柴油机碳烟排放的数值模拟及试验研究

考虑碳烟粒子生成速率同时受控于涡团破碎速率和化学反应速率,提出一种输运控制率与碳烟氧化率混合控制模型进行碳烟计算,并用此模型对一台直喷式柴油机燃烧与排放生成过程进行了多维数值模拟。结果表明,计算模拟结果与试验测量结果吻合较好,且使用该模型能够预测柴油机研究样机的碳烟生成与氧化历程。     

高压共轨柴油机燃烧与排放模型的研究

利用高速闪光摄影技术,对高压喷射喷雾体空间发展规律进行了试验分析,提出了一个计算高压喷射喷雾体发展的数学公式;在正确描述高压燃油喷雾的基础上,建立了一个能预测高压共轨柴油机性能和排放的准维燃烧模型,此模型改进了燃油喷射模型及碳烟的生成与氧化模型,考虑到燃烧区的区间传热和缸内工质的对流辐射传热,对一台高压共轨柴油机进行了仿真计算。计算与试验结果对比分析表明,改进后的燃烧与排放模型能较好地反映缸内各区的燃烧与排放情况。     

采用双段喷射改善二冲程柴油机的排放性能

在配有电控共轨系统和扫气系统的二冲程柴油机试验台上进行了3种不同喷油模式对柴油机燃烧及排放性能影响的试验研究。试验结果表明,单段早喷有助于实现低NOx和碳烟排放,但柴油机无法在高负荷下运行;标准喷射的排放很高;双段喷射表现出良好的性能,它实现了柴油机的柔和运行,并且在全负荷范围内使NOx和碳烟排放降低40%以上。在双段喷射基础上,利用高压喷射及内部EGR进一步改善了柴油机的排放。     

柴油机碳烟排放浓度的预测

本文在国外有关碳烟生成和氧化过程基础研究所获得的理性认识基础上,建立了一个考虑到碳烟先兆物生成、成核、凝聚、集聚和氧化等过程的较为仔细的柴油机碳烟排放预测模型。该模型在110柴油机上作了初步验证,表明模型具有一定的预测能力。     

基于GT-Power的柴油公交车补气数值仿真研究

通过构建公交车用柴油机物理模型,利用GT-Power软件建立公交车用柴油机补气数值仿真模型,并对模型进行修正,在修正后模型上进行数值仿真研究,分析柴油机补气压力对增压压力的影响及补气压力和补气管径对碳烟排放的影响。     

基于机器学习的柴油机碳烟颗粒质量排放预测模型

基于SC7H涡轮增压柴油机试验台架,开展了非道路瞬态试验循环下的柴油机排放试验,研究了瞬态循环的工况对碳烟颗粒质量浓度的影响。收集与碳烟颗粒质量浓度相关的各类传感器数据,构建一个大型的柴油机碳烟排放数据集。构建LGB梯度树模型和循环神经网络模型,采用数据集对它们进行训练,然后采用自学习算法对两种模型进行融合,获得一个更高准确度的预测碳烟质量排放融合模型。预测与实测结果的比较表明,构建的融合模型能较为准确地预测柴油机排放的即DPF入口的碳烟质量浓度实时变化,为柴油机后处理过程中碳载量的准确计算以及控制策略的开发提供参考。     

基于碳烟粒径分布预测的柴油燃烧机理构建与氧含量影响研究

为预测柴油机碳烟排放的粒径分布，选用90%摩尔分数的正庚烷和10%摩尔分数的甲苯作为柴油替代物，分别构建气相动力学机理和表面动力学机理，并将二者耦合，构建成柴油替代物机理（简称HTS机理），将HTS机理结合矩量法数值模型进行了机理验证，并通过改变进气发动机进气氧的体积分数，进一步研究了氧浓度对碳烟粒径分布的影响。研究结果表明，在滞燃期、层流火焰速度、预混火焰关键组分、预混火焰碳烟粒径分布、柴油机缸压与放热率以及柴油机排放物生成等方面，应用HTS机理计算的模拟值与试验值基本一致。使用HTS机理研究氧浓度对碳烟粒径分布的影响表明：随着氧浓度的增加，碳烟颗粒平均数密度降低、数密度峰值减小、数密度峰值对应的颗粒物直径增大；且小粒径（直径0～50 nm）碳烟的数密度随之降低。     

直喷式柴油机碳烟和NOx排放的数值模拟及试验

为预测直喷式柴油机的碳烟和NOx排放,提出了新的小火焰计算模型———RIF模型。此模型是通过引入理想混合比分数空间坐标系,将通常坐标系下的组分方程转换到混合比分数空间坐标系下,得出新的组分扩散方程。将小火焰计算模型与流体动力学程序(KIVA-3V)相嵌套,增加并修改原有计算模块,将湍流喷雾运动和湍流燃烧运动有机分开,计算出直喷式柴油机湍流燃烧后生成的碳烟和NOx,最后通过试验验证了该计算模型。     

超多喷孔喷射对高压共轨柴油机晚喷燃烧特性的影响

为实现柴油机的高效低排放燃烧,研究了在晚喷条件下的超多喷孔喷射对高压共轨柴油机喷雾、燃烧和排放特性的影响。利用KIVA-3V程序,对一台6缸高压共轨柴油机进行三维模拟,并对其进行了试验验证。结果表明:与传统喷油器相比,超多喷孔喷油器上、下层油束的干涉作用使喷雾形态显得分散很多,这有利于雾化和蒸发。采用超多喷孔喷油器后,呈预混燃烧。与传统喷油器方案相比,放热率峰值增大60%,NOx排放增大36%,碳烟生成区域明显减小、峰值下降48%。在保证动力性的前提下,采用超多喷孔喷油器和废气再循环技术、推迟喷油、提高喷射压力,NOx降低64%,碳烟降低46%。因而,这种柴油机能够实现高效清洁预混燃烧。     

CO2缸内喷射对直喷柴油机燃烧排放特性的影响

在一台单缸直喷柴油机上用CO2喷射来模拟EGR,研究了CO2缸内喷射始点和喷射量对直喷柴油机燃烧和排放的影响.结果表明:CO2喷射始点提前时,燃烧始点推迟,NOx排放降低.与外部EGR类似,增大缸内CO2喷射量,也可明显降低NOx排放;但是碳烟排放先增大后减小.     

正庚烷掺烧甲醇时炭烟和PAHs生成的数值模拟

利用Chemkin—Pro软件中的均质压燃模型,采用正庚烷详细化学动力学机理和炭烟生成氧化机理,模拟了甲醇对正庚烷燃烧时炭烟生成的影响。模拟结果表明:随着甲醇含量的增加,炭烟生成量减少,炭烟颗粒直径变小;掺入少量甲醇时,炭烟颗粒平均直径明显变小;当含甲醇量达到15%时,平均颗粒直径稍有变小;正庚烷中加入甲醇后,燃料中含氧量增加,有更多的炭烟气态前驱物和PAH被氧化,从而抑制了炭烟的生成。     

O2和 NO2气氛下柴油机炭烟氧化过程及其化学反应动力学参数研究

用热重分析仪对 O2和 NO2气氛下柴油机炭烟的氧化过程进行了试验研究,并利用程序升温氧化（TPO）试验对其化学反应动力学参数进行了研究,建立了 O2和 NO2气氛下柴油机炭烟氧化过程的化学反应动力学模型,并用模型对 O2和 NO2对炭烟的氧化效果进行了对比分析。研究结果表明：柴油机炭烟在 O2气氛下大约从700 K 时开始氧化,氧化反应的活化能为76．8 kJ／mol ,对 O2的反应级数为0．85;而在 NO2气氛下大约从600 K时开始氧化,氧化反应的活化能为21．9 kJ／mol ,对 NO2的反应级数为0．85。在柴油机排气组分条件下,当温度低于750 K 时,NO2氧化炭烟引起的炭烟质量减少占主导;而当温度高于800 K 时,O2氧化炭烟引起的炭烟质量减少占主导。     

TBD234柴油机有害物生成过程仿真研究

针对舰用TBD234柴油机燃烧室结构及共轨喷射条件下的工作特点,确立标定工况下的燃烧、NOx生成和炭烟生成模型,并合理修正了模型参数。利用CFD软件对其燃烧过程进行仿真计算,得到全过程的有害物组分浓度分布结果。结果显示NOx生成主要受燃烧温度和混合气浓度的影响,炭烟主要产生于浓混合气且贫氧的区域。从NOx和炭烟结果的对比发现二者分布区域形成互补关系,反映出控制NOx和控制炭烟的矛盾。仿真结果与实际情况较好吻合,从而验证了仿真参数选取的有效性。     

喷油器参数对柴油机燃烧特性影响的数值模拟

应用三维CFD模拟软件FIRE,对1台135柴油机的喷雾与燃烧过程进行了数值模拟。通过缸内流场分析和浓度分析,研究了喷孔数、喷孔锥角对燃烧过程的影响及对NOx和炭烟生成的影响。结果表明,喷孔数和喷孔锥角影响燃油的喷雾质量和油气混合质量,进而影响燃烧过程和排放物的生成;CFD模拟计算对优化喷油器参数,从而改进燃烧系统具有指导意义。     

反应气氛对Ce_(0.5)Zr_(0.5)O_2固溶体上炭粒燃烧行为的影响

通过程序升温氧化反应(TPO)技术对Ce0.5Zr0.5O2固溶体催化氧化炭粒的活性进行了评价,考察了反应气氛中的O2体积分数,NO,CO2,H2O对炭粒催化燃烧过程的影响。结果表明,反应气氛对炭粒催化燃烧的过程有很大的影响,O2体积分数的变化决定了反应的速度控制步骤;由于NO氧化产生的NO2具有更强的氧化能力,因此NO对炭粒的燃烧具有促进作用;CO2的存在阻碍了反应产物CO2的释放,从而影响了炭粒的燃烧过程;H2O对炭粒的催化燃烧过程没有影响。     

Soot and temperature distribution in a diesel diffusion flame: 3-D CFD simulation and measurement with laser diagnostics

In this study, a 3-D CFD simulation and laser diagnostics were developed to understand the characteristics of soot generation in a diesel diffusion flame. The recently developed RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) hybrid combustion model (Extended Coherent Flame Model — 3 Zones, ECFM-3Z model) was used. This industrial, state-ofthe-art model of the diffusion flame is commonly used in diesel combustion models as well as for propagating (premixed) flame combustion. The simulation results were validated with measurements from a constant volume combustion chamber. The experiment revealed that soot accumulated in the chamber where the temperature decreased. Where the temperature increased rapidly, only a little soot accumulated. The temperature and soot distribution were independently examined using both the two-color method and a 3-D CFD simulation for a turbulent diesel diffusion flame.     

Effects of split injection,oxygen enriched air and heavy EGR on soot emissions in a diesel engine

The effects of split injection, oxygen enriched air, and heavy exhaust gas recirculation (EGR) on soot emissions in a direct injection diesel engine were studied using the KIVA-3V code. When split injection is applied, the second injection of fuel into a cylinder results in two separate stoichiometric zones, which helps soot oxidation. As a result, soot emissions are decreased. When oxygen enriched air is applied together with split injection, a higher concentration of oxygen causes higher temperatures in the cylinder. The increase in temperature promotes the growth reaction of acetylene with soot. However, it does not improve acetylene formation during the second injection of fuel. As more acetylene is consumed in the growth reaction with soot, the concentration of acetylene in the cylinder is decreased, which leads to a decrease in soot formation and thus soot emissions. A combination of split injection, a high concentration of oxygen, and a high EGR ratio shows the best results in terms of diesel emissions. In this paper, the split injection scheme of 75.8.25, in which 75% of total fuel is injected in the first pulse, followed by 8°CA of dwell time, and 25% of fuel is injected in the second pulse, with an oxygen concentration of 23% in volume and an EGR ratio of 30% shows a 45% reduction in soot emissions, with the same NOx emissions as in single injection.