混合气的氧燃比和温度对富氧燃烧柴油机PAH、碳烟和NO_x排放和燃烧路径的影响

构建了包含PAH和NOx反应的正庚烷氧化反应动力学详细组合模型,并对其进行了验证.以该组合模型为基础,开展了混合气的氧燃比(R)和温度(T)对富氧燃烧柴油机排放和燃烧路径影响的理论计算工作.结果表明,所构建的组合模型是可信的,可以用来对柴油机的燃烧和排放特性进行预测.富氧燃烧柴油机有害排放物PAH、碳烟和NOx受混合气的氧燃比和温度的影响显著,其生成规律在R-T图中呈"半岛"型分布.在R-T图中,富氧柴油机的燃烧路径有别于传统柴油机,导致其PAH和碳烟排放降低,而NOx排放增加.最后,为了降低富氧燃烧柴油机的NOx排放,提出了两种富氧燃烧路径的控制策略.     

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.     

添加CO_2/H_2O对正丁醇火焰中碳烟反应的影响

耦合简化的正丁醇动力学机理和固定分区碳烟模型,研究了在空气中添加CO_2或H_2O蒸气对正丁醇同轴扩散火焰中碳烟质量分数和数密度的影响,计算结果表明:添加CO_2或H_2O蒸气后,整体上二者均降低;此外,添加CO_2后各反应与组分生成往火焰下游移动.碳烟数密度的降低是由于温度和苾(A4)浓度降低引起的成核速率的下降,而碳烟质量分数的降低主要是由于H摩尔分数、颗粒总表面积及温度降低引起的脱氢加乙炔(HACA)速率的下降.碳烟最终在火焰下游被完全氧化,主要氧化组分为OH.     

考虑碳烟还原NO反应的煤粉燃烧仿真模型

为准确预测煤粉燃烧中NO_x生成与还原,在数值仿真模型中,将碳烟引入煤粉的热解过程,考虑碳烟对NO的还原作用,此外在燃料型NO_x模型中将HCN氧化速率设置为De Soete推荐值的13倍.采用国际火焰燃烧协会IFRF的试验结果对模型进行验证,结果表明,改进后的数值计算模型能够显著提高对燃烧器出口附近x=0.15平面处NO体积分数变化的预测精度,而其他数值计算模型在该平面处的NO体积分数计算结果普遍偏低.     

柴油机内碳烟颗粒破碎的数值模拟

基于离散颗粒群理论,考虑碳烟尺寸影响因素,构建碳烟颗粒动力学模型中破碎模型.采用群体平衡方程建立了碳烟生成破碎的详细数学模型,并采用矩量投影法进行求解.将该破碎模型与参考燃料化学机理TRF机理、KIVA-CHEMKIN程序进行耦合,模拟计算碳烟颗粒在柴油机内的破碎过程.结果表明:加入破碎模型后,后燃阶段缸内碳烟数密度计算结果将增加,破碎模型对主燃阶段碳烟数密度影响反而较小.     

基于平均反应率的现象学碳烟氧化模型研究及应用

提出了一个基于平均反应率的现象学耦合碳烟氧化模型,将其应用于柴油机数值模拟中,并结合试验的方法研究了后喷射对碳烟排放的影响.将Hiroyasu碳烟生成模型和提出的碳烟氧化模型集成在CFD源程序中构建多维模型,根据不同的后喷射方案计算碳烟的生成和氧化历程,同时结合试验数据分析后喷射影响碳烟氧化的各种因素.研究结果表明,采用提出的碳烟模型和试验方法能真实地反映柴油机碳烟的生成和氧化历程以及后喷射对碳烟排放的影响规律,对柴油机满足低排放的研究具有一定参考价值.     

火焰中脂肪链结构生成的反应分子动力学模拟

脂肪链结构对初始碳烟颗粒的形成起着重要作用.为研究碳烟颗粒中脂肪链结构的形成过程,通过Reax FF反应分子动力学的方法研究六苯并苯(C24H12)与气体小分子乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)在2 500 K下生成脂肪链结构的过程,讨论了气体小分子对碳烟中脂肪链结构形成的影响.结果表明,火焰中生成脂肪链结构的方式主要有两种:一是多环芳香烃(PAH)边界上的苯环断裂成链;二是气体小分子(C2H2和C2H4)在PAH边界上的生长成链.并且C2H2的存在更有助于第二种脂肪链结构的形成.     

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.     

一种柴油机颗粒过滤器碳烟负载量的在线预估方法与试验研究

通过建立柴油机氮氧化物(NOx)排放、碳烟排放预估模型和柴油机颗粒物过滤器(DPF)内碳烟颗粒的催化氧化反应模型,探讨了一种基于质量平衡的DPF碳烟负载量在线预估方法。欧盟驾驶循环(NEDC)测试工况的排放试验结果表明,柴油机NOx和碳烟排放预估模型计算结果与试验结果的误差分别为5.1%和3.9%。在车辆实际道路行驶工况进行了DPF碳烟颗粒加载试验,结果表明,试验过程中对DPF碳烟负载量的在线预估值与试验结果的最大偏差为0.48g/L,平均偏差为0.17g/L,模型的平均预测误差为2.1%。本研究为热再生时机的准确判断提供了有效参考。     

乙烯-正庚烷混合燃料在碳烟生成中的协同效应

在对冲扩散火焰中对乙烯-正庚烷混合燃料的燃烧进行了模拟研究.耦合的反应机理包含正庚烷的裂解、C0-C4核心小分子反应、初始苯环生成、拓展到六苯并苯(A7)的PAH化学和包含36步成核反应的碳烟表面机理.在预混火焰中对正庚烷的燃烧进行了模拟,得到的关键组分的浓度变化与文献中的试验数据吻合较好.在对冲扩散火焰中对乙烯-正庚烷掺混燃料的燃烧进行模拟,结果显示:随着正庚烷掺混比的增加,碳烟体积分数(SVF)、苯及PAH的峰值均呈现先增加后降低的趋势,当掺混比为5%,时,SVF的峰值达到最大.对苯的生成进行详细分析,发现丙基和甲基在这种协同效应中起着关键作用.此外,随着掺混比的增加,苯与PAH的反应生成区逐渐往氧化剂侧移动,越过滞止平面后苯的生成率和消耗率均大大降低.     

柴油多元表征燃料多环芳烃生成模型的开发

构建了适用于正癸烷、甲苯和甲基环己烷等3种单一燃料及其混合燃料的多环芳烃(PAHs)骨架模型,包括103个组分和248个反应.用新模型分别模拟了正癸烷、甲基环己烷、正癸烷/甲苯混合燃料以及柴油表征燃料在基础反应器中的氧化过程,结果表明:该模型能重现重要组分浓度的试验值.将此模型与笔者开发的碳烟模型相耦合并纳入KIVA-3V程序,对一台以2号柴油为燃料的发动机的燃烧过程和碳烟排放进行了模拟,结果表明:新的模型都能较准确地计算缸内压力、放热率、碳烟排放量和PAHs的生成过程.     

基于碳平衡法的柴油车燃油消耗计算模型

本文阐述了碳平衡燃油消耗量分析法的基本原理;分析了澳大利亚、日本、美国、欧盟等柴油车油耗标准的碳平衡计算模型,其均未考虑柴油车排放颗粒物中的碳元素的存在.由于柴油的分子量大,而且柴油机为直接喷射,混合气不均匀,故部分燃料不能完全燃烧,在高温下分解为以碳为主的颗粒.当柴油车加速或者在车况差时,会产生更多的碳烟,在此基础上对柴油机油耗模型进行修正,对原公式考虑增加碳烟颗粒物的修正项,得出修正模型.分析认为,修正后的模型更合理,可提高计算精度.     

改进的动力学模型对DPF热再生过程的影响

针对柴油机颗粒捕集器的再生过程建立了数学模型.考虑到颗粒在反应过程中比表面积变化对反应速率的影响,通过热重分析仪上的等温氧化实验和程序升温实验,求得了柴油机碳烟颗粒氧化的比表面积变化函数和动力学参数,建立了碳烟氧化的反应速率方程.通过数值模拟将本模型与传统的Bisset-Konstandopoulos模型(B-K模型)进行对比,结果表明,由于采用了更符合碳烟氧化过程的反应方程,本模型计算得到的再生时间短、最大壁面温度高、最大壁面温度梯度大,而B-K模型计算结果高估了再生时间,低估了最大壁面温度和最大壁面温度梯度,不利于再生过程的安全性和经济性分析.     

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．     

乙烯预混火焰中乙醇添加对碳烟生长的影响

基于颗粒群平衡理论,构建了详细的碳烟模型,采用Monte-Carlo算法进行数值求解,结合详细的化学反应机理,对乙烯/乙醇/空气层流预混火焰中碳烟的生成进行了研究.通过计算对比了不同比例乙醇(0、10%、20%和30%)添加对碳烟颗粒生成过程的影响,获得了不同火焰高度下碳烟体积分数和尺寸分布等信息.结果表明:乙醇的添加增强了火焰中碳烟前驱物和碳烟颗粒的氧化反应,有效抑制了碳烟的生成;随着乙醇添加量的增加,颗粒尺寸分布的双峰结构越不明显,第2峰值往前推移.     

甲醇抑制层流预混火焰中碳烟生成的机理

利用矩方法研究了层流甲醇/乙烯预混火焰中碳烟颗粒形成的化学反应动力学机理.模型考虑了颗粒的成核、颗粒间的凝结与聚合、气态组分在颗粒表面的生长与氧化过程.整个机理涉及101种组分和543个基元反应.计算了不同甲醇摩尔分数时碳烟粒子体积分数、粒子直径及重要中间组分的摩尔分数,对乙炔和苯的生成/消耗进行了敏感性分析,揭示了甲醇燃烧过程中氧原子的迁移路径.计算结果表明,甲醇能有效地减少碳烟及其前驱体多环芳香烃、多环芳香烃前驱体物质(如乙炔、炔丙基等)的生成量.燃烧过程甲醇中氧原子在甲醇基、甲醛、羟基、甲醛基、一氧化碳和二氧化碳等物质中迁移.     

基于消光法的加氢催化生物柴油的碳烟测试

在定容燃烧弹内,基于二维消光法对纯柴油和加氢催化生物柴油与柴油的混合燃料在不同环境氧浓度和喷油压力下,对碳烟的二维分布、碳烟的初始生成时刻和碳烟浮起长度进行研究.结果表明:加氢催化生物柴油由于具有高的十六烷值可以改善着火性,缩短滞燃期,混合燃料的碳烟浮起长度较纯柴油短;喷射压力越高,碳烟初始出现时刻越早,碳烟浮起长度增大;随着氧浓度增大,碳烟初始生成时刻提前,碳烟浮起长度缩短.     

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.     

正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析

提出了一个新的包括多环芳香烃(PAH)生成的正庚烷/甲苯混合物燃烧化学动力学简化机理.该机理包括64种物质,120个反应,与激波管内滞燃期实验结果吻合较好.在不同进气氧体积分数下,使用该机理对柴油机缸内燃烧过程进行了计算,其结果与缸内的实验结果吻合良好.通过机理的敏感性分析发现,PAH的重要前驱物乙炔主要是由甲苯反应路径中的C6H5及C6H4O2生成,说明在正庚烷中加入甲苯会对模拟柴油的燃烧特别是碳烟的生成有很大的影响;过氧化氢自由基HO2和羟自由基OH在甲苯、正庚烷的分解反应及小分子烃的裂解和氧化反应中都起着非常重要的作用.     

基于激光诊断的生物柴油碳烟生成特性研究

制作了1个以液体为燃料可以产生层流扩散火焰的燃烧器,应用双色激光诱导炽光法(LII)技术来测量火焰中的绝对碳烟体积分数.基于在2个波长上获取的火焰中某1点的LII信号,获得被激光加热的碳烟粒子温度,同时得到此点的碳烟浓度,通过映射得到火焰的二维碳烟浓度分布.采用激光诱导荧光法可获得碳烟前驱物多环芳香烃在火焰中的二维分布,将激光诱导荧光和激光诱导炽光相结合,在柴油和生物柴油混合燃料的层流扩散火焰上进行测试.研究结果表明,随着生物柴油掺混比例的增加,碳烟和多环芳香烃的最大浓度都随之降低,浓区分布面积也进一步缩小.