电控高压共轨柴油机排气微粒的测量及数值模拟

利用改进后的全气缸取样系统,对不同工况下高压共轨电控柴油机燃烧过程中的微粒生成历程进行测量.同时,采用三维CFD数值模拟方法分析了微粒的生成机理.结果表明,微粒质量浓度曲线呈单峰状,微粒生成质量随负荷的增大而增加;发动机排出微粒是碳烟粒子生成和氧化这两个过程综合作用的结果.加强缸内的气流运动和合理组织燃烧过程,有助于减少微粒的生成.     

现代柴油机燃烧过程中微粒质量的变化规律

利用全气缸取样技术,对不同工况下的柴油机燃烧过程中微粒组分质量生成历程进行了研究.实验结果表明,燃烧形成的干碳烟质量曲线呈单峰状,峰值出现在上止点后10~15°CA之间,在燃烧后期,约有81%~92%的干碳烟被氧化.随着燃空当量比从=0.41增大到=0.53,缸内干碳烟质量峰值增加了4.57%~45.42%;喷油压力升高,虽然干碳烟质量峰值增大,但氧化比例也明显提高.此外,在燃烧初期,微粒中可溶有机物SOF的含量超过80%.     

柴油机缸内微粒粒数粒径分布规律的研究

基于柴油机全气缸取样系统,采用商用电子低压冲击仪(ELPI)和透射电子显微镜(TEM),对柴油机燃烧过程中凝聚微粒的粒数浓度、粒径分布和基本碳粒子的粒径分布进行了研究.研究结果表明,凝聚微粒粒数浓度随曲轴转角呈单峰状分布,峰值出现在上止点后14～18℃A,燃烧后期约70%以上的微粒粒数被氧化燃烧;凝聚微粒粒数、粒径呈类似对数正态分布,频度最大值出现在100～200 nm.构成凝聚微粒的基本碳粒子粒径呈高斯分布,最大值出现在15～30 nm,平均粒径为19.7～29.7 nm,且在上止点后12～15℃A出现最大值.     

柴油机燃烧形成微粒的形态特性及微量元素分析

基于电控燃油喷射柴油机的全气缸取样系统,利用场发射透射电子显微镜和图像处理技术,对柴油机燃烧过程中形成微粒的形态特性和微量元素进行了分析.结果表明,柴油机燃烧过程中形成的微粒主要呈现两种形态:一种是由基本碳粒子凝结而成的典型微粒;另一种足富含金属和非金属元素的无定形微粒.其中金属元素主要来源于润滑机油,贯穿整个燃烧过程,且独立存在.另外,典型微粒具有分形结构特性,分维数介于1.2～1.74,且在扩散燃烧初期有降低的趋势.     

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.     

柴油机排气中碳烟微粒的测量和特性

作者使用各种方法,包括悬浮粒子电子分析仪,冷凝核计数仪,快速-容积串联惯性冲击收集器,滤纸称重法对一台分开式燃烧室,自然吸气小轿车用柴油机排气中的碳烟微粒进行测量和分析。对柴油机排气中碳烟微粒进行取样和研究,以确定微粒的数量浓度、表面积浓度、体积浓度、质量浓度及其分布。该柴油机排气中微粒的数量浓度为(5～6)×10~7/cm~3,表面积浓度为1.51m~2/m~3,体积浓度为4.35×10~(-2)cm~3/m~3,质量浓度为47.5mgm~(-3)。碳烟微粒大小按质量区分,90%在1.2μm以下的范围内。本文对实验方法和结果进行了详细讨论。     

柴油机燃烧过程中基本碳粒子的生成历程

基于电控燃油喷射柴油机全气缸取样试验平台,利用场发射透射电子显微镜和图像处理技术,对柴油机燃烧过程中基本碳粒子的生成及演变历程进行了研究.结果表明,基本碳粒子的结构在柴油机燃烧过程中逐渐向石墨化过渡.燃烧初期生成的碳粒子很小,没有明显的分层;随着燃烧进程的发展,基本碳粒子逐渐长大,开始出现分层,最终形成洋葱状的微品碳结构,且微晶结构层与层之间的距离逐渐减小.     

进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒微观形貌的影响

采用全气缸取样系统获取不同进气条件下柴油机燃烧过程中的缸内碳烟颗粒,运用透射电子显微镜(TEM)测量碳烟样品在微观尺度下的二维形貌,并计算碳烟颗粒的分形维数和碳烟基本粒子直径,进而研究不同进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒物微观形貌的影响.结果表明:在碳烟生成主导阶段,进气压力的升高会增大生成的碳烟基本粒子的平均直径;而在碳烟氧化主导阶段,进气压力的升高会导致碳烟氧化过程加快,从而使碳烟基本粒子的平均直径快速减小.另外,进气压力的增加对尾气碳烟中基本粒子的平均直径影响不显著.在碳烟氧化主导阶段,碳烟破碎现象会导致碳烟分形维数下降,增加进气压力会使下降起始点提前.     

柴油机缸内团聚态颗粒氧化过程中的破碎

基于全气缸取样系统采集不同燃烧时刻的柴油机碳烟,使用粒数粒径测试分析仪和透射电子显微镜测量了碳烟的粒径分布、数密度、分形维数和团聚度,进而获得团聚态颗粒的破碎速率,在上述工作的基础上,分析了柴油机缸内碳烟氧化主导阶段团聚态颗粒物的破碎现象.结果表明:碳烟氧化主导阶段初期,团聚态颗粒破碎速率高,碳烟颗粒总粒数密度和核态颗粒数密度增加,同时分形维数和团聚度明显减小.随氧化主导阶段燃烧反应的进行,破碎速率逐渐降低,总颗粒数密度逐渐减小,核态颗粒数密度先增加后减小,而分形维数和团聚度呈现上升的趋势.     

乙烯预混火焰中燃空当量比对碳烟纳观结构、分形维数和氧化活性的影响

基于乙烯/氧气预混燃烧系统以及热泳取样和毛细管取样系统,结合场发射透射电子显微镜和热重分析技术,研究了燃空当量比对碳烟颗粒纳观结构、分形维数和氧化活性的影响规律.研究结果表明,随着燃空当量比的增加,碳烟分形维数和基本碳粒子粒径均增加,表明碳烟颗粒团聚程度提高,碳烟生长得到促进;随燃空当量比增加,碳烟微晶长度增大,层间距和曲率均减小,碳烟微观结构更为有序;燃空当量比的增加,导致碳烟的氧化反应特征参数值均增大,碳烟氧化活性减小.另一方面,碳烟的微晶长度、层间距和曲率与表观活化能有较好的线性相关性,即碳烟结构越有序,氧化活性越低.此外,分形维数与表观活化能也存在一定的正相关性.     

柴油机燃烧多环芳香烃前驱体等物质的化学动力学研究

为了揭示混合气浓度对柴油机排放的影响规律,采用正庚烷氧化详细反应机理及化学动力学分析软件对不同燃空当量比下柴油机燃烧初级碳烟粒子前驱体等重要反应中间产物或自由基的形成及发展历程进行了数值模拟．模拟结果表明,降低混合气浓度可以实现低温燃烧,使燃烧温度远离“碳烟形成温度窗”,大幅度降低柴油机碳烟排放．混合气浓度对反应中间产物或自由基有重要影响,通过改变混合气浓度可以控制燃烧过程中多环芳香烃(PAH)前体物乙炔(C2H2)、炔丙基(C3H3)及其他重要物质羟基(OH)、过氧羟自由基(HO2)、过氧化氢(H2O2)、甲醛(CH2O)和一氧化碳(CO)等的生成量,从而实现控制柴油机排放．     

煤粉燃烧火焰区域中碳烟的结构与行为

在25 kW的一维下行炉的煤粉燃烧火焰区域,通过两级稀释水冷等速取样系统和荷电低压撞击器(ELPI)颗粒分级系统收集碳烟颗粒,利用高分辨透射电镜(HRTEM)获取超细颗粒物中碳烟的纳米结构图像,通过纳米结构图像分析研究碳烟在火焰区域内的各种行为.结果表明,在火焰区域中形成的碳烟因其行为不同而呈现出多样化的纳米结构,包括同心圆洋葱状、胶囊状、碳纤维微晶状和碳包覆的金属氧化物等,这些纳米结构客观反映了碳烟在火焰区域内较高梯度的含氧条件和高温环境下,存在着复杂的反应机理,包括碳烟基本粒子的形成、粒子间的碰撞聚并、在碳烟形成演变过程中所发生的石墨化作用和氧化反应、以及碳烟和随同煤粉挥发分析出的有机键连接金属元素间的相互作用.     

基于改进的详细碳烟模型的柴油燃烧碳烟颗粒物的生成特性

采用改进的详细碳烟模型,耦合了由正庚烷和甲苯组成的混合燃料的简化反应机理.在碳烟模型中,考虑了反应中生成的乙炔类异构体和多环芳香烃前驱物对碳烟颗粒成长过程的影响作用,分别以可视化发动机和单缸柴油机台架试验的结果,对详细碳烟模型预测柴油机碳炯生成和氧化过程的准确性和有效性进行了验证.结果表明,模拟得到的缸内压力、放热率曲线以及着火时刻和试验结果吻合较好,得到的碳烟浓度瞬态二维分布与采用双色法得到的试验结果较为接近,碳烟排放量的模拟值与试验值的变化趋势基本一致,因而本文的详细碳烟模型可较好地预测不同工况条件下柴油机碳烟颗粒排放的变化趋势.同时,采用提出的详细碳烟模型对柴油机内碳烟颗粒数密度和平均尺寸进行数值模拟,研究其在柴油机缸内的变化情况,结果表明,碳烟颗粒的直径在预混燃烧期和急燃期急剧增加,在缓燃期以及燃烧后期收敛于某一稳定值.     

用现象学燃烧模型计算非直喷式柴油机微粒,NOx和CO的形成历程

本文应用离散脉冲喷准维现象学燃烧模型计算了一涡流室式柴油机气缸内微粒，ＮＯｘ和ＣＯ的形成历程，并与用全气缸取样法实测法实测的气缸内微粒，ＮＯｘ和ＣＯ的形成历程进行了对比，两者具有较好的一致性。     

用现象学燃烧模型计算非直喷式柴油机微粒、NO＿x和CO的形成历程

本文应用离散脉冲喷射准维现象学燃烧模型计算了一涡流室式柴油机气缸内微粒、ＮＯ＿ｘ和ＣＯ的形成历程，并与用全气缸取样法实测的气缸内微粒、Ｎ０ｘ和ＣＯ的形成历程进行了对比，两者具有较好的一致性。     

柴油机燃用正庚烷及柴油时多环芳香烃与碳烟的演化规律

基于电控燃油喷射柴油机的全气缸取样系统,使用气相色谱-质谱联用仪及程序升温大体积进样方法,对柴油机燃用正庚烷和柴油过程中缸内多环芳香烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)和碳烟的演化规律进行了试验研究.结果表明:在燃烧过程中,芘、苯并[a]芘质量随曲轴转角呈单峰变化,萘、芴质量随曲轴转角呈"S"型变化趋势(先降低后升高再降低);碳烟的生成趋势与缸内温度呈较好的一致性,且碳烟与芘随曲轴转角具有相似的单峰状质量变化趋势,只是碳烟峰值出现的时刻稍有滞后.此外,正庚烷与柴油在柴油机中燃烧时生成的PAHs与碳烟具有相似的演化规律.     

基于Monte-Carlo算法的燃烧过程碳烟颗粒生成特性

基于颗粒群平衡模拟的理论方法,建立描述碳氢燃料碳烟颗粒群尺寸分布函数演变过程的颗粒群平衡方程,将已有的详细化学反应机理和基于颗粒群平衡理论的碳烟模型进行耦合,采用直接模拟Monte-Carlo算法求解系统中的颗粒群平衡方程,获得燃烧过程中碳烟颗粒群尺寸分布函数的时空演变过程详细信息,同时模拟颗粒群成核、表面生长、凝并和氧化等多个动力学事件演变过程,分析颗粒数浓度、碳烟体积分数和最大颗粒数对颗粒物形成过程的影响规律,以及燃烧过程中颗粒粒径分布特性.     

喷油策略与EGR对柴油机低温燃烧影响试验研究

为研究喷油策略及废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对柴油机低温燃烧特性和排放特性的影响,在一台电控高压共轨柴油机上进行了试验研究。研究结果表明:EGR率的升高提高了进气比热容,降低了缸内最高燃烧压力及缸内平均温度,延长了滞燃期,降低了NOx排放,由于进气氧浓度及碳烟氧化速率的降低,增加了碳烟排放;中小EGR率下,提高喷油压力,加速油气混合程度,可以有效降低碳烟排放;推迟燃烧重心CA50到上止点后7°之后造成燃烧效率降低,扩散燃烧持续期延长,导致碳烟排放升高。     

进气加湿对船用柴油机燃烧和排放的影响

运用CFD数值模拟软件AVL Fire建立了船用柴油机燃烧过程模型,研究不同相对湿度的进气成分对船用柴油机燃烧和排放特性的影响,并着重研究对NO_x和碳烟排放的影响规律和作用机理.结果表明:随着进气加湿率的增加,缸内压力和燃烧温度均有降低;当加湿率达到100%,时,峰值压力相比进气为干空气时下降0.67,MPa,最高燃烧温度下降220,K;滞燃期和燃烧持续期延长,预混燃烧比例增多;燃烧重心CA50向后偏移,燃烧定容度和热效率下降.NO_x排放不断减少,燃烧火焰温度的降低和水蒸气对富氧区的稀释是NO_x排放下降的主要原因;碳烟排放随着加湿率的增加不断恶化,进气加湿虽然可以促进油气混合、抑制碳烟生成,OH基团加速碳烟前驱物的氧化,但加湿后氧气质量分数的减少和燃烧温度的降低导致碳烟后期氧化能力严重减弱.     

基于CFD耦合现象学碳烟模型研究温度对碳烟生成的影响

基于9步法现象学碳烟模型,根据4种情况考虑了碳烟表面氧化对碳烟数密度的影响,并将改进后的模型耦合到KIVA-3V Release 2程序中.应用该模型,对柴油在定容弹中不同初始温度(800、900和1,000,K)下的燃烧和碳烟生成进行了多维数值模拟,并通过对应的试验结果进行校准.结果表明:各工况下预测的碳烟生成过程与试验值能定性地吻合.随着初始温度降低,点火时刻推迟,燃烧持续期缩短,燃烧模式由扩散燃烧向预混燃烧转变,碳烟生成降低.低初始温度下,碳烟的生成和氧化机理均受到抑制,然而局部燃烧温度峰值的降低和高温区域的缩减并不明显,碳烟的降低主要由于高燃油当量比区域的缩减.