掺混比例和喷油压力对柴油/正丁醇低温燃烧的影响

将正丁醇、正庚烷分别与柴油以20∶80和40∶60体积比掺混,在100、130,MPa两个喷油压力下进行柴油机直喷燃烧试验,研究喷油压力和掺混比例对柴油/正丁醇低温燃烧特性和碳烟排放的影响,结果表明:提高喷油压力能够改善柴油/正丁醇掺混燃料高比例EGR燃烧相位滞后问题,在更大EGR率范围实现高效燃烧.随喷油压力提高,十六烷值和含氧对降低碳烟的作用增强,沸点等其他特性作用变小.提高掺混比例,正丁醇对燃烧的影响更明显,燃烧放热始点明显推迟、燃烧反应速度加快,在一定的EGR率范围内热效率提高.掺混比例从20%提高到40%,各燃料特性对碳烟排放的降低作用都显著增大,沸点等其他特性作用成为降低碳烟排放的重要因素,十六烷值的作用更加显著.     

EGR对生物柴油颗粒物氧化活性及微观结构的影响

为研究废气再循环(EGR)及燃用调合生物柴油(B0,B20)对柴油机排放颗粒物(PM)氧化活性与微观结构的影响,通过一台4缸共轨柴油机进行试验,并采集燃烧颗粒物,使用热重分析仪(TGA)、高倍透射电镜(HRTEM)和拉曼光谱(RS)对颗粒物进行研究.结果表明:燃用同种燃料时,随着EGR率增加,颗粒中干碳烟含量增加,起始氧化温度T_i上升,表观氧化活化能E逐渐增强,氧化活性降低;相比B0颗粒,B20颗粒中干碳烟含量略有减少,起始氧化温度T_i略有下降,E减弱,氧化活性增加.随着EGR率增加,颗粒物核-壳结构更为明显,当EGR率从0增至25%时,B0和B20颗粒初级碳粒子的平均微晶尺寸分别增加20%和25%,平均微晶曲率分别降低10%和7%,平均碳层间距分别降低5.8%和6.0%.同时,B0和B20颗粒的I_G/I_D增加,石墨化程度提高.     

柴油机缸内碳烟颗粒形成过程与尺寸分布特性

采用了唯象的半经验碳烟排放模型,考虑了碳粒成核、表面成长、凝结和氧化的基本过程,模拟计算了柴油机缸内燃烧条件下缸内碳烟形成过程中的活性基核、碳粒核的生成规律及碳粒尺寸分布规律,并对碳烟排放进行了分析。计算结果表明:燃烧温度和混合物当量比对初始碳核的生成有很重要的影响,碳核粒子首先在活塞凹坑底部的浓混合区域生成,随燃烧的扩散过程,燃烧室中心位置和凹坑唇边挤流区相继出现较高浓度的基核,但存在浓度相位差,缸内不同位置生成碳粒数量和尺寸分布是不同的,不同尺寸范围的碳粒数量和质量之间存在对应关系。     

增压直喷汽油机燃油喷射特性对排放影响的试验研究

基于某1.5L涡轮增压直喷汽油机,搭建试验测试系统,采用试验匹配测试方法研究了喷油模式、喷油时刻、喷油比例、喷油压力等决定燃油喷射特性的关键参数对碳烟排放的影响。试验结果表明:单次喷油模式下在部分负荷时,喷油越提前,碳烟排放越多;在全负荷时,喷油越推迟,碳烟排放越多。在多次喷油模式下,随第一次喷油的推迟碳烟排放降低,随第二、三次喷油的推迟碳烟排放增加。提高喷油压力对部分负荷工况燃烧及排放改善不明显,但外特性工况碳烟排放显著下降,碳氢化合物排放总量也大幅度降低,缸内燃烧速度加快,燃烧稳定性提高,有效燃油消耗率降低约2%。     

喷油参数对丁醇/柴油混合燃料燃烧及排放影响

针对高压共轨柴油机,研究了不同喷油压力和主预喷间隔角度下,正丁醇/柴油混合燃料对压燃式发动机燃烧及颗粒物排放的影响规律.结果表明:柴油中掺混正丁醇后,滞燃期延长,预混合燃烧量增加,燃烧持续期缩短,碳烟及颗粒物排放大幅降低,微粒粒径减小,核态微粒比例增加,NO_x排放变化不大.喷油压力由80MPa提高至100MPa,混合燃料消光烟度明显降低,继续提高喷油压力不但对碳烟排放降低作用减弱,还会进一步造成NO_x排放增加,同时核态微粒数量明显增加.主预喷间隔角度过小会造成主预喷燃油燃烧重叠,使碳烟排放增加,随主预喷间隔角度增加,总微粒、积聚态微粒数量浓度明显降低,核态微粒比例增加,当主预喷间隔角度增大到20°CA后,继续增大主预喷间隔角度对碳烟排放降低作用不明显.     

甲烷/空气扩散火焰中碳烟颗粒的三维形貌演变

采用热泳取样技术获取了甲烷/空气扩散火焰中不同高度的碳烟颗粒,并通过原子力显微镜研究了碳烟颗粒的三维形貌随火焰高度变化的演变规律.研究所选高度下碳烟微粒的三维形貌反映出了碳烟微粒在扩散火焰中形成的各个过程,即成核、表面生长、团聚和氧化.当火焰高度HAB从30,mm增加到45,mm时,单碳烟粒子平均粒径从8.72,nm增加到11.36,nm;当HAB45,nm时,单碳烟粒子平均粒径逐渐降低;单碳烟粒子的球度比主要分布在0.01~0.30之间,表明这些碳烟粒子的碳化程度较低,呈类液态;球度比随着颗粒体积当量直径的增加而增加,且随着HAB的增加球度比随体积当量直径的增加速率变快,说明单碳烟粒子碳化程度与颗粒大小和火焰高度相关.     

预混火焰中温度对碳烟表面官能团和氧化活性的影响

基于甲烷/氧气预混火焰燃烧系统及毛细管取样技术,采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)和热重分析技术(TGA),研究了火焰温度对碳烟颗粒表面官能团相对含量和氧化反应活性的影响规律.结果表明:随着火焰温度的升高,碳烟颗粒表面脂肪族碳氢官能小(aliphatic C—H)的当量峰高比IC—H/IC=C减小,含氧官能团(C—OH和C=O)的摩尔分数也减小,表明碳烟颗粒表面官能团的相对含量随火焰温度的升高而降低;碳烟颗粒氧化反应特征温度和表观活化能都随火焰温度的升高而增大,表明较高的火焰温度产生的碳烟颗粒的氧化反应活性较低;碳烟颗粒表面官能团的含量与其氧化反应活性有直接关系,表面官能团含量越少,其氧化反应活性越低.     

二聚环戊二烯掺混对正庚烷扩散火焰碳烟特性的影响

为研究二聚环戊二烯(DCPD)燃料添加剂对碳烟颗粒生成演化的影响，采集掺混不同比例DCPD的正庚烷反扩散(IDF)及正扩散(NDF)火焰中的碳烟颗粒，使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(RS)和热重分析仪(TGA)分析碳烟颗粒的微观结构、石墨化程度和氧化活性．结果表明：在反扩散火焰中，随着DCPD掺混比例从0%增加到20%，颗粒中类液状物质显著减少，碳烟颗粒平均微晶尺寸增长，且平均微晶曲率降低，石墨化程度提高，氧化活性降低，表明在反扩散火焰中DCPD对初生碳烟具有促进其生长的作用．而在正扩散火焰中，随着DCPD掺混比例从0%增加到20%，碳烟颗粒粒径显著增加，微晶尺寸降低，微晶曲率升高，石墨化程度降低，氧化活性升高，表明正扩散火焰中DCPD可以通过改变碳烟颗粒的微观结构来增加其氧化活性．     

废气再循环对柴油机氮氧化物和颗粒排放影响的试验研究

废气再循环(EGR)、进气压力和喷油压力是影响柴油机低温燃烧的重要参数,主要研究了EGR对氮氧化物和颗粒排放的影响.结果表明,在一定工况条件下,随EGR率变大,NO所占体积分数呈先降低后升高的趋势,而NO2和N2O则呈先升高后降低的趋势.N2O所占比例较小,峰值在1%左右.NO谷值与NO2峰值对应相同的EGR率.随进气压力变大,NO2所占比例峰值也变大,对应的EGR率也增加,进气压力为0.24,MPa时,NO2最大比例已接近60%.随EGR率增加,Soot排放快速升高时,颗粒发生积聚,颗粒数密度降低,但粒径变大.提高喷油压力可以降低颗粒排放,但在不同EGR率下,其降低颗粒的机理不同.     

直喷式柴油机排放微粒尺寸分布特性

在一台单缸柴油机上用SMPS微粒测量装置测量了不同运转条件(如转速、负荷变动、怠速运行、燃油喷射定时等)下柴油机排放微粒尺寸与浓度分布,分析了柴油机微粒排放尺寸分布和数量浓度的特征及其主要影响因素．结果表明,发动机负荷变化对微粒排放的影响较大,在各种负荷下大部分排放微粒都是碳核模式的超细或纳米尺寸微粒,而质量上以累积模式颗粒占主要部分,发动机冷机起动和怠速运行时产生的大部分排放微粒是碳核模式粒子,喷油提前角对排放微粒浓度和尺寸分布有显著影响．     

喷油时刻和DMF掺混对柴油机PM排放特性影响

基于一台电控高压共轨柴油机,研究了不同喷油时刻2,5-二甲基呋喃(DMF)掺混比例(质量分数分别为0、10%,和30%,)对柴油机排放颗粒物(PM)的尺寸分布、平均直径、数量浓度和质量浓度的影响.结果表明:在试验工况下,无论掺混与否,发动机PM排放均以核模态颗粒(粒径为5~50,nm)为主,其尺寸分布呈现明显的双峰结构.燃用纯柴油时,推迟喷油时刻,核模态颗粒数量先增加后减少,聚集态颗粒(粒径为50~1,000,nm)数量的变化规律不明显,PM的总数量、总质量与核模态颗粒数量变化趋势一致,PM的几何平均直径(GMD)先增加后减小;DMF掺混可以降低聚集态颗粒数量、GMD和总质量,但却增加了核模态颗粒数量和总颗粒数量.综合考虑发动机燃油经济性和PM排放性能,30%,DMF掺混比例和-10.0°,CA ATDC喷油时刻为试验工况下的最佳方案.     

多次喷油实现清洁高效柴油预混燃烧的机理

采用试验和数值模拟方法研究了多次喷油模式耦合高EGR率和进气增压实现高效清洁柴油机预混燃烧的潜力.结果表明,EGR可以推迟高温反应定时,降低化学反应速率,特别是在较高负荷时,EGR还明显降低NOx排放.平均指示压力(IMEP)为0.4,MPa左右时,较少的喷油量使得单次喷油和多次喷油模式着火前一时刻形成的混合气均在当量比φ<2之内,故排放差别不大.氧体积分数为10%左右时,提高喷油量,进入侧隙内的气相燃油量增加并形成φ>2的浓区,两模式的碳烟、CO和UHC排放均升高.但IMEP为0.7 MPa左右时,多次喷油更有利于生成稀且均匀的混合气,减少局部过浓区,故其碳烟、CO和UHC排放远低于单次喷油.高EGR率时,多次喷油耦合进气增压,混合气形成得到进一步改善,可在更高负荷下实现高效清洁燃烧.     

DPF主动再生过程颗粒排放特性试验

通过柴油发动机台架,采用后喷助燃的再生方式研究了主动再生过程中柴油机颗粒捕集器(DPF)出口的颗粒排放特性.结果表明:在主动再生期间,DPF出口颗粒浓度可增加2~3个数量级;在升温过程和再生过程,出口颗粒物数量浓度和粒径分布会因为碳载量和再生温度的共同作用而表现出差异;升温过程中,10 nm左右核模态颗粒物的排放主要由来流中颗粒物的穿透引起;再生过程中,10 nm左右核模态颗粒物的排放主要由碳烟颗粒层氧化反应生成的二次颗粒逃逸引起;整个再生期间,100 nm左右的积聚态颗粒物的排放主要由DPF载体内碳烟颗粒的逃逸引起.     

喷射参数对柴油机预混燃烧和排放的影响

采用试验和数值模拟方法研究了中、小负荷下,喷油模式和喷油定时对柴油机预混燃烧和排放的影响.结果表明:小负荷(平均指示压力约为0.45,MPa)、单次喷油模式及喷油定时为35°,CA BTDC时,油束的撞壁位置将形成的混合气分为燃烧室上方和活塞凹坑两部分,可充分利用整个气缸内的空气形成均质混合气,此时的NOx排放最低.平均指示压力(IMEP)约为0.7,MPa时,采用单次喷油模式,喷油量增多,喷油持续期延长,混合时间缩短,碳烟、CO和UHC排放急剧升高;在混合时间和混合空间的共同作用下,喷油定时为35°,CA BTDC时获得最佳折中排放.IMEP约为0.7,MPa时,与单次喷油模式相比,采用多次喷油模式,将喷油量分为4个脉冲喷入缸内,增加了每个脉冲的混合时间,并且改善了燃氧混合空间,形成更均质的混合气,大幅降低了碳烟、CO和UHC排放;喷射定时为80、65、50和35°,,CA BTDC时获得最佳排放.     

GTL燃料发动机排气颗粒数密度和粒径分布的试验研究

采用两级稀释取样装置和扫描迁移颗粒粒径分析仪(SMPS),研究了燃用天然气合成油(GTL)发动机排气颗粒的数密度和粒径分布特征,并同原柴油机的颗粒排放进行了比较,发现发动机燃用GTL时,中间转速(n=1400 r/min)下,排气颗粒多呈峰值粒径为50～80nm的单峰对数正态分布;高转速(n=2200r/min)下,呈分别包含核模态(峰值粒径为20～30nm)和积聚模态(峰值粒径为50～80nm)的双峰对数正态分布。而燃用柴油时,所有测试工况下,排气颗粒均呈包含核模态和积聚模态的双峰对数正态分布。与燃用柴油相比,怠速工况下,燃用GTL后总颗粒数密度和体积分数没有显著下降,而其它工况下总颗粒数密度和体积分数显著下降,其中总数密度均下降一个数量级,总体积分数下降20%～60%;燃用CTL后,排气中核模态数密度显著下降,某些工况下积聚模态数密度有所下降,这与GTL燃料中的芳香烃和硫含量均较低有关。     

NTP再生DPF孔道内沉积颗粒物的理化特性

利用低温等离子体(NTP)喷射系统对已捕集颗粒物(PM)的柴油机颗粒捕集器(DPF)进行了低温(100℃)再生试验，并对DPF孔道内不同再生阶段的颗粒沉积物取样分析，通过热重分析仪(TGA)、透射电子显微镜(TEM)及拉曼光谱分析仪探究了DPF孔道内颗粒沉积物的氧化特性、纳米结构及石墨化程度的理化特性变化规律．结果表明：随着NTP再生DPF阶段的推进，DPF孔道内颗粒沉积物中元素碳(EC)组分的最大氧化速率温度(T_max)和燃尽温度(T_e)均明显降低．颗粒物团絮结构中较为薄弱的部分在NTP氧化作用下先断裂，分解成链状结构；初级碳颗粒的平均微晶长度减小，平均微晶层面间距增大．由于NTP活性物质O不断键入PM中，在PM微晶边缘处生成新的含氧官能团，使得PM样品的无序程度及无定型碳含量增加，PM的氧化活性提高．     

碳烟颗粒生长演变历程环境因素的影响

基于颗粒群平衡方程和包含有多环芳香烃分子生成的详细化学反应机理,构建了详细的碳烟生长数学模型,模型包含颗粒的成核、凝聚、表面生长和氧化等过程;采用Lagrange内插值的矩方法,导出了颗粒尺寸分布函数各阶矩的微分方程;与均匀搅拌器燃烧模型相耦合,应用Fortran语言编程,搭建了碳烟颗粒动力学演变历程的计算平台.探讨了温度、压力和燃空当量比等环境因素对碳烟颗粒生长演变历程的影响,计算结果表明:碳烟颗粒的数密度在某一温度下达到峰值,在温度相对较低、当量比和压力相对较高的环境下,碳烟的生成质量也较大;碳烟颗粒的最终质量是颗粒生长与氧化共同作用的结果.     

一种基于稀扩散燃烧的BUMP燃烧室及其对柴油机碳烟和NOx排放影响的实验研究

在壁面布置限流沿 (BUMP)后 ,撞壁射流从壁面被剥离 ,形成二次空间射流 ,可大大加快空气与流体的混合速率。基于此 ,设计了带有 BUMP的燃烧室 ,采用了可灵活控制喷油规律的 FIRCRI电控共轨式喷油系统进行了发动机实验。实验结果表明 :BU MP燃烧系统能显著降低 NOx 和碳烟排放 ,在平均有效压力为 0 .6 6 MPa(原机 5 0 %负荷 )时 ,烟度只有 0 .1BSU,NOx 为 42 0× 10 - 6;由于在缸内能够形成较均匀的混合气 ,缸内平均过量空气系数在 1.3～ 2 .0的范围内时 ,烟度一直保持在 0 .3BSU以下。实验还发现 BUMP的位置以及喷油定时对排放有重要影响。BUMP燃烧系统在降低 NOx 和碳烟排放方面显示了极大的潜力。     

热老化温度对碳烟氧化活性的影响

由于炽热尾气长时间冲击,柴油机微粒捕集器(DPF)中的沉积碳烟颗粒会发生热老化.本文通过改变惰性气氛下的温度,研究热老化对柴油机碳烟颗粒微观物理化学特性和氧化活性的作用规律.结果表明,随热老化温度的升高,氧化反应特征温度和表观活化能表征的碳烟颗粒氧化活性逐渐降低;氧化活性的降低来源于碳烟颗粒物理化学特性的改变,即微晶尺寸增大,微晶曲率和层间距减小,以A_D1/A_G值表征的石墨化程度提高,而以I_C—H/I_C=C峰高比表征的脂肪族C—H表面官能团相对含量降低.此外,柴油机碳烟颗粒微观结构、表面C—H官能团相对含量与碳烟氧化活性具有良好的相关性,其中微晶曲率对氧化活性影响最大.     

适用于柴油HCCI燃烧的碳烟半经验模型研究

将改进的碳烟半经验模型和简化正庚烷的化学反应机理纳入KIVA-3V程序中,以描述柴油燃烧过程中碳烟的生成和氧化历程。通过以正庚烷为燃料的激波管试验验证发现,在较宽的温度和压力范围内,该碳烟半经验模型可以相对准确地预测碳烟的生成率、颗粒直径和数密度。在定容燃烧器中典型的传统柴油机的扩散燃烧和接近于均质压燃(HCCI)发动机的预混燃烧状况下,应用此碳烟模型进一步研究了喷孔直径和喷射压力对碳烟排放的影响。结果发现模型预测得到的碳烟体积分数分布与试验吻合得较好,同时显示当控制局部当量比小于2.0时可以避免碳烟的生成。