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醇类柴油混合燃料直喷压燃超临界转捩及混合气形成机理研究

批准号:
52106154
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张延志
依托单位:
学科分类:
燃烧学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张延志

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
醇类柴油混合燃料用于发动机以能部分替代石化燃料且有极大提升其燃烧排放性能的潜力而备受关注,面对当前压燃发动机高喷射压力、高增压的发展趋势,醇类柴油混合燃料极易发生超临界蒸发及转捩现象,但醇类与柴油的分子极性差异问题的复杂性使得其超临界转捩及混合气形成机制不清,研发极富挑战。对此,本项目提出将分子动力学自由能微扰法与相变时系统亥姆霍兹自由能最小理论相结合的新方法,准确反映界面传热传质动态特性对转捩的影响,发展醇类多元系统超临界转捩判据,建立不同精度状态方程的映射,探索非平衡分子动力学、吉布斯和等温等压闪蒸理论的结合,揭示分子极性对含醇多元系统超临界转捩及非平衡效应的影响机制,构建高精度醇类混合燃料蒸发模型,结合高温高压环境中超临界喷雾试验,揭示醇类柴油混合燃料超临界混合气形成机理,为醇类柴油在压燃发动机上的高效清洁应用提供理论支撑,研究也将对多组分燃料蒸发理论的发展具有重要的学术价值。
英文摘要
Alcohol-diesel blends are used in engines to partially replace fossil fuels and have the potential to greatly improve their combustion and emission performances. Facing with the current development trend of high injection and boosting pressures of compression ignition engines, supercritical evaporation and transition are prone to occur for alcohol-diesel blends, however, the complexity of the molecular polarity difference between alcohols and diesel makes the supercritical transition and mixture formation mechanism unclear, making the researches extremely challenging. To this end, the present project proposes a new method that combines the molecular dynamics based free energy perturbation (FEP) and the minimum Helmholtz free energy theory when phase transition happening, which could accurately reflect the effects of the dynamics interfacial heat and mass transfer on transition characteristics, develop the supercritical transition criterion for alcohol-containing multi-systems, establish the mapping of different precision state equations, explore the combination of non-equilibrium molecular dynamics, Gibbs and isothermal-isobaric (TP) flashing theory, reveal the influential mechanism of molecular polarity on the supercritical transition and non-equilibrium effect of alcohol-containing multi-systems, build a high-fidelity blended fuel evaporation model, combine with supercritical spray tests in a high temperature and pressure environment, reveal the mixture formation mechanisms of alcohol-diesel blends under supercritical conditions, provide theoretical support for the efficient and clean applications of the alcohol-diesel blends on compression ignition engines, and will also have important academic value for the development of multi-component fuel evaporation theory.
醇类与柴油混合的燃料在发动机应用中,因其能够减少对传统石化燃料的依赖并显著改善燃烧效率和排放质量而受到了广泛关注。随着现代压燃式发动机技术的进步,诸如提高喷射压力和增压水平等改进措施成为主流,这种混合燃料在高压环境下更易于达到超临界状态,进而迅速蒸发并与空气混合。然而,由于醇类和柴油分子之间极性差异复杂,导致它们在超临界条件下的转变行为以及混合气的形成过程尚未完全理解,这为相关技术的研发带来了不小的挑战。有鉴于此,本项目以“微观超临界转捩机制-喷雾模型-发动机应用”为研究思路,系统研究了醇类/柴油混合燃料的超临界转捩机制、发展了超临界转捩判据;改进了喷雾曳力、雾化和相变等模型,拓宽了原有喷雾模型在超临界工况下的适用性;在上述研究的基础上,对醇类/柴油混合燃料GCI发动机的性能和排放进行了优化研究。主要结果有①采用分子动力学详细研究了纯正庚烷、甲醇/正庚烷和乙醇/正庚烷混合物在亚/超临界条件下的相变和转捩特性,超临界条件下气液界面变得非常宽,不再局限于分子尺度。相变过程不再是简单的气液两相蒸发,而是由液相向类液/类气/气相的混合相的复杂转变;提出了一种基于CH3最大团簇数时刻的转捩判据,并结合高压汽液相平衡实验或理论测量数据进行了验证。②提出了改进的曳力、雾化和蒸发模型,以更精确地模拟喷雾过程。考虑到有限粘度和液滴变形(从长球体到扁球体)的影响来再现喷雾的阻力和蒸发特性。此外,不同燃料的KH-RT破碎模型进行了详细评估,发展了模型常数的经验性公式,拓展了破碎模型的适用范围。③基于上述研究,在不同负荷下对醇类/柴油混合燃料GCI发动机的初始参数、喷射策略等进行了优化,确定了不同负荷下最优的参数分布。上述研究为醇类柴油在压燃发动机上的高效清洁应用提供理论支撑,也对多组分燃料蒸发理论的发展具有重要的学术价值。本项目共发表论文11篇,其中国际SCI论文10篇。参加行业重要国际会议三次,并分别做口头汇报。
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