柴油机低温燃烧过程中多环芳香烃生成机理的构建及多维模拟研究

摘要

为了满足日益严格的排放法规，缓解石油危机，以均质充量压燃着火（HCCI）燃烧为代表的高效清洁燃烧方式是目前国内外内燃机界研究的焦点。随着研究和对均质压燃燃烧特性认识的深入，柴油机HCCI燃烧在广义概念上并不是指缸内混合气绝对均匀燃烧，而是包括分层燃烧、低温燃烧等一系列缸内混合气存在浓度分层的新型燃烧方式。由于这类燃烧方式与传统的柴油机和汽油机燃烧不同，因此，颗粒物的生成、演变及理化特性必然与传统的柴油机和汽油机不同。碳烟是柴油机排放微粒的主要组成部分，常占微粒总量的50％-80%之多。它被确定为可吸入颗粒物，对人体健康有严重危害，特别是碳烟前驱物多环芳香烃（PAHs）中某些成分对人体和生物具有较强的致癌和致突变作用。所以，关于PAHs的形成与生长过程引起了人们很大关注。本文以CFD与化学动力学耦合模型数值模拟研究为主要手段，对柴油机低温燃烧过程中PAHs的生成机理及燃烧边界条件对低温燃烧和PAHs排放的影响进行了研究。
　　本文首先以正庚烷和甲苯混合物作为柴油替代燃料，构建了一个包含多环芳香烃（PAHs）的柴油替代燃料混合物燃烧化学动力学机理，PAHs的生成考虑到五个苯环。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。
　　接着，利用敏感性分析与路径分析相结合的方法对柴油替代燃料HCCI条件下多环芳香烃形成的详细化学反应动力学模型(包括153种物质，697个基元反应)进行简化，得到了可与CFD多维模型耦合计算的简化机理，该机理包括75种物质，141个基元反应。在激波管和HCCI条件下，对所构建的简化动力学模型进行了验证，结果表明：简化机理的模拟结果与实验结果和详细机理计算结果吻合很好。
　　最后，本课题利用三维CFD模型与简化的化学动力学耦合模型对柴油机低温燃烧条件下气缸内燃烧和PAHs排放规律进行了研究。结果表明：进气温度降低，滞燃期延长，同时进气密度增大，使柴油机的循环进气量增多，空燃比升高，燃油在缸内燃烧氧化更充分，在较低的进气温度工况时缸内生成 PAHs各组分相对较低。随着进气压力的升高，PAHs各组分的生成时刻提前。并且PAHs各组分的含量依次减少。增大喷油提前角，使得滞燃期延长，燃油与空气的混合时间增加，混合更加充分，从而使燃料的燃烧更加充分，产生的PAHs及碳烟也就越少。从总体来看，低温燃烧（LTC）条件下柴油机燃烧过程中PAHs各组分以及碳烟的排放都比较低。对于预喷射来说，在固定预喷间隔的条件下，应选择较小油量的预喷射；这样可在不引起碳烟增加的基础上达到降低NOx排放的目的。对于后喷射来说，当后喷间隔相同时，应选择较大油量的后喷射；这样可以在不引起NOx排放增加的基础上改善碳烟颗粒的排放。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 多环芳香烃生成机理的国内外进展

1.3 柴油燃料替代混合物研究概述

1.4 本课题的研究意义和内容

2 内燃机数值模拟基础简介

2.1 数值模拟计算模型

2.2 零维计算中相关模型

2.3 CFD计算模型

3 包含PAHs的柴油燃料替代混合物详细化学动力学模型

3.1 详细机理的构建

3.2 详细机理的验证

3.3 本章小结

4 包含PAHs的柴油燃料替代混合物的简化动力学模型

4.1 简化机理的构建

4.2 简化机理的验证

4.3 本章小结

5 柴油机低温燃烧过程中PAHs生成的多维模拟研究

5.1 模拟所用柴油机的技术参数

5.2 柴油机多维模拟模型及边界条件

5.3 进气初始条件对柴油机低温燃烧过程及PAHs排放特性的影响

5.4 喷油策略对柴油机低温燃烧过程及排放特性的影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献