發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物的主要成分是碳煙(Soot)。碳煙是PM2.5的主要成分,對(duì)氣候變化和人體健康具有顯著的影響與危害。因此,降低或消除發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙生成與排放,降低發(fā)動(dòng)機(jī)源頭PM2.5排放,是解決大氣PM2.5問(wèn)題的重要方面。目前,在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,主要通過(guò)缸內(nèi)燃燒控制(均質(zhì)壓燃、燃料設(shè)計(jì)、噴油策略等)和尾氣后處理技術(shù)(柴油顆粒過(guò)濾器DPF和汽油顆粒過(guò)濾器GPF)降低碳煙生成與排放。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒碳煙模型是預(yù)測(cè)缸內(nèi)燃燒碳煙生成的基礎(chǔ),可為優(yōu)化缸內(nèi)燃燒、降低發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙生成提供重要指導(dǎo)。發(fā)展碳煙生成機(jī)理/模型的一個(gè)重要基礎(chǔ)是對(duì)碳煙成核與長(zhǎng)大過(guò)程的特征參數(shù)(碳煙粒徑分布、數(shù)密度和體積分?jǐn)?shù)等)進(jìn)行準(zhǔn)確和直接地試驗(yàn)測(cè)量。這不僅可以驗(yàn)證碳煙生成機(jī)理/模型的準(zhǔn)確性,也可以為碳煙生成機(jī)理/模型的發(fā)展提供指導(dǎo)和參考。汽油和柴油在燃燒時(shí)首先裂解成小分子碳?xì)浠衔?主要由乙烯,丙烯,甲烷,乙烷和丙烷等組成。在過(guò)去的十年中,對(duì)于這些基本烴類小分子的碳煙生成機(jī)理研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。然而,在實(shí)際燃料的燃燒過(guò)程中,參與反應(yīng)的并不是單一的小分子烴,而是它們的混合物。所以研究小分子碳?xì)淙剂匣旌蠈?duì)碳煙生成的影響十分重要,其中最有意思的特征之一是協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同效應(yīng)是指,在同等條件下,混合燃料會(huì)比單一燃料產(chǎn)生更多的PAH和碳煙。本文以當(dāng)量比為1.9、模擬最高火焰溫度為1727 K的乙烯預(yù)混火焰為基準(zhǔn),在燃料中分別摻混5%、20%和35%摩爾分?jǐn)?shù)的甲烷,保持未燃?xì)怏w當(dāng)量比和最高火焰溫度不變,采用穩(wěn)定滯止(Burner Stabilized Stagnation,BSS)火焰小孔采樣結(jié)合掃描電遷移率粒徑譜儀(Scanning Mobility Particle Sizer,SMPS)的實(shí)驗(yàn)方法,在不同火焰高度上定量測(cè)量其生成碳煙顆粒的粒徑分布(Particle Size Distribution Function,PSDF),探究摻混甲烷對(duì)乙烯預(yù)混火焰成煙特性的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著甲烷摻混比的增加,生成碳煙顆粒的成核與長(zhǎng)大速度越來(lái)越小,碳煙總體積分?jǐn)?shù)也越來(lái)越小,多環(huán)芳烴(芘)的濃度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。在所研究的預(yù)混火焰工況條件下,乙烯與甲烷之間并不存在協(xié)同效應(yīng)。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X701;TK401
【部分圖文】：

- 3 -圖 1-1 碳煙生成過(guò)程示意圖[31]Fig. 1-1 Schematic of the soot formation processes[31] 碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳香烴（PAHs，Polycyclic Aromatic Hydrocarbons）的形renklanch 等人提出的 HACA 機(jī)理（Hydrogen-abstraction-carbon-addition）[9煙前驅(qū)物生成的反應(yīng)路徑為：首先，乙烯等小分子碳?xì)浠衔镌谌紵陌l(fā)生裂解，生成成乙炔，然后，乙炔通過(guò)“脫氫加碳”作用自加成形成苯苯環(huán)與乙炔進(jìn)一步通過(guò)“脫氫加碳”作用形成多環(huán)芳烴（即碳煙前驅(qū)物）。，初生苯環(huán)先脫去一個(gè)氫原子，然后與乙炔反應(yīng)生成苯乙炔，苯乙炔再經(jīng)乙炔后生成二并苯，接著二并苯可生成三并苯，如此反復(fù)，就可生成大環(huán)芳香烴分子。而后在此機(jī)理上發(fā)展而來(lái)的其它一些機(jī)理如 WF 機(jī)理[15理[16]已被大量用于火焰中 PAHs 生成的模擬研究中，雖然它們能預(yù)測(cè)的 為四環(huán) PAH（芘），但是對(duì)于三環(huán) PAH（菲、蒽）和四環(huán) PAH（芘）的

圖 1-3 圓管采樣示意圖[77]Fig. 1-3 Schematic of the tubular probe sampling technique[77]在火焰中插入采樣管會(huì)對(duì)自由火焰產(chǎn)生一定影響，為了解決這個(gè)干擾火焰的問(wèn)題，Aamir D. Abid 和 Hai Wang 等人開(kāi)創(chuàng)了 BSS(Burner Stabilized Stagnation)火焰結(jié)合 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer）測(cè)試方法[77]。如圖 1-4 所示，在預(yù)混合火焰的下游布置一塊穩(wěn)定滯止板，在滯止板內(nèi)部嵌入一根碳煙采樣管，保持滯止板表面與采樣管表面齊平。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可用熱電偶測(cè)量獲得燃燒器的出口溫度和滯止板的表面溫度，它們分別代表了火焰上下游的溫度邊界條件。模擬時(shí)，設(shè)置燃燒器的出口溫度和滯止板的表面溫度，來(lái)分別代表火焰上下游的溫度邊界條件。這樣就能保證實(shí)驗(yàn)與模擬時(shí)的火焰溫度條件的一致，而不必采用經(jīng)驗(yàn)性修正，增加了碳煙模型的可靠性。

圖 1-3 圓管采樣示意圖[77]Fig. 1-3 Schematic of the tubular probe sampling technique[77]在火焰中插入采樣管會(huì)對(duì)自由火焰產(chǎn)生一定影響，為了解決這個(gè)干擾火焰的問(wèn)題，Aamir D. Abid 和 Hai Wang 等人開(kāi)創(chuàng)了 BSS(Burner Stabilized Stagnation)火焰結(jié)合 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer）測(cè)試方法[77]。如圖 1-4 所示，在預(yù)混合火焰的下游布置一塊穩(wěn)定滯止板，在滯止板內(nèi)部嵌入一根碳煙采樣管，保持滯止板表面與采樣管表面齊平。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可用熱電偶測(cè)量獲得燃燒器的出口溫度和滯止板的表面溫度，它們分別代表了火焰上下游的溫度邊界條件。模擬時(shí)，設(shè)置燃燒器的出口溫度和滯止板的表面溫度，來(lái)分別代表火焰上下游的溫度邊界條件。這樣就能保證實(shí)驗(yàn)與模擬時(shí)的火焰溫度條件的一致，而不必采用經(jīng)驗(yàn)性修正，增加了碳煙模型的可靠性。
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