柴油及丁醇混合燃料部分预混合燃烧模式试验与数值模拟

发布时间：2020-08-24 07:38

【摘要】：发动机排放的碳烟颗粒物对环境和人体健康的危害巨大,因此新的排放法规对颗粒物排放数量以及质量都已经有较为严格的要求。部分预混合燃烧模式(PPC)相对于传统燃烧模式会有更低的颗粒物及NOx排放,并且该燃烧模式相比于HCCI燃烧模式具有更好的燃烧可控性。丁醇作为一种可再生清洁能源,具有低十六烷值、高挥发性和高含氧量的特性,是实现柴油机部分预混燃烧方式的良好替代燃料。然而目前对PPC模式下的燃烧放热特性和碳烟颗粒物数量尺寸分布、形貌特征、氧化活性及微纳结构等排放特性,掺混高比例丁醇下PPC模式的燃烧及颗粒物排放特性,以及含氧燃料和后喷策略对发动机碳烟颗粒物排放特性的协同效应等方面的认识仍不清晰。本文针对上述问题,基于电控高压共轨涡轮增压柴油机开展了部分预混合低温燃烧模式的燃烧及碳烟颗粒物排放特性、微观形貌结构特性及其影响规律方面的研究。(1)研究了不同喷射策略对部分预混合燃烧模式缸内燃烧过程及颗粒物排放特性、形态特性及微纳结构的影响,结果表明:单次喷射策略在常规喷射模式下,颗粒物总数量和质量浓度都很高,此时颗粒物以聚集模态为主。早喷PPC模式时颗粒物质量浓度大幅下降,以核模态为主。喷油压力可以降低聚集模态颗粒物数量浓度,增加核膜态颗粒物数量浓度。两阶段喷射策略下,颗粒物以聚集模态为主。合理调节预喷正时及预喷燃油比例可以使颗粒物总数量和质量浓度同时降低。早喷PPC模式下生成颗粒物纳米结构比较复杂,颗粒物不定形碳内核与层状外壳的界限并不清晰,基本颗粒粒径均值、分形维数及微晶长度均有明显下降。在预喷PPC策略中出现更多较长较细的链条状的颗粒物,很小的团聚体数量相比于单次喷射策略有所下降。较早的预喷正时下,基本颗粒粒径均值和微晶长度均下降。(2)研究了掺混高比例丁醇部分预混合燃烧模式下,发动机尾气碳烟颗粒物排放特性与形貌结构的影响,结果表明:在单次喷射策略下,随着丁醇掺混比例的提高,聚集模态颗粒物峰值降低,核膜态颗粒物峰值剧烈升高,表明掺混丁醇使得排放颗粒物趋于小径化。而在两阶段喷射策略下,随着丁醇掺混比例的提高,颗粒物的总数量浓度及总质量浓度有比较明显的下降。随着正丁醇比例的升高,颗粒物微晶条纹更加扭曲,结构缺陷更加明显,基本颗粒粒径均值、分形维数及微晶长度均有所下降。表明添加丁醇改变了颗粒物碳化的过程,使其具有更高的反应活性。(3)研究了PPC模式下后喷策略与高含氧特性对发动机颗粒物特性及颗粒物形貌的协同影响效应,结果表明:使用纯柴油时,颗粒物总数量浓度随着后喷正时的不断推迟总体上呈下降趋势,当后喷正时晚于15°CA ATDC时,总数量浓度低于基线水平;使用B50混合燃料时,相比于基线,使用后喷策略可以小幅度地降低颗粒物数量浓度。使用三类不同燃料时,随着后喷油量的增加,平均基本颗粒粒径、分形维数都有所下降,颗粒物微晶长度无明显变化。相比于后喷策略,燃料理化特性对颗粒物的微纳结构影响更大。(4)将CHEMKIN耦合于KIVA-3V源程序,使用详细的化学反应机理,对基于部分预混合燃烧模式的发动机缸内燃烧过程进行模拟计算,并通过发动机试验数据对其标定,研究了早喷及晚喷PPC策略下缸内的演变过程,结果表明:部分预混合燃烧模式下核心组分的变化过程和常规喷射模式有很大的不同,在部分预混合燃烧模式下KHP在第一阶段着火过程中起到关键作用。在喷束下游生成OH的位置会生成大量NOx;在燃烧室壁面附近的富燃料区域则会形成大量碳烟颗粒物。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK401
【图文】：

图 1.1 典型内燃机排放碳烟颗粒分布与沉积率[18]表 1.2 欧盟重型车用柴油机排放法规发展趋势：稳态测试循环[19]Stage DateCO HC NOx PM PN Smokeg/kWh 1/kWh 1/mEuro I1992, ≤ 85 kW 4.5 1.1 8 0.6121992, > 85 kW 4.5 1.1 8 0.36Euro II1996.1 4 1.1 7 0.251998.1 4 1.1 7 0.15Euro III1999.10 EEV only 1.5 0.25 2 0.02 0.152000.1 2.1 0.66 5 0.10 0.8Euro IV 2005.1 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5Euro V 2008.1 1.5 0.46 2 0.02 0.5Euro VI 2013.01 1.5 0.13 0.4 0.01 8.0×1011在世界范围内有三种比较通行的排放标准，分别为美国、欧盟及日本机动车排放

图 1.2 不同燃烧模式混合气当量比和温度分布[21]图 1.3 为 Dec 提出传统柴油机燃烧的概念模型，该燃烧概念模型展示了燃及污染物生成区域。在扩散火焰外壳区域局部温度可以达到 2500~3000K些区域氧气充足，因此该区域 NOx 会快速生成。而在火焰的内部区域，由量比高，燃油无法完全燃烧极易形成碳烟先导物多环芳香烃（PolycyclicAocarbons, PAH）和乙炔（acetylenes），进而发生成核、凝聚反应、表面生化、积聚反应等从而形成大量 PM。当前，除了使用后处理设备的机外净为了进一步控制 PM 和 NOx 排放，直接利用新型燃烧方式实现机内净化个十分有效的手段[22,23]。经过多年的研究和开发，现在已经有多种较为成技术推广使用。柴油机在多数运行工况下缸内混合气的当量比大于 1，所像汽油机一样使用三元催化器将 CO、HC 和 NOx 等有害气体通过氧化和变为无害的 CO2、H2O 和 N2。常见的柴油机排放后处理技术有氧化型催化C）、颗粒物捕集器（DPF）、选择性催化还原（SCR）、稀燃 NOx 捕集器（L

图 1.2 不同燃烧模式混合气当量比和温度分布[21]图 1.3 为 Dec 提出传统柴油机燃烧的概念模型，该燃烧概念模型展示了燃及污染物生成区域。在扩散火焰外壳区域局部温度可以达到 2500~3000K些区域氧气充足，因此该区域 NOx 会快速生成。而在火焰的内部区域，由量比高，燃油无法完全燃烧极易形成碳烟先导物多环芳香烃（PolycyclicAocarbons, PAH）和乙炔（acetylenes），进而发生成核、凝聚反应、表面生化、积聚反应等从而形成大量 PM。当前，除了使用后处理设备的机外净为了进一步控制 PM 和 NOx 排放，直接利用新型燃烧方式实现机内净化个十分有效的手段[22,23]。经过多年的研究和开发，现在已经有多种较为成技术推广使用。柴油机在多数运行工况下缸内混合气的当量比大于 1，所像汽油机一样使用三元催化器将 CO、HC 和 NOx 等有害气体通过氧化和变为无害的 CO2、H2O 和 N2。常见的柴油机排放后处理技术有氧化型催化C）、颗粒物捕集器（DPF）、选择性催化还原（SCR）、稀燃 NOx 捕集器（L

【参考文献】

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本文编号：2802184