甲醇自燃特性及十六烷值改进剂作用机制研究

The PM (particulate matter) emissions of compression ignition engine can not be completely eliminated when fueled with diesel oil. Methanol is high of oxygen and none of carbon bond in molecular and thus gives smokeless combustion; when it's utilized on internal combustion engine, the fuel-originated PM emission could be avoided. However, the low cetane number prohibits methanol from utilizing on diesel engine in form of incylinder spray compression ignition. Aiming at finding a igniter-style cetane number improver to enhance methanol's autoigniton ability. The high temperature and pressure circumstance in the diesel engine chamber is simulated by a fast compressor; the spray and autoignition characteristics, and the influence of cetane number improver, the effect of circumstance, fuel composition and injection parameters on the characteristics, are experimentally studied with planar laser induced fluorescence (PLIF) flame combustion analyzing system. Based on the experiments, the detailed developing processed of physical and chemical ignition delay duration of methanol spray autoignition and the function mechanism of cetane number improver on the autoignition are numerically studied by combining with detailed chemical reaction mechanism of methanol combustion and spray modeling. So as to specify the research direction of the new cetane number improver, establish the theoretical base for utilizing methanol like diesel on modern electric controlled diesel engine. The study is not only meaningful for diesel engine to reduce PM emission, and thus fulfill the more and more stringent emission standard limits, to improve the thermal efficiency, and to completely substitute diesel fuel with methanol, but also essential for the research and exploration of internal combustion engine, realization of energy diversification, and the construction of a clean and efficient society.

发动机燃用柴油时无法避免颗粒物排放。甲醇含氧量高，燃烧过程中不产生碳烟，可以消除发动机燃料产生的颗粒排放。但甲醇十六烷值低，在柴油机上直接喷雾压缩燃烧利用难度较大。本申请旨在寻找一种"火种"型十六烷值改进剂以提高甲醇燃料的自燃性。利用快速压缩机产生高温高压来模拟发动机燃烧室环境，结合平面激光诱导荧光(PLIF)技术，进行甲醇的喷雾与自燃特性和十六烷值改进剂及环境、燃油喷射等条件对其影响规律的研究。在此基础上，结合甲醇燃烧详细化学反应机理与喷雾CFD数值模拟，揭示甲醇喷雾自燃过程中物理与化学滞燃期的详细发展历程，阐明十六烷值改进剂对甲醇自燃的作用机制，指明新型"火种"型十六烷值改进剂的研究方向，为现代电控柴油机直接燃用纯甲醇奠定理论基础。此不但为降低柴油机颗粒排放，满足国VI及以上排放法规提供技术指导，也为我国内燃机的研究与开发、实现能源多样化及建设清洁高效型社会具有重要意义。

本研究从理论和实验两个角度开展了甲醇和柴油等燃料缸内直喷压缩燃烧的燃烧特性和氧化机理研究。首先设计并搭建了一套快速压缩燃烧试验平台，设计完成了燃油缸内直喷了电控单元，实现了装置的稳定运行。该装置的压缩比在25以内灵活可调，活塞最高平均速度可达8m/s，压缩速度达到国际领先水平。. 在该装置上对甲醇、柴油和正庚烷的缸内直喷压缩燃烧特性进行了研究。结果表明，柴油在空燃比为24时，压缩比分别为12.5、15.6、18.7下，滞燃期分别为23ms、13ms、8ms。而甲醇在压缩比分别为18.7下时仍难以直接压燃，直到将进气温度加热到200℃时甲醇开始着火。正庚烷作为CN值添加剂与甲醇掺混燃烧研究结果表明，而随甲醇掺混比例的增加，最大压力逐渐减小，滞燃期迅速增大。二甲醚HCCI燃烧滞燃期随空燃比的增大而减小，随压缩比的增大而增大。. 通过甲醇燃烧详细化学反应机理分析发现，甲醇中的碳最终都要通过甲醛的裂解和氧化作用最终转化为CO和CO2，因此它的氧化速率最终决定于甲醛的消耗速率。对甲醇的初期氧化起到抑制作用的主要是消耗OH的主要反应路径，他们使OH基团最终失去活性而固化为H2O。因此，要激活甲醇的氧化活性，缩短燃烧滞燃期，关键在于合理组织反应进程，促进OH基的生成，抑制其消耗。. 利用气相色谱-质谱联用仪(GC–MS)，定性定量的研究了不同温度下共沸时汽油和甲醇/汽油混合燃料的馏分。研究结果表明，汽油和M15的混合燃料的馏分中主要是C4-C8的烷烃，烯烃和苯，但作为汽油添加剂的二甲基叔丁醚（MTBE）占质量百分数最大。馏出温度的升高不仅增加了馏分中组分的种类，也改变了碳原子数的分布情况，C5烃类质量百分数减小，C6、C7烃类增加。甲醇与汽油中的组分有共沸现象，使M0和M15的馏分中各成分质量百分数发生变化，其中，戊烷、2-甲基-2-丁烯和甲苯三种质量百分数变化最大，超过4%。