柴油機(jī)低溫燃燒過程中多環(huán)芳香烴生成機(jī)理的構(gòu)建及多維模擬研究.pdf

1、為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，緩解石油危機(jī)，以均質(zhì)充量壓燃著火（HCCI）燃燒為代表的高效清潔燃燒方式是目前國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)界研究的焦點(diǎn)。隨著研究和對均質(zhì)壓燃燃燒特性認(rèn)識的深入，柴油機(jī)HCCI燃燒在廣義概念上并不是指缸內(nèi)混合氣絕對均勻燃燒，而是包括分層燃燒、低溫燃燒等一系列缸內(nèi)混合氣存在濃度分層的新型燃燒方式。由于這類燃燒方式與傳統(tǒng)的柴油機(jī)和汽油機(jī)燃燒不同，因此，顆粒物的生成、演變及理化特性必然與傳統(tǒng)的柴油機(jī)和汽油機(jī)不同。碳煙是柴油機(jī)排放微粒

2、的主要組成部分，常占微粒總量的50％-80%之多。它被確定為可吸入顆粒物，對人體健康有嚴(yán)重危害，特別是碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳香烴（PAHs）中某些成分對人體和生物具有較強(qiáng)的致癌和致突變作用。所以，關(guān)于PAHs的形成與生長過程引起了人們很大關(guān)注。本文以CFD與化學(xué)動(dòng)力學(xué)耦合模型數(shù)值模擬研究為主要手段，對柴油機(jī)低溫燃燒過程中PAHs的生成機(jī)理及燃燒邊界條件對低溫燃燒和PAHs排放的影響進(jìn)行了研究。
　　本文首先以正庚烷和甲苯混合物作為柴油替

3、代燃料，構(gòu)建了一個(gè)包含多環(huán)芳香烴（PAHs）的柴油替代燃料混合物燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，PAHs的生成考慮到五個(gè)苯環(huán)。該機(jī)理包括153種組分，697個(gè)基元反應(yīng)。在激波管、正庚烷預(yù)混火焰和均質(zhì)充量壓燃著火發(fā)動(dòng)機(jī)條件下對該機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明構(gòu)建的機(jī)理在HCCI燃燒方面的預(yù)測性能是可靠的，可以進(jìn)一步簡化，進(jìn)而為CFD多維模型與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型相耦合計(jì)算燃燒和排放提供了可行的途徑。
　　接著，利用敏感性分析與路徑分析相結(jié)合的方法對柴油

4、替代燃料HCCI條件下多環(huán)芳香烴形成的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型(包括153種物質(zhì)，697個(gè)基元反應(yīng))進(jìn)行簡化，得到了可與CFD多維模型耦合計(jì)算的簡化機(jī)理，該機(jī)理包括75種物質(zhì)，141個(gè)基元反應(yīng)。在激波管和HCCI條件下，對所構(gòu)建的簡化動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：簡化機(jī)理的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和詳細(xì)機(jī)理計(jì)算結(jié)果吻合很好。
　　最后，本課題利用三維CFD模型與簡化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)耦合模型對柴油機(jī)低溫燃燒條件下氣缸內(nèi)燃燒和PAHs排放規(guī)律進(jìn)

5、行了研究。結(jié)果表明：進(jìn)氣溫度降低，滯燃期延長，同時(shí)進(jìn)氣密度增大，使柴油機(jī)的循環(huán)進(jìn)氣量增多，空燃比升高，燃油在缸內(nèi)燃燒氧化更充分，在較低的進(jìn)氣溫度工況時(shí)缸內(nèi)生成 PAHs各組分相對較低。隨著進(jìn)氣壓力的升高，PAHs各組分的生成時(shí)刻提前。并且PAHs各組分的含量依次減少。增大噴油提前角，使得滯燃期延長，燃油與空氣的混合時(shí)間增加，混合更加充分，從而使燃料的燃燒更加充分，產(chǎn)生的PAHs及碳煙也就越少。從總體來看，低溫燃燒（LTC）條件下柴油機(jī)燃