柴油多元表征燃料多環(huán)芳烴生成模型和碳煙排放模型的開發(fā)與應(yīng)用.pdf

1、排放法規(guī)對(duì)碳煙排放限制日益嚴(yán)格，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)提出了更高的要求。數(shù)值模擬具有研發(fā)周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的重要手段。而碳煙生成機(jī)理非常復(fù)雜，其生成過程同時(shí)涉及氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和顆粒動(dòng)力學(xué)，受到燃油種類、環(huán)境溫度、壓力和當(dāng)量比等諸多因素的影響。因此，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中碳煙排放過程是一項(xiàng)非常艱巨和有挑戰(zhàn)性的工作。對(duì)于模擬柴油機(jī)燃燒過程，以多組分柴油表征燃料為對(duì)象已成為一個(gè)趨勢(shì)。但是目前廣泛采用的碳煙模型大都依據(jù)單組份燃料開發(fā)出

2、來，無法滿足多組分燃料的要求。所以本文研究主要目的是利用不同分子結(jié)構(gòu)的燃料氧化生成多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)的差異性構(gòu)建碳煙模型，從而體現(xiàn)碳煙生成的不同路徑，以便更換燃料時(shí)不需要調(diào)整模型中的反應(yīng)系數(shù)，具有普適性。以此為目標(biāo)，本文構(gòu)建了幾種多組分燃料的PAHs骨架模型，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)以PAHs為前驅(qū)物的碳煙模型生成與氧化的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＿@些模型分別在基礎(chǔ)反應(yīng)器、定容彈和發(fā)

3、動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了比較廣泛的驗(yàn)證，顯示出良好的性能。本文完成的主要工作如下。
　　1、系統(tǒng)的介紹了當(dāng)前碳煙生成與氧化機(jī)理及其半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯楷F(xiàn)狀，簡(jiǎn)要?dú)w納了柴油表征燃料的主要特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì);對(duì)多種燃料PAHs的詳細(xì)機(jī)理及其骨架模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了比較系統(tǒng)的綜述和分析。
　　2、通過分析燃油分子結(jié)構(gòu)對(duì)PAHs影響與其對(duì)碳煙的影響規(guī)律，確定了在半經(jīng)驗(yàn)碳煙模型中選用PAHs作為碳煙前驅(qū)組分的必要性。用PAHs骨架模型描述碳煙前驅(qū)組分的

4、生成過程可以反映出不同分子結(jié)構(gòu)燃料對(duì)碳煙生成特性的影響?；谶@一思想提出了構(gòu)建多組分燃油的碳煙半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒ā?br>　　3、PAHs作為碳煙前驅(qū)組分直接影響碳煙生成過程。為了提高碳煙模型準(zhǔn)確性，本文構(gòu)建了4環(huán)PAHs骨架模型，以同時(shí)兼顧各類燃料生成PAHs的路徑特點(diǎn)。經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化的PAHs骨架模型與基礎(chǔ)燃料（Primary Reference Fuel，PRF）氧化模型耦合，組成了新的PRF-PAHs骨架模型。通過與激波管、層流預(yù)混

5、火焰和對(duì)沖火焰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了新模型的準(zhǔn)確性。以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的碳煙模型也得到激波管實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，并應(yīng)用到定容彈和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒多維計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬中。
　　4、將甲苯氧化的骨架機(jī)理納入上述PRF-PAHs骨架模型，組成了一個(gè)新的甲苯參比燃料(Toluene Reference Fuel，TRF)生成多環(huán)芳烴的TRF-PAHs骨架模型。通過激波管、流動(dòng)反應(yīng)器和射流攪

6、拌反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)，對(duì)此模型進(jìn)行了驗(yàn)證與優(yōu)化。最終的TRF-PAHs骨架模型包含73種組分和207個(gè)反應(yīng)，它既能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)著火滯燃期，也能較準(zhǔn)確地計(jì)算組分摩爾分?jǐn)?shù)。以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的碳煙模型經(jīng)過了激波管實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，并應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)多維CFD模擬中。
　　5、分別構(gòu)建了正癸烷和甲基環(huán)己烷氧化生成PAHs的骨架模型，并與甲苯和異辛烷骨架模型耦合組成了柴油多組分表征燃料燃燒過程中PAHs生成的骨架模型，共包括88個(gè)組分和224個(gè)反應(yīng)。該模型經(jīng)過與實(shí)