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.     

基于详细模型汽油替代燃料碳烟生成特性分析

基于矩方法算法和预混火焰程序,实现一维预混火焰中汽油替代燃料燃烧生成碳烟的详细数值模拟.其中气相详细模型为包含多环芳烃(PAHs)生成机理的多组分汽油替代燃料反应动力学模型,详细碳烟颗粒相模型包含成核、凝并、PAHs表面沉积、表面生长和表面氧化过程.结果表明:燃烧过程中苯(C6H6)分子摩尔分数是影响PAHs生成的直接原因,决定了汽油替代燃料生成PAHs摩尔分数的大小;芘(C16H10)分子摩尔分数直接影响碳烟的生成过程,决定汽油替代燃料碳烟排放水平;可依据汽油替代燃料的组成评价燃烧生成PAHs和碳烟的水平,汽油替代燃料中甲苯/二异丁烯总含量越高,其生成PAHs和碳烟量越大,反之亦然.     

混合分组矩量投影法应用于详细碳烟模型求解

提出一种新型的可有效求解碳烟颗粒群体平衡模型的数值算法：混合分组矩量投影法。该方法结合传统分组法及矩方法的技术,通过在每个分组区间内引入权重粒子来拟合原始的颗粒群尺寸分布函数,解决群体平衡模型中方程的封闭性问题。该方法具有结构简单、计算量小、精确度高等优点。分别在层流预混火焰及柴油机模拟中进行试验验证,结果表明,该算法可高效地应用于不同燃烧条件下碳烟颗粒群体平衡模型的求解,模拟结果能较好复现测量结果,并为深入研究不同的碳烟反应机制提供便利。     

部分预混对扩散火焰中碳烟成核的影响

通过测量扩散火焰中开始形成碳核时的临界气动变形率Ｋｐ,对丙烷中加入空气,氮气和氧气时的碳烟生成进行了实验研究,介绍了利用碳烟颗粒和ＰＡＨ对偏振激光的散射性能差异测量Ｋｐ的方法;通过比较不同条件下的Ｋｐ,得出结论：部分预燃具有遏制扩散燃烧中碳烟成核的作用,有利于减少碳烟的生成。     

直喷柴油机碳烟生成和氧化历程的数值研究

提出了研究碳烟的生成和氧化历程及工作条件影响的方法。将Surovikin碳烟生成模型和Nagle碳烟氧化模型集成在ICFD-CN源程序中构建多维模型，采用数值循环模拟的方法，根据不同的工作条件计算碳烟的生成和氧化历程。结合试验数据分析和比较进气温度、空燃比、负荷、转速和喷油提前角对碳烟生成和氧化历程的影响。研究表明：用数值模拟的方法反映了1137柴油机碳烟的生成和氧化历程以及设计参数对碳烟的生成和氧化的影响规律，对柴油机的设计具有参考价值。     

基于过渡态理论的碳烟成核过程中萘生长路径

采用G3(MP2,CC)方法计算了添加C_2H_2、C_2 H_3和C_4H_4使苯基(C6H5)生长到萘(C10H8)(分别为C_2H_2-路径、C_2 H_3-路径和C_4H_4-路径)以及C5H5和C_5H_4反应生成萘和甘菊环(C10H8)(C_5H_4-路径)的详细多环芳香烃(PAH)生长路径,比较了4个路径的入口势垒和最大反应势垒,考察了反应位点对脱氢和C_2H_2添加反应的影响以及氢原子的存在对脱氢反应的影响,计算了以Arrhenius形式表达的反应速率常数.结果表明:C_5H_4-路径入口势垒极低,即C_5H_5极易与C_5H_4发生反应.与C_2H_2和C_2 H_3相比,C_4H_4更容易与苯基发生反应.C_2 H_3-路径和C_4H_4-路径中所有子路径的限速步骤均为顺反异构化反应.反应位点对有氢原子参与的脱氢反应影响不大,对C_2H_2添加反应影响较大.此外,有氢原子参与的脱氢反应比直接脱氢反应更容易发生.     

碳烟成核过程中萘到菲的生长路径研究

由于火焰中多环芳香烃(PAHs)的实验浓度与模拟浓度有较大差别,高温环境下PAHs的形成过程一直是研究热点.本文利用量化M06-2X方法和6-311++G(d,p)基组,计算得到基于CH3和C3H3基添加的由萘(C10H8)到菲(C14H10)详细PAHs生长路径的热力学参数,进一步计算以Arrhenius形式表达的反应速率常数,并对不同生长路径进行了比较.结果表明:环境中自由基参与的脱氢反应比直接脱氢反应更加容易进行,分子结构对脱氢反应、C3H3和CH3加成反应均有较大影响,反应位点处于甲基或亚甲基上的加成反应是无势垒的高放热反应,所有路径的限速步骤均为氢原子转移反应,路径a为反应最优路径.     

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.     

柴油机排气碳烟催化氧化动力学分析

基于热重实验系统开展了柴油机排气碳烟在O2气氛下的催化氧化实验,通过Friedman-Reich-Levi(FRL)法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法、Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)法对碳烟催化氧化反应的动力学参数进行计算,并根据线性相关系数R2挑选出最优计算方法.利用Male...     

碳烟微粒催化氧化过程动力学分析

本主要开发了对柴油机碳烟微粒催化氧化过程的动力学分析研究。采用热重分析技术，获得了在四种不同催化剂的分别作用下，描述碳烟微粒氧化全过程听热重实验曲线，确定出其显的着火特性，运用动力学方程对热重曲线进行了数学处理，计算出对应的动力学参数，通过对比反应活化能和着火点温度，实现了对催化剂活性的有效评价与筛选。     

生物柴油氧化改质对NOx和碳烟排放的影响

在一台共轨柴油机上,测量燃用氧化改质处理前后的生物柴油的排放污染物.通过气相.质谱联用仪,测量并分析改质前后油品组分变化.分析含氧燃料的热力NOx形成理论,提出了燃料化学结构决定柴油机排放污染物生成的观点.研究结果表明,生物柴油经氧化改质后,部分脂肪酸甲酯碳链中的双键被破坏,增加了环氧基或双羟基,含氧量和饱和度增加.改质处理抑制了生物柴油自身的氧化,避免了酸败和黏度增加.改质后生物柴油NOx和碳烟排放同时降低,改变了传统柴油机NOx和碳烟排放存在的互为消长关系.     

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.     

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.     

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.     

碳烟边缘茚型五碳环与活性O的氧化反应机理研究

针对碳烟在火焰中的氧化,本文利用DFT方法研究活性O氧化碳烟边缘茚型五碳环结构的反应机理．在B3LYP/6-311G(d,p)和M06-2X/cc-p VQZ的计算水平下,探究活性O与C13H9自由基的详细反应路径,并基于TST计算各基元反应在500～3 000 K温度范围内的速率常数．结果表明：活性O与C13H9自由基形成的C₁₃H₉O,进一步热解后将产生CHO、CO和具有四碳环结构的PAHs.CHO的生成高度依赖温度和反应位点,其反应需克服402.7 kJ/mol的限速步能垒．C₁₃H₉O热解的氧化产物主要为CO.M1和M2热解释放CO的主反应路径为路径3和12,并产生具有四碳环结构的CS9,对应的限速步能垒分别为167.9 kJ/mol和153.8 kJ/mol.C₁₃H₉O热解的起始反应主要为C—C键断键和H转移反应,其中C—C键断键的反应路径更易发生,且反应速率也更快.     

NO2-O2气氛下柴油机碳烟氧化特性及氧化机理

通过热重分析仪及无模式函数法研究了柴油机碳烟在O_2、NO_2-O_2气氛下的氧化特性及氧化机理,并探究了NO_2对碳烟氧化反应的影响机制.结果表明:在10%O_2中添加0.1%NO_2降低了柴油机碳烟氧化反应的起燃温度和燃尽温度,并且NO_2对上述氧化反应特征温度的影响效果随升温速率(10℃/min、12℃/min、15℃/min)的增加而提高;添加0.1%NO_2促进柴油机碳烟氧化反应的进行,显著降低氧化反应本征活化能;柴油机碳烟氧化过程可分成氧化前期、氧化中期及氧化后期3个阶段;随碳烟失重比的增加,碳烟氧化反应有效活化能先增后减再不变,其原因为本征反应和气体扩散作用对氧化速率影响效果的此消彼长;碳烟失重比小于65%时,NO_2能够降低碳烟氧化反应有效活化能,碳烟失重比大于等于65%时,NO_2对有效活化能的影响逐渐消失.     

模拟碳烟在CDPF过滤壁面上的氧化演变特性

基于可视化单通道沉积/再生试验台架,利用固体颗粒发生器对催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)载体切片进行颗粒沉积,激光位移传感器在线测量过滤壁面上颗粒层厚度的变化趋势,耦合压降变化规律,结合过滤表面的扫描电子显微镜图(SEM),探索再生时CDPF切片上颗粒层的氧化演变规律.试验结果表明:再生时CDPF/非催化型(DPF)切片上的颗粒层压降呈现三阶段的变化趋势.再生第Ⅰ阶段,DPF和CDPF的颗粒层压降下降率分别为0.23 Pa/s和0.61 Pa/s,且对应颗粒层厚度的相对占比CDPF比DPF高16%,SEM图观测到CDPF第Ⅰ阶段末期出现少量的有效通孔;第Ⅱ阶段,DPF和CDPF颗粒层压降下降率分别为0.42 Pa/s和1.74 Pa/s,其对应颗粒层厚度的相对占比分别为54%和38%,SEM图观测到CDPF微孔中碳黑燃烧完全,有效通孔增至整个载体切片表面;第Ⅲ阶段,CDPF的催化效果不明显,CDPF和DPF压降变化均逐渐趋于水平,颗粒层厚度值呈现波动.     

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.     

碳烟催化氧化最优升温速率与颗粒质量分数的试验

通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)对纳米MoO3催化剂的物化特性进行表征.MoO3催化剂主要以均匀球形或类球形颗粒组成,球形形状增加了比表面积且具有较高的分散性,从而大幅提高MoO3的催化性能.以Printex-U碳黑作为发动机尾气中碳烟颗粒的替代物,利用热重分析仪(TGA),基于CoatsRedfern法对不同升温速率、不同碳黑颗粒与催化剂配比下碳黑氧化的动力学参数进行分析.结果表明:当升温速率为20,℃/min时指前因子呈现较高的值,而当颗粒质量分数在15%,时的活化能亦较高,这是由于催化剂与颗粒低效接触以及可能存在非催化氧化而导致的传热和传质限制引起的.故进行颗粒物催化氧化试验时,颗粒物质量分数宜控制在10%,以下,升温速率宜选取在15,℃/min以下,颗粒氧化反应动力学参数只有微小变化,几乎不受扩散控制的影响.