生物柴油芳香烃类污染物的生成与分析

芳香烃是碳烟生成的重要前躯体物质,采用活性炭吸附管、玻璃纤维滤纸、XAD-2吸附管等对芳香烃类污染物进行了采集,运用色谱技术进行分离测定,考察了柴油机燃烧生物柴油时,不同工况下的芳香烃类污染物排放规律。构筑了包含PAHs生成过程的生物柴油化学反应动力学机理,分析了激波管燃烧条件下,过量空气系数、温度和压力对芳香烃生成的影响。研究结果表明,柴油机燃烧生物柴油时,排气中单环芳香烃的平均质量浓度远高于多环芳香烃。随着负荷的增加,排气中的芳香烃均呈先降后升的趋势,气相PAHs的质量浓度均高于颗粒相PAHs,颗粒相PAHs的质量浓度随着负荷的增加呈下降趋势,生物柴油燃烧产生的多环芳香烃中,三环菲的质量浓度最高;激波管燃烧条件下,生物柴油燃烧产生的多环芳香烃各组分按照峰值浓度的大小依次为萘、菲、芘,随着过量空气系数的提高,反应中间产物h、oh自由基增加,PAHs易被氧化为芳烃基或小分子芳香烃。随着初始温度的提高,反应始点提前,芳香烃各组分的峰值浓度出现在燃烧温度急剧上升的时刻;随着初始压力的提高,萘、菲的峰值浓度下降,四环芘的峰值浓度随着初始压力的提高而上升。     

柴油/乙醇燃料发动机缸内燃烧过程的数值模拟

为了研究柴油/乙醇燃料的缸内燃烧过程和污染物生成过程,采用正庚烷、多环芳香烃和NOX生成的化学反应动力学机理表征柴油燃料,柴油简化机理与乙醇简化机理对接后,与三维CFD软件-KIVA进行耦合计算.结果表明,模拟得到的缸内压力曲线与实验值吻合良好;乙醇较高的汽化潜热值使得缸内燃烧温度有所降低,可减少NOX排放;乙醇可以有效提高缸内油-气混合的均匀程度,其含氧特性增加了缸内的氧浓度,使碳烟粒子与氧的碰撞机会增大,抑制了碳烟形成.     

生物柴油滞燃特性的化学动力学机理分析

采用正庚烷和癸酸甲酯化学动力学组合机理,利用CHEMKIN-PRO均质零维反应器模型对生物柴油滞燃特性进行模拟计算与分析。结果表明:随着初始温度和压力的上升,着火延迟时间迅速减小,在750~900K之间出现了明显的负温度系数现象;生物柴油体积分数的增加,使得OH自由基的浓度峰值上升并且提前出现,诱导火焰提前产生,导致着火延迟时间缩短;脂肪族链上C=C双键使得附近C-H键能变弱,促使过氧基的异构化反应减少,抑制了低温链分支反应;C=C双键数量越多及C=C双键越靠近脂肪族链中心位置,对低温活性的抑制作用越大,着火延迟时间越长。     

HCCI燃烧模式下生物柴油的NOx排放研究

利用癸酸甲酯(C11H22O2)作为生物柴油的替代机理,结合Woschni传热模型和癸酸甲酯简化机理的化学反应动力学数值模拟,考察了进气温度、压力、过量空气系数等参数对NOx排放的影响,对生物柴油HCCI发动机的NOx排放进行了预测,得到了NOx排放的预测Map.研究结果表明:改进的癸酸甲酯机理能够较好地模拟低温燃烧过程和着火时刻;进气温度和进气压力提高后,着火时刻提前,导致NOx排放的增加;提高过量空气系数可以降低NOx的排放量.     

燃料气体预热温度对微燃烧器性能影响的分析

燃料在直圆管形状的微尺度燃烧器中进行预热燃烧,对比不同预热温度下的燃烧器工作性能,检验强化预热对促进微燃烧稳定的效果。实验选择燃料混合气体流量为0.12、0.24、0.36L/min,预热温度分别为室温23℃和250、500℃。实验结果显示,在室温,燃料混合气体流量0.12L/min下,燃烧器可燃极限当量比为0.339~3.639。预热温度上升到250℃时,可燃极限当量比范围增大到0.317~4.304。 而预热温度500℃时,可燃极限当量比范围减小为0.453~1.706。在实验中测量燃烧器壁面温度,结合数值模拟研究内部燃烧过程。模拟结果显示,随预热温度上升,反应区域峰值温度上升。在流量0.24L/min,当量比为1,预热温度由室温上升至500℃时,峰值温度由1.890K上升至2.013K。实验结果证明适当预热可以提高反应温度,从而抑制热熄火。     

燃料气体预热温度对微燃烧器性能影响的分析

燃料在直圆管形状的微尺度燃烧器中进行预热燃烧,对比不同预热温度下的燃烧器工作性能,检验强化预热对促进微燃烧稳定的效果.实验选择燃料混合气体流量为0.12、0.24、0.36 L/min,预热温度分别为室温23℃和250、500℃.实验结果显示,在室温,燃料混合气体流量0.12 L/min下,燃烧器可燃极限当量比为0.339～3.639.预热温度上升到250℃时,可燃极限当量比范围增大到0.317～4.304.而预热温度500℃时,可燃极限当量比范围减小为0.453～1.706.在实验中测量燃烧器壁面温度,结合数值模拟研究内部燃烧过程.模拟结果显示,随预热温度上升,反应区域峰值温度上升.在流量0.24 L/min,当量比为1,预热温度由室温上升至500℃时,峰值温度由1 890 K上升至2 013 K.实验结果证明适当预热可以提高反应温度,从而抑制热熄火.     

包含PAH的正庚烷燃烧简化机理

对W ang和Frenklach提出的乙炔和乙烯燃烧详细化学反应机理(包含99种组分,527个反应)进行敏感性分析,提取其中影响PAH生成的重要反应,加入到天津大学内燃机国家重点实验室提出的正庚烷燃烧简化机理(SKLE)中,创建了一个新的包含PAH的正庚烷燃烧简化机理(包含65种组分,79个反应)。模拟结果与美国Curran H.J等人提出的正庚烷燃烧详细反应机理(包含544种组分,2 446个反应)吻合得很好。表明新机理能精确的反映正庚烷的燃烧特性,同时为预测PAH的生成提供参考依据。     

乙醇与柴油混合燃料燃烧特性的试验研究

研究了柴油机燃用乙醇和柴油混合燃料的燃烧特性.试验结果表明:乙醇混合比例小于20％时,各种不同比例的混合燃料的缸内温度曲线、缸内压力曲线变化趋势相同;随着混合燃料中乙醇比例的增加,缸内最高燃烧压力增大,最高燃烧温度增大,最大压力升高率增加,放热率峰值增大且放热率曲线及峰值点依次滞后,滞燃期延长,燃烧持续期缩短.     

煤层气—空气预混层流火焰特性试

利用高速摄影技术,在定容燃烧弹中研究了不同燃空当量比、初始压力和煤层气中CH4浓度对煤层气燃烧火焰传播速度和层流燃烧速度的影响.研究结果表明:在燃空当量比为1.1时层流燃烧速度最大;燃烧开始时,随着初始混合压力的增加,最大燃烧压力明显增加,火焰传播速度和层流燃烧速度减小,火焰半径大于40 mm后,层流火焰传播速度和燃烧速度又随初始压力的增加而增大;随着煤层气中CH4浓度的增加,层流燃烧速度和最高燃烧压力显著增大.     

点火定时对缸内直喷汽油机燃烧及颗粒物排放的影响

采用燃烧分析仪和DMS500型快速颗粒取样分析仪,在一台缸内直喷汽油机上进行了点火定时对燃烧过程和颗粒物排放影响的试验研究.结果表明:随着点火定时的不断延迟,火焰发展期逐渐缩短,快速燃烧期逐渐增大,缸内压力峰值逐渐下降,瞬时放热率峰值和缸内最高燃烧温度均逐渐降低且后移,放热过程迟缓,膨胀行程缸内温度逐渐升高.缸内直喷汽油机排气颗粒物排放呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布;随点火定时的推迟,核态和积聚态颗粒物峰值数密度均逐渐降低,颗粒物总数量浓度逐渐降低,积聚态颗粒物峰值粒径逐渐减小,而核态颗粒物峰值粒径受点火定时的影响较小.     

小尺度双网格荷电雾化燃烧器热损失特性研究

以无水乙醇为燃料,运用荷电雾化技术,实验研究了锥-射流喷雾模式下双网格燃烧器的燃烧与热损失特性。结果表明,在当量比Φ为0.85~1.40区间内燃烧稳定,圆形片状火焰附着于燃烧网格附近,火焰直径与燃烧器内径相当。火焰温度、燃烧效率均随当量比的增大先上升后下降,在当量比Φ=1时分别达到最大值1 197.38 K、93.26%。尾气温度随当量比的增大而降低,壁面热损失随当量比增大而增加。壁面热损失与燃料完全燃烧释放热量比例为27.25%~33.08%,其中辐射热损失略高于对流热损失。燃烧器热效率在当量比Φ≤1下可达69%。双网格燃烧器可实现小尺度条件下液体乙醇的良好喷雾、蒸发与燃烧。     

生物柴油-乙醇混合燃料的燃烧特性

研究了柴油机燃用生物柴油-乙醇混合燃料时的燃烧特性,结果表明:乙醇掺烧比小于30%时,各种不同比例的混合燃料的缸内压力曲线趋势相同;随着混合燃料中乙醇掺混比的增加,滞燃期延长,最大压力升高率增加,缸内最高燃烧压力增大,平均压力升高率曲线及峰值点依次滞后,放热率峰值增大且峰值点滞后,燃烧持续期缩短;最高平均压力升高率不大于0.6MPa/oCA,柴油机运转平稳.     

燃料组分和分子结构对NO_x生成的影响

生物柴油的主要组分含有不饱和双键,分子碳链较长,含氧量在10%左右,这些特殊的燃料组分和分子结构对NOx的形成有重要影响。为了探讨燃料组分和结构对NOx排放的影响规律,运用Chemkin软件中的闭式均相反应器模型,模拟了元素组成相同或相近、分子结构类似的若干组物质NOx的生成,考察了饱和程度、碳链长度、含氧量对NO,NO2生成和燃烧温度的影响。研究结果表明,双键数量越多,燃烧温度升高,NOx的生成速率越快,NOx的生成量越大;较长的碳链在一定程度上能抑制NOx的生成;较高的含氧量能促进燃烧温度的升高,导致NOx生成量增大。     

柴油/甲醇燃烧微粒热解化学反应参数研究

应用热重/差热同步分析仪,在氧气氛围下对柴油/甲醇(M0/5/15)燃烧微粒进行了热解过程试验,得到了微粒的失重曲线和燃烧速率曲线。根据试验数据分析了微粒的热解过程、着火温度和燃尽特性指数,并计算了微粒的热解动力学参数。结果表明,随着甲醇掺混比的增大,微粒中挥发组分的质量减少,第1温度区间的热解速率峰值减小,固定碳颗粒的质量增加,第2温度区间的热解速率峰值增大;微粒的反应活化能降低,热解性能增强;微粒的着火温度降低,燃烧特性指数和燃尽特性指数上升,微粒的燃烧效率提高。     

耦合简化机理的生物柴油燃烧数值模拟

利用丁酸甲酯的简化机理和计算的生物柴油物性参数,建立了生物柴油燃烧过程CHEMKIN和FIRE软件的耦合计算模型。该模型由于加入了燃料的化学反应动力学机理,同时考虑了化学时间尺度和湍流时间尺度对燃烧的影响,能更准确地反映预混燃烧程度和扩散燃烧的持续时间。通过在模拟中减小喷油器喷孔直径,得出湍流混合强度的增加能够避免燃料和自由基的局部浓度过高,使化学反应发生的区域更广,燃烧更充分,同时也有利于改变碳烟气态前驱物的氧化路径,从而降低碳烟排放。     

基于AVL-FIRE的醇醚燃料发动机燃烧与排放特性研究

将甲醇添加到二甲醚柴油的混合燃料中,利用AVL-FIRE软件对混合燃料的燃烧特性和排放特性进行仿真分析。将柴油按质量比70%固定不变,分别将甲醇以12%、8%、4%和0%的比例添加到柴油当中,其余添加二甲醚。研究这4种混合燃料在2 200r/min高负荷工况下缸内温度、压力、累积放热量、NOX和Soot排放的情况,并与柴油作比较。结果表明:在高负荷工况下,随着混合燃料中甲醇含量的增加,缸内压力逐渐增大,缸内压力峰值所在的曲轴转角位置基本不变;随着混合燃料中甲醇含量的增加,放热率曲线峰值减小,最高缸内温度呈下降趋势,NOX排放量降低,Soot排放量上升。     

实验研究气体燃料掺烧氢气的火焰层流燃烧特性

开展了低热值气体燃料掺烧氢气的实验研究。搭建了定容燃烧弹实验系统,分析了不同初始条件下低热值气体掺氢燃料的火焰层流燃烧速度的变化趋势。实验结果表明,增加初始压力会降低火焰的层流燃烧速度;增加初始温度会提高火焰的层流燃烧速度;掺氢比的增加会提高火焰的层流燃烧速度,但增加了火焰的不稳定性;当量比对火焰层流燃烧速度的影响比较复杂,一般浓混合气燃烧速度大于稀混合气。本文的研究为低热值气体燃料掺氢发动机的设计和开发提供实验依据。     

均质充量压燃发动机着火过程控制参数的研究

为了研究均质充量压缩火燃烧(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)发动机在不同燃料下的着火控制时刻影响因素,以甲烷/丙烷混和物和异辛烷/正庚烷混合物作为燃料,考察了十六烷值、辛烷值、压缩比、燃空当量比、进气温度、进气压力对HCCI发动机着火时刻的影响.计算结果表明,随着燃料十六烷值的增加,着火延迟期减小;随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加.而压缩比,燃空当量比,进气温度的变化会引起燃料着火时刻的显著变化.进气压力的变化对高十六烷值的燃料着火延迟期影响较小,但对辛烷值高的气体燃料着火延迟期有一定影响.综合来说,气体十六烷值越低,辛烷值越大,着火延迟期受上述参数变化影响越大.     

微尺度催化燃烧表面反应对气相反应的影响

建立局部催化微通道内部燃烧过程的计算模型,采用氢氧气相反应动力学机理和表面反应机理进行了数值模拟,分析了不同流速、当量比和通道高度下表面反应对气相反应的影响。结果表明,入口流速越大,表面反应对催化段下游气相反应的促进作用越明显。表面反应热使上下壁面内侧产生的温差随流速的增大而增大;在当量比约为1时,表面反应明显促进气相反应,而在氧气大幅过量或者严重不足时,表面反应却明显抑制气相反应。在相同的质量流量下,减小通道高度对表面反应影响较小,对催化段附近空间反应的抑制作用增强,外壁面温度增加。     

谈汽油机可燃混合气的形成与燃烧过程

气缸内的可燃混合气通过火花塞点火燃烧,使气缸内气体的压力、温度急剧升高,为膨胀做功积聚能量。在燃烧过程中,燃料的燃烧是否正常,与混合气的浓度有很大关系,只有燃料正常的燃烧,才能在燃烧进程位于上止点附近最大限度的提高缸内气体的压力和温度,燃料燃烧的是否完全、最高压力点的位置、压力增长率是否合适,对发动机性能有很大的影响。