缸內(nèi)直噴汽油機(jī)碳煙顆粒生成機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、碳煙顆粒排放是缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機(jī)排放控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，研究降低GDI汽油機(jī)碳煙顆粒排放的控制策略，發(fā)展詳細(xì)和通用的汽油替代燃料燃燒生成多環(huán)芳香烴（PAHs）的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理以及碳煙顆粒生成機(jī)理和模型具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。本文采用試驗(yàn)研究、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）耦合的數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)GDI汽油機(jī)碳煙顆粒及PAHs排放的生成機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。
　　本文首先自主設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于

2、GDI汽油機(jī)尾氣 PAHs和碳煙顆粒收集的取樣裝置，在一臺(tái)增壓GDI汽油機(jī)上進(jìn)行了PAHs和碳煙顆粒排放的試驗(yàn)研究。采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）對(duì)GDI汽油機(jī)尾氣中的PAHs進(jìn)行了檢測(cè)分析，采用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)碳煙顆粒的微觀形態(tài)和基本碳粒子的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：GDI汽油機(jī)尾氣中存在氣相和顆粒相兩種類型的PAHs，氣相PAHs主要包含A2～A3的小環(huán)PAHs，顆粒相PAHs主要包含A5～A6的大環(huán)

3、PAHs，A4同時(shí)存在于氣相和顆粒相PAHs中, A2萘的濃度是最高的，與顆粒相PAHs相比高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。PAHs的變化規(guī)律和碳煙顆粒的變化基本一致；通過(guò)分析顆粒相PAHs和基本碳粒子的微觀結(jié)構(gòu)，確定大環(huán)PAHs（A4）是形成GDI汽油機(jī)尾氣中碳煙顆粒的關(guān)鍵誘導(dǎo)物質(zhì)。提高噴油壓力、引進(jìn)EGR和適當(dāng)推遲點(diǎn)火時(shí)刻，可以顯著降低GDI汽油機(jī)尾氣中的PAHs和碳煙顆粒的排放，是降低GDI汽油機(jī)碳煙顆粒排放的有效措施之一。
　　本文構(gòu)

4、建了甲苯參比汽油替代燃料生成PAHs的TRF-PAHs半詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理（包含219種物質(zhì)和1229個(gè)反應(yīng)），并利用滯燃期、層流火焰速度、預(yù)混和對(duì)流擴(kuò)散火焰中關(guān)鍵物質(zhì)組分濃度等多種試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了廣泛驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，TRF-PAHs半詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可以很好的預(yù)測(cè)單組份燃料（正庚烷 n-C7H16、異辛烷i-C8H18、苯C6H6和甲苯C6H5CH3）、甲苯參比汽油替代燃料TRF以及汽油在不同發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)條件下的著火滯燃期和層

5、流火焰速度，可以很好的預(yù)測(cè)正庚烷、異辛烷和苯預(yù)混火焰中燃料的消耗以及CO和CO2終產(chǎn)物、關(guān)鍵物質(zhì)組分（C2H2、C2H4和C3H6）和PAHs的摩爾分?jǐn)?shù)變化歷程，還可以很好的預(yù)測(cè)碳煙生成火焰（SF）和碳煙生成/氧化火焰（SFO）兩種類型對(duì)流擴(kuò)散火焰中添加甲苯引起的生成PAHs的“協(xié)同效應(yīng)”，同時(shí)明確了影響滯燃期、層流火焰速度、苯環(huán)形成和消耗以及引起PAHs“協(xié)同效應(yīng)”的主要反應(yīng)路徑。
　　隨后本文在TRF-PAHs半詳細(xì)機(jī)理的基礎(chǔ)

6、上發(fā)展了一個(gè)可以耦合CFD計(jì)算的TRF-PAHs簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理（簡(jiǎn)稱P.AN機(jī)理，包含85種物質(zhì)和232個(gè)反應(yīng)）。P.AN機(jī)理通過(guò)了激波管、層流火焰速度以及正庚烷、異辛烷燃燒火焰中關(guān)鍵物質(zhì)組分（C2H2、C2H4和C3H6）和PAHs實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，還通過(guò)了GDI汽油機(jī)CFD耦合P.AN機(jī)理的缸內(nèi)燃燒以及PAHs排放的模擬計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算的缸內(nèi)壓力、PAHs濃度與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)據(jù)和趨勢(shì)上吻合很好。
　　最后使用CFD計(jì)算程序C

7、ONVERGE耦合TRF-PAHs簡(jiǎn)化機(jī)理，采用詳細(xì)碳煙模型對(duì)碳煙顆粒的形成過(guò)程進(jìn)行多維數(shù)值模擬，碳煙顆粒模型包含碳煙顆粒初始成核、PAHs凝結(jié)、碳煙表面生長(zhǎng)、氧化和碳煙顆粒團(tuán)聚等過(guò)程。該碳煙顆粒模型能很好的預(yù)測(cè)GDI汽油機(jī)尾氣中的碳煙排放，利用該碳煙顆粒模型對(duì)碳煙及其相關(guān)中間產(chǎn)物的生成過(guò)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)。計(jì)算結(jié)果表明：顆粒數(shù)密度的分布區(qū)域與前驅(qū)物A4及表面生長(zhǎng)物質(zhì)C2H2的分布基本一致，C2H2引起的碳煙表面生長(zhǎng)過(guò)程以及前驅(qū)物A4引起的成