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-动力工程及工程热物理专业论文 word格式.docx

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。
关键词:柴油机,低温燃烧,多环芳香烃,敏感性分析,多维数值研究
ABSTRACT
The increase of the environmental concern and the more stringent regulations about pollutants emissions from bustion engines make necessary the search of alternatives for current automotive bustion processes. One of the technologies which is receiving attention is the homogeneous pression ignition (HCCI). However, with the development of the studies on HCCI and deeper understanding of bustion, researchers realize that diesel bustion, in generalized concept, does not mean absolute uniform bustion in cylinder, but including a series of bustion mode, such as bustion, low-bustion and so on, which exist due to stratified concentration in cylinder gas mixture. Bec