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《西安交通大学》 2011年
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生物柴油喷雾、燃烧和碳烟生成特性及其对柴油机微粒排放影响的研究

王显刚  
【摘要】:随着能源危机、环境污染和越来越严格汽车排放法规的限制,内燃机清洁替代燃料的研究和应用受到广泛的关注。生物柴油是一种清洁可再生的柴油机替代燃料。生物柴油含氧因此可以促进柴油机缸内燃烧并抑制碳烟生成。目前生物柴油的研究大部分都集中在柴油机燃用生物柴油时的燃烧和排放特性,而关于生物柴油的喷雾、着火、燃烧和碳烟生成及其相互关系的研究却十分缺乏。另外,柴油机燃用生物柴油时的微粒排放特性也有待进一步研究。 本文通过实验手段系统地研究了超高喷射压力下生物柴油和柴油的喷雾、着火、燃烧和碳烟生成特性以及生物柴油和生物柴油-柴油混合燃料对共轨增压柴油机的工作性能、燃烧性能和排放性能的影响。同时,本文也研究了超高喷射压力和微小喷孔对平板撞壁火焰碳烟生成的影响。喷雾、着火、燃烧和碳烟生成的研究工作在高温高压定容燃烧弹中使用高速摄像机和多种可视化手段完成。发动机工作在一台涡轮增压高压共轨的柴油机试验台架上完成。本文通过对生物柴油喷雾、着火、燃烧、碳烟生成以及微粒生成的系统研究,为生物柴油在柴油机上的应用提供了一些理论和试验支撑。研究工作具有重要的学术价值和工程指导价值。本文的主要结论有: (1)通过对柴油、棕榈油生物柴油和煎炸油生物柴油的非蒸发态喷雾和蒸发态喷雾进行研究,发现生物柴油的喷射延迟期比柴油的喷射延迟期长。对于非蒸发态喷雾,生物柴油的喷雾贯穿距离大于柴油的值,而喷雾锥角小于柴油的值。生物柴油的喷雾投影面积和喷雾体积值均小于柴油喷雾的对应值。经验公式的估算结果表明生物柴油喷雾的液滴尺寸大于柴油喷雾的液滴尺寸。棕榈油生物柴油的这些特征表现的更为明显。从理论上证明了本实验中超高喷射压力下的燃油非蒸发态喷雾和气相射流具有相似性。理论计算表明生物柴油的空气卷吸性较差。对于蒸发态喷雾,生物柴油的液束长度大于柴油的液束长度,且棕榈油生物柴油的液束长度最大。生物柴油和柴油液束长度的差异随着喷射压力的增加而逐渐变大。 (2)通过对柴油、棕榈油生物柴油和煎炸油生物柴油的着火和燃烧特性进行研究,发现油束的着火位置位于液束下方的燃油气相区域。随着喷射压力的增加,着火位置有所下移。着火后,火核不仅向下游发展,也向上游发展。生物柴油的着火延迟期比柴油的着火延迟期短。棕榈油生物柴油的着火延迟期比煎炸油生物柴油的着火延迟期短期。随着喷射压力的增加,着火延迟期明显缩短。柴油的举升长度比生物柴油的举升长度要长,棕榈油生物柴油的举升长度最短。对于不同的燃料和实验工况,当液束长度大于举升长度时,会出现液相“冷核”被鞘状的扩散火焰所包围的现象。棕榈油生物柴油的这种情况较为突出。随着喷射压力的增加,这一现象消失。 (3)通过对柴油、棕榈油生物柴油和煎炸油生物柴油的碳烟生成进行研究,发现低喷射压力下生物柴油降低碳烟生成的优势并不明显。而超高喷射压力下使用生物柴油能显著地降低碳烟生成。煎炸油生物柴油比棕榈油生物柴油能更有效地降低碳烟的生成。生物柴油的火焰温度比柴油的火焰温度低。生物柴油中的氧元素比油束卷吸空气中的氧元素具有更有效的碳烟抑制效果。在喷射压力较低时,燃油的雾化和油气混合相对较差,因而导致了生物柴油自身氧含量对碳烟的降低作用受到抑制;而随着喷射压力的增加,燃油的雾化和油气混合效果会改善,生物柴油自身氧含量对碳烟的降低作用被释放。相对于煎炸油生物柴油,棕榈油生物柴油较小的喷雾锥角和较短的举升长度减少了火焰举升长度范围内的空气卷吸量,从而增加了碳烟生成。 (4)通过研究超高喷射压力和微小喷孔对平板撞壁火焰碳烟生成的影响,发现对于孔径为0.16mm的喷嘴,超高喷射压力时撞壁火焰的尺寸略有增加,碳烟生成水平略有降低。使用孔径为0.08mm的喷嘴能有效地减小撞壁火焰的尺寸和降低碳烟生成水平。对于孔径0.08mm的喷嘴,超高喷射压力能极大地降低撞壁火焰的碳烟生成。对于孔径为0.16mm的喷嘴,火焰撞壁会显著地恶化碳烟生成;而对于孔径0.08mm的喷嘴,火焰撞壁并未明显地影响碳烟生成。使用孔径为0.16mm的喷嘴时,油束液相撞壁使得撞壁火焰的碳烟生成状况恶化。而使用孔径为0.08mm的喷嘴时,显著缩短的液束长度避免了燃油撞壁所引起的油气混合恶化,从而使火焰撞壁效果并不明显。 (5)通过研究柴油、大豆油生物柴油、煎炸油生物柴油和大豆油生物柴油-柴油混合燃料对共轨增压柴油机性能和微粒排放的影响,发现燃用生物柴油及其混合燃料时,燃油消耗率和热效率均有所增加,发动机引导喷射段的放热量降低,而主喷射段对应的放热量增加且放热率曲线更靠近上止点。HC和CO排放对燃料不敏感。燃用生物柴油及其混合燃料时,CO_2排放有所降低。燃用大豆油生物柴油和煎炸油生物柴油时,以上特性无明显差别。在低负荷时,燃用生物柴油及其混合燃料时发动机的NOx排放略有降低,而在发动机高负荷时,燃用生物柴油及其混合燃料时NOx排放明显增加。燃用生物柴油及其混合燃料时,尾气中微粒的尺寸分布基本不变,而微粒的数浓度和质量浓度同时显著降低。研究表明煎炸油生物柴油在同时降低微粒排放和NOx排放上比大豆油生物柴油具有一定的优势。
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