生物柴油替代燃料及其相关混合燃料的自点火研究

摘要

能源问题和大气污染问题对传统发动机的发展提出了挑战，新型清洁高效的燃烧模式以及替代燃料的使用是解决这些问题的有效途径之一。而对新的燃烧模式如均质压燃（HCCI）和低温燃烧（LTC）等研究发现，燃料的化学反应动力学对燃烧的控制有至关重要的作用，特别是对替代燃料如生物柴油、醇类和二甲醚等的燃烧机理详细研究是十分必要的。激波管的定容特性以及快速加热加压特性被认为是研究燃料燃烧特性最理想的工具之一，而生物柴油替代燃料及其混合燃料在发动机工作条件下的激波管试验数据却非常少。本文基于激波管试验平台，对于生物柴油替代燃料癸酸甲酯（MD）以及癸酸甲酯与正庚烷、醇类以及二甲醚（DME）混合燃料在发动机工作条件下的点火特性进行了研究。
　　本文在借鉴国内外现有激波管的特点的基础上，搭建了一套高压激波管系统，该系统可以在宽广的温度和压力范围内研究气相或者气液两相（气溶胶）混合物的点火延时。该系统的激波衰减在5％/m以内，系统试验重复性良好。
　　鉴于癸酸甲酯常温下的饱和蒸气压非常低，本文在加热的激波管上对癸酸甲酯在中、高压力下的自点火特性进行了研究，特别研究了废气再循环（EGR）对点火延时的影响。本文以氮气、二氧化碳和水蒸气的混合气和纯氮气分别为模拟EGR，研究了相同条件下不同 EGR率对点火延时的影响，发现随着EGR率的增大，点火延时明显增大。并且进一步研究了在相同EGR率条件下，不同EGR成分对点火延时的影响，发现EGR成分差异对点火延时影响不大。试验结果分别将美国劳伦斯国家实验室（LLNL）的Herbinet等人、法国南锡大学（Nacy）的Glaude等人和普林斯顿大学（PU）的Diévart等人的机理进行了验证，发现了三个机理本身存在的差异。20大气压下Herbinet机理的模拟结果与试验结果吻合得很好，而50大气压下Glaude机理和Diévart机理的模拟结果与试验结果总体上吻合得都较好。并且通过回归分析给出了EGR和压力对点火延时影响的权重指数。
　　进一步，研究了MD/正庚烷和MD/醇类混合燃料的自点火特性，研究了不同当量比和混合率对点火延时的影响，发现MD/正庚烷的混合燃料的点火延时对当量比变化较敏感，点火延时因混合率改变所引起的变化不大，而MD/醇类混合燃料对当量比和混合率变化都比较敏感。并且研究了相同MD/醇类混合比下，添加不同醇类（乙醇和正丁醇）对点火延时的影响，试验发现MD/正丁醇混合燃料的点火延时要小于MD/乙醇混合燃料的点火延时。在对MD/DME进行了数值模拟的基础上，对比了添加乙醇和DME的差别，并对发动机工作条件下乙醇和DME的点火延时进行了测量。进一步，研究了以氮气作为模拟EGR时，EGR稀释作用对点火延时的影响，并且计算出了高温条件下压力、当量比和EGR率（氮气稀释率）对点火延时影响的权重指数。

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第一章 绪论

1.1能源和环境背景

1.2发动机的挑战和机遇

1.3新型燃烧方式

1.4替代燃料

1.5本文的主要研究工作

第二章 激波管试验介绍

2.1前言

2.2激波管特点及结构

2.3台架搭建

2.4 加热激波管系统介绍

2.5激波管内的流动

2.6激波管内流动的计算

2.7最大可用时间和缝合接触面运行

2.8实际激波管流动效应

2.9点火延时的确定

2.10 当量比的定义

2.11 饱和蒸气压估计

2.12 本章小结

第三章 癸酸甲酯的自点火研究

3.1引言

3.2试验介绍

3.3试验结果

3.4点火延时的数值模拟

3.5反应路径分析

3.6敏感性分析

3.7本章小结

第四章 MD和正庚烷混合燃料的自点火研究

4.1引言

4.2试验介绍

4.3试验结果

4.4 模拟研究

4.5反应路径分析

4.6 敏感性分析

4.7 本章小结

第五章 MD与醇醚混合燃料以及醇醚的自点火研究

5.1前言

5.2试验介绍

5.3乙醇及其同分异构体二甲醚的自点火研究

5.4 MD醇类混合燃料的试验结果

5.5 添加DME和乙醇对MD点火的影响

5.5本章小结

第六章 全文总结和展望

6.1全文总结

6.2工作展望

创新点说明

参考文献

符号与缩写

博士学位期间已发表或录用的论文

参加的项目与获得的奖励

致谢