缸內(nèi)直噴汽油機碳煙顆粒生成機理及實驗研究.pdf

1、碳煙顆粒排放是缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機排放控制的重點和難點，研究降低GDI汽油機碳煙顆粒排放的控制策略，發(fā)展詳細和通用的汽油替代燃料燃燒生成多環(huán)芳香烴（PAHs）的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理以及碳煙顆粒生成機理和模型具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。本文采用試驗研究、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理與計算流體動力學(xué)（CFD）耦合的數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對GDI汽油機碳煙顆粒及PAHs排放的生成機理進行了實驗和數(shù)值模擬研究。
　　本文首先自主設(shè)計了一個適用于

2、GDI汽油機尾氣 PAHs和碳煙顆粒收集的取樣裝置，在一臺增壓GDI汽油機上進行了PAHs和碳煙顆粒排放的試驗研究。采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）對GDI汽油機尾氣中的PAHs進行了檢測分析，采用場發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）對碳煙顆粒的微觀形態(tài)和基本碳粒子的微觀結(jié)構(gòu)進行了觀測。實驗結(jié)果表明：GDI汽油機尾氣中存在氣相和顆粒相兩種類型的PAHs，氣相PAHs主要包含A2～A3的小環(huán)PAHs，顆粒相PAHs主要包含A5～A6的大環(huán)

3、PAHs，A4同時存在于氣相和顆粒相PAHs中, A2萘的濃度是最高的，與顆粒相PAHs相比高出2～3個數(shù)量級。PAHs的變化規(guī)律和碳煙顆粒的變化基本一致；通過分析顆粒相PAHs和基本碳粒子的微觀結(jié)構(gòu)，確定大環(huán)PAHs（A4）是形成GDI汽油機尾氣中碳煙顆粒的關(guān)鍵誘導(dǎo)物質(zhì)。提高噴油壓力、引進EGR和適當(dāng)推遲點火時刻，可以顯著降低GDI汽油機尾氣中的PAHs和碳煙顆粒的排放，是降低GDI汽油機碳煙顆粒排放的有效措施之一。
　　本文構(gòu)

4、建了甲苯參比汽油替代燃料生成PAHs的TRF-PAHs半詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理（包含219種物質(zhì)和1229個反應(yīng)），并利用滯燃期、層流火焰速度、預(yù)混和對流擴散火焰中關(guān)鍵物質(zhì)組分濃度等多種試驗數(shù)據(jù)對其進行了廣泛驗證。驗證結(jié)果表明，TRF-PAHs半詳細化學(xué)反應(yīng)機理可以很好的預(yù)測單組份燃料（正庚烷 n-C7H16、異辛烷i-C8H18、苯C6H6和甲苯C6H5CH3）、甲苯參比汽油替代燃料TRF以及汽油在不同發(fā)動機缸內(nèi)條件下的著火滯燃期和層

5、流火焰速度，可以很好的預(yù)測正庚烷、異辛烷和苯預(yù)混火焰中燃料的消耗以及CO和CO2終產(chǎn)物、關(guān)鍵物質(zhì)組分（C2H2、C2H4和C3H6）和PAHs的摩爾分數(shù)變化歷程，還可以很好的預(yù)測碳煙生成火焰（SF）和碳煙生成/氧化火焰（SFO）兩種類型對流擴散火焰中添加甲苯引起的生成PAHs的“協(xié)同效應(yīng)”，同時明確了影響滯燃期、層流火焰速度、苯環(huán)形成和消耗以及引起PAHs“協(xié)同效應(yīng)”的主要反應(yīng)路徑。
　　隨后本文在TRF-PAHs半詳細機理的基礎(chǔ)

6、上發(fā)展了一個可以耦合CFD計算的TRF-PAHs簡化化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理（簡稱P.AN機理，包含85種物質(zhì)和232個反應(yīng)）。P.AN機理通過了激波管、層流火焰速度以及正庚烷、異辛烷燃燒火焰中關(guān)鍵物質(zhì)組分（C2H2、C2H4和C3H6）和PAHs實驗數(shù)據(jù)的驗證，還通過了GDI汽油機CFD耦合P.AN機理的缸內(nèi)燃燒以及PAHs排放的模擬計算驗證，計算的缸內(nèi)壓力、PAHs濃度與試驗結(jié)果在數(shù)據(jù)和趨勢上吻合很好。
　　最后使用CFD計算程序C

7、ONVERGE耦合TRF-PAHs簡化機理，采用詳細碳煙模型對碳煙顆粒的形成過程進行多維數(shù)值模擬，碳煙顆粒模型包含碳煙顆粒初始成核、PAHs凝結(jié)、碳煙表面生長、氧化和碳煙顆粒團聚等過程。該碳煙顆粒模型能很好的預(yù)測GDI汽油機尾氣中的碳煙排放，利用該碳煙顆粒模型對碳煙及其相關(guān)中間產(chǎn)物的生成過程進行了預(yù)測。計算結(jié)果表明：顆粒數(shù)密度的分布區(qū)域與前驅(qū)物A4及表面生長物質(zhì)C2H2的分布基本一致，C2H2引起的碳煙表面生長過程以及前驅(qū)物A4引起的成