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柴油在含醇氛围内燃烧特性及作用机理的研究

杨广峰  
【摘要】: 近年来,我国的汽车产量和保有量大幅度增长,随之而来的能源和环境问题也越来越引起人们的注意。随着石油价格上涨、全球变暖以及其他环境问题的日益突出,必须对汽车结构、油品等进行改造以满足节能和环保的要求。我们以往在台架和道路试验上采用柴油/甲醇和柴油/乙醇组合燃烧方式进行了大量的试验研究,取得了较好的试验结果。但是,醇类燃料对柴油燃烧的作用机理还不是十分明确。 因此,本研究利用先进的研究手段,从燃烧学的角度并结合化学分析和光学测量的方法,系统地对正庚烷和正庚烷添加乙醇,以及目前广为使用的替代燃料甲醇、乙醇和二甲基醚的燃烧特性进行了研究,借此能完善醇类掺烧的作用机理,为实际应用提供指导。 本文详细比较了包括原位光谱诊断法,取样分析法等常用燃烧诊断技术的优势和不足。引入同步辐射单光子电离技术,结合分子束取样和飞行时间质谱技术,介绍其原理,发展历程和特点,并将其与国内外燃烧领域所使用的其它燃烧诊断方法相比较。 设计了一种定容燃烧弹试验装置,用于对加醇后的柴油的扩散火焰的燃烧特性进行相关的基础研究。该试验装置结构简单,能方便的改变热力参数(包括燃空比,残余废气,压力和温度)和湍流参数,能够容易的研究这些参数中单一参数变化对燃烧过程的影响。通过实验研究,得到了温度和混合气氛围对柴油着火特性的影响。随着温度的升高,柴油在空气中和含醇氛围的混合气条件下滞燃期和火焰浮起长度都随之缩短,但是柴油在空气中的滞燃期和火焰浮起长度小于在含醇的混合气中的数值,说明了醇的加入影响了柴油的自燃着火期,这可以为油气混合赢得更长的时间,为实现HCCI创造了有利的条件;随着混合气中甲醇含量的增加,柴油的着火滞燃期增大,火焰浮起长度增长,火焰的亮度先增强后减弱;火焰浮起长度随着混合气中甲醇含量的增大而增长。 利用先进的同步辐射单光子电离技术结合分子束取样技术分别对高辛烷值的乙醇和高十六烷值二甲基醚预混火焰的燃烧的中间产物进行比较,并对乙醇加入到正庚烷形成的混合燃料预混火焰进行了研究。结果表明,乙醇和DME虽然是同分异构体,但是二者的性质差别很大。乙醇的辛烷值高达111,而十六烷值只有8;DME的十六烷值高达60。同步辐射实验结果表明,在低压预混层流火焰中,乙醇的低温裂解速率明显快于二甲醚,DME火焰中乙醛和乙炔的生成量比乙醇中的大得多。正庚烷中添加乙醇后其火焰的燃烧速度在初始时刻小于正庚烷的燃烧速度,说明乙醇添加到正庚烷中抑制了正庚烷的某些热裂解反应的发生。正庚烷中添加乙醇后的乙醛和酮类物质的摩尔分数高于正庚烷火焰中的乙醛和酮类物质的摩尔分数,说明了乙醇可以增强正庚烷的部分氧化反应,影响正庚烷的消耗路径以及碳烟前驱体的产生方式。


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