长碳链脂肪酸甲酯喷雾及着火特性的基础研究

Reasonable choice of biodiesel surrogate is vital to the development of biodiesel oxidation chemical kinetics and the optimization of biodiesel engine operation. In direct injection compression ignition engine, combustion process and emissions formation are strongly influenced by fuel spray and auto-ignition processes; therefore, the spray and auto-ignition characteristics should be simultaneously considered in the selection and development of biodiesel surrogates. As important compositions in biodiesel fuels, the fundamental spray and ignition delay features of long carbon-chain, large-molecule fatty acid methyl esters are to be investigated in this project. The macroscopic and microscopic features of fuel spray and droplets of different fatty acid methyl esters will be revealed under various injection conditions; meanwhile, ignition delay time scale in gas phase reaction of different fatty acid methyl esters are also to be investigated within a broad range of temperature, pressure, fuel/charge equivalence ratio and charge oxygen concentration. This project aims to illustrate the effects and mechanisms of carbon chain length on spray and auto-ignition characteristics of fatty acid methyl esters, provide experimental database for biodiesel surrogates development and relevant chemical kinetics validation, and finally contribute to the control and optimization for the combustion process and emissions formation in biodiesel engines.

生物柴油简化替代物的合理选择对生物柴油氧化化学动力学机理开发和生物柴油发动机的工作优化有重要意义。直喷压燃式发动机的燃烧过程和排放物生成受到燃料的喷雾和着火过程的耦合影响，因此，对生物柴油替代物的选择和开发应当同时考虑其喷雾和着火特性。作为生物柴油重要组成成分，本项目针对长碳链的大分子脂肪酸甲酯，开展喷雾特性和着火延迟特性的基础研究。揭示变化喷射条件下的不同脂肪酸甲酯喷雾过程的油束宏观参数以及液滴微观特性；探究宽温度、压力、反应物当量比和混合气氧浓度范围内的不同脂肪酸甲酯气相反应的着火延迟时间尺度。最终阐明脂肪酸甲酯的喷射雾化特征以及着火延迟特性随分子碳链长度的变化规律以及影响机制，为生物柴油化学动力学简化替代物的开发以及机理验证提供试验依据，并将最终为生物柴油发动机的燃烧过程和排放物生成的控制和优化提供指导意义。

清洁、可再生的含氧燃料生物柴油作为新型的运输燃料可以有效减缓化石燃料消耗带来的能源问题。然而，原料来源的多样性会不可避免地造成生物柴油的物理化学性质之间存在明显差异，影响燃料的喷雾、喷射和着火特性，进而带来发动机燃烧和排放性能的差异。因此，对生物柴油替代物的而喷雾和着火过程的选择和开发应当同时考虑其喷雾和着火特性。本项目依照项目任务书提出的研究目标，针对代表性的不同碳链长度的脂肪酸酯开展了燃料喷射、雾化和着火燃烧过程的试验和计算研究，圆满完成了各项预期的研究目标。主要研究工作包括：考察了不同喷射压力、喷射脉宽和喷射策略情况下的脂肪酸酯的喷油延迟、喷油速率和循环喷油量等喷射特性，以及高压喷射系统的压力脉动规律；揭示了不同喷射压力、环境背压以及喷射脉宽条件下的不同脂肪酸酯喷雾过程的油束宏观参数以及液滴微观特性；阐明了宽温度、压力、反应物当量比和混合气氧浓度范围内的不同脂肪酸酯均质混合气的着火延迟特性；为生物柴油替代物开发以及化学动力学机理验证提供试验依据。主要研究结果表明，与柴油相比，试验测试的脂肪酸酯燃料在喷射过程中的喷油器嘴端压力波动幅度较小，且波动相位略微提前，压力波动在高压油管内传播时的衰减速度略快；脂肪酸酯类燃料的喷油延迟略高于柴油；粘度和表面张力较小的月桂酸甲酯和柴油的喷雾液滴主要集中在小粒径区域，而粘度较大的油酸甲酯和油酸乙酯的喷雾液滴粒径较大。脂肪酸酯燃料的着火延迟随着上止点压力的升高而降低，着火延迟随着当量比的降低而升高，随着脂肪酸酯碳链长度的增加，燃料着火过程出现负温度系数现象。二氧化碳对脂肪酸甲酯着火过程的影响可分解为稀释作用、热作用和化学作用，其中稀释作用为主要影响因素，而热作用和化学作用为次要因素。随着初始温度的提升，二氧化碳的化学作用逐渐增强。在本项目执行期间，项目负责人获得中国博士后基金会国际交流人才计划支持，并获得上海市教育委员会颁发的上海市优秀博士学位论文荣誉称号。本项目共培养博士后1名，博士研究生1名，硕士研究生3名。本项目在权威国际燃烧、喷雾和能源类SCI期刊上共发表论文6篇，在国际燃烧学会、美国汽车工程师学会和国际喷雾学会组织的本领域国际权威会议上发表会议论文5篇，项目负责人应邀出席国际会议并做主题报告1次。