【摘要】：發(fā)動機排放的碳煙顆粒物對環(huán)境和人體健康的危害巨大,因此新的排放法規(guī)對顆粒物排放數(shù)量以及質(zhì)量都已經(jīng)有較為嚴格的要求。部分預混合燃燒模式(PPC)相對于傳統(tǒng)燃燒模式會有更低的顆粒物及NOx排放,并且該燃燒模式相比于HCCI燃燒模式具有更好的燃燒可控性。丁醇作為一種可再生清潔能源,具有低十六烷值、高揮發(fā)性和高含氧量的特性,是實現(xiàn)柴油機部分預混燃燒方式的良好替代燃料。然而目前對PPC模式下的燃燒放熱特性和碳煙顆粒物數(shù)量尺寸分布、形貌特征、氧化活性及微納結(jié)構(gòu)等排放特性,摻混高比例丁醇下PPC模式的燃燒及顆粒物排放特性,以及含氧燃料和后噴策略對發(fā)動機碳煙顆粒物排放特性的協(xié)同效應等方面的認識仍不清晰。本文針對上述問題,基于電控高壓共軌渦輪增壓柴油機開展了部分預混合低溫燃燒模式的燃燒及碳煙顆粒物排放特性、微觀形貌結(jié)構(gòu)特性及其影響規(guī)律方面的研究。(1)研究了不同噴射策略對部分預混合燃燒模式缸內(nèi)燃燒過程及顆粒物排放特性、形態(tài)特性及微納結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:單次噴射策略在常規(guī)噴射模式下,顆粒物總數(shù)量和質(zhì)量濃度都很高,此時顆粒物以聚集模態(tài)為主。早噴PPC模式時顆粒物質(zhì)量濃度大幅下降,以核模態(tài)為主。噴油壓力可以降低聚集模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度,增加核膜態(tài)顆粒物數(shù)量濃度。兩階段噴射策略下,顆粒物以聚集模態(tài)為主。合理調(diào)節(jié)預噴正時及預噴燃油比例可以使顆粒物總數(shù)量和質(zhì)量濃度同時降低。早噴PPC模式下生成顆粒物納米結(jié)構(gòu)比較復雜,顆粒物不定形碳內(nèi)核與層狀外殼的界限并不清晰,基本顆粒粒徑均值、分形維數(shù)及微晶長度均有明顯下降。在預噴PPC策略中出現(xiàn)更多較長較細的鏈條狀的顆粒物,很小的團聚體數(shù)量相比于單次噴射策略有所下降。較早的預噴正時下,基本顆粒粒徑均值和微晶長度均下降。(2)研究了摻混高比例丁醇部分預混合燃燒模式下,發(fā)動機尾氣碳煙顆粒物排放特性與形貌結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:在單次噴射策略下,隨著丁醇摻混比例的提高,聚集模態(tài)顆粒物峰值降低,核膜態(tài)顆粒物峰值劇烈升高,表明摻混丁醇使得排放顆粒物趨于小徑化。而在兩階段噴射策略下,隨著丁醇摻混比例的提高,顆粒物的總數(shù)量濃度及總質(zhì)量濃度有比較明顯的下降。隨著正丁醇比例的升高,顆粒物微晶條紋更加扭曲,結(jié)構(gòu)缺陷更加明顯,基本顆粒粒徑均值、分形維數(shù)及微晶長度均有所下降。表明添加丁醇改變了顆粒物碳化的過程,使其具有更高的反應活性。(3)研究了PPC模式下后噴策略與高含氧特性對發(fā)動機顆粒物特性及顆粒物形貌的協(xié)同影響效應,結(jié)果表明:使用純柴油時,顆粒物總數(shù)量濃度隨著后噴正時的不斷推遲總體上呈下降趨勢,當后噴正時晚于15°CA ATDC時,總數(shù)量濃度低于基線水平;使用B50混合燃料時,相比于基線,使用后噴策略可以小幅度地降低顆粒物數(shù)量濃度。使用三類不同燃料時,隨著后噴油量的增加,平均基本顆粒粒徑、分形維數(shù)都有所下降,顆粒物微晶長度無明顯變化。相比于后噴策略,燃料理化特性對顆粒物的微納結(jié)構(gòu)影響更大。(4)將CHEMKIN耦合于KIVA-3V源程序,使用詳細的化學反應機理,對基于部分預混合燃燒模式的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程進行模擬計算,并通過發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)對其標定,研究了早噴及晚噴PPC策略下缸內(nèi)的演變過程,結(jié)果表明:部分預混合燃燒模式下核心組分的變化過程和常規(guī)噴射模式有很大的不同,在部分預混合燃燒模式下KHP在第一階段著火過程中起到關鍵作用。在噴束下游生成OH的位置會生成大量NOx;在燃燒室壁面附近的富燃料區(qū)域則會形成大量碳煙顆粒物。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK401
【圖文】：

圖 1.1 典型內(nèi)燃機排放碳煙顆粒分布與沉積率[18]表 1.2 歐盟重型車用柴油機排放法規(guī)發(fā)展趨勢：穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)[19]Stage DateCO HC NOx PM PN Smokeg/kWh 1/kWh 1/mEuro I1992, ≤ 85 kW 4.5 1.1 8 0.6121992, > 85 kW 4.5 1.1 8 0.36Euro II1996.1 4 1.1 7 0.251998.1 4 1.1 7 0.15Euro III1999.10 EEV only 1.5 0.25 2 0.02 0.152000.1 2.1 0.66 5 0.10 0.8Euro IV 2005.1 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5Euro V 2008.1 1.5 0.46 2 0.02 0.5Euro VI 2013.01 1.5 0.13 0.4 0.01 8.0×1011在世界范圍內(nèi)有三種比較通行的排放標準，分別為美國、歐盟及日本機動車排放

圖 1.2 不同燃燒模式混合氣當量比和溫度分布[21]圖 1.3 為 Dec 提出傳統(tǒng)柴油機燃燒的概念模型，該燃燒概念模型展示了燃及污染物生成區(qū)域。在擴散火焰外殼區(qū)域局部溫度可以達到 2500~3000K些區(qū)域氧氣充足，因此該區(qū)域 NOx 會快速生成。而在火焰的內(nèi)部區(qū)域，由量比高，燃油無法完全燃燒極易形成碳煙先導物多環(huán)芳香烴（PolycyclicAocarbons, PAH）和乙炔（acetylenes），進而發(fā)生成核、凝聚反應、表面生化、積聚反應等從而形成大量 PM。當前，除了使用后處理設備的機外凈為了進一步控制 PM 和 NOx 排放，直接利用新型燃燒方式實現(xiàn)機內(nèi)凈化個十分有效的手段[22,23]。經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)有多種較為成技術推廣使用。柴油機在多數(shù)運行工況下缸內(nèi)混合氣的當量比大于 1，所像汽油機一樣使用三元催化器將 CO、HC 和 NOx 等有害氣體通過氧化和變?yōu)闊o害的 CO2、H2O 和 N2。常見的柴油機排放后處理技術有氧化型催化C）、顆粒物捕集器（DPF）、選擇性催化還原（SCR）、稀燃 NOx 捕集器（L

圖 1.2 不同燃燒模式混合氣當量比和溫度分布[21]圖 1.3 為 Dec 提出傳統(tǒng)柴油機燃燒的概念模型，該燃燒概念模型展示了燃及污染物生成區(qū)域。在擴散火焰外殼區(qū)域局部溫度可以達到 2500~3000K些區(qū)域氧氣充足，因此該區(qū)域 NOx 會快速生成。而在火焰的內(nèi)部區(qū)域，由量比高，燃油無法完全燃燒極易形成碳煙先導物多環(huán)芳香烴（PolycyclicAocarbons, PAH）和乙炔（acetylenes），進而發(fā)生成核、凝聚反應、表面生化、積聚反應等從而形成大量 PM。當前，除了使用后處理設備的機外凈為了進一步控制 PM 和 NOx 排放，直接利用新型燃燒方式實現(xiàn)機內(nèi)凈化個十分有效的手段[22,23]。經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)有多種較為成技術推廣使用。柴油機在多數(shù)運行工況下缸內(nèi)混合氣的當量比大于 1，所像汽油機一樣使用三元催化器將 CO、HC 和 NOx 等有害氣體通過氧化和變?yōu)闊o害的 CO2、H2O 和 N2。常見的柴油機排放后處理技術有氧化型催化C）、顆粒物捕集器（DPF）、選擇性催化還原（SCR）、稀燃 NOx 捕集器（L

【參考文獻】

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本文編號：2802184