多组分燃料液滴高温蒸发耦合机制研究

以高挥发性的乙醇与低挥发性的加氢生物柴油和柴油构成的多组分混合燃料为研究对象,研究了单个液滴在高温下的内部蒸汽气泡动力学及蒸发特性。在恒温加热炉中,采用挂滴法结合高速显微成像技术,在773、873和973 K温度下,捕捉了加氢生物柴油-乙醇-柴油混合燃料液滴在蒸发过程中的形态变化,分析了液滴的归一化平方直径和寿命等特征。研究表明,在773 K下,蒸发过程较平稳,液滴体积均匀减小,而在973 K下,0.093 s时液滴内开始产生微小气泡并逐渐增大;在0.767 s时再次形成微小气泡,并于0.907 s时出现第2次破裂。升高环境温度有助于增加燃料液滴的蒸发速率,加剧蒸发过程中的微爆现象,一定程度上缩短了液滴的蒸发时间;蒸发过程中液滴内部的气泡增长与汽液界面的Rayleigh-Taylor不稳定性有关,且在液滴表面观察到了表面张力现象;与柴油相比,随着二元燃料中加氢生物柴油含量的增加,组分对蒸发的抑制作用更强,与二元燃料相比,三元燃料中的乙醇促进了微爆,缩短了液滴蒸发;三元燃料的液滴蒸发按序呈现乙醇主导、乙醇和柴油共同主导以及三者共同蒸发3个典型特征阶段。

活塞环表面液相等离子体电解碳硼共渗研究

活塞环表面强化可减少活塞环缸套摩擦磨损,提高机械效率,是商用车低碳化战略实现的重要途径与保障。为提升活塞环性能,尝试采用液相等离子体电解碳硼共渗(PEC/B)的技术方案,进行了活塞环表面改性的研究,系统探究了操作参数对工件表面形貌、硬度、相组成、截面形貌、元素分布和摩擦学性能的影响规律。研究结果表明,改性层主要由渗硼层和渗碳过渡层组成,渗硼层主要组成相为Fe 2B,渗碳过渡层的主要组成相为Fe 3C,渗碳处理可有效提升渗硼效率。改性层厚度最大可达15μm以上,渗硼层硬度最大可达1460HV。经碳硼共渗处理后,工件的摩擦因数、磨损率约为未处理工件的11%、7%,摩擦学性能显著提升。液相等离子体电解碳硼共渗为活塞环性能的提升提供了切实可行的技术途径。

液化天然气绕管式换热器壳侧混合工质流动及传热特性

绕管式换热器壳侧的流动及传热特性对大型液化天然气/浮式液化天然气装备设计和优化具有重要意义。本文建立了两相流动沸腾数值模型以预测壳侧流型、压降及其传热效果。通过耦合VOF模型、相变传质模型和表面张力模型,探究了不同质流密度、干度等因素对壳侧流动传热特性的影响,并通过绕管式换热器流动换热实验平台进行了实验验证,证明了模拟所得规律与实验结果有良好的吻合性。结果表明:压降随干度的增加而增加;传热系数随干度的增加有所减小;壳侧制冷剂在不同干度下主要呈现柱状流、滴状流、气状流等流型。本研究为设计和优化绕管式换热器提供了理论基础。

中国空间站燃烧科学实验柜火焰温度及碳烟体积分数地面重建

基于双色法和Tikhonov正则化算法,应用燃烧科学实验柜科学实验系统开展乙烯扩散火焰二维和三维温度及碳烟体积分数分布重建实验,以期为将来的微重力-常重力燃烧对比实验提供技术支持和地面数据。研究结果表明:火焰温度的计算误差约为3.03%,碳烟体积分数的计算误差约为3.86%;火焰温度沿径向先升高后降低,其峰值出现在靠近火焰边缘的位置;火焰上游处的碳烟体积分数分布呈中心低、四周高的趋势,而火焰下游的碳烟体积分数峰值则出现在火焰中心区域;依据SN571、SN610和SN573光学诊断设备采集的图像信息重建的峰值温度分别为1942、1954和1981 K,最高碳烟体积分数分别为11.34×10^(-6)、11.23×10^(-6)和11.02×10^(-6);三维重建的温度和碳烟体积分数分布与二维重建的分布一致,三维重建出的火焰峰值温度约为1900 K,最高碳烟体积分数约为10.60×10^(-6)。

活塞环表面等离子电解沉积陶瓷涂层的试验研究

为提升活塞环性能,采用液相等离子体电解沉积陶瓷涂层的技术方案,进行了活塞环表面强化的试验研究。分析了工作电压、处理时间和基体表面粗糙度对涂层结合力的影响规律,表征了PED陶瓷涂层的形貌和相组成。在此基础上,对比分析研究了PED陶瓷活塞环的硬度、摩擦学性能、耐腐蚀性能。研究结果表明:PED陶瓷涂层表面呈蜂窝状形貌,涂层的相由γ-Al_(2)O_(3)相和α-Al_(2)O_(3)相构成,且以α-Al_(2)O_(3)相为主晶相;PED陶瓷涂层与基体的结合力随工作电压的提高及处理时间的延长,均呈先增大后减小的趋势,随基体表面粗糙度的增大而增加。经PED处理后,试样的表面硬度可达1 185HV,其摩擦系数和磨损率分别降低了6.4%、29.4%;极化电阻提升至1.75×10^(4)Ω·cm^(2),较未处理活塞环提高一个数量级以上。

柴油机排放颗粒物的热重特性分析

为了解不同粒径颗粒物在特定氛围下的氧化特性,该文利用MOUDI采样器收集到的柴油机颗粒物,在纯N2及纯O2环境下,对0.18～0.32、0.32～0.56、0.56～1.00和1.00～1.80μm4个粒径级颗粒分别进行热重分析试验。结果表明,随着粒径级的增大,颗粒物中水分和SOF(solubleorganicfraction)的含量下降,而干碳烟(soot)和无机盐的含量增加。在纯N2氛围下,颗粒在SOF挥发阶段随着颗粒物粒径级减小,其SOF含量和失重峰值速率随之增加;但在soot热解阶段不同粒径级的失重速率趋同。程序升温终了时,各粒径级颗粒的热重曲线在纯N2氛围下缓滞停在不同位置,而在纯O2氛围下则渐趋归一。随着颗粒物粒径级的减小,热重曲线呈下降趋势,颗粒越细则越易升温(氧化)失重;而在纯O2氛围下,各粒径级在SOF挥发阶段表现出与纯N2氛围下一致的规律但失重速率峰值明显增加。在soot热解阶段,随着颗粒物粒度减小,比表面积增加使其吸附氧的能力增加,发生化学反应的活性增大,颗粒氧化的起燃温度降低,且起燃时刻对应的失重速率增加;各粒径级颗粒物的失重速率峰值出现在600～640℃之间,随着颗粒物粒径增大其soot所占含量随之增多,热解失重速率峰值亦显著增加。研究结果可为颗粒物处理的技术措施提供基础物性数据,有助于推动颗粒物处理装置的改进和优化。

柴油机颗粒物催化状态热重特性及热动力学分析

在加入触媒Co3O4及CeO2情况下,对柴油机颗粒物在10.3%氧质量分数氛围下的氧化特性进行热重分析试验,并基于Flynn-Wall-Ozawa算法得到颗粒物干碳烟成分的氧化活化能。研究结果表明:柴油机颗粒物的失重主要由低温区SOF的挥发及氧化与高温区碳烟的氧化两阶段组成,试验样品颗粒物中2种组分含量分别约为32%和63%。触媒主要促进碳烟组分的氧化过程,对SOF的挥发及氧化影响甚微。以未添加触媒的颗粒物热重特性为参照,按触媒(Co3O4和CeO2)10%、15%、20%质量分数增大的趋势,碳烟氧化的起燃温度、失重速率峰值对应的温度和燃尽温度均随之降低,且最大失重率增加;添加Co3O4和CeO2后颗粒物的峰值失重速率分别低于和高于基础参照对象。触媒的加入可明显降低颗粒氧化的活化能,在分别添加10%和15%Co3O4后,颗粒氧化活化能由215.8kJ/mol分别降为190.2kJ/mol和167.8kJ/mol。

生物柴油发动机燃烧火焰与放热过程特性研究

为研究生物柴油与柴油燃烧及放热过程的差异,应用高速摄影采集了柴油机燃用豆油甲酯和柴油的缸内燃烧火焰图像,实测了缸内压力示功图。以直接的火焰辉度图像结合放热规律分析,揭示了生物柴油和柴油缸内燃烧的历程。在未调整发动机燃烧系统参数的前提下,生物柴油因弹性模量大和十六烷值高的综合贡献,使着火时刻较柴油提前1.5°CA,其中生物柴油开始喷油时刻较柴油提前0.7°CA;在速燃期生物柴油燃烧火焰最亮辉度和持续时间均低于柴油。在燃烧的最后阶段,没有明显火焰的化学反应释放出的热量仅占2%～3%。

柴油机燃用生物柴油的排放特性研究

生物柴油来自于动植物油脂的单酯衍生物，是一种可再生的替代能源。脂肪酸单酯作为发动机燃料的可行性来自于其分子结构和较高的能量密度。柴油机燃用生物柴油与0^#柴油具有几乎一致的热效率。在同一稳定工况下，随着生物柴油加入比例的增加，生物柴油与0^#柴油混合燃料燃烧产生的排放物中CO和HC比排放呈现线性下降，NOx比排放有所增加，而CO2比排放维持在同一水平。

生物柴油燃料特性的研究

植物油及其衍生物被用作柴油的代用燃料,其中甲酯被定义为“生物柴油”。燃用生物柴油可降低汽车尾气中有害排放物HC,CO和颗粒物PM的浓度,降低CO2的净排放量。文章着重讨论了生物柴油的热值,CN,IV和低温流动性等参数,认为不饱和双键的数目和位置对燃油品质的影响极大。

脂肪酸甲酯生物柴油改善低硫柴油的润滑性能

生物柴油可作为改善低硫柴油润滑性能的天然添加剂。该文将豆蔻酸甲酯(C14:0)、棕榈酸甲酯(C16:0)、硬脂酸甲酯(C18:0)、油酸甲酯(C18:1)、亚油酸甲酯(C18:2)、亚麻酸甲酯(C18:3)、蓖麻醇酸甲酯(C18:1 OH)及蓖麻油甲酯和餐饮废油甲酯按照0.5%、1.0%、1.5%和3.0%的体积分数添加到低硫柴油中,在高频往复试验机(high-frequency reciprocating rig,HFRR)上进行润滑性能测试,探究脂肪酸甲酯的碳链长度、不饱和度及含羟基等结构特征对润滑性能的影响。结果表明,长碳链脂肪酸甲酯一般比短链润滑效果好;碳链长度为十八的脂肪酸酯中,不饱和程度即碳碳双键数目越高则润滑性能越好;而在相同碳链长度和不饱和度条件下,含羟基的蓖麻醇酸甲酯的润滑改善效果优于油酸甲酯。由多种脂肪酸酯构成的混合物生物柴油的润滑性能要优于某单一的纯脂肪酸甲酯。在低硫柴油中,当某饱和脂肪酸甲酯的体积分数比例达3.0%时,或不饱和酯的体积分数达到1.5%时,或生物柴油的体积分数达1.0%时,可使低硫柴油的润滑性能指标满足相关标准。研究脂肪酸甲酯的各种结构特征对其润滑性能的影响及作用机制,有助于筛选合适的生物柴油组分及其添加浓度作为低硫柴油的润滑添加剂。

生物柴油燃烧过程NO_x生成机理的分析

为了研究生物柴油燃烧过程NOx形成机理,进行了柴油机燃用生物柴油和石化柴油的对比试验,并基于实测的缸内压力示功图计算了燃烧放热规律.以实际的瞬时放热率并结合燃料燃烧的化学平衡分析,建立了基于Zeldovich机理的NO生成模型.从放热时刻、燃烧温度、含氧量等燃烧特征参数分析了对NO形成的影响,对柴油机燃用生物柴油产生较多NOx排放作出了解释.结果表明:尽管柴油机燃用生物柴油的缸内平均温度有所降低,但由于柴油机燃用生物柴油的着火时刻较早,较早地达到了NO生成的触发温度,此外生物柴油属于含氧燃料,燃烧区域的氧浓度高,这两者的贡献使得生物柴油发动机产生的NOx排放比柴油发动机多.

生物柴油发动机尾气中的颗粒物特性分析

运用扫描电镜和X射线能谱仪对柴油机燃烧生物柴油和0#柴油尾气排放中收集的颗粒物样品进行检测和分析。研究结果表明,生物柴油因含氧而减少燃烧过程中燃料碳缺氧的几率,颗粒物中碳烟成分少,颗粒物粒径较小,在聚集状态的表面形貌上表现得更致密。而0#柴油燃烧后产生的颗粒物样品因碳烟成分多,颗粒物粒径较大,在聚集状态的表面形貌上表现为葡萄球状的粘结。元素分析结果表明,两个样品的差别在于在0#柴油颗粒物样品中检测到硫,而在生物柴油的颗粒样品中未检测到硫。生物柴油是石化柴油的一种优质替代燃料。

利用热力学相平衡分析生物柴油晶体析出规律

生物柴油主要是由饱和脂肪酸甲酯和不饱和脂肪酸甲酯组成的混合溶液,从热力学角度分析,生物柴油的蜡晶析出是溶液由液相向固相转变的相平衡过程。该文建立将液相组成作为理想溶液且固相成分不互溶的理想溶液模型(模型一)和基于活度系数模型与正规溶液理论的正规溶液模型(模型二),分别计算了蜡晶的析出温度,并且通过模型二计算出在给定的温度下的析蜡量与石蜡的组成。两模型在计算析蜡点的温度精确性方面还是比较理想的误差在5K左右。研究发现石蜡沉积量与饱和脂肪酸酯的量成一定的比例关系,而且石蜡沉积并不是按照脂肪酸酯熔点高低的顺序进行析出,析出的石蜡中同时包含了低熔点脂肪酸酯。固液平衡常数是表征物质在溶液中析出能力的决定性因素,在一定温度下,不饱和脂肪酸酯的固液平衡常数一般在0.1以下,而饱和脂肪酸酯的固液平衡常数却大得多。该研究阐明的晶体析出规律,可为优化生物柴油低温流动性技术措施,推动生物柴油在低温环境下的应用提供参考。

基于差示扫描量热法和热力学模型的生物柴油结晶行为分析

棕榈酸甲酯(C16:0)、硬脂酸甲酯(C18:0)和油酸甲酯(C18:1)是生物柴油的主要组成部分。为了深入探究生物柴油的结晶行为,该文基于差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)分析了这3种脂肪酸酯的物性参数,研究发现饱和脂肪酸甲酯C16:0和C18:0的熔点和熔化焓远远高出不饱和脂肪酸甲酯C18:1的值,C16:0和C18:0的熔点分别为301.57、310.92 K,C18:1的熔点为255.01 K。对脂肪酸酯组成的二元溶液进行DSC扫描,DSC曲线出现了2个放热峰,并且溶液的结晶点要低于首先析出的饱和脂肪酸酯纯物质时的熔点;随着饱和脂肪酸酯质量分数的增加溶液的结晶点温度也相应提高。将生物柴油当作由多元脂肪酸甲酯的混合溶液时,C16:0和C18:0等饱和脂肪酸甲酯作为溶质,C18:1等不饱和脂肪酸甲酯作为溶剂,建立了热力学模型计算溶液的结晶点温度。将脂肪酸甲酯的混合溶液近似为理想溶液时对此模型进一步简化,并利用简化模型计算得到4种生物柴油的结晶温度,与实测值进行比较得到了很好的验证效果。该研究可为优化生物柴油低温流动性的技术措施提供参考。

旋转爆震涡喷组合发动机设计点计算模型研究

提出了一种旋转爆震涡喷组合发动机构型,并基于GSP计算平台针对该组合发动机搭建了总体性能分析模型,针对爆震燃烧模块建立了气动热力学等效计算模型,重点进行了发动机设计点循环参数选择和性能敏感度分析计算。根据建立的模型,研究并分析了不同设计点的选择对组合发动机循环参数选择的影响,获得了爆震燃烧室出口温度的变化以及从涡轮机引气给爆震燃烧室的最佳引气比例(文中定义为分流比)对组合发动机性能的影响规律。结果表明:可满足该组合发动机性能需求的最优设计点涡轮前温度和压气机压比分别为1173 K和6.5;组合发动机推力性能随爆震燃烧室出口温度升高而提高,燃油经济性随爆震燃烧室出口温度升高而降低;控制其他变量不变,发动机推力随分流比增大而增大,耗油率随分流比增大而升高;在H=15 km、Ma=2的巡航状态点,组合发动机推力最大时对应的分流比为0.45。

4气门直喷式柴油机进气系统研究及设计

分析了 4气门直喷式柴油机进气系统的技术特点和设计要点 ,详细阐述了 4气门进气系统在提高进气量、改善油气混合和可变涡流强度等方面的优点 通过对 4气门进气系统不同进气道组合的比较 ,指出长切向气道与短螺旋气道的组合有利于产生较大的进气涡流 结合缸盖设计 ,讨论了气门的布置方式及配气机构的设计 4气门柴油机辅以增压、高压燃油喷射和废气再循环等技术的支持和匹配 ,可以改善燃烧、净化排放 ,提高动力性和经济性 。

多段燃油喷射对碳酸二甲酯-柴油混合燃料燃烧过程的影响

柴油机多段燃油喷射可用来优化缸内燃烧以实现排放净化的目标。该文采用两段预喷和一段主喷组合的多段燃油喷射进行混合燃料D10(90%柴油+10%碳酸二甲酯)燃烧过程的研究。通过预喷相位可调但3段喷油之间相位间隔恒定、主喷持续时间可调但第1、2段预喷持续时间固定的喷油策略,实现在目标工况下精确的放热中心COHR(center of heat release)。当调整多段燃油喷射策略实现目标COHR以等步长推移时,柴油机的燃烧过程呈现如下特点:各工况的着火时刻均处于第2段预喷和主喷之间;从喷油时刻至着火时刻所经历的曲轴转角越来越小;着火时刻至放热中心所占用的曲轴转角则越来越大;缸内燃烧压力峰值出现位置与放热中心位置较为接近,相对缸内峰值压力出现位置,COHR不断后移且相距更远。与柴油相比,D10的滞燃期更长,其最大压升率也更高。由于易汽化的碳酸二甲酯促进了燃料混合及后续燃烧,从着火时刻到10%放热率及90%放热率对应时刻所占用曲轴转角均变小,说明碳酸二甲酯的加入有助燃烧的迅速进行。基于COHR为表征的燃烧特性分析,为碳酸二甲酯/柴油混合燃料的应用、多段燃油喷射调控燃烧过程及排放控制理论提供指导。

柴油机颗粒物热重参数优化选择及其氧化特性研究

探究了柴油机颗粒物中可溶有机成分(soluble organic fraction,SOF)及热重参数对碳烟氧化特性的影响,并基于Coats-Redfern算法得到不同升温速率下碳烟的氧化动力学参数。研究结果表明:在碳烟缓慢氧化阶段,柴油机颗粒中SOF组分阻碍了碳烟氧化反应的进行,而脱SOF后碳烟比表面积增大,更利于氧化反应的进行。与脱SOF前相比,脱SOF后相应的氧化特征温度均有所降低,因而颗粒物去除SOF后的热重试验更能反应碳烟的氧化动力学特性。通过比较试验,确定进样量、工作气流量和升温速率等热重参数的优化取值,其中升温速率对碳烟氧化燃烧反应的影响显著。随着升温速率增大,碳烟氧化反应出现滞后现象,其特征温度升高且最大失重率峰值降低,而升温速率对碳烟热解程度和氧化反应温度区间大小无明显影响。通过对比分析,低升温速率(3℃/min)条件下扩散控制可以忽略不计,氧化特征温度重复性最好。不同升温速率下碳烟燃烧反应动力学参数活化能E和指前因子A之间存在动力学补偿效应,E与A均随升温速率的降低而减小。

植物油作为发动机燃料及生物柴油制备的研究

本文详细介绍了植物油作为发动机燃料的4种应用方式。生物柴油是绿色可再生能源,由动植物油的酯交换反应获得。讨论了生物柴油制备过程中的反应动力学以及水份、游离脂肪酸、催化剂、醇油摩尔比、反应温度等对酯交换的影响。