柴油机燃用BED多组份燃料的燃烧过程研究

论文摘要

生物柴油和乙醇作为石化柴油的替代燃料,在世界各国得到了广泛的研究。在研究过程中还存在一些不足,主要表现在：生物柴油燃油雾化效果差,NOx排放增加,乙醇与柴油互溶性差,对排放物的研究结论不一致,缺乏系统研究等。针对以上问题,利用生物柴油、乙醇和柴油之间的理化特性互补性,将三者以一定比例混合形成生物柴油-乙醇-柴油（简称为BED）多组份燃料。利用生物柴油和乙醇的燃料优势以及高压共轨系统的技术潜力,通过替代燃料和控制技术两种途径的有机结合,研究BED多组份燃料对柴油机性能的影响规律及其燃烧控制规律,并进行不同海拔对BED多组份燃料燃烧过程的影响研究,开展的研究工作如下：（1）进行了BED多组份燃料的稳定性和理化特性研究针对乙醇和柴油互溶性较差的问题,在乙醇柴油中加入生物柴油,系统研究了不同温度下BED多组份燃料的稳定性和三相互溶性。研究了不同生物柴油比例和不同温度对BED多组份燃料稳定性的影响规律。对生物柴油和乙醇掺混比例对BED多组份燃料的主要理化指标的影响关系进行了研究和分析。（2）进行了柴油机燃用BED多组份燃料的性能试验研究在高压共轨柴油机上燃用纯柴油和六种BED多组份燃料（在柴油中掺混10%-25%的生物柴油和3%-5%的乙醇）,在81kPa大气压力下进行了对比试验研究,分析了不同比例BED多组份燃料对柴油机动力性、经济性、排放特性以及燃烧特性的影响规律及其与燃用纯柴油时的差异性。从各种燃烧过程的场分布情况分析了BED多组份燃料与柴油喷雾与燃烧过程的差异性。研究结果表明,未对柴油机作任何调整的情况下,燃用BED多组份燃料会造成动力性下降。当生物柴油掺混比例在15%以内时,经济性有1.3%-2.1%的改善；有利于降低柴油机的CO,THC,烟度和PM排放,NOx排放有增加趋势,最高增幅达到17%。当生物柴油比例增加至25%时,经济性下降；排放物改善效果变差甚至高于柴油。推迟喷油正时和采用EGR技术能够有效降低BED多组份燃料的NOx排放。气缸压力和燃烧温度均有所下降；燃烧始点与柴油差别不大,燃烧持续期明显缩短；放热率峰值随着生物柴油比例的增加而逐渐增大。（3）研究了BED多组份燃料的燃烧控制规律进行了主要喷射控制参数预喷正时,预喷油量,主喷正时,主喷油量及喷油压力对柴油机燃用BED多组份燃料燃烧特性的影响试验研究。试验结果表明,适当推迟预喷正时,可以降低主喷燃烧的剧烈程度。增加预喷油量有利于提高气缸压力,同时会增加预喷燃烧的放热率峰值和最大压力升高率。主喷正时提前,BED多组份燃料的燃烧始点随之提前；最大气缸压力,最高燃烧温度以及最大放热率都随之增大,出现的时刻也随之提前；压力升高率增大,增加了燃烧的激烈程度。随着掺混生物柴油和乙醇比例的增加,主喷阶段放热率峰值随着主喷定时的提前,出现先增大后减小的趋势。最高气缸压力和放热率峰值均随着主喷油量的增加而逐渐增大,燃烧持续期延长。随着喷油压力的提高,最高气缸压力和放热率峰值基本随之增大,燃烧持续期缩短。燃烧初期的放热速度先增大后减小,导致燃烧初期的气缸压力也出现同样的变化趋势。（4）研究了不同海拔对BED多组份燃料燃烧过程的影响进行了高压共轨柴油机在不同海拔下燃用BED多组份燃料的试验研究。结果表明,不对柴油机进行任何调整的前提下,大气压力的变化在整体上对动力性影响不大；在低负荷下,大气压力的升高对经济性的改善效果不大甚至有负面影响；在高负荷下,经济性改善。随着大气压力的增加,柴油机的CO和THC排放基本逐渐降低；中低负荷下NOx排放随之降低,全负荷下升高；PM排放在全负荷时降低。随着大气压力的升高,最大气缸压力,最高燃烧温度和放热率峰值均随之增大,且增加幅度随不同的气压变化区间而不同。燃烧速度加快,燃烧持续期缩短。气缸压力升高率增大,但仍在平稳运转范围内。（5）研究了不同形式含氧量的变化对柴油机性能的影响进一步比较了BED多组份燃料的含氧量和不同海拔变化引起的大气含氧量对柴油机性能影响的差异性。研究结果表明,海拔变化引起的空气含氧量变化对柴油机燃用纯柴油时的动力性影响不大；随着大气压力的升高,柴油机比油耗逐渐下降。随着BED多组份燃料含氧量的增加,动力性和有效燃油消耗率降低,有效热效率提高。BED多组份燃料含氧量的增加对经济性的改善幅度高于海拔变化引起的大气含氧量增加对经济性的改善幅度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 生物柴油和乙醇的国内外研究现状
• 1.2.1 生物柴油国内外研究现状
• 1.2.2 乙醇在柴油机上应用的国内外研究现状
• 1.2.3 生物柴油、乙醇和柴油混合燃料国内外研究现状
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第二章 BED多组份燃料的稳定性和理化特性研究
• 2.1 BED多组份燃料稳定性研究
• 2.1.1 多组份燃料溶解性相关理论
• 2.1.2 BED多组份燃料稳定性试验
• 2.2 BED多组份燃料的理化特性
• 2.2.1 BED多组份燃料的密度
• 2.2.2 BED多组份燃料的氧含量
• 2.2.3 BED多组份燃料的低热值
• 2.2.4 BED多组份燃料的十六烷值
• 2.2.5 BED多组份燃料的粘度
• 2.3 本章小结
• 第三章 柴油机燃用BED多组份燃料的性能试验研究
• 3.1 试验装置和试验方法
• 3.1.1 试验装置
• 3.1.2 试验方法
• 3.2 柴油机燃用BED多组份燃料的性能研究
• 3.2.1 动力性对比研究
• 3.2.2 经济性对比研究
• 3.2.3 排放特性对比研究
• 3.2.4 燃烧特性对比研究
• 3.3 柴油机燃用BED多组份燃料的燃烧过程模拟与分析
• 3.3.1 柴油机燃烧过程数值模拟概述
• 3.3.2 燃烧模型
• 3.3.3 基本控制方程
• 3.3.4 BED多组份燃料燃烧过程模拟计算与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 柴油机燃用BED多组份燃料的燃烧控制研究
• 4.1 预喷对BED多组份燃料燃烧过程的影响
• 4.1.1 预喷正时的影响
• 4.1.2 预喷油量的影响
• 4.2 主喷对BED多组份燃料燃烧过程的影响
• 4.2.1 主喷正时的影响
• 4.2.2 主喷油量的影响
• 4.2.3 喷油压力的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 柴油机燃用BED多组份燃料在不同海拔下工作特性研究
• 5.1 试验装置和试验方法
• 5.2 柴油机燃用BED多组份燃料在不同海拔下的工作特性研究
• 5.2.1 动力性研究
• 5.2.2 经济性研究
• 5.2.3 排放特性研究
• 5.2.4 燃烧特性研究
• 5.2.5 BED多组份燃料含氧量和大气含氧量对柴油机性能的影响对比研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 附录B 攻读学位期间获奖情况
• 附录C 攻读学位期间参与的科研项目