柴油机燃用小桐子油的燃烧过程试验与模拟研究

论文摘要

生物质能作为是一种可再生能源,其高效转换和洁净利用日益受到全世界的重视。文中从分析内燃机的能源现状和发展趋势入手,简述了生物柴油的利用现状和前景,小桐子油的特点及优势；进行小桐子油理化特性的研究；对柴油机燃用柴油和小桐子油进行了试验研究；详细分析柴油机燃用小桐子油的燃烧及排放特性；探讨并建立柴油机燃用小桐子油的三维燃烧模型,为小桐子油作为替代燃料在柴油机上的应用提供依据。在ZH1115柴油机上,测量了燃用0#柴油（Diesel）、常温下的小桐子油（B100）和加热到150℃的小桐子油（B100（150））时,柴油机在不同工况下的性能和排放。分析了负荷、转速、供油提前角等参数对柴油机燃用不同燃料时燃烧过程的影响。结果表明：柴油机燃用B100与B100（150）的最高燃烧压力和最大压力升高率均比柴油的低,并且所在相位有所提前,排气温度相差不大,烟度相当；而燃用B100与B100（150）时柴油机的NOX、HC排放较燃用柴油有所减小,只有CO排放略高。供油提前后,燃用B100与B100（150）与燃用柴油时相比,柴油机的最高燃烧压力和最大压力升高率都略有上升,且相位也略有提前,排气温度有所下降,与燃用柴油时相当,烟度在负荷较大时上升较快,NOx排放增大、HC排放减小、CO排放变化不大。燃用B100与B100（150）时的燃油消耗率均比燃用柴油时的要高。以燃烧化学反应机理、湍流模型、喷雾模型、燃烧模型、NOx预测模型、初始边界条件设定和计算网格划分为主要内容,建立了柴油机的三维燃烧模型。湍流运动采用RNG（Renormalization Group Theory）κ-ε方程模拟,并采用壁面函数对壁面湍流进行修正。燃烧计算中,着火模型选用shell模型；利用涡耗散模型来计算净反应速率；采用单步反应来描述小桐子油的燃烧。NOx预测模型中,包含了热力型NOx、瞬发型NOx和燃料型NOx的形成,并采用Zeldovich NO机理进行计算。网格模型中,采用六面体单元进行网格划分,并结合网格刚体运动和网格层铺,实现了动态网格的模拟。通过模拟结果与试验结果的对比表明：建立的三维燃烧模型可以较好地模拟柴油机分别燃用0#柴油（Diesel）、常温下的小桐子油（B100）和加热到150℃的小桐子油（B100（150））的燃烧过程,预测柴油机的各项性能参数。在此基础上,利用三维燃烧模型,对比分析了柴油机燃用不同燃油时缸内燃烧过程中的流场、压力、温度、NOx以及Soot浓度分布的差异。结果表明：柴油机燃用不同燃油时的浓度场变化趋势大体相同。相比柴油,燃用B100时柴油机的燃烧持续期较长；燃烧初期,B100的缸内低温区域较广；NOx排放浓度较高。而燃用B100（150）时,燃烧速度加快,燃烧持续期缩短。但NOx排放浓度升高。另外,柴油、B100和B100（150）的碳烟生成速率相差不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.1.1 油气资源状况
• 1.1.2 生物质能源状况
• 1.2 植物油燃料的发展概况
• 1.2.1 植物油燃料的利用
• 1.2.2 植物油燃料的国内外研究现状
• 1.3 本文研究的意义及主要内容
• 参考文献
• 第二章 小桐子油的制备与理化特性研究
• 2.1 小桐子油的制备
• 2.1.1 生物柴油生产工艺
• 2.1.2 植物油脂制取工艺
• 2.1.3 小桐子油的制备方法
• 2.2 小桐子油的理化特性研究
• 2.2.1 密度
• 2.2.2 黏度
• 2.2.3 热值
• 2.2.4 十六烷值
• 2.2.5 凝点和冷滤点
• 2.2.6 闪点
• 2.2.7 脂肪酸组成及含量
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 柴油机燃用小桐子油的燃烧排放试验与结果分析
• 3.1 柴油机测量与分析装置简介
• 3.2 柴油机工作过程数据采集与分析系统
• 3.2.1 系统硬件
• 3.2.2 软件编程
• 3.2.3 系统抗干扰措施
• 3.2.4 示功图上止点确定
• 3.2.5 燃烧过程的划分
• 3.2.6 放热规律计算
• 3.3 有害排放物的形成机理与测量方法
• 3.3.1 柴油机有害排放物的形成机理
• 3.3.2 柴油机排放检测方法
• 3.4 试验内容与试验结果分析
• 3.4.1 缸内压力分析
• 3.4.2 排气温度分析
• 3.4.3 排放性能分析
• 3.4.4 燃油消耗率分析
• 3.5 燃烧过程与放热规律分析
• 3.5.1 燃烧始点比较
• 3.5.2 燃烧持续期比较
• 3.5.3 放热规律的影响因素
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 柴油机三维燃烧模型
• 4.1 燃烧模型概述
• 4.1.1 放热率计算
• 4.1.2 零维模型
• 4.1.3 准维模型
• 4.1.4 多维模型
• 4.2 直喷式柴油机三维燃烧模型
• 4.2.1 湍流概述
• 4.2.2 湍流的数值模拟方法
• 4.2.3 描写湍流流动的基本守恒方程
• 4.2.4 湍流对流换热的雷诺应力时均方程
• 4.2.5 湍流模型
• 4.2.6 壁面函数法
• 4.3 柴油机喷雾数值模拟模型
• 4.3.1 基本方程
• 4.3.2 子模型
• 4.3.3 碰壁模型
• 4.4 柴油机中燃烧数值模拟
• 4.4.1 燃烧方程
• x形成模型'>4.4.2 NO_x形成模型
• 4.4.3 微粒的生成机理和氧化模型
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 燃烧模型的验证与结果分析
• 5.1 燃烧模型的建立
• 5.1.1 几何模型的建立
• 5.1.2 计算网格
• 5.1.3 数值计算方法
• 5.1.4 初始条件与边界条件
• 5.2 计算模型的验证
• 5.2.1 燃用柴油时模拟结果与试验结果的比较
• 5.2.2 燃用小桐子油时模拟结果与试验结果的比较
• 5.2.3 增大供油提前角模拟结果与试验结果的比较
• 5.2.4 预热后模拟值与试验值的对比
• 5.3 标定工况的燃烧过程数值分析
• 5.3.1 流场分析
• 5.3.2 燃油浓度场分析
• 5.3.3 温度场分析
• 5.3.4 排放特性分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结与工作展望
• 6.1 全文的主要工作
• 6.2 作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表学术论文、专利申请、项目情况