基于試驗(yàn)及數(shù)值模擬的柴油和丙酮-丁醇-乙醇碳煙形成機(jī)理研究.pdf

1、以柴油機(jī)為代表的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其高效性、可靠性和耐久性，成為當(dāng)今車輛和動(dòng)力機(jī)械的主要?jiǎng)恿υ粗?。然而，對柴油和化石燃料的過度依賴也導(dǎo)致能源危機(jī)、全球環(huán)境惡化和人類疾病等一系列問題的產(chǎn)生。碳煙作為柴油機(jī)的主要排放物之一，是大氣中可吸入顆粒物的主要來源。盡管在這方面開展了大量的研究，但柴油機(jī)碳煙生成機(jī)理研究和機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)仍存在眾多難點(diǎn)。同時(shí)，丙酮/丁醇/乙醇混合物（Acetone-Butanol-Ethanol，簡稱ABE）作為生物丁醇

2、的上游產(chǎn)物，得到日益廣泛的關(guān)注，但關(guān)于其燃燒和碳煙生成機(jī)理的研究尚不成熟。正是基于以上考慮，本文采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展了柴油和ABE碳煙形成機(jī)理的研究。
　　在試驗(yàn)研究方面，本文分別基于定容彈和某乘用車柴油機(jī)開展了兩組試驗(yàn)。定容彈試驗(yàn)中，在不同初始溫度(800K、900K、1000K)和氧濃度(21％、16％、11％)工況下，采用前置消光法對柴油和ABE燃燒過程的碳煙瞬時(shí)質(zhì)量和空間分布進(jìn)行了測量。與此同時(shí)，在柴油機(jī)試

3、驗(yàn)中，對不同EGR率下(0％、15％、30％、45％、55％、60％)的穩(wěn)態(tài)碳煙排放進(jìn)行了測量。
　　在數(shù)值模擬方面，本文提出了一個(gè)通用的ABE現(xiàn)象學(xué)碳煙模型，并通過定容彈多工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理以及碳煙表面氧化和表面生長的競爭關(guān)系，建立了碳煙表面氧化對碳煙數(shù)密度的修正模型，據(jù)此對原9步法柴油碳煙模型的改進(jìn)，并應(yīng)用于ABE碳煙模型中。此外，對比了改進(jìn)前后柴油碳煙模型的顆粒尺寸預(yù)測結(jié)果，以及改進(jìn)后的模型與

4、Hiroyasu-Nagle/Strickland模型（即HNS模型）、Fusco模型在碳煙預(yù)測精度和趨勢方面的差異。為進(jìn)一步研究柴油和ABE的碳煙形成機(jī)理以及初始溫度、氧濃度、EGR率的影響規(guī)律，本文基于KIVA耦合上述碳煙模型，對柴油和ABE在試驗(yàn)工況下的噴霧燃燒過程進(jìn)行多維數(shù)值模擬，并對比分析了兩種燃料碳煙生成過程的差異和原因。
　　研究結(jié)果表明:
　　(1)經(jīng)試驗(yàn)標(biāo)定后，本文提出的ABE現(xiàn)象學(xué)碳煙模型以及改進(jìn)后的柴油

5、碳煙模型能在廣泛的工況范圍內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測碳煙生成趨勢。
　　(2)當(dāng)燃燒區(qū)域存在強(qiáng)氧化作用時(shí)，表面氧化對碳煙數(shù)密度的修正模型能更切實(shí)際地預(yù)測碳煙數(shù)和顆粒平均尺寸，同時(shí)避免產(chǎn)生數(shù)值錯(cuò)誤。此外，與HNS模型和Fusco模型相比，改進(jìn)后的柴油碳煙模型能更準(zhǔn)確地反映EGR對柴油機(jī)碳煙排放的影響趨勢。
　　(3)在定容彈中，初始溫度降低延長了滯燃期，燃燒模式由擴(kuò)散燃燒向預(yù)混燃燒轉(zhuǎn)變。同時(shí)，高溫、富油區(qū)域發(fā)生縮減，碳煙生成機(jī)理受到強(qiáng)烈抑制，

6、使得柴油和ABE碳煙生成量單調(diào)減少。環(huán)境氧濃度由21％降至16％，柴油和ABE的碳煙生成趨勢均增大，但氧濃度的影響機(jī)制存在差異:柴油碳煙生成量增加的原因在于碳煙氧化機(jī)理受到抑制的同時(shí)，生成機(jī)理得到助長。對ABE而言，碳煙生成機(jī)理和氧化機(jī)理同時(shí)受到抑制，但氧化速率下降更快。在11％氧濃度下，ABE碳煙生成量開始減少，此時(shí)碳煙生成機(jī)理的抑制占據(jù)主導(dǎo)作用。
　　(4)在柴油機(jī)中，EGR對碳煙排放的影響呈現(xiàn)階段式變化。少量EGR降低了燃燒

7、溫度，碳煙生成機(jī)理受到抑制，有助于降低碳煙排放。隨著EGR率的增大，碳煙氧化反應(yīng)同時(shí)受到抑制，碳煙排放降低減緩，甚至略微上升。當(dāng)EGR率增大到一定程度，燃燒溫度降低使燃燒避開了碳煙主要生成區(qū)，此時(shí)碳煙排放達(dá)到最低;在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加EGR率，將導(dǎo)致燃燒開始惡化，碳煙生成量和最終排放迅速增加。
　　(5)受分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的影響，ABE裂解過程中乙炔的生成量遠(yuǎn)低于柴油;同時(shí)，ABE燃油分子中的氧促進(jìn)了OH自由基的生成，加快了碳煙氧化