柴油机排气颗粒碰撞过程与团聚特征研究

发布时间：2020-10-20 06:40

　　 柴油机排气颗粒物是大气污染物PM2.5的主要来源之一,对环境造成了严重影响。我国国五汽车排气法规,对柴油机颗粒的质量(PM)和颗粒数量(PN)都提出了严格的要求。柴油机排放的颗粒质量和数量不仅与燃油理化特性、运转工况、燃烧过程等因素有关,还与颗粒间的相互碰撞、吸附以及团聚等过程密切相关。开展柴油机颗粒碰撞过程与颗粒团聚的研究,对颗粒团聚现象、状态变化进行解释,为减少柴油机排气颗粒数提供依据。论文以柴油机排气颗粒物的碰撞过程与团聚特征为研究对象,通过建立了CFD-DEM耦合模型,探讨了柴油机排气过程颗粒碰撞概率的变化规律;采用试验的方法,对柴油机颗粒的团聚特征参数进行测量,对颗粒的粒径与数量浓度分布、结构与力学参数等变化规律进行了分析。主要研究工作如下:试验测量了186FA柴油机的排气颗粒,应用Hamaker、Kittelson等理论,建立颗粒间作用力数理模型,分析了25~50nm粒径范围等粒径与非等粒径的颗粒间范德华力、静电力、粘性力和粘附能的变化规律。结果表明,在颗粒粒径相同的情况下,两颗粒粒径分别由25nm增大到50nm时,范德华力由1.08×10~(-15)N增大到6.43×10~(-15)N,静电力由1.11×10~(-17)N增大到17.89×10~(-17)N,粘性力由0.154×10~(-15)N增大到0.313×10~(-15)N,粘附能由0.151×10~(-15)J增大到0.309×10~(-15)J;非等粒径下,两颗粒粒径比分别由1增加到粒径比为2时,范德华力增加约3倍,静电力增大5.6倍,粘性力增大约0.3倍,粘附能增加了约0.4倍。颗粒粒径或粒径比增大,都将使得颗粒间吸引作用增强,颗粒聚集、粘结更加稳定。基于相似理论,建立了CFD-DEM耦合模型,对柴油机排气门至气道出口区域内颗粒碰撞过程进行了仿真,分析了排气压差、排气流速以及粒径分散度等边界条件影响下的颗粒碰撞特征的变化规律。结果表明,排气压差越大,颗粒间碰撞概率与碰撞效率增大,最大法向重叠距离以及剩余重叠距离越大;排气流速增大,颗粒在曳力与惯性等作用下,运动速度增大,颗粒碰撞概率与碰撞效率明显增加,单分散向多分散变化,颗粒间碰撞概率与碰撞效率增大,最大法向重叠距离以及剩余重叠距离越大。颗粒间碰撞的加剧,对于增大颗粒团聚概率与减少排气颗粒数起着重要作用。采用发动机排气颗粒粒径谱仪(EEPS),对186FA试验用柴油机气道出口位置的颗粒进行了试验测量,分析不同负荷与转速的粒径分布与数量浓度等参数的影响。结果表明,不同负荷与转速工况下,颗粒粒径主要集中在10~100nm范围内,且粒径呈多峰分布;随着柴油机负荷增加,颗粒平均粒径增大,核态颗粒占比减少,颗粒向聚积态变化,粒径分散性有所增大;柴油机转速越大,颗粒物平均粒径增加,核态颗粒数量减少,颗粒向聚积态增加,粒径分散性增大。柴油机负荷或转速的增大造成了排气压差或流速的增大,颗粒碰撞加剧,对颗粒由核态向聚积态的增起到一定影响作用。采用X射线小角散射与原子力显微镜,测量了不同负荷与转速工况条件下气道出口颗粒的孔隙结构、孔隙尺寸与引力、粘性力等参数。结果表明:随着柴油机负荷或转速增大,团聚颗粒散射特征参数q_(min)、q_T减小,孔隙截面平均直径、回转半径、轴向长度和分布分维数减小,孔隙数量浓度特征峰值和孔隙特征半径减小;表征团聚颗粒状态稳定性的吸引力F_(at)、粘性力F_(ad)及粘附能W_(ad)等参数均增大。柴油机排气颗粒的碰撞对颗粒粘结、团聚有较大影响。通过研究,可以看出,提高排气压差、流速与粒径分散度,能够加剧颗粒碰撞,对团聚颗粒结构致密度的增大,吸引与粘结作用的增强具有一定促进作用,颗粒间粘连作用更稳定,团聚颗粒增多,排气颗粒数将减少。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK421.5
【部分图文】：

粒粒径、碰撞对颗粒数变化趋势；运用小角散射仪186FA 柴油机排气颗粒，研究不同负荷与转速工况受作用力等变化规律，探明颗粒碰撞过程与团聚特颗粒数，满足更高的排放标准提供依据。运动特征可分为两个阶段，从活塞运动的角度，可分为自由角度，可分为超临界和亚临界两个排气阶段。在自压力远高于排气道和排气管内的压力，缸内废气在流过排气门。在强制或亚临界排气阶段，活塞上行排气流速将主要受到排气门有效流动截面与柴油机图如图 1.1 所示。

图 2.1 颗粒有效碰撞示意图[11] 2.1 Schematic diagram of effective particle col研究结果表明，粒径差异程度、颗粒总因素，主要表现为颗粒总数量、粒径概率越大。浙江大学林建忠等人建立了弹性变形力，考察颗粒碰撞角度、粒碰撞角度增加时，碰撞概率逐渐升型法，国内外一些学者还基于通用动力学关理论模型进行研究。颗粒间通用动框架下给出的，可对发生碰撞的颗粒

图 1.2 柴油 颗粒粒 分布示意图[38]Fig. 1.2 Size distribution of diesel engine particle团聚颗粒结构特征开展了大量研究。葡萄牙学者 B进行表征，通过分形维数求解，定量分析了颗粒团聚射线小角散射测量方法，研究了柴油机排气颗粒结构论。美国肯塔基大学的 Braun 等人研究了柴油机燃结构特征。结果表明，负载下颗粒结构尺寸明显比加的氧化物含量对团聚颗粒结构尺寸的增大起到抑研究了油品老化与组成对柴油机尾气颗粒结构的影响颗粒结构进行定量分析[41]。赵洋等人研究了柴油机。研究表明，当氧化温度升高，团聚颗粒内部孔隙截面平均孔径出现增大趋势，团聚颗粒的紧密程度
【参考文献】

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本文编号：2848361