摘要
环境污染和能源短缺是当今全球在发展过程中遇到的主要挑战之一。为此，在内燃机领域各国都在积极地寻求新型的燃烧方式和清洁的代用燃料。基于我国“多煤、少油、缺气”的能源储量国情，煤基合成柴油的广泛应用，不仅能够减少我国对柴油等燃料的依赖，还能减少污染物的排放，因此它是一种极具潜力的柴油替代燃料。 虽然煤基合成柴油的实验很多，但关于它的燃烧化学动力学机理的研究鲜见报道，这不利于对煤基间接柴油燃烧和排放机理的深入了解。因此，本研究构建了一个包括178种组分和650个基元反应的煤基间接液化柴油(DICL)的简化机理。其中选择正十六烷(HXN)和异十六烷(HMN)作为替代混合物中直链烷烃和支链烷烃的代表组分。首先，采用直接关系图法(DRG)、基于误差传递的直接关系图法(DRGEP)、敏感性分析(SA)和组分生成速率分析(ROP)等一系列简化方法，对劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的详细异十六烷机理进行了简化。然后，将大连理工大学提出的正十六烷(HXN)骨架机理与简化的异十六烷(HMN)机理合并，同时添加简化的PAH机理和NOx机理，最终得到一个简化的HXN-HMN-PAH机理。接着，对不同温度下的滞燃期进行强制敏感性分析，并基于滞燃期的实验数据和详细机理滞燃期的模拟值对简化机理进行优化。通过模拟实际煤基间接液化柴油的十六烷值(CN)、氢碳比(H/C)、低热值(LHV)和密度等性能，确定了正十六烷的体积分数为71.5%，异十六烷的体积分数为28.5%。通过对比滞燃期、射流搅拌反应器(JSR)中组分浓度及层流火焰速度的实验值与模拟值，验证了优化的机理。结果表明该机理能够很好地模拟煤基间接液化柴油的燃烧特性。为了进一步验证机理的可靠性，将在基础实验中验证的化学反应动力学机理与计算流体动力学软件Converge进行耦合，对不同负荷下缸内直喷压缩点火(DICI)发动机进行了三维数值模拟。结果表明，基于该机理获得的缸内爆发压力、放热率、NOx、碳烟的模拟结果与试验数据吻合较好，这表明机理能合理地预测煤基间接液化柴油发动机的燃烧和排放特性。最后，研究了不同EGR率下煤基间接液化柴油发动机的缸内燃烧和排放特性。结果表明随着EGR率的增加，NOx排放有显著的降低，而CO和碳烟排放增加。
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