發(fā)動機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)動機碳煙生成與排放,降低發(fā)動機源頭PM2.5排放,是解決大氣PM2.5問題的重要方面。目前,在發(fā)動機領(lǐng)域,主要通過缸內(nèi)燃燒控制(均質(zhì)壓燃、燃料設(shè)計、噴油策略等)和尾氣后處理技術(shù)(柴油顆粒過濾器DPF和汽油顆粒過濾器GPF)降低碳煙生成與排放。發(fā)動機燃燒碳煙模型是預測缸內(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)動機碳煙生成提供重要指導。發(fā)展碳煙生成機理/模型的一個重要基礎(chǔ)是對碳煙成核與長大過程的特征參數(shù)(碳煙粒徑分布、數(shù)密度和體積分數(shù)等)進行準確和直接地試驗測量。這不僅可以驗證碳煙生成機理/模型的準確性,也可以為碳煙生成機理/模型的發(fā)展提供指導和參考。汽油和柴油在燃燒時首先裂解成小分子碳氫化合物,主要由乙烯,丙烯,甲烷,乙烷和丙烷等組成。在過去的十年中,對于這些基本烴類小分子的碳煙生成機理研究已經(jīng)取得了重大進展。然而,在實際燃料的燃燒過程中,參與反應(yīng)的并不是單一的小分子烴,而是它們的混合物。所以研究小分子碳氫燃料混合對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,混合燃料會比單一燃料產(chǎn)生更多的PAH和碳煙。本文以當量比為1.9、模擬最高火焰溫度為1727 K的乙烯預混火焰為基準,在燃料中分別摻混5%、20%和35%摩爾分數(shù)的甲烷,保持未燃氣體當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)的實驗方法,在不同火焰高度上定量測量其生成碳煙顆粒的粒徑分布(Particle Size Distribution Function,PSDF),探究摻混甲烷對乙烯預混火焰成煙特性的影響。實驗發(fā)現(xiàn),隨著甲烷摻混比的增加,生成碳煙顆粒的成核與長大速度越來越小,碳煙總體積分數(shù)也越來越小,多環(huán)芳烴(芘)的濃度計算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。在所研究的預混火焰工況條件下,乙烯與甲烷之間并不存在協(xié)同效應(yīng)。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X701;TK401
【部分圖文】：

- 3 -圖 1-1 碳煙生成過程示意圖[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，乙烯等小分子碳氫化合物在燃燒的發(fā)生裂解，生成成乙炔，然后，乙炔通過“脫氫加碳”作用自加成形成苯苯環(huán)與乙炔進一步通過“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，就可生成大環(huán)芳香烴分子。而后在此機理上發(fā)展而來的其它一些機理如 WF 機理[15理[16]已被大量用于火焰中 PAHs 生成的模擬研究中，雖然它們能預測的 為四環(huán) PAH（芘），但是對于三環(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對自由火焰產(chǎn)生一定影響，為了解決這個干擾火焰的問題，Aamir D. Abid 和 Hai Wang 等人開創(chuàng)了 BSS(Burner Stabilized Stagnation)火焰結(jié)合 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer）測試方法[77]。如圖 1-4 所示，在預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。實驗時，可用熱電偶測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，設(shè)置燃燒器的出口溫度和滯止板的表面溫度，來分別代表火焰上下游的溫度邊界條件。這樣就能保證實驗與模擬時的火焰溫度條件的一致，而不必采用經(jīng)驗性修正，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對自由火焰產(chǎn)生一定影響，為了解決這個干擾火焰的問題，Aamir D. Abid 和 Hai Wang 等人開創(chuàng)了 BSS(Burner Stabilized Stagnation)火焰結(jié)合 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer）測試方法[77]。如圖 1-4 所示，在預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。實驗時，可用熱電偶測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，設(shè)置燃燒器的出口溫度和滯止板的表面溫度，來分別代表火焰上下游的溫度邊界條件。這樣就能保證實驗與模擬時的火焰溫度條件的一致，而不必采用經(jīng)驗性修正，增加了碳煙模型的可靠性。
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本文編號：2852693