基于精细碳黑模型的柴油机燃烧模拟

为更好地预测及分析柴油机污染物碳黑的产生特性,需要开发具有广泛应用价值的碳黑模型。该文以正庚烷作为燃料模拟物质,基于正庚烷氧化的气相反应机理,及描述固相碳黑颗粒形成物理、化学过程的详细动力学模型,对直喷式内燃机工作过程中的化学反应流进行了数值模拟计算。计算得到了柴油机燃烧室内多环芳烃质量、碳黑质量、体积分数随转角的变化曲线。在一定燃烧室壁面温度条件下,得到典型的多环芳烃质量、碳黑质量、碳黑体积分数均与测试水平相符,碳黑质量随转角变化曲线也与测试结果吻合较好。     

正庚烷HCCI燃烧下多环芳烃生成机理与影响因素分析

通过修改化学动力学软件SENKIN,建立了正庚烷均质充量压缩点燃(HCCI)燃烧过程数值模拟的单区模型.利用此模型对正庚烷HCCI燃烧下芳烃(苯、萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.同时,分析了过量空气系数、进气初始压力和发动机转速对多环芳烃形成规律的影响.计算中采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理(共包括107种组分、542个基元反应).结果表明,在低温反应阶段并没有苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)、芘(A4)生成;当进入高温反应阶段后,苯、萘、菲、芘的浓度迅速升高至峰值,然后均陡直下降为零.随着过量空气系数的增大,苯的摩尔分数峰值降低,但菲的摩尔分数峰值变化较小.同时,苯、萘、菲的摩尔分数随进气初始压力的降低而降低;随着发动机转速的下降,苯的摩尔分数先降低后增加,萘的摩尔分数却是先增加后降低,而菲的摩尔分数却持续降低.     

煤气化多环芳烃初步研究

为了研究煤及其气化产物中多环芳烃的分布特征,在一台小型常压流化床气化炉上进行了以空气和水蒸气为气化剂的煤气化试验,经索氏萃取和K-D浓缩后,采用带荧光检测器和二极管矩阵检测器的高效液相色谱仪对原煤、底渣、旋风焦、布袋焦和煤气中被US EPA列为优控污染物名单的16种多环芳烃进行了测定.试验结果表明:煤气化前后多环芳烃质量分数和毒性当量质量分数的分布特征相似,但多环芳烃的组成和质量分数不同;煤化程度增加,原煤多环芳烃质量分数和毒性当量质量分数减小,煤气化多环芳烃的质量分数先接连后减,毒性当量质量分数与煤化程度呈线性关系;部分煤种气化多环芳烃的质量分数高于原煤多环芳烃质量分数,且煤气化多环芳烃的种类分为原煤未分解的多环芳烃、热解合成的多环芳烃、自由基高温缩合生成的多环芳烃.     

纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性

基于一台双缸柴油机，结合自行设计开发的纯氧进气系统进行试验，研究了不同进气氧体积分数对正庚烷均质压燃燃烧过程及稳定性的影响。试验结果表明，随着混合气中氧体积分数降低，二氧化碳体积分数增加，缸内平均比热容不断增大，使得缸内最高燃烧温度降低，其对应的峰值相位推迟，燃烧始点推迟，放热率峰值下降，热效率降低；同时发现随着二氧化碳体积分数的增加，缸内温度会随之降低，使得燃烧循环不稳定性增强。以上现象均表明较高的二氧化碳体积分数能够有效抑制纯氧氛围下正庚烷均质压燃。此外，试验发现了纯氧氛围下正庚烷均质压燃负温度系数区间持续时间大幅缩短现象。     

有机酸脂对高原柴油机燃烧特性的影响

针对高原环境下柴油机燃烧恶化的问题,分析了硝酸异辛脂(EHN)的分解途径,通过化学反应动力学分析揭示了EHN添加剂改善柴油机燃烧的机理.利用单缸机台架试验方法研究了进气压力为68kPa、转速为1 400r/min满负荷工况下EHN对柴油机燃烧特性的影响.结果表明:添加EHN能够促进正庚烷反应中自由基OH,H,HO_2和H_2O_2的生成,加速正庚烷的分解,使柴油机着火滞燃期缩短;在低气压进气条件下,随着EHN质量分数的增加,柴油机缸内压力峰值略有下降、放热率曲线前移,柴油机的最大扭矩增加、有效比油耗降低,动力性及经济性均得到改善.     

柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性

分析了柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性和放热规律,研究了相同十六烷值条件下混合燃料中含氧量对燃烧特性和放热过程的影响,为柴油机燃用含氧混合燃料提供理论指导和试验依据.研究结果表明:十六烷值改进剂(亚硝酸异戊酯)的体积分数为0.2%时,可使其着火性能与乙醇的体积分数减小10%时的水平相当.当保持十六烷值不变,混合燃料中氧的质量分数提高3.6%,扩散燃烧期和总燃期的曲轴转角平均缩短0.8°,中高负荷放热率曲线型心位置的曲轴转角向上止点平均靠近0.25°,可以认为,试验结果反映了混合燃料含氧量对燃烧的影响.     

富氧燃烧对柴油机低温燃烧反应机理影响的数值分析

从柴油机缸内燃烧反应的化学反应动力学机理出发,利用CHEMKIN软件对富氧燃烧时的低温反应进行了研究,运用计算流体动力学分析方法,通过耦合柴油机三维燃烧模型和正庚烷氧化反应动力学模型对低温反应机理中重要的脱氢反应和加氧反应过程进行了数值分析.对比空气助燃、富氧浓度对脱氢反应和加氧反应的影响发现:富氧燃烧能够促进脱氢反应,在压缩的上止点时刻,氧的体积分数分别为23%、25%和27%时的缸内脱氢产物C7H15的质量分数最大值分别是空气助燃时的1.95倍、4.77倍和291.58倍;加氧反应的速率随富氧浓度的升高呈线性增长趋势;富氧燃烧可以提高柴油机的热效率,使缸内生成更多的OH自由基,从而加快了后续的中温反应和高温反应速度.     

基于数值模拟的旋转燃烧室的性能分析

通过分析某型鱼雷燃烧室结构,建立旋转燃烧室的物理数学模型,利用Fluent软件对不同转速下的旋转燃烧室单组元喷雾燃烧过程进行仿真模拟,得到燃料质量分数场以及燃烧室内的压强分布,为燃烧室的结构优化提供理论依据.通过优化结构,缩小了燃烧室的体积,减小了燃烧室的质量,提高了燃烧室的性能.     

沉积条件对低温各向同性热解炭形貌的影响

研究沉积温度和丙烷气体体积分数对低温各向同性热解炭(LTIC)形貌的影响,并用成核-生长理论解释材料形貌的成因。该热解炭材料由不同体积分数的丙烷通过准稳态流化床化学气相沉积法(FBCVD)在1 250~1 450℃的沉积温度下得到。研究结果表明:随着沉积温度或丙烷气体体积分数的升高,各向同性热解炭的类球形颗粒状形貌越来越明显,且密度降低,沉积过程由生长模式向成核模式过渡。沉积模式随沉积条件的改变会决定热解炭形貌的改变,而这些变化与气相中形成的线性分子和小分子芳烃与稠环芳香烃(PAHS)的比以及液滴的黏度改变有关。     

球和球柱体的二元随机填充研究

采用组合球模型和松弛算法,模拟了等体积及等直径的球和球柱体二元随机填充.模拟结果表明,无论混合物组份体积分数如何变化,混合填充率均呈现出随球柱体长径比先升后降的趋势,最高混合填充率均出现在球柱体长径比约为0.35处.模拟结果还表明,在等体积条件下,球与球柱体的混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线均为近似线性;在等直径条件下,当球柱体长径比较小时,混合填充率变化曲线也呈近似线性;当球柱体长径比大于1.6时,混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线逐渐转变为上凸曲线.本文还模拟了不等径球的二元随机填充和球柱体随机填充.其中,不等径球的二元随机填充率与现有填充率预测模型的预测结果一致,球柱体组合球模型与解析模型的随机填充模拟结果吻合.     

基于KIVA3的柴油机碳烟产生机理的数值模拟研究

将Surovikin碳烟生成模型、NSC（Nagle和Strickland-Constable）氧化模型和Neoh等人提出的OH氧化模型编译集成到KIVA3中构建多维计算模型,提出了一个六步化学反应机理模型．针对D6114柴油机进行了数值模拟,得到了这一化学反应机理下的碳烟颗粒数密度曲线及其变化过程图和碳烟产生量曲线．研究结果表明,本文采用的基于部分化学反应的机理模型和现有碳烟计算模型能够较清晰地反映柴油机碳烟生成和氧化的历程,对研究柴油机燃烧和排放具有一定的参考价值．     

Influence factor of diesel soot formation in diesel engine combustion predicted by multistep soot model with highlight in soot surface activity

As more strict regulations on soot emission with increasing emphasis on the emitted soot particle size have been imposed, diesel engine partially premixed combustion had been proven to achieve ultra-low NOx and soot emissions with high thermal efficiency simulta- neously, by synergy control of mixing and chemical parameters. It calls for further study in the effect of com- bustion boundaries on soot formation. In this study, soot formation characteristic was investigated by CFD code coupled with reduced n-heptane model and improved multistep soot model. History of acetylene, which is taken as the main species of PAH formation and soot surface growth, plays more important roles on soot prediction. The revised parameter of fraction of active sites αCH was introduced as the indicator of soot surface activity in diesel soot formation. The effects of combustion boundaries on soot surface activity and soot surface growth were explored in this study. When the mixture was quite homogeneous, lowered combustion temperature was the main factor for reduced soot formation due to the lowered specific surface growth rate RCH, in spite of ec/4 increasing slightly due to the slowed decay rate of surface activity. As the inhomo- geneity of the mixture was increased, more unburned hydrocarbons were produced, promoting the formation of acetylene and soot surface activity. It was the dominated reason for higher soot surface growth rate, resulted wors- ened engine-out soot. In addition, residual of CO in later combustion phase impeded the re-oxidation of soot.     

地沟油生物柴油碳烟微粒排放及肺沉积表面积研究

在柴油机上分别燃烧纯地沟油生物柴油和纯石化柴油在每一负荷工况下运用颗粒物测试系统NanoMet3研究碳烟微粒的排放及肺沉积表面积。结果表明:各工况下,地沟油生物柴油碳烟微粒数量浓度及质量浓度均小于石化柴油。小负荷时两种燃料的差距不大;大负荷时,地沟油生物柴油碳烟微粒数量浓度及质量浓度远小于石化柴油;但增幅高于石化柴油。地沟油生物柴油碳烟微粒的平均粒径比石化柴油小,其肺沉积表面积小于石化柴油,对人体的危害值低于石化柴油。碳烟微粒肺沉积表面积受到平均粒径和数量浓度的共同作用,其增幅与数量浓度的增幅呈现出相同的变化趋势。     

正庚烷/柴油双燃料复合HCCI燃烧的试验研究

通过在进气道预喷正庚烷,在上止点前缸内直喷柴油压燃,试验研究了不同预混合比例和不同负荷下的正庚烷/柴油双燃料复合HCCI燃烧和排放特性.结果表明:复合HCCI的热效率和原机柴油直喷压燃模式相当,并且可以在全负荷范围内有效降低原机的Nox排放,在大负荷时采用较小的预混合率还可以同时降低碳烟排放;与常规HCCI相比,显著降低了HC排放,同时在中低负荷对降低CO排放也有明显效果.     

正十四烷在柴油机条件下芳香烃的形成及演化

以单缸直喷柴油机为研究背景,考虑了正十四烷（C14H30）燃料的详细化学反应机理,设计了化学成分的焓值计算程序,对缸内燃烧过程进行三维数值模拟计算,研究了诱发碳烟颗粒先导物生成的单环及多环芳香烃（PAHs）的形成,应用Belardini碳烟模型讨论了缸内碳烟颗粒的形成和演变过程,分析了PAHs对碳烟生成的影响．结果表明...     

柴油机燃烧过程中多环芳香烃的生成机理

以正庚烷和甲苯作为柴油燃料替代混合物,构建了1个包含多环芳香烃（PAHs）的柴油燃料替代混合物燃烧化学动力学机理,PAHs的生成考虑到5个苯环。该机理包括153种组分,697个基元反应。在激波管、正庚烷预混火焰和均质充量压燃着火发动机条件下对该机理进行了验证,结果表明构建的机理在HCCI燃烧方面的预测性能是可靠的,可以进一步简化,进而为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合计算燃烧和排放提供了可行的途径。     

EGR柴油机的碳烟排放预测

考虑到OH基的氧化作用,将OH基氧化模型嵌入KIVA-3V软件内,应用在柴油机排放计算中,验证了模型的正确性,分析了EGR率(5%,10%,15%,20%和25%)对柴油机碳烟排放的影响.结果表明:计算得到的碳烟排放与测量值吻合较好;与原碳烟氧化模型相比,修正的氧化模型能较好地预测碳烟排放;EGR率增加,小负荷下的碳烟排放增加幅度较小,中高负荷下的碳烟排放增加幅度较大,特别是在大EGR率时,碳烟排放增加幅度更大;EGR率增加时,碳烟生成量和氧化量均减少,氧化量减少更多,高质量浓度碳烟分布区域更广;EGR率对OH基的抑制作用在燃烧中期较为明显,而且负荷越大,OH基体积分数随EGR率的加大变得越低.     

柴油机缸内炭烟辐射传热的理论模型

基于瑞利散射理论,建立了一个简便分析柴油机缸内炭烟辐射传热的理论模型.该理论模型显示,缸内炭烟的辐射传热正比于缸内炭烟质量与其温度的5次方之乘积.通过对一台直喷式柴油机的多维仿真,验证了该模型作为一个全局模型的情况.结果显示,采用完全相同的输入数据时,该模型获得了与经典参考模型相吻合的结果,且模型的稳健性很好.模型中不含可调常数或直接与工况相关联的参数,比经典模型更直观、简洁,更适于柴油机缸内炭烟辐射传热的工程应用分析.     

柴油-甲醇组合燃烧碳烟排放模型

采用柴油-甲醇组合燃烧模式可以大幅度降低柴油机碳烟排放．由于组合燃烧模式碳烟排放机理与传统柴油机不同,因此对采用组合燃烧的柴油机进行性能预测,需要建立新的碳烟排放模型．在试验研究的基础上对广安博之的两步碳烟排放模型进行修正,提出了一个新的碳烟生成模型．该模型考虑到了甲醇对碳烟生成的影响．模拟结果与试验结果对比分析表明,该模型计算结果与实测结果一致性良好,能够用来预测柴油一甲醇组合燃烧发动机的碳烟排放．     

含钼氧化物对碳烟和NOx的催化去除特性

通过在MoO3上添加不同金属氧化物,制备了一系列含低熔点物质的催化剂．利用程序升温控制反应（TPR）,探讨了紧接触、松接触不同条件下活性组分和载体对碳烟的催化氧化及NOx还原活性的影响,分析讨论了碳烟和NOx同时催化去除机理．实验结果表明,添加K和某些金属氧化物能改善碳烟和催化剂的接触,提高催化活性．NiO的添加使得NOx转换效率达到最高（38％）,CuO的添加使得碳烟的起燃温度最低,不同载体的催化活性顺序为TiO2〉SiO2〉ZrO2〉Nb2O5〉Al2O3．