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中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：094273 生物柴油NOx 生成历程分析 毛功平，王忠，许广举，黄慧龙，顾士强 （江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013） 摘要：在甲酸甲酯化学反应机理的基础上，添加了详细的NOx 生成机理，得到包含214 种物质，1241 个基元反应方程式的生物柴油机理。运用均质零维反应器模型，计算了燃烧过程中各基元反应的ROP （Rate of production, ROP ）系数，确定了影响各中间产物生成的主要基元反应方程式。通过ROP 分析， 阐明了生物柴油燃烧过程中，燃料中的氧，空气中的氧、氮的迁移演变历程，对主要中间产物的前躯 体物质进行了分析，研究结果表明：生物柴油中的“CH3OCHO”基团促进了OH 的生成，其反应过程中 的中间产物CH OCO 促进了CH 的生成，其主要的中间产物HCO 促进了H、HO 的生成，形成了能促进NOx 3 3 2 生成的重要前躯体物质——OH、H、HO 和CH ，导致NOx 排放偏高。 2 3 关键词：生物柴油；基元反应；数值模拟；反应历程 0 引言 生物柴油是一种含氧燃料，研究发现，生物柴油中的氧原子在燃烧过程中能起到助 燃作用，形成“富氧”和“高温”，导致NOx 排放较柴油有不同程度的升高。 国内外学者围绕生物柴油NOx 的生成机理和控制方法开展了大量研究工作。美国宾 西法尼亚大学的James[1]等人在雅马哈单缸、风冷、四冲程直喷柴油机上进行了燃用B20 的试验，发现喷油开始时燃烧的持续时间和达到最大放热率和最高气缸温度后的火焰传 播时间是影响NOx排放的主要因素。英国伯明翰大学的A.Tsolakis[2]等人研究了不同EGR 率时，B20、B50、B100 的燃烧和排放特性，认为NOx 的升高是由缸内压力和温度的升高 引起的。天津大学的高继东[3]等人，研究了生物柴油调合比例对直喷式柴油机NOx 排放 的影响，结果表明，低比例(10%)掺烧时，由于生物柴油的十六烷值较柴油高、芳烃含 量较柴油低，NOx 排放下降，而在大比例添加时，由于混合燃料中含有过多的氧，NOx 的排放升高。上海交通大学的吕兴才[4]等人，研究了气口预喷射乙醇、缸内直喷生物柴 油双燃料系统的燃烧特性和排放特性。研究表明，乙醇的加入能改变传统柴油机NOx 和 PM 排放的“trade-off”关系，同时降低NOx 和碳烟排放。 可见，国内外学者大多通过台架试验的方法，分析了NOx 随生物柴油调合比例、发 动机结构参数等因素的变化规律，从燃料特性、缸内压力、温度等方面进行了解释。但 是，对生物柴油NOx 的生成历程研究较少。本文将对生物柴油燃烧过程中燃料中的氧原 子、空气中的氧、氮的迁移演变历程进行数值模拟，从化学反应动力学的角度揭示生物 柴油NOx 的生成机理。 基金项目：国家自然科学基金项目50776042）；江苏省“青蓝工程”资助项目；江苏省普 通高校研究生科研创新计划资助项目（CX07B_092z） 作者简介：毛功平（1980—），男，湖北黄冈人，博士研究生，maogp@163.com 王 忠（1961—），男，江苏镇江人，教授，博士，博导 1 生物柴油化学反应机理的改进 目前对于生物柴油的氧化的化学动力学机理的研究主要有两条主要途径：一是对小 分子甲酯进行试验和动力学的研究，研究甲酯独特的氧化性功能；二是假定大分子甲酯 可以近似地用大分子正烷烃来替代，对生物大分子燃料进行燃烧研究。 美国 Cornell 大学的 Fisher 等人[5]认为丁酸甲酯与生物柴油含有都含有 R(C=O)OCH3 （R 代表烷基或者烯基），基本分子结构特征近似，因而可用丁酸甲酯来替代 生物柴油。甲酸甲酯的分子式为H(C=O)OCH3，包含生物柴油分子中最基本的结构，本文 将文献[6]中采用的基元反应为不可逆反应的NOx 详细机理添加到甲酸甲酯的机理中， 用于分析NOx 生成的反应历程。新机理