颗粒物排放的柴油机的碳烟和SOF

直喷式柴油机基于烟尘和直喷式柴油机基于烟尘和 SOFSOF 颗粒物排放建模颗粒物排放建模 摘要 摘要 颗粒物质 PM 的排放是柴油发动机的主要污染物之一 它对人体健康有害而且影响大气 能见度 在调查减少颗粒物排放过程中建立 PM 排放仿真模型是一个有用的工具 根据组成 缸内直喷柴油机的 PM 模型已经提出并规定了两个重要组成物去模拟 PM 排放 PM 模型是基 于一个准维多区燃烧模型 使用两个主要组成成分的机械结构 烟灰和可溶性有机馏份 SOF 首先 准维多区燃烧模型中给出 然后 两个模型为烟灰和 SOF 排放被建立 再 然后 两个模型都集成到一个单一的 PM 排放模型 烟灰排放模型是在一个主要的形成模型 和一个氧化模型给出的 烟灰的最初形成模型为裕康烟灰形成模型 烟尘氧化是采用 Nagle 和 Strickland Constable 模型 SOF 排放模型是基于未燃烧的碳氢化合物 HC 排 放模型 以及 HC 排放是 HC 初级形成模型和 HC 氧化模型的差异给出的 HC 初级形成模型 考虑了燃油喷射和在稀燃极限在点火延迟期和燃油在低压力和低的速度时涌出从喷嘴囊容 积之后的混合 为了验证 PM 排放的模型 用六缸带有增压中冷直喷式的柴油机进行实验 仿真结果表明实 验数据十分满意 表明了 PM 仿真模型的有效性 计算结果表明 PM 和烟尘形成率之间的 差别主要是在早期燃烧阶段 SOF 的形成在低负荷时对 PM 的形成有着重要的影响 在高负 荷时烟尘的形成占 PM 排放的主导地位 PM 排放模型是为了帮助更好地理解直喷式柴油机 的 PM 排放的形成过程 并且对 PM 排放的模拟以及直喷式柴油机的 PM 排放控制都是有用的 关键词 柴油机关键词 柴油机 可吸入颗粒物可吸入颗粒物 排放排放 模型模型 烟尘烟尘 未燃碳氢化合物 未燃碳氢化合物 1 1 引言引言 在过去的十年 直喷 DI 柴油发动机的应用已经从商用车迅速扩大到乘 用车 因为污染和噪声控制方面的改进已经实现尽管如此 直喷式柴油机产生 比其他引擎多种颗粒物质 PM 的排放 排气 PM 除了水以外的任何可以通过过 滤柴油机排气收集的物质 1 2 在一般情况下 在 PM 在过滤器中收集通常被 提取溶剂分为两部分 1 3 一种馏分是固体碳材料 碳黑 不能被有机溶液 溶解 它是对人体健康有害病影响大气能见度 其他部分可以用有机溶液溶解 称为可溶性有机成分 SOF 即已吸附了烟尘或浓缩到过滤器 它是由未燃烧 的燃料和润滑油以及它们的热综合成分 SOF 多环芳烃 PAH 有可能会引起健 康和环境危害诱变作用 这些问题使政府办法了越来越严格的废气排放律令 迫使制造商减少柴油发动机的废气排放 对于 DI 柴油发动机的一个重要挑战在 于减少废气颗粒物的排放浓度 在调查减少颗粒物排放时 对 PM 排放建立仿真模型是一个有效地措施 一 个 PM 排放模型使设计规范 工作条件和柴油发动机的 PM 排放量之间的关系更 容易理解 目前 用于柴油发动机的准二维和多维燃烧模型发展到不同程度的 精度 4 9 在温度和组合物的空间差异 考虑到通过将气缸分成两个或多个 不同的区域 其中每一个被视为理想的混合 废气排放可以视为局部温度和组 织的函数 多维模型 10 15 解决气缸内的流场 解决质量 动量和能量守 恒的控制方程 以及物种和化学动力学的控制方程 然而 这些模型的预测精 度不能总是保证由于缺乏了解的一些重要现象 如喷雾破碎 燃料 空气混合或 喷雾 壁相互作用 此外 这些模型对计算机内存和计算时间要求非常苛刻 所 以 多维燃烧模型更适合的基础研究课题 由于上述原因 准二维燃烧模型仍然是在燃烧建模和发动机发展的重要工具 整个 PM 墨香排放量很少报告 因此 在柴油机 PM 排放的 SOF 模型需要建立一 个可以提供整个 PM 排放的模型 在这项工作中 基于组合模型来模拟从直喷式柴油机排输的 PM 的浓度的现 象被提出 该模型是基于准维多区燃烧模型和 PM 的主要组合物的形成机制 直 喷式柴油机的烟灰和 SOF 排放 烟灰和 SOF 排放排放可以分别建立 然后这两 个模型都集成到一个单一的 PM 排放模型 为了验证 PM 排放模型 实验用 六缸 并带有涡轮增压和中冷直喷式柴油机进行 2 2 准维多区燃烧模型准维多区燃烧模型 在这项研究中的准三维多区模型的基本概念是类似的裕康等人首先提出的 一个模型 4 16 并已被许多研究人员 5 9 用于当前研究的模型由几个子 模型 燃料喷雾渗透 空气夹带 燃料液滴的蒸发 点火延迟 由于燃烧和形 成的污染物排放的热量释放 在每个步骤喷入燃烧室的燃料被划分成在径向方向上分布的小区域 图 1 显示 了某一瞬间的区域图 随着时间步骤的进行 连续喷射使燃料喷雾包喷射在轴线方向 每个包中 的区域被假定为燃料的质量相等 但根据不同的瞬时喷射率在包形成的时间在 不同的包的区域中的燃料量可能会有所不同 在包中的燃料的质量可以计算使 或用经验来设定喷射程序 腔室压力和喷油器的几何形状 假定区域之间没有 混合 也没有交换 在径向方向上的区域的数目是固定的 无论注入的燃料的 量或时间步长 并通过平衡计算要求的精度 然而 在轴向方向上的区域的数 目由注入时间和计算时间步长确定 燃料喷雾终止 新鲜空气进入这些区域 燃料液滴蒸发和燃烧发生在每个区域的边界内 假定在不同区域之间的新鲜空 气夹带 没有质量和能量交换 每个独立的区域都经历了它自己的温度 当量 比和组成的历史 整个汽缸体的压力被假定为是均匀的 并且在所有的区域随 时间的变化而变化 用热力学第一定律和质量守恒和动量守恒应用微分方程描 述每个区域的状态 差分方程解得每个区域的局部温度 氧气和污染物浓度 提出了污染物排放模型 但其他模型不在本文中详细的给出 图 1 原理区分布在喷射 2 烟灰排放模型烟灰排放模型 一般来说 煤烟排放模型可分为两个部分 4 5 7 11 14 17 18 一个烟 灰初级形成模型和一个烟灰氧化模型 在气相中的烟尘的初级形成模型以分子碰撞率和燃料片段的浓度为基础 在这种方式中 来自燃料分子的活性自由基核聚集形成更大的核 烟尘的氧化 过程也依赖于气相碰撞 类似于烟灰的基本形成 但所涉及的分子是碳和氧 氧或自由基 穿透粒子内部燃烧 降低粒子直径 现在 它被广泛接受 除了 温度 燃料蒸汽的局部浓度和局部浓度的氧 对烟灰的形成速率是至关重要的 基本上影响的烟灰氧化速率 烟尘的临界值取决于发动机气缸内的当量比和气 体温度 在一般情况下 在气缸内的气体和氧气的氧气缺乏 可能会导致较高 的烟灰形成率 一般情况下 净烟灰的形成率表示为形成的比率减去氧化的比率 并且它 是 在这项研究中 碳烟生成率一直采用裕康模型 4 评价 烟灰的形成率表 示为 Af是形成的经验常数 必须调整以适应实验发射数据 Fuel 是未燃烧的 燃料蒸气的质量 P 和 T 的缸内压力和温度 分别和 Ef是碳烟生成的活化能 Nagle 和 Strickland Constable NSC 烟尘氧化模型应用研究 NSC 的模 型是基于氧化实验碳在氧气环境中在一个范围内的局部压力 两种反应的反应 为止被假设在碳烟颗粒表面 反应性高的 A 点和反应性低的 B 点 表面覆盖 A 位置型的部分为 xA并且剩余部分 1 xA 是由 B 位置型覆盖 氧化反应如下 19 NSC 的碳烟氧化率 MC 是碳分子量 12g mol S 是烟尘的密度 2000 kg m3 s是烟尘 的直径 3 108 m3 soot 是净烟灰质量和表面的氧化速度 Rox Rox的定义是 A 位置所占比例 xA为 Po2 氧分压在 NSC 氧化模型和氧分压的速率常数是 4 SOF 排放模型 未燃烧的碳氢化合物 HC 组成的柴油机尾气排放是复杂的 延伸到大的 分子范围 较轻的 HC 排放物排出 较重的 HC 排放将主要吸附在固体烟尘并且 一点点凝聚在过滤器上 最后 较重的 HC 排放的 PM 排放成为 SOF 因此 在 建立 SOF 排放模型 对 HC 排放模型进行分析和建立 从柴油机 HC 排放主要来自 1 2 1 过稀混合 2 过浓混合 3 猝熄 或哑火 4 1 过稀混合物 从燃油喷射到气缸中入手 在燃料 空气当量比的燃料喷射分布发展 当 混合的量比稀燃极限还要稀薄时混合比随时间迅速增加 在燃料喷雾在点火时 燃料在接近喷雾边界时已经混合超过稀燃极限并且不会自燃或维持一个上个快 速的反应 这种混合物只能被相对缓慢的热氧化反应是不完整的 在这个区域 未燃烧的燃料和部分氧化的产品会存在 其中未被燃烧就从气缸中逸出 从这些稀燃区域的未燃 HC 的多少取决于喷油量点火延迟时 与空气的混合 速度在这期间和在何种程度上有利于自点火 总未燃 HC 排放与点火延迟长度之 间是相关的 当延迟时间超过其最小值的增加 HC 排放也增加 在这项工作中 使用了相关的表达式 20 表达式在稳定和瞬态操作时提供了良好的预测能 力 它如下 为点火延迟位置 P 和 T 为压力和温度以及 为燃料 空气当量比 在点火延迟期间喷射的燃料量表示为 其中 QID是喷油量点火延迟期间 DQf dt 是瞬时喷油率 Cd是流量系数 An是 喷嘴孔的通流面积 Pn在喷嘴孔在喷入气缸之前的压差 f是燃料的密度 根据以上分析 从过稀燃料的 HC 排放量可以表示为燃料在点火延迟期喷入 的一部分 它是 其中 Kol是从过稀的燃料在点火延迟期喷入气缸时 HC 排放的一部分 4 2 过浓混合物 两种来源的燃料进入气缸燃烧并且导致 HC 排放由于与空气混合慢或正在与 空气混合 一种是在燃烧过程中 以低速度离开喷嘴喷嘴的燃料 这里的主要 来源是喷嘴囊容积 二是多余的燃油进入气缸的燃料供应过量的条件下 在正 常的操作条件下 第一种情况主要影响过浓混合物 在喷油结束时 喷油器内的填充量为燃油 由于燃烧和膨胀过程的进行 这种燃料加热汽化在低速 低压力时通过喷嘴进入气缸 这种燃料蒸汽将与空 气混合 并可能逃离主燃烧过程 因此引起过浓混合 其中 Vsac是囊体积 xsac是燃料从囊体到发动机气缸馏分蒸发的一部分 4 3 猝熄或哑火 HC 的排放可能是猝熄的源头 根据喷雾撞击燃烧室壁的程度 哑火也可能 增加 HC 排放水平 但在正常操作范围内 完全哑火在精心设计和充分控制引擎 时是不太可能发生 所以 在正常的操作条件下柴油发动机 HC 排放的两个主要来源 1 燃 料混合在延迟期比稀燃极限还要稀 2 混合不均匀的燃料 燃料在低速 低 压力在燃烧过程离开喷嘴 在这项研究中 净排放模型为一二阶段模型分为两部分 HC 初级形成模型 和 HC 氧化模型 HC 排放模型由 HC 排放的初级形成和氧化模型给出 HC 主要形 成模型考虑了燃油在点火延迟期间在稀薄极限燃烧之后的混合在低压低速喷嘴 囊体涌出时 它表示为 而燃料烃馏分可以逃避主燃烧过程燃烧或部分反应 某些碳氢化合物氧化 可以发生在膨胀和排气过程 烃类氧化率已被确定在一些不同的研究和几个不 同的经验的数据的形式被提出的整体反应速率方程 一个合理的适合于未燃 HC 燃耗的氧化率的表达 2 AHC是一个经验常数 XHC和 XO2是 HC 和 O2的摩尔分数 净形成率为 HC 的初步形成和氧化率之间的差异 如下 SOF 排放是较重的 HC 排放 并在 HC 排放中 SOF 的比例变化与不同类型的 柴油发动机和操作条件 它是由 为了确定系数 ksh 转速 n 和扭矩 Ttq介绍确定操作条件 和一个经验系数 M 也介绍了不同类型的柴油发动机 详细的表达式如下 Ktq是负载系数 Ktq Ttq Ttqmax Ttq佛年工作状态下的转矩和 Ttqmax是发 动机的最大扭矩 速度系数 Kn N Nrat N 是工作状态下的转速 Nrat是柴油 机的额定转速 M 是不同类型的柴油发动机和 m1 和 m2 的系数 他们分别系数 反映了载荷和转速对 SOF 和 HC 的影响 然后 最终的 SOF 模型可以结合公式计算 14 16 及 18 5 PM 排放模型 由于 PM 的排放是由宴会和 SOF 排放 PM 排放模型可以通过结合上述两种 模型 碳烟模型和 SOF 模型 它表示为 6 实验 实验是用一六缸重型柴油机 斯太尔 WD615 67 发动机是直列并配有增 压中冷 柴油机的主要规格有表 1 利用 AVL SPC472 智能采样器测定 PM 该系统满足 ECE R49 91 542 EEC 和欧 III 对 PM 测量的要求 取样器是稀释的颗粒重量测量分流隧道 从发动机 总排气流量只有一小部分流被采样到的迷你稀释通道 并在系统内部与空气稀 释 最后 PM 使用梅特勒 托利多 ax205 电子分析天平称重 可读性和重现性 的平衡测试结果分别为 0 01 毫克和 0 015 毫克 在这项研究中 ECE 13 工况下的重型柴油发动机颗粒物排放进行分析 从 通常的 ECE R4913 模式样本的方法不同 在每一个测试模式在排气时分别取样 首先 为了消除干扰物质的影响 在烘箱中放了 49 玻璃纤维滤纸 500 并且加热 2 小时 在纸张质量稳定后 用玻璃纤维滤纸称重 然后 滤纸被放 在一个干净的和干燥的瓶子 在采取的时候它是必要的 然后使柴油发动机在同一工作条件下稳定运转 5 分钟 49 玻璃纤维滤纸是 用来从柴油发动机采取 PM 样本的 从柴油机的 13 个工况下的排放量分别得到 了相同的方法 然后 这些过玻璃纤维滤纸分别在恒温设备 100 加热 每 一个过滤器的重量在一个恒定的温度和湿度的条件下用精确的电子分析天平称 量 滤纸连续加热 直到它的质量是稳定的 7 结果与讨论 在每一个稳定状态下的柴油机的实验的质量流量 结果见表 2 7 1 PM 和烟尘形成率 根据 Eqs 1 18 和 19 PM 在柴油发动机 10 模式下的形成率 在 1500 r min 最大转矩转速 和模式在 2400 r min 额定转速 背计算 于图 2 11 为了理解烟尘排放的 PM 排放的关系 图 2 11 显示了烟尘与 PM 排 放的比较 PM 和烟尘排放在图 10 曲线上会有类似的趋势 第一 他们两个在开始迅速 增加 这是因为烟尘在初级粒子形式会迅速出现在燃烧过程的早期 然而 PM 在一开始和烟尘有着类似的趋势 表 1 测试柴油机规格 表 2 柴油机试验点 图 2 在 10 负载 1500r min PM 和烟尘的形成率 图 3 在 25 负载 1500r min PM 和烟尘的形成率 图 4 在 50 负载 1500r min PM 和烟尘的形成率 图 5 在 75 负载 1500r min PM 和烟尘的形成率 图 6 在 100 负载 1500r min PM 和烟尘的形成率 图 7 在 10 负载 2200r min PM 和烟尘的形成率 图 8 在 25 负载 2200r min PM 和烟尘的形成率 图 9 在 50 负载 2200r min PM 和烟尘的形成率 图 10 在 75 负载 2200r min PM 和烟尘的形成率 图 11 在 100 负载 2200r min PM 和烟尘的形成率 图 12 在 1500r min 下 PM 的测量与计算 图 13 在 2200r min 下 PM 的测量与计算 然后 速度和烟尘的形成迅速下降后的峰值 表明的基本形成率的粉末和 烟尘下降 氧化速率迅速上升 当形成率低于零 表明氧化速率已超过了主要 的形成率 然后 形成率达到其最小值 氧化率和主要形成率之间的差异有其 最大值 在燃烧过程的早期阶段形成的 PM 和烟尘主要消耗 最后 PM 和烟尘 的形成率上升缓慢 并且一个缓慢的氧化过程也进行了 总体上 在早期阶段 PM 的形成过程时间短 后续 PM 快速氧化过程也是短 暂的大多数 PM 在早期燃烧阶段形成可在短时间内氧化 随后在膨胀过程中的缓 慢氧化是由 PM 和空气的混合速率控制并逐渐减慢 从图 2 11 可以看出 烟尘在 PM 的形成过程中的主导作用 但是 SOF 在 低负荷时形成也具有重要的影响 PM 和烟尘两者的形成率差异主要是在早期的 燃烧阶段 它们的区别是由 SOF 的导致 在图 2 4 无花果 9 10 7 25 和 50 负载在 1500 转 分钟和 2200 个 分钟 下午和烟尘的形成率之间的差异是不同的 这是因为燃料的当量比 在中 低负载和点火延迟时间较长的空气是较低的 更过浓混合区以外的稀燃 极限在点火延迟 缸内温度低 氧化速度慢 所以相对更多的碳氢化合物及其 氧化产物离开 SOF 吸附烟尘 在图 6 5 10 和 11 75 和 100 负载在 1500 转 分钟和 2200 个 分钟 下 午和烟尘的形成率之间的差异并不明显 随着载荷的增加 气缸内的温度升高 点火延迟时间缩短 点火后燃油的比例增加 在整个下午的形成减弱 形成的 影响 和之间的差异点和烟尘的形成减少 因此 柴油机 SOF 的形成在低负荷时对 PM 的形成具有重要影响 并且宴会 的形成在高负荷时影响整个 PM 形成的过程 7 2 PM 的计算和实验 为了验证 PM 排放模型 测试发动机的 PM 质量通量的计算是根据式 19 从表 2 的试验机的试验 PM 排放值比较 结果示于图 12 和 13 结果表明 PM 计算的和实验的质量通量的有很好的成效 PM 排放模型是基于 PM 宴会和 SOF 的主要成分并且它是由 PM SOF 排放模 型组成 它显示了 PM 排放的实际属性 仿真和实测值之间的比较表明 该模型 的有效性 8 总结 以 PM 模型为基础 DI 柴油发动机的模型已制成并改进以用来模拟 PM 排放 PM 排放模型是基于准三维多区燃烧模型和组成 PM 的主要机械结构 烟灰和 SOF 首先 给出了准维多区燃烧模型 然后烟尘排放模型和 SOF 模型分别被建 立 烟尘模型的建立主要基于初级粒子形成模式和氧化模式的差异 烟灰初级 粒子模型是裕康烟灰形成模型 the Nagle 和 Strickland Constable 模型为碳 烟氧化模型 SOF 排放模型是基于 HC 排放模型 并且 HC 模型基于 HC 初级粒子 形成模型和 HC 氧化模型的差异 HC 初级形成模型考虑了燃油在点火延迟期见 稀燃极限之后的喷射和混合 和燃油在低压力 低转速涌出从喷嘴囊体 最后 碳烟模型和 SOF 模型集成到一个单一的 PM 排放模型 为了验证该模型 实验是用六缸 增压中冷柴油机 仿真结果与实验数据 吻合较好 表明了该模型的有效性 计算结果表明 PM 和烟尘的形成率的差异主要是在早期燃烧阶段 SOF 的 形成在低负荷时对 PM 的形成具有重要影响 而烟灰的形成占据了整个 PM 形成 过程 该 PM 模型有助于更好地了解柴油机的微粒排放过程 对模拟柴油机的排放 以及柴油机的排放控制具有很好的实用性 致谢 This study was supported by the National Basic Research Program No 2001CB209205 the China Postdoctoral Science Foundation No 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