由于柴油噴霧燃燒中總是存在著局部濃混合區(qū),因而不可避免地會(huì)生成碳煙顆粒,這些顆粒是城市大氣中PM2.5的主要來源,對(duì)人類健康造成極大危害。為了降低顆粒物排放、緩解能源危機(jī),正丁醇作為替代燃料得到了廣泛地應(yīng)用。然而,現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于柴油/正丁醇碳煙顆粒詳細(xì)生成過程的研究較少,因此本文在同軸層流擴(kuò)散火焰中對(duì)柴油及柴油表征燃料中摻混正丁醇后的碳煙生成進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬計(jì)算,研究?jī)?nèi)容如下:(1)發(fā)展了一個(gè)包含77組分287反應(yīng)的正癸烷/α-甲基萘/多環(huán)芳香烴(PAH)簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型用來模擬柴油及其表征燃料的燃燒和碳煙生成。其中,燃料的氧化和裂解反應(yīng)通過對(duì)詳細(xì)動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)化得到,而核心小分子和PAH的反應(yīng)先后通過基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法、奇異攝動(dòng)法和直接敏感性分析得到。采用乙烯預(yù)混火焰中的主要組分和關(guān)鍵PAH組分的摩爾濃度、激波管中的滯燃期及射流攪拌器中的關(guān)鍵組分濃度對(duì)新構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。將該動(dòng)力學(xué)模型用于計(jì)算光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中的缸內(nèi)燃燒和碳煙生成,分析了缸壓、放熱率和碳煙質(zhì)量濃度的變化曲線。所有基礎(chǔ)反應(yīng)器和發(fā)動(dòng)機(jī)中的模擬結(jié)果均與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)測(cè)量值吻合良好,表明新構(gòu)建的簡(jiǎn)化模型能用于預(yù)測(cè)柴油的燃燒過程。(2)在同軸擴(kuò)散火焰中對(duì)正庚烷/正丁醇的碳煙體積分?jǐn)?shù)(SVF)和顆粒數(shù)密度進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬研究。結(jié)合熱泳探針采樣和透射電鏡(TEM)分析方法,對(duì)火焰軸線不同高度的SVF、碳煙數(shù)密度和尺寸分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。用耦合了簡(jiǎn)化正庚烷/正丁醇/PAH動(dòng)力學(xué)模型和一個(gè)詳細(xì)分區(qū)碳煙模型的CoFlame代碼來計(jì)算同軸火焰中的碳煙生成。計(jì)算得到的碳煙體積分?jǐn)?shù)和顆粒數(shù)密度與從TEM圖片中統(tǒng)計(jì)得到的試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。隨著燃料中正丁醇比例的增加,火焰可視高度降低,整體上SVF和數(shù)密度均減小。A4二聚的成核反應(yīng)在碳煙顆粒數(shù)密度的演變過程中起著最重要的作用,而HACA表面生長(zhǎng)主導(dǎo)著碳煙的質(zhì)量增長(zhǎng)。添加正丁醇之后,A4和C_2H_2的濃度降低,進(jìn)而導(dǎo)致顆粒數(shù)密度和碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。(3)對(duì)柴油/正丁醇混合燃料的碳煙形貌特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過TEM分析統(tǒng)計(jì)得到了初級(jí)顆粒平均粒徑、積聚顆粒平均回轉(zhuǎn)半徑和平均每個(gè)積聚顆粒中包含的初級(jí)顆粒數(shù),研究發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)沿著火焰軸線均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。積聚顆粒分形維數(shù)變化不大,而由于顆粒的碰撞和氧化,分形指前因子先增大后減小。在燃料中添加正丁醇后,以上碳煙特性參數(shù)整體上均減小,表明正丁醇的添加能使燃燒生成的碳煙顆粒尺寸減小,且顆粒更趨于鏈狀。(4)在正丁醇同軸擴(kuò)散火焰的空氣中添加CO_2/H_2O蒸氣,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)運(yùn)行工況,計(jì)算研究的結(jié)果表明,添加CO_2或H_2O蒸氣后,整體上碳煙體積分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和數(shù)密度均降低。此外,添加CO_2后各反應(yīng)與組分生成往火焰下游移動(dòng)。碳煙數(shù)密度的降低是由于溫度和A4濃度降低引起的成核速率的下降,而碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低主要是由于H自由基摩爾分?jǐn)?shù)、顆�？偙砻娣e及溫度降低引起的HACA速率的下降。(5)對(duì)高壓條件下正丁醇同軸擴(kuò)散火焰的模擬研究結(jié)果顯示,隨著環(huán)境壓力的增大,火焰截面積減小,碳煙體積分?jǐn)?shù)和顆粒數(shù)密度均增大,其中沿著SVF最大方向的SVF峰值∝P4.3,沿著火焰軸線的SVF峰值∝P3.9。環(huán)境壓力增加后,同一火焰高度處小尺寸積聚顆粒的數(shù)量減少,大尺寸積聚顆粒的數(shù)量增加。壓力對(duì)火焰結(jié)構(gòu)和碳煙生成的影響主要是由于壓力對(duì)混合氣密度的直接影響,此外,空氣卷吸在火焰結(jié)構(gòu)和碳煙生成中也起著很大的作用。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X734.2
【部分圖文】：

圖 1-1 擴(kuò)散火焰中測(cè)得的 TSIs 與燃料分子中碳原子數(shù)的關(guān)系[19]煙控制技術(shù)去的幾十年，為了達(dá)到排放法規(guī)的要求，研究者們采用了多種策略碳煙排放。這些控制方法整體上可以分成兩大類：主動(dòng)控制和被動(dòng)技術(shù)是在燃燒室內(nèi)控制碳煙生成的技術(shù)，而被動(dòng)控制技術(shù)是用在排氣的碳煙顆粒的技術(shù)。換言之，主動(dòng)控制是基于改善缸內(nèi)燃燒，而處理裝置。主動(dòng)控制排放法規(guī)目標(biāo)主要是通過缸內(nèi)策略來實(shí)現(xiàn)，比如優(yōu)化燃燒室?guī)缀涡�、�?yōu)化噴油正時(shí)[22]、多次噴射、增加進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣增壓，以及低

8（b）傳統(tǒng)燃燒與先進(jìn)燃燒 φ-T圖[50]圖 1-2 柴油傳統(tǒng)燃燒與先進(jìn)燃燒模式對(duì)比動(dòng)控制放法規(guī)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放越來越嚴(yán)格的限制，單純地改進(jìn)實(shí)現(xiàn)法規(guī)目標(biāo)。從國(guó) 4 開始，研究者們開發(fā)出了各種安裝在發(fā)裝置，用以進(jìn)一步降低大氣污染物的排放。柴油機(jī)氧化催atalyst, DOC）可以除去 CO 和未燃碳?xì)浠衔铮╱nburned

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文1.4.4 顆粒動(dòng)力學(xué)圖 1-3 所示的是同軸擴(kuò)散火焰中的碳煙生成過程[129]。相同尺寸的 PAH 組分碰撞之后堆積在一起，形成 PAH 二聚體。PAH 二聚體能再次與 PAH 分子碰撞形成 PAH三聚體，或者與其它 PAH 二聚體碰撞形成 PAH 四聚體等。與此同時(shí)，聚集體中的 PAH各自繼續(xù)通過 HACA 反應(yīng)生長(zhǎng)。通過這種形式，PAH 聚集體逐漸由氣相組分演變成固體顆粒。在碳煙計(jì)算中，通常假設(shè) PAH 二聚體就已經(jīng)處于固態(tài)[130]。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前9條

1 顏方沁;成曉北;黃榮華;邱亮;黃勝;;丁醇柴油噴霧火焰碳煙顆粒采樣與形貌分析[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2015年05期

2 鄭尊清;黎長(zhǎng)樂;劉海峰;孔令存;岳朗;;摻混比例和噴油壓力對(duì)柴油/正丁醇低溫燃燒的影響[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2014年02期

3 鄭尊清;李善舉;劉海峰;堯命發(fā);徐佳;楊彬彬;;正丁醇燃料特性對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒影響的機(jī)理[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2013年02期

4 張全長(zhǎng);堯命發(fā);鄭尊清;徐佳;;進(jìn)氣壓力對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒的影響[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2012年05期

5 張全長(zhǎng);堯命發(fā);鄭尊清;張翔宇;;廢氣再循環(huán)對(duì)柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放影響的試驗(yàn)研究[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2012年04期

6 馬帥營(yíng);堯命發(fā);童來會(huì);鄭尊清;;汽油/柴油雙燃料高比例預(yù)混壓燃燃燒與排放的試驗(yàn)[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2012年01期

7 李小平;姜北平;解方喜;洪偉;;噴射參數(shù)對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放特性的影響[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2012年01期

8 陳貴升;鄭尊清;堯命發(fā);李彥飛;趙令猛;袁鋒;;不同增壓方式下EGR對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃燒和排放的影響[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2011年06期

9 劉瑾;鄔建國(guó);;生物燃料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J];生態(tài)學(xué)報(bào);2008年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張引弟;乙烯火焰反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型及煙黑生成模擬研究[D];華中科技大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2835528