以得出,检测C元素的X射线强度最高,此外还包含O、Na、Ca、K、Si、Ba、Zn等元素;正丁醇掺混比例升高,检测元素C的X射线明显降低,元素O的X射线有所上升,验证了正丁醇的加入能改善柴油机的燃烧过程,降低碳烟排放。运用热重法,围绕柴油机燃烧颗粒的热解特性,研究了正丁醇对燃烧颗粒组分的影响规律。研究表明,可溶碳氢有机物SOF的百分比随正丁醇比例的增加而升高,硫酸盐的质量分数呈现相反的变化趋势。
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