柴油机高密度-低温燃烧过程参数对碳烟生成影响的模拟

在发动机高、满负荷工况下,基于发动机试验和前期提出的多步现象学碳烟模型深入研究了充量密度、氧体积分数、燃烧温度以及混合气浓度等状态参数对于碳烟表面生长以及氧化作用的影响,研究表明:充量密度促进混合、增加热容的作用可以减缓碳烟表面活化程度的衰减速率,同时使碳烟表面活化程度降低;随着充量密度增加,燃烧温度以及未燃碳氢的降低有利于减少碳烟单位面积生长速率RCH,进而影响碳烟生成量降低.提高充量密度增加进气中氧气的绝对量是提高碳烟氧化速率的主要因素,这些因素共同导致碳烟排放量降低.另一方面,进气氧体积分数降低使燃烧温度降低,积累了大量浓混合气与未燃碳氢,化学动力学机理表明,这不利于未燃碳氢转化生成乙炔的过程,导致乙炔生成的最大峰值降低.由未燃碳氢化合物浓度(乙炔、UHC自由基)以及燃烧温度共同影响的RCH随着初始氧体积分数的降低呈现出减小的趋势.而浓混合气会促进碳烟表面活化程度增加.因此,RCH随着初始氧体积分数的降低呈先减小而后增大的趋势.

基于碳烟表面活性的多步碳烟生成机理研究柴油机碳烟生成的主要影响因素

随着排放法规对发动机碳烟排放量以及碳烟颗粒尺寸的要求日益严格,柴油机部分预混燃烧技术通过协同控制燃烧过程中混合与化学反应参数,可以实现高热效率与超低的碳烟排放.这样使得燃烧边界条件对碳烟生成过程的影响成为研究的关键问题.本研究利用三维CFD数值模拟方法,耦合正庚烷化学动力学简化模型以及改进的多步现象学碳烟模型,来预报以正庚烷为替代燃料的柴油机部分预混燃烧过程及其排放特性.乙炔作为碳烟前驱物形成以及碳烟表面生长的主要组分,其生成历程的准确预报为模拟碳烟形成奠定了基础.碳烟表面生长过程是碳烟质量积累的重要过程,本研究引入碳烟颗粒活化表面比例分数αCH作为评价碳烟表面活化程度的标准,探讨了不同燃烧边界条件对碳烟表面活化程度的影响.研究结果表明,对于混合气均匀的燃烧工况,氧浓度降低导致燃烧温度降低,引起单位面积上的碳烟生长速率大幅降低是表面生长速率减慢的主要原因,最终导致碳烟的生成量减少;随着混合气分层程度增加,燃烧过程中积累了大量未燃碳氢化合物,促进了乙炔的生成和碳烟表面活化程度升高,加速了碳烟表面生长过程,导致最终碳烟排放恶化.此外,燃烧过程中残留的CO对碳烟后期氧化产生一定的抑制作用.