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《江苏大学》 2016年
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甲醇/生物柴油混合燃料雾化及着火过程的研究

李瑞娜  
【摘要】:柴油机燃用含氧替代燃料,能够有效降低排放污染物。甲醇和生物柴油作为柴油机的含氧替代燃料,得到了越来越广泛的关注和应用。柴油机燃用甲醇/生物柴油混合燃料不仅能够替代石化燃料,还能有效降低柴油机排放污染物。甲醇、生物柴油与柴油的分子结构、理化特性不同,燃料在柴油机缸内的雾化过程不同,对着火过程也会产生影响。论文共分七章,重点围绕小型农用柴油机燃用甲醇/生物柴油混合燃料的雾化和着火过程,采用理论分析和试验研究相结合的方法,从混合燃料的理化特性、液滴蒸发特性、喷雾特性、着火过程以及改善混合燃料着火过程的措施等方面开展了研究工作,解释了甲醇/生物柴油混合燃料的二次雾化过程,提出了柴油机燃用混合燃料的自燃-点燃着火模式,确定了柴油机燃用混合燃料的甲醇最佳掺混比范围。针对甲醇/生物柴油混合燃料的理化特性,采用接触角试验,考察了混合燃料的互溶性;结合小角X射线散射试验,测量了混合燃料中甲醇液滴的微观尺度,探讨了燃料的分子结构与理化特性之间的关系,考察了甲醇与生物柴油的微观混合方式。结果表明,甲醇与生物柴油的互溶性较好;但微观上,混合燃料中存在生物柴油包裹甲醇的纳米液滴,当甲醇的掺混比为10%和20%时,混合燃料中甲醇液滴的平均半径为11.00nm和9.88nm;基于燃料分子的化学结构特征和活性原子机理,建立了醇类燃料和酯类燃料的十六烷值估算公式,并计算了不同掺混比时甲醇/生物柴油混合燃料的十六烷值。围绕混合燃料的雾化过程,从液滴的蒸发特性和混合燃料的喷雾特性两个方面开展了研究。(1)根据甲醇/生物柴油混合燃料液滴在柴油机缸内蒸发的特点,建立并验证了混合燃料在对流热空气氛围环境中的液滴蒸发模型,分析了蒸发环境状态参数、液滴几何尺寸、甲醇掺混比等因素对液滴蒸发规律的影响。结果表明,在混合燃料液滴的蒸发过程中,甲醇先于生物柴油蒸发结束;液滴蒸发时间随着环境温度、空气运动速度、液滴初始半径、甲醇掺混比的增加而缩短,随着环境压力的增加而延长;添加甲醇有利于混合燃料液滴的蒸发。(2)通过缸内喷雾过程模拟和常温常压条件下的喷雾试验,考察了不同喷油压力、甲醇掺混比时,混合燃料的喷雾形态、贯穿距离、喷雾锥角、索特平均直径(smd)、缸内浓度场、湍流速度场、燃料蒸发速率的变化规律。结果表明,随着甲醇掺混比的增加,混合燃料的喷雾贯穿距离缩短,喷雾锥角增加,相同曲轴转角时刻的燃油蒸发质量增加,混合燃料的蒸发特性得到改善。结合甲醇/生物柴油混合燃料的分子结构特征,提出混合燃料液滴的破碎经历了表层燃料蒸发、内部甲醇汽化、膨胀、破碎的过程,解释了混合燃料喷射过程中的二次雾化现象。针对混合燃料在柴油机缸内的着火过程,建立了186f柴油机的缸内燃烧过程模型。根据含氧燃料的特点,提出混合气温度和氧燃比判断燃料着火的指标。结果表明,小比例掺混甲醇时,生物柴油先于甲醇着火;随着甲醇掺混比的增加,生物柴油在柴油机缸内的着火位置从油束的边缘向油束的中心和喷油嘴附近移动。混合燃料在柴油机缸内的着火过程经历了生物柴油自燃、点燃甲醇、着火促进三个阶段,是自燃和点燃两种着火方式相互结合、相互促进的过程,并提出了甲醇/生物柴油混合燃料的自燃-点燃着火模式。并从燃料的着火特性、柴油机动力性、工作粗暴的角度,探讨了柴油机在不同工况时的甲醇最佳掺混比范围。结果表明,在不改变186f柴油机结构的条件下,依据着火特性、柴油机动力性、工作粗暴的评价方法,甲醇掺混比应分别小于14%、16%、24%。针对甲醇十六烷值低、大比例掺混甲醇时混合燃料会产生着火困难的问题,提出了采用添加十六烷值改进剂、改变柴油机压缩比、喷油参数的方法改善混合燃料的着火过程。通过红外光谱试验、电子顺磁试验,从化学键裂解能、燃料组分、自由基浓度的角度分析了十六烷值改进剂改善燃料着火过程的原因;通过186F柴油机台架试验,考察了柴油机在不同运转工况时燃用甲醇/生物柴油混合燃料的燃烧特征参数和排放污染物的变化规律。结果表明,添加十六烷值改进剂会增加混合燃料中的自由基浓度,改进剂分子可以在较低温时发生分解反应产生链式引发剂,促使燃料提前着火;试验选择的三种十六烷值改进剂中,硝酸环己酯缩短滞燃期的效果最好,其次是硝酸异辛酯和二乙二醇二甲醚。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TK421.2

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