加氢催化生物柴油燃烧过程碳烟生成机理的研究

The catalytic hydrogenation biodiesel which is produced by non-edible oils, possessed good stability and ignition has become more attractive and promising future for the alternative fuel in diesel engine. But the knowledge of mechanism of soot is unclear for the macromolecular alkane fuel until now and the accurate chemical dynamics model of soot need to be setup because the molecular structure of catalytic hydrogenation biodiesel and traditional biodiesel has a big difference. Based on the previous fundamental researches about soot formation characteristics in constant volume combustion chamber, the radical of OH and PAH will be investigated by using planar laser induced fluorescence (PLIF) of OH and PLIF of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) technology in optics engine to capture the structure of PAH and OH under instantaneous condition. Diffused Background Light Extinction Imaging (DBLEI) method has proposed to study the soot formation, growth and oxidation mechanism in instantaneous combustion processes. And the soot formation and oxidation mechanism under transient condition will be revealed. A new reduced kinetics mechanism of soot of catalytic hydrogenation biodiesel will be built using direct diagram method and intrinsic low-dimensional manifolds method based on experimental researches. The new soot model will be coupled into the CFD software to predict the soot emission. Finally, a more reliable soot model will be got by comparing the simulated result and experimental result.

加氢催化生物柴油由于其良好的稳定性、着火燃烧和清洁可再生特性，作为内燃机中的替代燃料具有非常广阔应用前景，但该燃料分子结构属于大分子烷烃、不含氧，与传统生物柴油具有较大差异，其碳烟化学动力性模型还有待建立。在前期对定容燃烧弹内稳态环境加氢催化生物柴油燃烧及碳烟生成特性研究基础上，本项目首先应用激光诱导荧光法PLIF在光学发动机上开展燃烧过程PAH和OH联合测量，精确捕获加氢催化生物柴油瞬态条件下燃烧中间组分的空间分布，提出采用高频背景光消光法探究柴油机瞬态燃烧条件下碳烟生成历程，揭示加氢催化生物柴油瞬态条件下碳烟生长机制；在实验测试基础上，运用直接关系图法和固有低维流形法，获得简化的加氢催化生物柴油碳烟化学反应机理，构建其碳烟模型。在此基础上，将加氢催化生物柴油碳烟化学动力性模型耦合到CFD软件中，模拟预测该燃料碳烟排放，并与实验结果对比，验证模型可靠性。

加氢催化生物柴油因其良好的稳定性、着火性和清洁可再生特性，作为内燃机中的替代燃料具有广阔的应用前景。但其与汽油掺混后的燃烧反应机理和碳烟模型尚不清楚，极大阻碍了该替代燃料的产业化应用。本项目在定容燃烧弹上开展汽油/加氢催化生物柴油喷雾、着火、燃烧及碳烟生成特性的光学诊断研究，获得了混合燃油油气混合规律、着火燃烧特性以及碳烟生成规律，揭示了汽油/加氢催化生物柴油着火燃烧及碳烟生长机制；开展了汽油/加氢催化生物柴油混合燃料的燃烧反应机理研究，在快速压缩机上获得了不同当量比、不同温度、不同掺混比例下的着火延迟期，构建了混合燃油燃烧反应机理并进行了大规模简化，获得了可应用缸内计算的简化机理；在此基础上，开展混合燃油碳烟模型的研究，获得了较为准确的能预测汽油/加氢催化生物柴油碳烟生成的碳烟模型，并将上述燃烧反应机理与碳烟模型植入到CFD数值计算中，开展了拓展负荷的数值计算工作；最后，在一台高压缩比发动机上实现了汽油/加氢催化生物柴油稳定压缩着火燃烧，单点获得了47%的热效率。本研究对于加氢催化生物柴油的应用研究具有重要的指导意义，为实现发动机清洁高效燃烧提供了技术途径。