正丁醇掺混对柴油火焰中碳烟浓度和形貌特性的影响

发布时间：2020-10-10 20:07

　　 由于柴油喷雾燃烧中总是存在着局部浓混合区,因而不可避免地会生成碳烟颗粒,这些颗粒是城市大气中PM2.5的主要来源,对人类健康造成极大危害。为了降低颗粒物排放、缓解能源危机,正丁醇作为替代燃料得到了广泛地应用。然而,现有文献关于柴油/正丁醇碳烟颗粒详细生成过程的研究较少,因此本文在同轴层流扩散火焰中对柴油及柴油表征燃料中掺混正丁醇后的碳烟生成进行了试验和模拟计算,研究内容如下:(1)发展了一个包含77组分287反应的正癸烷/α-甲基萘/多环芳香烃(PAH)简化动力学模型用来模拟柴油及其表征燃料的燃烧和碳烟生成。其中,燃料的氧化和裂解反应通过对详细动力学模型的简化得到,而核心小分子和PAH的反应先后通过基于误差传播的直接关系图法、奇异摄动法和直接敏感性分析得到。采用乙烯预混火焰中的主要组分和关键PAH组分的摩尔浓度、激波管中的滞燃期及射流搅拌器中的关键组分浓度对新构建的动力学模型进行了验证。将该动力学模型用于计算光学发动机中的缸内燃烧和碳烟生成,分析了缸压、放热率和碳烟质量浓度的变化曲线。所有基础反应器和发动机中的模拟结果均与文献中的试验测量值吻合良好,表明新构建的简化模型能用于预测柴油的燃烧过程。(2)在同轴扩散火焰中对正庚烷/正丁醇的碳烟体积分数(SVF)和颗粒数密度进行了试验和模拟研究。结合热泳探针采样和透射电镜(TEM)分析方法,对火焰轴线不同高度的SVF、碳烟数密度和尺寸分布进行了统计和计算。用耦合了简化正庚烷/正丁醇/PAH动力学模型和一个详细分区碳烟模型的CoFlame代码来计算同轴火焰中的碳烟生成。计算得到的碳烟体积分数和颗粒数密度与从TEM图片中统计得到的试验结果趋势一致。随着燃料中正丁醇比例的增加,火焰可视高度降低,整体上SVF和数密度均减小。A4二聚的成核反应在碳烟颗粒数密度的演变过程中起着最重要的作用,而HACA表面生长主导着碳烟的质量增长。添加正丁醇之后,A4和C_2H_2的浓度降低,进而导致颗粒数密度和碳烟质量分数降低。(3)对柴油/正丁醇混合燃料的碳烟形貌特性进行了试验研究。通过TEM分析统计得到了初级颗粒平均粒径、积聚颗粒平均回转半径和平均每个积聚颗粒中包含的初级颗粒数,研究发现这些参数沿着火焰轴线均呈现先增大后减小的趋势。积聚颗粒分形维数变化不大,而由于颗粒的碰撞和氧化,分形指前因子先增大后减小。在燃料中添加正丁醇后,以上碳烟特性参数整体上均减小,表明正丁醇的添加能使燃烧生成的碳烟颗粒尺寸减小,且颗粒更趋于链状。(4)在正丁醇同轴扩散火焰的空气中添加CO_2/H_2O蒸气,模拟发动机废气再循环运行工况,计算研究的结果表明,添加CO_2或H_2O蒸气后,整体上碳烟体积分数、质量分数和数密度均降低。此外,添加CO_2后各反应与组分生成往火焰下游移动。碳烟数密度的降低是由于温度和A4浓度降低引起的成核速率的下降,而碳烟质量分数的降低主要是由于H自由基摩尔分数、颗粒总表面积及温度降低引起的HACA速率的下降。(5)对高压条件下正丁醇同轴扩散火焰的模拟研究结果显示,随着环境压力的增大,火焰截面积减小,碳烟体积分数和颗粒数密度均增大,其中沿着SVF最大方向的SVF峰值∝P4.3,沿着火焰轴线的SVF峰值∝P3.9。环境压力增加后,同一火焰高度处小尺寸积聚颗粒的数量减少,大尺寸积聚颗粒的数量增加。压力对火焰结构和碳烟生成的影响主要是由于压力对混合气密度的直接影响,此外,空气卷吸在火焰结构和碳烟生成中也起着很大的作用。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X734.2
【部分图文】：

图 1-1 扩散火焰中测得的 TSIs 与燃料分子中碳原子数的关系[19]烟控制技术去的几十年，为了达到排放法规的要求，研究者们采用了多种策略碳烟排放。这些控制方法整体上可以分成两大类：主动控制和被动技术是在燃烧室内控制碳烟生成的技术，而被动控制技术是用在排气的碳烟颗粒的技术。换言之，主动控制是基于改善缸内燃烧，而处理装置。主动控制排放法规目标主要是通过缸内策略来实现，比如优化燃烧室几何形、优化喷油正时[22]、多次喷射、增加进气温度、进气增压，以及低

8（b）传统燃烧与先进燃烧 φ-T图[50]图 1-2 柴油传统燃烧与先进燃烧模式对比动控制放法规对汽车发动机尾气排放越来越严格的限制，单纯地改进实现法规目标。从国 4 开始，研究者们开发出了各种安装在发装置，用以进一步降低大气污染物的排放。柴油机氧化催atalyst, DOC）可以除去 CO 和未燃碳氢化合物（unburned

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文1.4.4 颗粒动力学图 1-3 所示的是同轴扩散火焰中的碳烟生成过程[129]。相同尺寸的 PAH 组分碰撞之后堆积在一起，形成 PAH 二聚体。PAH 二聚体能再次与 PAH 分子碰撞形成 PAH三聚体，或者与其它 PAH 二聚体碰撞形成 PAH 四聚体等。与此同时，聚集体中的 PAH各自继续通过 HACA 反应生长。通过这种形式，PAH 聚集体逐渐由气相组分演变成固体颗粒。在碳烟计算中，通常假设 PAH 二聚体就已经处于固态[130]。
【参考文献】

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本文编号：2835528