正辛醇/正丁醚骨架机理的构建及验证

采用定向关联图误差传播敏感度分析法(DRGEPSA)、同分异构体合并和峰值浓度分析法对正丁醚和正辛醇的详细机理进行简化,并将简化后的正丁醚和正辛醇机理合并,获得了包含117个组分和601个基元反应的骨架机理.利用正丁醚和正辛醇详细机理的着火延迟、正丁醚层流火焰速度的试验数据和正辛醇在射流搅拌反应器(JSR)中组分摩尔浓度的试验数据对获得的骨架机理进行验证.最后分析了正丁醚和正辛醇燃料在低温及高温下的化学反应路径,结果表明:该骨架机理的着火延迟时间、层流火焰速度及JSR中组分摩尔浓度与试验数据和详细机理较吻合,可较好地重现正丁醚和正辛醇的燃烧特性.     

二甲醚/聚甲氧基二甲醚-3简化机理的构建及验证

采用基于误差的直接关系图法(DRGEP)、敏感性分析法以及同分异构聚合法对二甲醚/聚甲氧基二甲醚-3(DME/DMM₃)的联合详细化学反应机理进行简化，最终构建了一个包括65个组分和308个反应方程式的DME/DMM₃简化化学动力学机理．为了验证其可靠性，分别用二甲醚(DME)和聚甲氧基二甲醚-3(DMM₃)详细机理及试验数据与DME/DMM₃简化机理计算得到的着火延迟、层流火焰燃烧速度和组分摩尔分数等进行了比较，并分析了DME/DMM₃反应路径．最后验证了柴油机转速为1 600 r/min，当量比为0.18和0.34，燃料DME与DMM₃体积配比为1∶9时的仿真与试验的缸内压力和放热率以及CO、CO₂、NO_x和HC排放物．结果表明：该DME/DMM₃简化机理的着火延迟时间、层流火焰燃烧速度及射流搅拌反应器(JSR)中组分摩尔分数、缸内压力、放热率以及CO、CO₂、NO...     

一种生物柴油替代物简化机理的构建与验证

选取MD9D、癸酸甲酯(MD)和正庚烷三组分作为生物柴油替代混合物,建立详细化学动力学反应机理。在此基础上,通过误差传递直接关系图法(DRGEP)、同分异构体简化法(Isomer Lumping)、基于DRGEP敏感性分析法3种简化方法耦合的方式对详细化学动力学反应机理进行简化,构建一个简化机理,利用CHEMKIN-PRO软件对简化机理进行模拟计算,并与试验结果进行对比分析。结果表明:简化机理对生物柴油燃烧过程中着火延迟期和重要中间产物CO、CO_2、CH_4、C_2H_4、C_3H_6等有较好的预测能力;在750~900K的低温阶段能再现生物柴油燃烧过程中的负温度系数现象,并且能够在低温燃烧时预测早期CO_2的生成。     

柴油/DMF双燃料简化化学动力学模型的构建

首先基于2,5-二甲基呋喃(2,5-dimethylfuran,DMF)详细机理,运用峰值浓度分析法、反应路径分析法、敏感性分析法和反应速率分析法进行机理简化,构建了包含95种组分和352个反应的DMF简化动力学机理,并对激波管滞燃期和重要燃烧产物浓度进行验证。在此基础上,采用"解耦"思想耦合了柴油多组分替代物(正庚烷/甲苯/正己烯)简化机理,最终构建了一个包含123种组分和394个反应的柴油/DMF双燃料简化机理。研究结果表明:在较宽的当量比(0.5~2.0)和初始压力(0.1~8.0MPa)边界条件下,双燃料简化机理对滞燃期、射流搅拌反应器中物种摩尔分数、层流火焰速度等基础燃烧数据及零维单区内燃机模型组分生成规律吻合性较好。     

基于HCCI发动机着火特性的柴油三组分表征燃料详细化学动力学模型

构建了一个由正庚烷、甲苯和环己烷组成,并加入正庚烷与甲苯的交叉反应,三组分柴油表征燃料的详细化学动力学机理模型,包含1 171种物质、4 580个基元反应.基于着火时刻对于均质充量压燃(HCCI)燃烧的重要性,以着火点为主要衡量标准,采用单区燃烧模型,以不同比例的三组分表征燃料详细化学反应动力学机理模拟HCCI燃烧的燃烧始点,根据HCCI发动机试验数据,确定了三组分机理的最佳组分质量比为8∶1∶1(正庚烷∶甲苯∶环己烷).还对单组分(正庚烷)、最佳比例的双组分(正庚烷、甲苯)和最佳比例的三组分机理进行了比较验证,对3种机理模拟得到的着火滞燃期和放热率的结果进行对比,详细分析了环己烷对表征燃料滞燃期的调整作用,以及交叉反应的加入对表征燃料的影响.结果表明:新的柴油三组分详细机理可以更为准确地描述柴油HCCI着火时刻.     

柴油多组分替代混合物化学动力学模型

采用正庚烷/甲苯/环己烷作为柴油多组分替代燃料,构建了一个包含103种组分和200个反应的化学动力学简化机理,简化方法包括直接关系图法、敏感性分析法和反应速率分析法.在较宽边界条件下,对燃烧滞燃期及重要组分浓度进行验证,计算结果与激波管、射流搅拌反应器等试验数据吻合较好.结果表明:除传统C2+C4及C3+C3生成苯环(A1)的反应,环己烷通过直接脱氢生成A1的反应是另一重要路径.采用80%正庚烷+10%甲苯+10%环己烷(质量分数)的多组分替代混合物,可以较好模拟柴油燃烧反应动力学过程.     

小球藻生物柴油详细燃烧反应动力学模型的构建

采用气相色谱质谱联用仪测定了小球藻生物柴油的组分和比例,分析了小球藻生物柴油的理化特性,在此基础上,确定了小球藻生物柴油的表征物质。应用“叠加法”构建了小球藻生物柴油的详细燃烧反应动力学模型,利用激波管试验和发动机台架试验数据对模型加以验证。研究结果表明,选取物质的量比为1∶1的癸酸甲酯和正庚烷作为小球藻生物柴油的表征物质,所构建的详细燃烧反应动力学模型包含3300种物质,10851个基元反应。温度高于1000 K时,着火延迟期的预测值与实验值的最大误差小于8.1%,温度低于1000 K时,误差介于8.1%~15.3%。所构建的模型能较好地预测内燃机缸内压力,最大相对误差为6.6%。     

CO_2对油燃料着火延时影响的研究

采用Chemkin 4.1化学动力学软件,基于Dryer正庚烷燃烧机理(116种组分,754个基元反应)和零维定容闭式均相反应器模型,并结合敏感性分析方法模拟计算了不同CO_2浓度下,着火延迟随温度(1 150~1 450 K)、当量比(0.5~1.5)、压力(1~10 atm)的变化,分析CO_2浓度对着火延迟的影响。计算结果表明:随CO_2浓度增加,着火延迟时间增大。不同CO_2浓度对着火延迟时间的影响随温度降低逐渐减弱,随压力升高逐渐较弱,随当量比增大变化不大。温度是影响着火的关键因素。反应1、115、114、171是影响着火的关键基元反应,HO2为影响着火的关键组分。CO_2影响着火延迟主要是通过物理作用,化学作用影响不大。     

一个新的甲醇氧化简化化学动力学机理

基于甲醇氧化反应的主要反应历程分析,构建了一个包含17种组分和40个基元反应的甲醇简化化学动力学机理.通过与激波管、流反应器、稳态反应器、层流火焰速度和火焰结构实验数据的比较表明,该机理在温度为823～2 180 K、压力为0.005～2.0 MPa、当量比为0.2～2.6范围内能够准确描述甲醇氧化历程.用该机理计算所得的甲醇层流火焰速度和着火滞燃期与实验结果吻合得很好,对预混层流火焰模型中燃烧中间产物CH_2O、CO体积分数的计算结果相当准确.与其他简化机理相比,该机理适用范围更广;与全面的详细机理相比,该机理更适合与CFD多维模型耦合.     

甲醇/正辛醇/HCB混合燃料喷雾燃烧特性

基于定容燃烧弹系统,通过纹影法、OH*化学荧光法与背景光消光法及自然辐射光法两套同步光学诊断技术,针对3种不同甲醇添加比例的甲醇/正辛醇/加氢催化生物柴油(HCB)混合燃油,对比分析了不同环境温度、喷射压力下喷雾燃烧特性．结果表明：3种燃油由于反应活性和含氧量的不同,在相同工况下着火延迟期和火焰浮起长度随甲醇比例的增大而增加,使得着火后的喷雾贯穿速度降低．通过对着火延迟期和火焰浮起长度经验公式的拟合,发现混合燃油的着火延迟期、火焰浮起长度与化学当量比的燃油混合分数呈正相关,而火焰浮起长度与燃油的十六烷值呈负相关．所有燃油的火焰浮起长度均小于液相长度,整个燃烧过程中均处于火包油状态,这使得燃烧促进了液相燃油的蒸发,导致着火后液相长度更短．纯生物柴油由于较短的火焰浮起长度和较高的反应活性,其燃烧导致的液相蒸发最为明显．     

正庚烷对冲扩散火焰中多环芳烃形成机理的简化

使用敏感性分析对正庚烷对冲扩散燃烧火焰中多环芳烃生成的详细反应机理(包括108种组分、572个基元反应)进行简化,得到了可与CFD多维模型耦合计算的简化机理,该机理包括56种组分、83个基元反应.简化机理和详细机理的计算结果非常吻合,表明得到的简化机理能够精确地描述正庚烷对冲扩散火焰的燃烧特性,并且能够定量预测多环芳烃(例如苯、萘、菲、芘等)的生成.     

JetA-1航空煤油替代燃料的着火与燃烧特性

提出了一种新的航空煤油(Jet A-1)替代燃料(正癸烷与三甲基苯双组分混合燃料),并形成了该替代燃料着火与燃烧的化学反应机理(包括118种组分,527个基元反应).采用该反应机理,对该替代燃料在激波管中的着火特性进行了详细分析.同时,对其在预混燃烧炉、预混搅拌反应器中的预混燃烧过程进行了数值计算,详细分析了反应物(n-C10H22和O2)、主要生成物(CO、CO2、H2和H2O)及多种中间组分(CH2O、C2H2、C2H4、C3H4、C3H6、C4H8和C5H10)摩尔分数的变化趋势,并与正癸烷单组分替代燃料的着火与燃烧特性及实验数据进行了对比分析.结果表明,正癸烷与三甲基苯双组分混合替代燃料能准确反映出Jet A-1的着火及燃烧特性,同时,要优于正癸烷单组分替代燃料.     

基于直接关系图类方法的丙烯详细机理骨架简化

耦合MATLAB与CHEMKIN-PRO平台,使用直接关系图法(directedrelationgraph,DRG)、基于误差传播的直接关系图法(directed relation graph with error propagation,DRGEP)、两步DRG以及DRG联合DRGEP 4种方法,建立了燃料详细动力学机理骨架简化程序.针对目标工况对丙烯详细机理进行骨架简化,对比4种算法的简化效果,选用DRG联合DRGEP方法,在10%的误差范围内,剔除了约62%的组分和58%的反应,构建了包含187个组分和1 139个反应的丙烯骨架机理.使用该机理计算了简化工况下的着火延迟时间、层流火焰速度和平推流反应器(laminar flow reactor,LFR)模型中的重要组分浓度变化,并与详细机理以及实验数据对比,验证了简化机理的可靠性与简化程序的有效性.     

生物柴油热重分析及柴油机试验研究

利用热重分析仪在氮气及氧气气氛下,对生物柴油和0#柴油进行热分析,考查了样品的挥发热解及氧化特性,并计算热分析特性参数.对两种燃料进行了柴油机台架对比试验,并对燃烧特性数据进行分析.结果表明:生物柴油有良好的替代性;生物柴油的燃烧性能更加优越,使用在柴油机上时,较为提前的着火延迟期可以使柴油机工作柔和,不粗暴.热重法对燃料蒸发性能的研究对发动机缸内雾化蒸发和燃烧过程有着指导意义.     

加氢催化生物柴油喷雾燃烧及碳烟的试验

针对一种新型的大分子烷烃、不含氧的加氢催化生物柴油,基于先进的光学测试平台,在定容燃烧弹上、3种不同温度下开展了燃烧条件下该生物柴油的喷雾特性、燃烧特性以及碳烟生成特性的可视化研究.试验结果表明:随着加氢催化生物柴油掺混比例的增加,喷雾液相长度、着火延迟期和火焰浮起长度均呈现减小的趋势.对比50%,柴油和50%,加氢催化生物柴油的混合燃油(HB50)与柴油的碳烟生成特性发现,HB50碳烟的初始位置和初始时刻相对提前,并且在可视化区域内,碳烟的生成区域减小,碳烟的生成质量却增大.     

正丁醇-生物柴油双燃料高预混燃烧的着火机理

应用三维计算流体力学程序包KIVA耦合正丁醇-生物柴油双燃料燃烧机理,研究了不同的生物柴油喷油时刻、正丁醇-生物柴油喷射比例以及EGR率条件下,正丁醇-生物柴油双燃料高预混合燃烧着火机理.结果表明:不同的燃烧控制参数影响生物柴油和正丁醇的低温反应过程.随着生物柴油喷油时刻的推迟,燃料发生低温反应的比例降低,而中温和高温裂解反应的比例快速增加,使得反应体系活性大大提高.当生物柴油喷油时刻较早、正丁醇比例和EGR率较低时,生物柴油的低温反应中间产物MD_xO_2同分异构体生成较早,正丁醇的低温反应中间产物nC_3H_7CHO的生成区域与MD_xO_2同分异构体的分布区域一致.生物柴油喷油提前以及增大其比例,生物柴油与正丁醇可以较好混合,发生自由基的交互反应,促进着火发生.优化燃烧控制参数可以保证着火和合适的燃烧相位.     

废轮胎热解半焦的单颗粒燃烧特性实验研究

在单颗粒燃烧系统上研究了废旧轮胎热解半焦颗粒的燃烧特性，并探究了温度与颗粒粒径对燃烧的具体影响．结果表明，半焦颗粒在850℃及以下燃烧时经历挥发分析出及着火、挥发分燃烧、焦炭着火及焦炭燃烧4个阶段，在机理上属于典型的均质着火机理；在950℃以上时，焦炭着火早于挥发分着火，其着火机理转变为联合着火．此外，温度升高会缩短半焦颗粒着火时间等特征时间，而半焦颗粒粒径的增加则会增大挥发分火焰的体积并显著延迟焦炭的着火时间．研究结果为高效清洁利用轮胎衍生燃料提供了一定的基础研究数据．     

基于TPDF方法正庚烷喷雾燃烧特性模拟

采用输运概率密度函数模型(TPDF)开展了不同初始环境温度、氧体积分数下正庚烷喷雾火焰发展过程模拟研究.以发动机燃烧网络(ECN)试验数据为基准,首先将模拟得到的着火延迟期和火焰浮升长度与均质反应器模型(WSR)模拟结果以及试验结果进行对照,发现氧体积分数较低时,由于TPDF模型能够对小尺度上组分和温度的湍流波动进行精确求解,可获得准确的燃烧特征量.然后基于TPDF方法,系统分析和对比了不同初始环境条件下准稳态火焰结构以及火焰发展过程的燃烧特征,发现在不同的初始温度和氧体积分数条件下,着火均首先出现在浓混合气区域.降低初始环境温度,高当量比区域反应活性下降,导致着火推迟,燃油与空气有更长的时间进行混合;降低温度的同时降低氧体积分数,则导致着火进一步推迟,油、气混合更为充分.着火位置混合气的浓度较高温、高氧体积分数条件有所降低,燃烧消耗了本来就不足的氧气,导致高当量比区域更难发生反应.     

生物柴油燃烧过程内窥镜高速摄影试验研究

采用内窥镜直接高速摄影的方法，对燃烧柴油和生物柴油发动机的燃烧过程进行了试验研究，分析了柴油、生物柴油、不同比例的生物柴油／柴油混合燃料的着火延迟期、着火点位置、燃烧温度和燃烧速度的变化规律。研究结果表明：燃油喷射过程中，柴油的喷雾锥角大于生物柴油的喷雾锥角；生物柴油在预混燃烧阶段的燃烧速度大于柴油，其最高燃烧温度小于柴油。在相同工况下，生物柴油的燃烧终点早于柴油，燃烧持续期也小于柴油。燃烧生物柴油时，高转速工况下的燃烧终点对应的曲轴转角较低转速时有所增加，燃烧持续期对应的角度有所延长。     

正丁醇/生物柴油混合燃料的中低温着火特性

通过一台新开发的超高压快速压缩机，进行了不同比例的正丁醇/生物柴油混合燃料在当量比为0.3～1.0、压力为1～6 MPa以及温度为700～975 K条件下的自着火特性研究．结果表明：混合燃料的着火延迟时间随着温度、压力和当量比的升高而减小．此外，混合燃料的着火延迟时间随着正丁醇比例的增加而增大，但随着温度的升高，着火延迟时间对正丁醇的比例不敏感．采用已有的详细动力学模型进行了模拟研究并与试验结果进行了对比．通过对正丁醇/生物柴油自着火特性的化学动力学分析，研究了自着火过程中正丁醇和生物柴油之间的化学相互作用．结果表明：正丁醇的加入极大程度抢夺了生物柴油低温反应产生的自由基，削弱了生物柴油的低温反应路径．