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《华中科技大学》 2010年
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大豆生物柴油在不同环境条件下燃烧与碳烟排放特性的研究

吴毅峰  
【摘要】:随着目前石油价格的快速飙升和越来越严格的排放法规的颁布,像生物柴油这样的可持续、低污染替代燃料的研究被许多国家作为重点研究项目立项。目前大多数研究都还处于探索阶段,因此,开展对生物柴油及生物柴油与石化柴油的混合燃油在不同环境条件下燃烧与排放特性的研究,将为生物柴油的应用提供理论与试验基础,具有十分重要的学术意义。 本文所有试验均在一个定容燃烧室中进行,该燃烧室可以用来模拟大缸径低速柴油发动机上止点处缸内高温高压环境。分别对燃油燃烧时缸内压力和放热率、贯穿距离、自然火焰亮度、碳烟量和升举长度进行了试验测量。在测量缸内碳烟的形成过程时,使用了一种新的碳烟测量方法——前照明消光法(FILE),该方法只需一个光学窗口就可以对缸内碳烟的形成过程进行二维定量测量,弥补了传统消光法定性测量的不足。利用光散射法测量了燃油贯穿距离,通过贯穿距离的测量可以了解燃油雾化时与环境氧气的混合情况。自然火焰亮度由CCD高速摄影仪直接拍摄,燃油燃烧时的火焰亮度受到缸内碳烟含量和火焰温度的直接影响,对燃油燃烧的分析非常重要。升举长度由OH化学发光成像法测得,通过一台高响应的ICCD相机配备以310 nm的滤光片来拍摄OH化学发光图像,并对其进行分析计算得出升举长度。升举长度可以用来计算燃油扩散燃烧时卷吸入燃油油束升举长度处的空气量,对缸内碳烟生成进行定性分析。生物柴油燃烧过程的仿真模拟利用CFD源程序KIVA-3V进行。供计算用的生物柴油物理性质是通过生物柴油性质计算软件BDProp得到,而且在模拟过程中,对程序中的着火模型和污染物生成模型等进行了修改以适应生物柴油的燃烧模拟。试验过程中,环境温度变化范围为700 K到1200 K,环境氧含量变化范围为21%到15%模拟不同的EGR环境,环境密度保持在15 kg/m3不变。对纯石化柴油B0、掺混20%与50%生物柴油的混合燃料B20与B50,和纯大豆生物柴油B100四种生物柴油及其与石化柴油的混合燃料进行了研究。 研究表明,环境温度、环境氧含量和燃油种类对生物柴油的燃烧都有较大影响,KIVA的模拟结果与试验结果吻合良好。本研究中生物柴油的着火延迟时间比石化柴油要短些。B100在较低含氧量条件下的燃烧比B0要好些。随着环境温度和燃油内生物柴油量的升高,缸内最大燃烧压力降低。燃油贯穿距离随着环境温度和环境氧含量的升高而降低,随着燃油内生物柴油量的增加而增加,而且环境氧含量的变化对B100贯穿距离的影响更大。综合自然火焰亮度(INFL)随着环境温度的升高和生物柴油量的减少而升高。在环境温度在800 K和900 K时,B100的INFL随着环境氧含量的降低而降低,但在1000 K到1200 K的范围内却随着环境氧含量的降低而升高,这与B0的燃烧有所不同。生物柴油相对于石化柴油在升举长度处的氧卷吸量要高,有利于在燃烧时碳烟的减少。在较低环境温度下,B20和B50燃烧相对于B0燃烧来说,碳烟的降低并不明显,但在1000 K时的传统柴油机上止点环境温度下,碳烟降低可达50%;当在不同环境温度下使用B100时,相比B0来说,碳烟的降低可达60%及以上。环境氧含量的变化对B100碳烟生成的影响比对B0碳烟生成的影响要大。相对于B0来说,B100的使用在各个环境氧含量下碳烟减少量至少达到50%左右,在较低环境温度时甚至降低了90%以上,而且B100在1200 K高环境温度时的碳烟生成量与B0在800 K低环境温度时的碳烟生成量相当。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK16

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