掺混甲烷对预混合乙烯火焰中碳烟生成特性的影响

发布时间：2020-10-23 06:54

　　 发动机排放的颗粒物的主要成分是碳烟(Soot)。碳烟是PM2.5的主要成分,对气候变化和人体健康具有显著的影响与危害。因此,降低或消除发动机碳烟生成与排放,降低发动机源头PM2.5排放,是解决大气PM2.5问题的重要方面。目前,在发动机领域,主要通过缸内燃烧控制(均质压燃、燃料设计、喷油策略等)和尾气后处理技术(柴油颗粒过滤器DPF和汽油颗粒过滤器GPF)降低碳烟生成与排放。发动机燃烧碳烟模型是预测缸内燃烧碳烟生成的基础,可为优化缸内燃烧、降低发动机碳烟生成提供重要指导。发展碳烟生成机理/模型的一个重要基础是对碳烟成核与长大过程的特征参数(碳烟粒径分布、数密度和体积分数等)进行准确和直接地试验测量。这不仅可以验证碳烟生成机理/模型的准确性,也可以为碳烟生成机理/模型的发展提供指导和参考。汽油和柴油在燃烧时首先裂解成小分子碳氢化合物,主要由乙烯,丙烯,甲烷,乙烷和丙烷等组成。在过去的十年中,对于这些基本烃类小分子的碳烟生成机理研究已经取得了重大进展。然而,在实际燃料的燃烧过程中,参与反应的并不是单一的小分子烃,而是它们的混合物。所以研究小分子碳氢燃料混合对碳烟生成的影响十分重要,其中最有意思的特征之一是协同效应。协同效应是指,在同等条件下,混合燃料会比单一燃料产生更多的PAH和碳烟。本文以当量比为1.9、模拟最高火焰温度为1727 K的乙烯预混火焰为基准,在燃料中分别掺混5%、20%和35%摩尔分数的甲烷,保持未燃气体当量比和最高火焰温度不变,采用稳定滞止(Burner Stabilized Stagnation,BSS)火焰小孔采样结合扫描电迁移率粒径谱仪(Scanning Mobility Particle Sizer,SMPS)的实验方法,在不同火焰高度上定量测量其生成碳烟颗粒的粒径分布(Particle Size Distribution Function,PSDF),探究掺混甲烷对乙烯预混火焰成烟特性的影响。实验发现,随着甲烷掺混比的增加,生成碳烟颗粒的成核与长大速度越来越小,碳烟总体积分数也越来越小,多环芳烃(芘)的浓度计算结果与实验结果相吻合。在所研究的预混火焰工况条件下,乙烯与甲烷之间并不存在协同效应。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X701;TK401
【部分图文】：

- 3 -图 1-1 碳烟生成过程示意图[31]Fig. 1-1 Schematic of the soot formation processes[31] 碳烟前驱物多环芳香烃（PAHs，Polycyclic Aromatic Hydrocarbons）的形renklanch 等人提出的 HACA 机理（Hydrogen-abstraction-carbon-addition）[9烟前驱物生成的反应路径为：首先，乙烯等小分子碳氢化合物在燃烧的发生裂解，生成成乙炔，然后，乙炔通过“脱氢加碳”作用自加成形成苯苯环与乙炔进一步通过“脱氢加碳”作用形成多环芳烃（即碳烟前驱物）。，初生苯环先脱去一个氢原子，然后与乙炔反应生成苯乙炔，苯乙炔再经乙炔后生成二并苯，接着二并苯可生成三并苯，如此反复，就可生成大环芳香烃分子。而后在此机理上发展而来的其它一些机理如 WF 机理[15理[16]已被大量用于火焰中 PAHs 生成的模拟研究中，虽然它们能预测的 为四环 PAH（芘），但是对于三环 PAH（菲、蒽）和四环 PAH（芘）的

图 1-3 圆管采样示意图[77]Fig. 1-3 Schematic of the tubular probe sampling technique[77]在火焰中插入采样管会对自由火焰产生一定影响，为了解决这个干扰火焰的问题，Aamir D. Abid 和 Hai Wang 等人开创了 BSS(Burner Stabilized Stagnation)火焰结合 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer）测试方法[77]。如图 1-4 所示，在预混合火焰的下游布置一块稳定滞止板，在滞止板内部嵌入一根碳烟采样管，保持滞止板表面与采样管表面齐平。实验时，可用热电偶测量获得燃烧器的出口温度和滞止板的表面温度，它们分别代表了火焰上下游的温度边界条件。模拟时，设置燃烧器的出口温度和滞止板的表面温度，来分别代表火焰上下游的温度边界条件。这样就能保证实验与模拟时的火焰温度条件的一致，而不必采用经验性修正，增加了碳烟模型的可靠性。

图 1-3 圆管采样示意图[77]Fig. 1-3 Schematic of the tubular probe sampling technique[77]在火焰中插入采样管会对自由火焰产生一定影响，为了解决这个干扰火焰的问题，Aamir D. Abid 和 Hai Wang 等人开创了 BSS(Burner Stabilized Stagnation)火焰结合 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer）测试方法[77]。如图 1-4 所示，在预混合火焰的下游布置一块稳定滞止板，在滞止板内部嵌入一根碳烟采样管，保持滞止板表面与采样管表面齐平。实验时，可用热电偶测量获得燃烧器的出口温度和滞止板的表面温度，它们分别代表了火焰上下游的温度边界条件。模拟时，设置燃烧器的出口温度和滞止板的表面温度，来分别代表火焰上下游的温度边界条件。这样就能保证实验与模拟时的火焰温度条件的一致，而不必采用经验性修正，增加了碳烟模型的可靠性。
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本文编号：2852693