【摘要】：發(fā)動(dòng)機(jī)排放的碳煙顆粒物對(duì)環(huán)境和人體健康的危害巨大,因此新的排放法規(guī)對(duì)顆粒物排放數(shù)量以及質(zhì)量都已經(jīng)有較為嚴(yán)格的要求。部分預(yù)混合燃燒模式(PPC)相對(duì)于傳統(tǒng)燃燒模式會(huì)有更低的顆粒物及NOx排放,并且該燃燒模式相比于HCCI燃燒模式具有更好的燃燒可控性。丁醇作為一種可再生清潔能源,具有低十六烷值、高揮發(fā)性和高含氧量的特性,是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)部分預(yù)混燃燒方式的良好替代燃料。然而目前對(duì)PPC模式下的燃燒放熱特性和碳煙顆粒物數(shù)量尺寸分布、形貌特征、氧化活性及微納結(jié)構(gòu)等排放特性,摻混高比例丁醇下PPC模式的燃燒及顆粒物排放特性,以及含氧燃料和后噴策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙顆粒物排放特性的協(xié)同效應(yīng)等方面的認(rèn)識(shí)仍不清晰。本文針對(duì)上述問(wèn)題,基于電控高壓共軌渦輪增壓柴油機(jī)開(kāi)展了部分預(yù)混合低溫燃燒模式的燃燒及碳煙顆粒物排放特性、微觀形貌結(jié)構(gòu)特性及其影響規(guī)律方面的研究。(1)研究了不同噴射策略對(duì)部分預(yù)混合燃燒模式缸內(nèi)燃燒過(guò)程及顆粒物排放特性、形態(tài)特性及微納結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:單次噴射策略在常規(guī)噴射模式下,顆粒物總數(shù)量和質(zhì)量濃度都很高,此時(shí)顆粒物以聚集模態(tài)為主。早噴PPC模式時(shí)顆粒物質(zhì)量濃度大幅下降,以核模態(tài)為主。噴油壓力可以降低聚集模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度,增加核膜態(tài)顆粒物數(shù)量濃度。兩階段噴射策略下,顆粒物以聚集模態(tài)為主。合理調(diào)節(jié)預(yù)噴正時(shí)及預(yù)噴燃油比例可以使顆粒物總數(shù)量和質(zhì)量濃度同時(shí)降低。早噴PPC模式下生成顆粒物納米結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,顆粒物不定形碳內(nèi)核與層狀外殼的界限并不清晰,基本顆粒粒徑均值、分形維數(shù)及微晶長(zhǎng)度均有明顯下降。在預(yù)噴PPC策略中出現(xiàn)更多較長(zhǎng)較細(xì)的鏈條狀的顆粒物,很小的團(tuán)聚體數(shù)量相比于單次噴射策略有所下降。較早的預(yù)噴正時(shí)下,基本顆粒粒徑均值和微晶長(zhǎng)度均下降。(2)研究了摻混高比例丁醇部分預(yù)混合燃燒模式下,發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣碳煙顆粒物排放特性與形貌結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:在單次噴射策略下,隨著丁醇摻混比例的提高,聚集模態(tài)顆粒物峰值降低,核膜態(tài)顆粒物峰值劇烈升高,表明摻混丁醇使得排放顆粒物趨于小徑化。而在兩階段噴射策略下,隨著丁醇摻混比例的提高,顆粒物的總數(shù)量濃度及總質(zhì)量濃度有比較明顯的下降。隨著正丁醇比例的升高,顆粒物微晶條紋更加扭曲,結(jié)構(gòu)缺陷更加明顯,基本顆粒粒徑均值、分形維數(shù)及微晶長(zhǎng)度均有所下降。表明添加丁醇改變了顆粒物碳化的過(guò)程,使其具有更高的反應(yīng)活性。(3)研究了PPC模式下后噴策略與高含氧特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物特性及顆粒物形貌的協(xié)同影響效應(yīng),結(jié)果表明:使用純柴油時(shí),顆粒物總數(shù)量濃度隨著后噴正時(shí)的不斷推遲總體上呈下降趨勢(shì),當(dāng)后噴正時(shí)晚于15°CA ATDC時(shí),總數(shù)量濃度低于基線水平;使用B50混合燃料時(shí),相比于基線,使用后噴策略可以小幅度地降低顆粒物數(shù)量濃度。使用三類不同燃料時(shí),隨著后噴油量的增加,平均基本顆粒粒徑、分形維數(shù)都有所下降,顆粒物微晶長(zhǎng)度無(wú)明顯變化。相比于后噴策略,燃料理化特性對(duì)顆粒物的微納結(jié)構(gòu)影響更大。(4)將CHEMKIN耦合于KIVA-3V源程序,使用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,對(duì)基于部分預(yù)混合燃燒模式的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其標(biāo)定,研究了早噴及晚噴PPC策略下缸內(nèi)的演變過(guò)程,結(jié)果表明:部分預(yù)混合燃燒模式下核心組分的變化過(guò)程和常規(guī)噴射模式有很大的不同,在部分預(yù)混合燃燒模式下KHP在第一階段著火過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。在噴束下游生成OH的位置會(huì)生成大量NOx;在燃燒室壁面附近的富燃料區(qū)域則會(huì)形成大量碳煙顆粒物。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK401
【圖文】：

圖 1.1 典型內(nèi)燃機(jī)排放碳煙顆粒分布與沉積率[18]表 1.2 歐盟重型車用柴油機(jī)排放法規(guī)發(fā)展趨勢(shì)：穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)[19]Stage DateCO HC NOx PM PN Smokeg/kWh 1/kWh 1/mEuro I1992, ≤ 85 kW 4.5 1.1 8 0.6121992, > 85 kW 4.5 1.1 8 0.36Euro II1996.1 4 1.1 7 0.251998.1 4 1.1 7 0.15Euro III1999.10 EEV only 1.5 0.25 2 0.02 0.152000.1 2.1 0.66 5 0.10 0.8Euro IV 2005.1 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5Euro V 2008.1 1.5 0.46 2 0.02 0.5Euro VI 2013.01 1.5 0.13 0.4 0.01 8.0×1011在世界范圍內(nèi)有三種比較通行的排放標(biāo)準(zhǔn)，分別為美國(guó)、歐盟及日本機(jī)動(dòng)車排放

圖 1.2 不同燃燒模式混合氣當(dāng)量比和溫度分布[21]圖 1.3 為 Dec 提出傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒的概念模型，該燃燒概念模型展示了燃及污染物生成區(qū)域。在擴(kuò)散火焰外殼區(qū)域局部溫度可以達(dá)到 2500~3000K些區(qū)域氧氣充足，因此該區(qū)域 NOx 會(huì)快速生成。而在火焰的內(nèi)部區(qū)域，由量比高，燃油無(wú)法完全燃燒極易形成碳煙先導(dǎo)物多環(huán)芳香烴（PolycyclicAocarbons, PAH）和乙炔（acetylenes），進(jìn)而發(fā)生成核、凝聚反應(yīng)、表面生化、積聚反應(yīng)等從而形成大量 PM。當(dāng)前，除了使用后處理設(shè)備的機(jī)外凈為了進(jìn)一步控制 PM 和 NOx 排放，直接利用新型燃燒方式實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)凈化個(gè)十分有效的手段[22,23]。經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)有多種較為成技術(shù)推廣使用。柴油機(jī)在多數(shù)運(yùn)行工況下缸內(nèi)混合氣的當(dāng)量比大于 1，所像汽油機(jī)一樣使用三元催化器將 CO、HC 和 NOx 等有害氣體通過(guò)氧化和變?yōu)闊o(wú)害的 CO2、H2O 和 N2。常見(jiàn)的柴油機(jī)排放后處理技術(shù)有氧化型催化C）、顆粒物捕集器（DPF）、選擇性催化還原（SCR）、稀燃 NOx 捕集器（L

圖 1.2 不同燃燒模式混合氣當(dāng)量比和溫度分布[21]圖 1.3 為 Dec 提出傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒的概念模型，該燃燒概念模型展示了燃及污染物生成區(qū)域。在擴(kuò)散火焰外殼區(qū)域局部溫度可以達(dá)到 2500~3000K些區(qū)域氧氣充足，因此該區(qū)域 NOx 會(huì)快速生成。而在火焰的內(nèi)部區(qū)域，由量比高，燃油無(wú)法完全燃燒極易形成碳煙先導(dǎo)物多環(huán)芳香烴（PolycyclicAocarbons, PAH）和乙炔（acetylenes），進(jìn)而發(fā)生成核、凝聚反應(yīng)、表面生化、積聚反應(yīng)等從而形成大量 PM。當(dāng)前，除了使用后處理設(shè)備的機(jī)外凈為了進(jìn)一步控制 PM 和 NOx 排放，直接利用新型燃燒方式實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)凈化個(gè)十分有效的手段[22,23]。經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)有多種較為成技術(shù)推廣使用。柴油機(jī)在多數(shù)運(yùn)行工況下缸內(nèi)混合氣的當(dāng)量比大于 1，所像汽油機(jī)一樣使用三元催化器將 CO、HC 和 NOx 等有害氣體通過(guò)氧化和變?yōu)闊o(wú)害的 CO2、H2O 和 N2。常見(jiàn)的柴油機(jī)排放后處理技術(shù)有氧化型催化C）、顆粒物捕集器（DPF）、選擇性催化還原（SCR）、稀燃 NOx 捕集器（L

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2802184