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柴油机燃烧过程中多环芳香烃生成机理的多维数值研究

2020-11-30阅读(1004)

柴油机燃烧过程中多环芳香烃生成机理的多维数值研究

论文摘要

随着柴油机排放法规限值日趋严格及柴油机技术的不断进步,研究碳烟的生成机理,控制碳烟颗粒排放显得尤为重要。多环芳香烃(PAHs)被认为是碳烟形成的前驱物,其形成与生长过程引起了人们很大关注。本文在前期工作的基础上研究并完善了正庚烷简化动力学模型,应用多维流体力学模型与简化动力学模型耦合计算,研究了柴油机缸内燃烧过程及PAHs的生成机理。通过对PAHs的形成和生长机理进行研究,发现PAHs主要遵循“脱氢加乙炔(HACA)”的机理的生长。将PAHs前驱体C2H2、C3H3的生成反应作为连接反应,把PAHs的生长反应机理添加到修正后的Patel简化模型中构建了包含PAHs的正庚烷化学动力学简化模型,该模型能较好地描述柴油机缸内燃烧条件下PAHs的生成过程。采用敏感性分析法对得到的包含PAHs生成机理的正庚烷简化模型进行分析,得出对系统温度和着火时刻影响较大的几个关键反应,并对模型的化学动力学参数进行优化调整,使之能更好预测正庚烷燃料着火和燃烧过程。利用优化后的简化模型进行模拟计算,对发动机着火时刻、负温度系数区、缸内温度和压力、重要反应物质的模拟结果与详细动力学模型的计算结果基本一致。建立柴油机三维CFD模型,并耦合包含PAHs生成机理的化学动力学模型对柴油机缸内的燃烧及PAHs生成进行了多维模拟,得到结果与实验结果比对,验证了该计算模型的可靠性。对不同初始边界条件的研究表明:涡流比对缸内速度场影响较大;一定的涡流比能强化喷到燃烧室壁上燃油的蒸发;高涡流比时,燃油被局限于活塞凹坑内,火焰无法向燃烧室外沿发展,实际空气利用率降低;缸内PAHs随涡流比增大而相应减少。在增压情况下,缸内氧含量大,燃油燃烧更加完全,PAHs生成减少。低进气温度时,缸内燃烧滞燃期延长,PAHs生成减缓现象明显。由于喷油持续期延长,低喷油压力使PAHs在生成后期生成速度加快。随着EGR增加,燃油着火滞燃期延长,缸内爆发压力与温度相应降低。PAHs生成减缓时期随EGR增加而缩短,与所研究的其它边界条件相比较,EGR对PAHs的最终排放影响较大。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 柴油机的排放要求
  • 1.3 发动机的数值模拟研究概述
  • 1.3.1 零维模型
  • 1.3.2 准维模型
  • 1.3.3 多维模型
  • 1.4 本课题的研究意义和内容
  • 第二章 数值计算模型及算法
  • 2.1 零维计算模型
  • 2.1.1 计算假设与控制方程
  • 2.1.2 热力学基础模型
  • 2.1.3 化学反应速率模型
  • 2.1.4 化学反应敏感性系数
  • 2.2 三维计算模型及算法
  • 2.2.1 基本守恒方程
  • 2.2.2 RNG k-ε湍流模型
  • 2.2.3 喷嘴模型
  • 2.2.4 雾化模型/液滴破碎模型
  • 2.2.5 液滴碰撞模型
  • 2.2.6 沸腾模型
  • 2.2.7 shell 自燃模型
  • 2.2.8 碳烟生成模型
  • 2.2.9 STAR/KINetics 模块
  • 第三章 柴油机燃烧过程中多环芳香烃生成机理的研究
  • 3.1 正庚烷简化动力学模型的研究
  • 3.2 PAHs 生成的反应路径
  • 3.2.1 第一个苯环的形成
  • 3.2.2 芳香烃的组合及PAHs 的初步形成
  • 3.3 含PAHs 的正庚烷燃烧简化模型的构建与标定
  • 3.3.1 含PAHs 的正庚烷燃烧简化模型的构建
  • 3.3.2 含PAHs 的正庚烷燃烧简化模型的敏感性分析
  • 3.3.3 含PAHs 的正庚烷燃烧简化模型的验证
  • 3.3.4 缸内主要燃烧组分的分析
  • 3.3.5 PAHs 零维模拟结果分析
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 柴油机缸内燃烧及PAHs 生成的多维模拟
  • 4.1 柴油机多维模拟模型及边界条件
  • 4.2 柴油机实验装置与实验方法
  • 4.3 多维模型与实验比较
  • 4.4 柴油机燃烧过程中PAHs 排放
  • 4.5 涡流比对柴油机燃烧过程及PAHs 排放的影响
  • 4.5.1 涡流比对缸内压力和平均温度的影响
  • 4.5.2 涡流比对缸内PAHs 生成的影响
  • 4.6 进气初始条件对缸内PAHs 生成的影响
  • 4.6.1 进气初始压力对缸内PAHs 生成的影响
  • 4.6.2 进气初始温度对缸内PAHs 生成的影响
  • 4.7 喷油压力对PAHs 生成的影响
  • 4.7.1 喷油压力对缸内压力和温度的影响
  • 4.7.2 喷油压力对速度场的影响
  • 4.7.3 喷油压力对PAHs 生成的影响
  • 4.8 EGR 对缸内PAHs 生成的影响
  • 4.8.1 EGR 对缸内压力和温度的影响
  • 4.8.2 EGR 对缸内PAHs 生成的影响
  • 4.9 本章小结
  • 第五章 全文总结与工作展望
  • 5.1 全文总结
  • 5.2 今后工作展望
  • 参考文献
  • 发表论文和科研情况说明
  • 附录
  • 致谢

    • 相关论文文献

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    • [3].喷油提前角对柴油机燃烧特性的影响分析[J]. 内燃机 2017(03)
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