低温燃烧模式下生物柴油发动机氮氧化物和碳烟排放生成机理研究

Due to the different sources of biodiesel, the mechanisms of nitrogen oxide (NOx) and soot emissions in biodiesel engines have not been well understood yet. From the essential aspects, i.e., thermal physical properties and chemical kinetic mechanism, the spray, ignition, combustion, and emission characteristics of an engine fueled with biodiesel from different sources in low temperature combustion mode are deeply investigated in this project. First, a thermal physical property database is developed by collecting and analyzing the newest experimental data. Based on group function contribution method and artificial neural network, a series of models of thermal physical properties for biodiesel are constructed and improved. Especially, the reliability of the models of thermal physical properties are significant improved in high-temperature range. Second, the decoupling methodology is used to construct the skeletal chemical mechanism of biodiesel surrogate model, which could keep a compact size while providing accurate predictions on the ignition and combustion of biodiesel. By introducing a gas-liquid phase transition model and a real gas equation of state, the fuel vapor condensation on the soot surface is considered in the soot formation process for the first time. Finally, a biodiesel engine operated in low temperature mode is investigated by both the multidimensional modeling and a single-cylinder engine experiment. The effect of biodiesel sources on spray and combustion is explored, and the influence of the physical and chemical properties of biodiesel fuel on NOx and soot emissions is clarified. Furthermore, the importance of prompt NOx and fuel vapor condensation on the soot surface are revealed. The investigation in this project could provide theoretical foundation for the development of biodiesel engine.

由于生物柴油的多样性，导致对生物柴油发动机中氮氧化物（NOx）和碳烟排放生成机理的解释存在很大的争议。本项目从生物柴油的热物性和化学反应动力学着手，深入研究不同来源生物柴油在发动机低温燃烧模式下的喷雾、燃烧和排放特性。首先，通过收集和分析最新的实验数据，建立生物柴油的热物性数据库，基于基团贡献法和人工神经网络建立并改进热物性预测模型，提高模型在高温下的可靠性。其次，通过解耦法构建结构紧凑的生物柴油骨架反应机理，准确重现不同生物柴油的着火和燃烧特性。再次，通过引入两相相变模型和实际气体状态方程，首次将燃油蒸气在碳烟表面的凝聚纳入碳烟模拟中。在此基础上，开展生物柴油发动机低温燃烧模式的数值模拟和单缸机实验研究，揭示不同来源生物柴油的喷雾和燃烧特性，阐明生物柴油理化特性对NOx和碳烟排放生成的影响机理，探究快速型NOx和蒸气在碳烟表面凝聚的重要性，为生物柴油发动机的研究提供理论指导。

本研究针对低温燃烧模式下生物柴油发动机缸内燃油雾化、蒸发、燃烧和排放的特点，重点构造适用于生物柴油的多组分蒸发模型和骨架化学反应动力学机理，并开生物柴油预混压燃（PCCI）发动机的数值模拟研究，研究要点概括如下：.1) 基于解耦法构建了一系列适用于发动机运行工况（高压和低至高温条件）、从丁酸甲酯到棕榈酸甲酯的饱和脂肪酸甲基酯的骨架氧化机理。在此基础上提出了一个新的生物柴油表征燃料，基于解耦法通过耦合正癸烷子机理、癸酸甲酯（MD）子机理、5-癸稀甲酯（MD5D）子机理、简化的C2–C3子机理和详细的H2/CO/C1子机理，提出一个包含60个组分和172个反应的骨架机理。并采用非劣解排序遗传算法优化燃料化学反应机理，最终的骨架机理能够较好地再现宽范围条件下燃料的滞燃期以及反应物的消耗，以及燃料的火焰传播和熄火特点以及主要产物的浓度演变历程。.2) 建立了一个改进的离散型油膜模型，同时考虑了碰壁粒子/油膜间的相互作用以及由沉积粒子的变形引起的能量损失对油膜运动特性的影响。同时建立了一个新的油膜分离破碎模型，该模型包括分离准则、分离质量比例以及基于Rayleigh-Taylor不稳定波理论的油膜破碎子模型。为考虑实际环境气体对燃油液滴蒸发过程的影响，建立适用于高温高压的多组分蒸发模型。分别采用傅里叶导热定律，多组分焓扩散，以及波尔兹曼定律求解气相中的导热量，多组分扩散焓消耗的热量，以及辐射热量。采用Predictive Soave-Redlich-Kwong（PSRK）方程和UNIFAC混合法则求解生物柴油液滴蒸发过程中的气液浓度分布。.3) 在上述模型的基础上，提出并构建基于多组分物理-化学解耦（DPCS）的生物柴油表征模型。为验证此模型，将此模型应用于模拟定容弹内喷雾贯穿距以及PCCI发动机的燃烧和排放特性。基于此模型，探讨不同燃料反应活性压燃（RCCI）的作用规律，总结燃油化学特性对RCCI发动机性能的影响。