含氧燃料对压燃式发动机燃烧及排放影响的仿真研究

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为缓解对石油燃料的依赖,以及解决传统柴油机由于混合时间短导致NOx和Soot排放难以同时降低的问题,寻找新型清洁替代燃料受到了广大研究者的重视,其中含氧燃料是最有应用前景的替代燃料之一。本研究依托国家自然基金项目,针对实现内燃机高效清洁燃烧的目标,基于燃料特性与边界条件协同控制的思想,采用醇、酯、醚等不同氧键合形式的含氧燃料作为柴油添加剂以改变燃料的理化特性及分子构型,通过化学反应动力学与三维模拟仿真相结合的手段,研究了不同含氧燃料掺混比例以及不同燃料氧键合形式对发动机燃烧和排放的影响规律,揭示了燃烧系统中的燃料氧对燃烧和污染物生成的化学作用机理,并深入探究了不同氧键合形式对碳烟生成、氧化的作用机制及影响规律。通过改变进气、喷油等边界条件,探索了含氧燃料与边界条件协同配合来改善燃烧、降低排放的控制方法,并分析了含氧燃料与纯柴油在使用特性上的差异。研究结果表明:添加含氧燃料对燃烧和排放均有显著的影响。由于正丁醇挥发性好,十六烷值较低,因此随着正丁醇掺混比例的增加,滞燃期逐渐延长,混合气更加均匀,预混燃烧比例增大,Soot排放降低,而NOx排放相差不大。从化学动力学角度来看,混合燃料的着火主要是由低温活性较高的柴油组分正庚烷所触发,在着火前的低温反应过程中,正庚烷产生的OH基被正丁醇占用,抑制了正庚烷本身的低温脱氢反应,因此混合燃料着火推迟。同时,正丁醇的加入为燃烧系统提供了更多的OH、HO2等氧化自由基,使缸内氧化活性增强,促进了碳烟前驱物和Soot的氧化,且正丁醇中的O原子与C结合形成了较为稳定的CO,降低了可形成碳烟前驱物的C原子量,使Soot生成减少。在燃料氧含量相同的条件下,不同结构的含氧燃料对燃烧的影响主要表现在低温氧化阶段,DME促进了燃料的着火,DMC和正丁醇抑制了燃料的着火,因此滞燃期长度为柴油/正丁醇>柴油/DMC>柴油>柴油/DME,且正丁醇使燃烧系统的氧化活性增强,而DMC使氧化活性减弱。添加正丁醇、DMC、DME均能够使Soot排放降低,但降低效果不同。对三种含氧燃料氧原子的迁移路径进行对比分析发现,正丁醇和DME分子中的O原子与C原子结合形成CO,而DMC分子中的两个O原子与一个C原子结合形成CO2,降低了O原子的利用效率,因此DMC生成碳烟前驱物的潜力较高。最终Soot排放受到碳烟前驱物含量与缸内氧化活性的综合影响,三种含氧燃料对Soot的抑制能力为:正丁醇>DME>DMC。柴油添加正丁醇和DME对NOx排放的影响作用较小,而添加DMC能有效降低NOx排放。针对B30燃料的燃烧边界条件优化结果表明:提高喷油压力能改善燃油雾化程度,使混合气更加均匀,燃烧向预混燃烧模式转变,进而使Soot排放降低,由于正丁醇本身挥发性好,因此燃用正丁醇/柴油混合燃料能有效降低对喷油压力的需求。提高喷油压力也会导致NOx排放增加,但相较于纯柴油,B30的NOx增加幅度较低。喷油正时直接影响了缸内燃烧的热氛围,过早或过晚喷油都会导致滞燃期增加,且对热效率有不利的影响,使B30获得最大热效率的喷油正时比纯柴油的略微靠前。推迟喷油使NOx排放降低,但Soot排放明显增加,而不同喷油正时下B30的Soot排放始终较低。提高进气压力有助于混合气的均匀化和稀薄化,并使燃烧热效率提高,而由于循环供油量不变,高温区域大大减少,提高进气压力并燃用正丁醇/柴油混合燃料能达到同时降低NOx和Soot的目的。向进气中添加CO2,进气氧浓度和缸内温度逐渐降低,有助于燃烧转变为低温燃烧模式,且燃烧的化学反应速率降低,着火时刻推迟。随着进气氧浓度的降低,NOx排放明显降低,Soot排放却逐渐增加,而燃用正丁醇/柴油混合燃料可使NOx降低的同时保持Soot排放在较低的水平,为大比例EGR的应用创造了条件。综合以上结论可知,由于正丁醇和柴油在理化特性上的差异,正丁醇/柴油混合燃料与纯柴油在使用特性上有所不同,尤其在排放特性上,通过燃用正丁醇/柴油混合燃料与边界条件协同控制能有效改善NOx和Soot的“trade-off”关系。
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