柴油机低温燃烧实现超低碳烟排放的机理研究.pdf

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1、柴油机低温燃烧实现超低碳烟排放的机理研究Mechanismstudyofultra-lowsootformationunderdieselenginelowtemperaturecombustion一级学科：动力工程及工程热物理学科专业：动力机械及工程研究生：赵霏阳指导教师：苏万华教授天津大学机械工程学院二零一三年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对

2、本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要随着世界范围内的内燃机保有量日益增加，内燃机排气污染物对人类健康以及城市环境的破坏问题也日益突出。排放法规

3、对发动机碳烟排放量以及碳烟颗粒尺寸的要求日益严格。柴油机低温燃烧技术通过协同控制燃烧过程中混合与化学反应参数，可以实现高的热效率与超低的碳烟排放。这要求更深入了解碳烟生成机理，提高CFD模拟计算的预报精度。本研究以发动机试验研究为基础，从前驱物气相化学动力学和颗粒动力学两方面构建了适用于柴油机低温燃烧过程中碳烟生成预报的多步现象学碳烟模型MSP-CH。基于对碳烟生成机理的理解，乙炔在碳烟前驱物PAH生成以及碳烟表面生长过程中占有重要作用。因此在碳烟模型中耦合了乙炔化学动力学简化模型，用以预报发动机复杂燃烧环境下乙炔的生成历程。修正的HACA机理作为碳烟生成的核心

4、理论，描述氢原子解吸附-乙炔分子添加的碳烟表面生长过程，并考虑了未燃碳氢自由基对激活碳烟活化表面的作用。本研究提出了一个新的关于碳烟颗粒活化表面比例分数αCH的表达式，综合考虑了柴油机低温燃烧过程中混合气浓度与温度的分层分布对碳烟表面活化程度的影响，从而实现了对于不同混合气分层燃烧过程中碳烟生成的预报。研究结果表明，碳烟表面生长是影响碳烟质量积累的重要过程，而碳烟表面生长速率主要取决于碳烟表面活化表面积的比例分数αCH与单位面积生长速率RCH。在柴油机低温燃烧过程中，随着EGR率增加，尽管碳烟前驱物的生成量增加，但是燃烧温度降低使得RCH大幅减慢，这是导致碳烟表

5、面生长速率降低的主要原因，进而影响最终的碳烟排放降低。混合气不均匀程度会促进浓混合气与未燃碳氢的形成，使得αCH与RCH增加，这是导致碳烟表面生长速率增加的主要原因，进而导致碳烟的生成量增加。在混合气相对均匀的工况下，混合气浓度以及αCH分布比较均匀，较高的αCH分布在低温、浓混合气的区域；随着混合气浓度不均匀程度增加，αCH出现在浓混合气区域，而燃烧温度对αCH分布的影响退居成为次要因素。在柴油机“高密度-低温”燃烧模式下重点研究了热力学状态参数、组分以及混合气浓度对碳烟生成特性的影响。增加充量密度可以有效的改善着火前混合气的均匀程度，降低乙炔生成量的同时减小

6、了碳烟表面的活化程度，使得碳烟表面生长速率降低。同时提高充量密度增加了进气中氧气的绝对量，加速了碳烟的氧化过程，有利于进一步降低碳烟排放。随着初始氧浓度降低，乙炔的最大生成量降低；而燃烧后期乙炔的净生成量保持在较高的水平上。由未燃碳氢（乙炔、UHC自由基）浓度以及燃烧温度共同决定的RCH降低，而浓混合促进αCH增加。这样使得碳烟表面生长速率随着初始氧浓度的降低呈现出先减小而后增大的趋势。初始氧浓度降低增强了“CO冷藏”的程度，削减了碳烟的氧化能力，导致CO以及碳烟的排放量增加。关键词：混合气分层燃烧乙炔生成历程碳烟表面活化程度碳烟生成机理热力学状态参数CO冷藏A

7、BSTRACTTheimpactofengine-outemissionsonhumanhealthandatmospherepollutionhadbeenbecameprominentasthequantityofinternalcombustionengineincreasinginwordwiderange.Asmorestrictregulationsonsootemissionwithincreasingemphasisontheemittedsootparticlesizehavebeenimposed,dieselenginelowtempera

8、turecombusti