基于試驗及數值模擬的柴油和丙酮-丁醇-乙醇碳煙形成機理研究.pdf

1、以柴油機為代表的壓燃式發(fā)動機，由于其高效性、可靠性和耐久性，成為當今車輛和動力機械的主要動力源之一。然而，對柴油和化石燃料的過度依賴也導致能源危機、全球環(huán)境惡化和人類疾病等一系列問題的產生。碳煙作為柴油機的主要排放物之一，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，但柴油機碳煙生成機理研究和機內凈化技術仍存在眾多難點。同時，丙酮/丁醇/乙醇混合物（Acetone-Butanol-Ethanol，簡稱ABE）作為生物丁醇

2、的上游產物，得到日益廣泛的關注，但關于其燃燒和碳煙生成機理的研究尚不成熟。正是基于以上考慮，本文采用試驗與數值模擬相結合的方法，開展了柴油和ABE碳煙形成機理的研究。
　　在試驗研究方面，本文分別基于定容彈和某乘用車柴油機開展了兩組試驗。定容彈試驗中，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質量和空間分布進行了測量。與此同時，在柴油機試

3、驗中，對不同EGR率下(0％、15％、30％、45％、55％、60％)的穩(wěn)態(tài)碳煙排放進行了測量。
　　在數值模擬方面，本文提出了一個通用的ABE現象學碳煙模型，并通過定容彈多工況下的實驗結果進行了驗證。同時，根據質量守恒原理以及碳煙表面氧化和表面生長的競爭關系，建立了碳煙表面氧化對碳煙數密度的修正模型，據此對原9步法柴油碳煙模型的改進，并應用于ABE碳煙模型中。此外，對比了改進前后柴油碳煙模型的顆粒尺寸預測結果，以及改進后的模型與

4、Hiroyasu-Nagle/Strickland模型（即HNS模型）、Fusco模型在碳煙預測精度和趨勢方面的差異。為進一步研究柴油和ABE的碳煙形成機理以及初始溫度、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在試驗工況下的噴霧燃燒過程進行多維數值模擬，并對比分析了兩種燃料碳煙生成過程的差異和原因。
　　研究結果表明:
　　(1)經試驗標定后，本文提出的ABE現象學碳煙模型以及改進后的柴油

5、碳煙模型能在廣泛的工況范圍內準確預測碳煙生成趨勢。
　　(2)當燃燒區(qū)域存在強氧化作用時，表面氧化對碳煙數密度的修正模型能更切實際地預測碳煙數和顆粒平均尺寸，同時避免產生數值錯誤。此外，與HNS模型和Fusco模型相比，改進后的柴油碳煙模型能更準確地反映EGR對柴油機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，燃燒模式由擴散燃燒向預混燃燒轉變。同時，高溫、富油區(qū)域發(fā)生縮減，碳煙生成機理受到強烈抑制，

6、使得柴油和ABE碳煙生成量單調減少。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，但氧濃度的影響機制存在差異:柴油碳煙生成量增加的原因在于碳煙氧化機理受到抑制的同時，生成機理得到助長。對ABE而言，碳煙生成機理和氧化機理同時受到抑制，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，此時碳煙生成機理的抑制占據主導作用。
　　(4)在柴油機中，EGR對碳煙排放的影響呈現階段式變化。少量EGR降低了燃燒

7、溫度，碳煙生成機理受到抑制，有助于降低碳煙排放。隨著EGR率的增大，碳煙氧化反應同時受到抑制，碳煙排放降低減緩，甚至略微上升。當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)，此時碳煙排放達到最低;在此基礎上繼續(xù)增加EGR率，將導致燃燒開始惡化，碳煙生成量和最終排放迅速增加。
　　(5)受分子結構和官能團的影響，ABE裂解過程中乙炔的生成量遠低于柴油;同時，ABE燃油分子中的氧促進了OH自由基的生成，加快了碳煙氧化