柴油机燃烧中多环芳香烃及碳烟的形成与演化的研究

参考与柴油组分接近的正十四烷(C14H30)燃料的详细化学反应机理(由230个化学反应、92个化学成分组成),建立了化学成分的焓值计算程序,研究计算了柴油机缸内燃烧过程中诱发碳烟颗粒先导物生成的单环及多环芳香烃(PAHs)的形成与演化过程,应用Belar-dini碳烟模型计算了缸内碳烟颗粒的质量,分析了PAHs对碳烟生成的影响。结果表明:缸内温度达到着火温度时,燃料在燃烧室凹坑挤流区域首先着火燃烧,并随着扩散燃烧扩展到缸内的其他位置,此时缸内PAHs的质量急剧上升,在急燃期后PAHs组分由于成长和氧化反应消耗而下降,在燃烧后期PAHs的质量基本稳定。多环芳香烃中苯、菲、苯乙炔、萘的排放量较大,对碳烟质量生成的影响也较大。     

柴油机燃用生物柴油的多环芳香烃排放试验研究

在一台直喷式增压柴油机上进行了生物柴油、柴油及其掺混油B20的排放特性试验,分别用玻璃纤维滤膜和“聚氨基甲酸乙酯泡沫（PUF）＋XAD．2”采集了尾气排放物中的颗粒相和气相多环芳香烃（PAHs）,并用色谱．质谱联用仪对PAHs进行了分析。结果表明：生物柴油的颗粒相、气相以及总PAHs的排放在大多数工况下低于柴油,其平均排放浓度均低于柴油。3种燃料的二环PAHs排放均在50％,生物柴油的三环以上PAHs所占比例均低于柴油。生物柴油PAHs排放的毒性当量与柴油相比有较大程度地下降。燃用生物柴油可以降低柴油机PAHs排放物对人体的危害。     

正庚烷HCCI燃烧下芳香烃及多环芳烃形成的数值模拟

通过修改化学动力学软件CHEMKINⅢ,建立了正庚烷HCCI燃烧下排放特性数值模拟的多区模型.利用此模型对正庚烷HCCI燃烧下芳香烃(苯)与多环芳烃(萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.计算中采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理(共包括107种组分、542个基元反应).结果表明,缸内压力变化趋势的计算结果与实验值基本吻合;核心区由于温度较高,其中的正庚烷已充分燃烧,多环芳烃的质量分数极小;边界层区和缝隙区温度较低,尤其是缝隙区,其温度与壁面温度保持一致,正庚烷在其中不能充分燃烧和分解,同时这两个区域成为多环芳烃的主要来源.     

燃用F-T柴油颗粒相多环芳香烃的排放特性

在满足国Ⅲ排放的高压共轨柴油机上,对比分析了燃用F-T柴油和国Ⅲ柴油时,发动机尾气中颗粒相多环芳香烃的排放特性,结果表明,在低、中、高3种转速的负荷特性下,柴油机燃用F-T柴油时,颗粒相总多环芳香烃比排放量为0.01～0.10,μg/(kW.h),与国Ⅲ柴油的比排放量0.04～0.42,μg/(kW.h)相比,有大幅下降,且比排放量随着负荷的增大呈降低趋势.两种燃料排放的颗粒相多环芳香烃中三环的菲及四环的荧蒽和芘含量最多,三者之和占总多环芳香烃的80%以上.此外,F-T柴油菲的比排放量在所有试验工况均低于国Ⅲ柴油;F-T柴油荧蒽和芘的比排放量除在中等转速的中、高负荷略高于国Ⅲ柴油外,其余工况均低于国Ⅲ柴油.     

柴油机燃烧生成芳香烃、碳烟及NO_x的化学动力学研究

在LLNL详细正庚烷氧化反应模型基础上,将苯(A1)和多环芳香烃(A2、A3、A4)的详细反应机理和NOx的生成机理加入其中形成了一个包含芳香烃和NOx的正庚烷氧化反应组合模型,并通过激波管试验验证了该组合模型。在CHEMKIN软件上运用该组合模型对柴油机燃烧反应产物中的芳香烃、碳烟和NOx进行了研究,结果表明:芳香烃的生成在Ф-T图中都呈钟形分布,随着环数的增加它们所对应的生成温度大致呈逐渐升高的趋势。利用芳香烃-Ф-T图可以较准确地预测碳烟-Ф-T图,再结合NOx-Ф-T图可以绘制出芳香烃-碳烟-NOx-Ф-T图,结果表明:芳香烃和碳烟在1 150～2 200K、当量比大于2的范围内大量生成,NOx在温度高于2 350K、当量比小于1.2的范围内大量生成。     

正庚烷HCCI燃烧下芳香烃及多环芳烃形成的多维数值研究

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN III相耦合,对正庚烷HCCI燃烧下芳香烃(苯)与多环芳烃(萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.发动机以正庚烷为燃料,其化学反应采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理.结果表明在缸内混合气着火前,A1(苯)的质量浓度场较不均匀,在缸中心区域A1质量浓度较高,而在边界层及缝隙区则相对较低;然而在缸中心区域及缝隙区,A2(萘)、A3(菲)与A4(芘)的质量浓度场较低,而在边界层区则相对较高.在缸内混合气着火后,在缸中心区域及边界层区,A1～A4质量浓度较低,而在缝隙区则相对较高.混合气着火后短暂时间内为A1～A4生成的高峰期,在经历高峰期后A1～A4质量平均浓度迅速降低.同时,在排气门打开(120°CA ATDC)时,在这4种芳香烃与多环芳烃中,苯的排放量最高,萘其次,而芘的排放量则最低.     

柴油机颗粒物中多环芳香烃排放特性研究

基于均匀设计法设计柴油机台架实验方案,利用气相色谱质谱联用(GC/MS)系统对颗粒物样品进行定性定量分析,得出柴油机颗粒物中多环芳香烃成分主要有芘、荧蒽、菲、苯并(e)芘、苯并(a)蒽、苯并(b+k)荧蒽、蒽、苯并(a)芘、屈等。利用二次多项式逐步回归法对检测数据进行处理分析,得出多环芳香烃排放特性,其变化趋势与柴油机HC排放规律存在差异,并且芘、荧蒽、菲、苯并(e)芘、苯并(a)蒽、苯并(b+k)荧蒽、蒽、苯并(a)芘、屈等化合物排放量最大峰值分别为37.96mg·m-3,19.35mg·m-3,15.51mg·m-3,2.98mg·m-3,1.88mg·m-3,1.67mg·m-3,1.09mg·m-3,0.97mg·m-3,0.59mg·m-3。构建柴油机颗粒物中多环芳香烃排放源系数P,并计算出P值的范围为0.5~2,为判别城市空气中多环芳香烃是否来源于柴油机颗粒物中多环芳香烃提供依据。     

利用含PAH的正庚烷简化机理对柴油机富氧燃烧的数值模拟

在直喷柴油机上采用氧体积分数为21%～24%的进气增氧技术,进行燃烧及排放试验.建立适用于柴油机燃烧的含PAH的正庚烷简化机理,并将其与CFD模型耦合,进行富氧燃烧的数值模拟.试验及模拟工况为发动机的最大转矩点.结果表明,随发动机进气氧体积分数的增加,燃烧始点提前,瞬时放热及最大压力出现时刻均随之提前.NO的排放随氧体积分数的增加而快速增长.碳烟的排放随氧体积分数增加而大幅下降.模拟计算结果显示,CFD与化学动力学模型的耦合比较准确地预测富氧燃烧的缸内着火时刻及燃烧状况.分析上止点后6°CA、20°CA时刻燃烧室内苯环的质量分布切片可知,与21%进气氧体积分数的空气助燃相比,24%氧体积分数的富氧燃烧对苯环的形成有明显的抑制作用.模拟计算结果与试验测量值随进气氧体积分数的变化趋势基本一致.     

正庚烷部分预混燃烧下多环芳烃生成的简化机理

采用反应流与敏感性分析方法对小分子烃类燃料预混燃烧下多环芳烃生成的详细机理(101种组分,544个基元反应)进行了简化,得到了包括52种组分,83个基元反应的简化机理.采用该简化机理对乙烷预混燃烧下多环芳烃的生成规律进行了数值计算.结果表明,采用该简化机理计算得到的反应物与部分生成物摩尔分数的变化趋势与实验值基本吻合;在该简化机理上加入正庚烷分解和氧化的主要反应(27种组分,36个基元反应),构成了庚烷火焰中多环芳烃生成的简化机理(62种组分,1 19个基元反应);同时对该简化机理在正庚烷部分预混燃烧下多环芳烃的生成规律进行了数值计算,结果表明,采用该简化机理进行计算时所得到的温度分布、主要反应物与部分生成物的摩尔分数的变化趋势与实验值基本吻合.     

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.     

柴油机燃用生物柴油及柴油的燃烧分析与排放特性

为了进一步弄清楚生物柴油对发动机燃烧和排放的影响.在发动机试验台架上,对一台增压中冷车用柴油机进行生物柴油和柴油的性能及排放等试验.试验按国家标准GB17691—2001规定的测量方法、全负荷速度特性以及不同转速下的负荷特性进行.测录了示功图并进行了不同燃料的燃烧比较和分析.结果表明,生物柴油由于其燃料特性,引起喷油提前,但滞燃期较短,预混燃烧比例较小.排放测试结果表明,生物柴油的烟度、HC和CO下降,但NOx排放增加.按13工况法,燃用生物柴油,HC和CO分别下降21.3%和1.7%;NOx增加2.9%.     

一种新型含氧燃料燃烧与排放性能研究

开展了柴油机燃用柴油／乙二醇单丁醚混合燃料的燃烧与排放性能研究。试验结果表明：在柴油机中加入一定比例的乙二醇单丁醚（NBE）,柴油机热效率得到明显提高,着火略有延迟,燃烧速度加快,燃烧持续期缩短。烟度和CO排放大幅度降低。加入159／5～25％NBE时,烟度下降43．9％～759／5,CO排放在高负荷下降46．5％～56％,HC排放也不同程度降低,NOx排放稍有下降。试验结果显示了柴油机燃用乙二醇单丁醚在降低排放方面的优越性。     

柴油机排放多环芳香烃与羰基化合物组分特征研究

使用色谱-质谱联用和高效液相色谱方法,精确定性和定量检测不同工况下柴油机排放的多环芳香烃和羰基化合物,并分析了它们的排放特征。在50%和全负荷时,多环芳香烃的平均比排放量分别为51.68μg/(kW.h)和104.76μg/(kW.h),羰基化合物的平均排放量分别为23.72μg/L和117.84μg/L。多环芳香烃和羰基化合物归一化研究表明:菲、蒽、荧蒽、芘之和占多环芳香烃总量的62%～66%,甲醛、乙醛之和占羰基化合物总量的63%～66%。多环芳香烃及羰基化合物组分在柴油机各工况间有较好的线性相关关系,说明柴油机工况的变化对多环芳香烃和羰基化合物组分特征没有明显影响。     

未着火循环废气改善柴油机冷起动的燃烧

采用柴油的替代研究燃料正庚烷和压燃式燃烧模型,计算研究了起动阶段引入未着火循环的燃烧产物对下一循环燃烧的影响.未着火循环的燃烧产物与完全燃烧循环有明显不同,其中含有许多未燃燃油和中间活性物质,将其以EGR的方式重新引入气缸中能有效改善下一循环的燃烧,计算结果表明,中间活性物质起到了关键作用.进行了EGR影响柴油机起动性能的试验研究,结果表明,起动初期的循环中,引入EGR可以改善燃烧,试验结果验证了计算分析的合理性,为改善柴油机冷起动性能提供了一种新思路.根据正庚烷燃烧的化学动力学理论,结合计算过程中各物质浓度的变化,研究了EGR改善燃烧的机理.     

直喷式柴油机燃用生物柴油的燃烧特性

在一台直喷式增压柴油机上进行了生物柴油、柴油及其掺混油B20、B50的性能试验,通过测量喷油器针阀升程、喷油压力和气缸压力曲线,对放热率、滞燃期等燃烧特性参数进行了分析,以研究生物柴油对发动机燃烧性能的影响。试验结果表明,在相同工况下,随着掺混油中生物柴油比例的增加,喷油始点逐渐提前,喷油延迟角逐渐变大,喷油压力和喷油持续期有所增加;滞燃期逐渐缩短,在大负荷尤为明显;预混合放热峰值逐渐降低,而扩散燃烧放热峰值逐渐增大;缸内最高燃烧压力提高,其对应的曲轴转角也逐渐提前。燃用生物柴油后发动机的热效率有所提高,在中等负荷时尤为明显。     

柴油机燃用二甲醚的燃烧特性

对直喷式柴油机燃用二甲醚的燃烧特性进行了研究,测量了示功图和油器针阀升程,计算了燃烧特性并与燃用柴油进行对比。结果表明,与柴油相比,发动机燃用二甲醚时的喷油延迟期延长,滞燃期缩短,最高爆发压力和最大压力升高率均低于柴油机。研究表明发动机燃用二甲醚具有良好燃烧特性。     

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。     

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.