柴油燃料燃燒碳煙顆粒生成機理與演變規(guī)律的試驗和數(shù)值研究.pdf

1、排入大氣中的納米級尺寸的超細(xì)顆粒物質(zhì)量雖然只占總排放量的約10％，但數(shù)量占總數(shù)量濃度的90％，呈現(xiàn)典型的彌散性，這些數(shù)量濃度較高的可吸入超細(xì)顆粒物長期懸浮于大氣中而不沉降，對人類身體健康的危害非常大，而最主要的碳煙顆粒物污染源是柴油發(fā)動機。因此，研究柴油燃料燃燒過程中碳煙顆粒物的排放特性和尺寸分布的演化機理對深入理解碳煙顆粒的生成規(guī)律和控制碳煙排放具有重大的理論和現(xiàn)實意義。
　　首先，本文提出了一種詳細(xì)碳煙模型，包括詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)

2、機理與唯象的半經(jīng)驗碳煙模型，氣相化學(xué)動力學(xué)部分采用的是正庚烷和甲苯混合燃料的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理，顆粒動力學(xué)部分，考慮了顆粒成核、表面反應(yīng)、凝并、氧化和PAH沉積效應(yīng)對碳煙顆粒成長過程和尺寸分布的影響作用。通過與光學(xué)發(fā)動機和單缸柴油機試驗數(shù)據(jù)的對比驗證碳煙模型的有效性和準(zhǔn)確性，對柴油燃料燃燒的碳煙生成特性進(jìn)行了研究和分析。結(jié)果表明：在燃燒初期碳煙顆粒物的數(shù)密度和尺寸顯著增加，在燃燒后期逐漸收斂于某一穩(wěn)定值；燃燒初期，烴燃料裂解聚合形成大數(shù)量

3、的小直徑碳煙顆粒；燃燒中期，缸內(nèi)存在較大數(shù)量的大直徑碳煙顆粒；在燃燒后期，缸內(nèi)碳煙顆粒尺寸分布范圍趨于穩(wěn)定，顆粒數(shù)濃度最大的分布范圍在5-20nm之間。
　　其次，基于顆粒群平衡模擬的理論方法，建立描述柴油燃料碳煙顆粒群尺寸分布函數(shù)演變過程的顆粒群平衡方程，將已有的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理和基于顆粒群平衡理論的碳煙模型進(jìn)行耦合，建立直接模擬Monte Carlo算法的數(shù)值計算平臺，求解顆粒群平衡方程，獲得柴油燃料燃燒過程中碳煙顆粒群尺寸分

4、布函數(shù)的時空演變過程詳細(xì)信息。結(jié)果表明：在燃燒反應(yīng)的初期顆粒成核開始發(fā)生，其反應(yīng)速率隨反應(yīng)時間的增長呈先增長后緩慢下降的趨勢；C2H2吸附和芘分子的凝結(jié)反應(yīng)速率同樣是隨燃燒反應(yīng)的繼續(xù)先增長后緩慢下降，C2H2吸附的反應(yīng)速率較大，促進(jìn)了顆粒的生長和較大顆粒的生成；OH的氧化速率隨反應(yīng)時間的增長呈先增加后逐漸下降的趨勢。
　　第三，采用激光誘導(dǎo)熾光法和高速攝影技術(shù)，在高溫高壓定容燃燒彈試驗臺架上對柴油燃料燃燒過程中碳煙顆粒生成的實時分

5、布進(jìn)行測量，研究在不同初始環(huán)境壓力、溫度和燃油噴射壓力下油氣的混合和燃燒特性對碳煙生成的影響規(guī)律。結(jié)果表明：環(huán)境溫度和密度增高，其對應(yīng)的平均LII信號強度較強，即碳煙體積分?jǐn)?shù)較大；在相同初始環(huán)境溫度和壓力條件下，隨著燃油噴射壓力的升高，平均LII信號強度逐漸減小，即對應(yīng)的碳煙生成量逐漸減少。
　　以一臺渦輪增壓重型柴油機為研究對象，研究包括EGR率、預(yù)噴油正時、預(yù)噴油量比例和后噴正時對燃燒、排放和經(jīng)濟性能的影響，同時，采用內(nèi)窺鏡技

6、術(shù)對柴油機缸內(nèi)的火焰圖像進(jìn)行采集，并且通過雙色法計算得到碳煙顆粒場分布圖像。結(jié)果表明：隨著EGR率的增大，預(yù)混燃燒反應(yīng)變?nèi)?，主噴燃油的燃燒著火時刻逐漸延遲，生成的碳煙顆粒較多；預(yù)噴正時較大時碳煙顆粒生成較少，預(yù)噴燃燒特征是出現(xiàn)不發(fā)光火焰；在預(yù)噴油量較大的工況下，可見明顯的預(yù)噴燃燒火焰，不同預(yù)噴油量工況下碳煙濃度較高的區(qū)域均集中在噴束下游的中心區(qū)域，此區(qū)域同時也是燃料富集區(qū)，碳煙濃度分布沿著燃燒室凹坑邊緣向底部區(qū)域發(fā)展，碳煙濃度呈逐漸減少