柴油/甲醇双燃料醛类和烯烃类污染物生成特性研究

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在汽车各类排放物中,非常规污染物的排放量虽少,但其成分复杂、毒性强,对人类健康及生态环境的危害不可小觑。与纯柴油发动机相比,柴油/甲醇双燃料(DMDF)发动机的醛类和烯烃类非常规污染物均有不同程度的增加。为探究DMDF发动机非常规污染物的生成过程及其关键影响因素,本文选择醛类非常规污染物(甲醛和乙醛)、烯烃类非常规污染物(乙烯和1,3-丁二烯)作为研究对象,通过构建醛类、烯烃类非常规污染物化学动力学机理以及DMDF化学动力学机理,从化学动力学的角度探讨了DMDF燃烧过程中非常规污染物的生成特性,为非常规污染物的排放控制提供理论依据。基于GRI 3.0机理、乙醇机理、二甲醚机理、正庚烷机理和异辛烷机理5种不同性质燃料燃烧机理,利用反应路径分析法、生成速率(ROP)分析法、敏感性分析法对甲醛和乙醛的生成及消耗进行分析,构建了包含43种组分、63步反应的醛类非常规污染物化学动力学机理(简称醛类机理),并根据试验数据验证了该机理的预测准确性。结果表明:该机理能准确预测柴油的着火延迟时间、层流火焰速度、重要组分浓度,以及甲醛、乙醛排放;适当增加进气温度、提高进气压力、提前喷油时刻、缩短喷油持续期,可显著减少甲醛和乙醛排放,而增大EGR率会导致二者排放大幅增加。基于GRI 3.0机理、乙醇机理、丁醇机理、二甲醚机理、正庚烷机理和异辛烷机理6种不同性质燃料的燃烧机理,对乙烯、1,3-丁二烯的发展历程进行反应路径分析、ROP分析和敏感性分析,构建了包含50种组分、75步反应的烯烃类非常规污染物化学动力学机理(简称烯烃类机理),依据试验数据对该机理的预测准确性进行了验证。结果表明:该机理能很好地预测柴油的着火延迟时间、层流火焰速度、重要组分浓度,以及乙烯排放;适当提高进气温度、增加喷油提前角、缩短喷油持续期,可有效降低乙烯和1,3-丁二烯排放,而增大进气压力和EGR率则使得二者排放明显升高。采用解耦方法原理,基于柴油替代物机理、甲醇机理、醛类机理和烯烃类机理,构建了一个包括176种组分、872步反应的DMDF化学动力学机理,并利用激波管、逆流反应器、射流搅拌反应器(JSR)和发动机台架得到的试验数据对该机理进行了验证。结果表明:DMDF机理不仅能准确预测柴油和甲醇的着火延迟时间、层流火焰速度和重要组分浓度,还能较好地反映纯柴油和DMDF两种燃烧模式下的缸内压力、放热率以及甲醛、乙醛、乙烯、1,3-丁二烯4种非常规污染物的排放。基于上述DMDF机理,利用CHEMKIN的内燃机模型,探讨了甲醇替代率、进气温度、进气压力和EGR率4种因素对DMDF燃烧过程中甲醛、乙醛、乙烯、1,3-丁二烯4种非常规污染物生成特性的影响。结果表明:在DMDF燃烧过程中,4种非常规污染物的前驱物分解反应是其生成的重要途径,其中,甲醛主要来源于CH3O和CH2OH,乙醛来源于C2H5O和C4H7O,乙烯来源于C2H5和C2H5OH,1,3-丁二烯来源于C4H71-3和C4H71-4。对于DMDF燃烧,增大甲醇替代率,有利于提高主导4种非常规污染物生成及消耗的基元反应的化学反应速率。当甲醇替代率为30%时,增加进气温度和进气压力,各基元反应的化学反应速率随之加快;而增加EGR率,缸内温度有所降低,大多数基元反应的化学反应速率受到不同程度的抑制。
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