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

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.01.011

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: 柴油机, HTS机理, 碳烟粒径分布, 氧浓度

Abstract:

In order to predict the particle size distribution of the diesel engine soot emission， 90% mole fraction n-heptane and 10% mole fraction toluene are chosen as diesel substitutes to construct gas phase dynamics mechanism and surface dynamics mechanism respectively， which are coupled to form the diesel substitute mechanism （HTS mechanism）. Combined with the method of moments numeical model， validation of the HTS mechanism is conducted. Then the effect of oxygen concentration on soot particle size distribution is studied by changing the volume fraction of intake oxygen. The results show that the simulation values calculated by the HTS mechanism are basically consistent with the experimental data in terms of ignition delay period， laminar flame speeds， key species and soot particle size distribution in laminar premixed flames， in-cylinder pressure， heat release rate and emissions of the diesel engine. According to the study on the impact of the oxygen concentration on soot particle size distribution by the HTS mechanism， with the increase of oxygen concentration， the average and peak values of soot particle number density decrease， while particle diameters corresponding to the peak particle number density increase. Moreover， the number density of small soot particles （0~50 nm） decreases as oxygen concentration increases.

Key words: diesel engine, HTS mechanism, soot particle size distribution, oxygen concentration

刘少华,董浩川,申立中. 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[J]. 汽车工程, 2023, 45(1): 93-103.

Shaohua Liu,Haochuan Dong,Lizhong Shen. Study on Construction of Diesel Combustion Mechanism Based on Soot Particle Size Distribution Prediction and the Impact of Oxygen Concentration[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(1): 93-103.

图/表 16

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参考文献 41

1	OMIDVARBORNA H， KUMAR A， KIM D. Characterization of particulate matter emitted from transit buses fueled with B20 in idle modes ［J］. Journal of Environmental Chemical Engineering， 2015， 2（4）： 2335-2342.
2	MILLER K A， SISCOVICK D S， SHEPPARD L， et al. Long-term exposure to air pollution and incidence of cardiovascular events in women ［J］. New England Journal of Medicine， 2007， 356（5）： 447-458.
3	HANSEN J， NAZARENKO L. Soot climate forcing via snow and ice albedos ［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2003， 101（2）： 423-428.
4	APPEL J， BOCKHORN H， WULKOW M. A detailed numerical study of the evolution of soot particle size distributions in laminar premixed flames ［J］. Chemosphere， 2001， 42（5-7）： 635-645.
5	PAYRI F， BENAJES J， NOVELLA R， et al. Effect of intake oxygen concentration on particle size distribution measurements from diesel low temperature combustion ［J］. SAE International Journal of Engines， 2011， 4（1）：1888-1902.
6	ABID A D， CAMACHO J， SHEEN D A， et al. Quantitative measurement of soot particle size distribution in premixed flames - the burner-stabilized stagnation flame approach ［J］. Combustion and Flame， 2009， 156（10）： 1862-1870.
7	邵灿. 甲烷、乙烷、丙烷掺混对乙烯层流预混火焰中初生碳烟颗粒生成的影响研究［D］. 上海：上海交通大学， 2017.
	SHAO C. Effect of methane， ethane and propane doping on nascent soot formation in ethylene-based laminar premixed flames ［D］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2017.
8	武政杰，张立淼，张智轩，等.基于矩量投影法的碳烟颗粒破碎过程数值模拟［J］.内燃机学报，2021，39（6）：539-545.
	WU Z J， ZHANG L M， ZHANG Z X， et al. Numerical study on the soot fragmentation process based on an advanced moment projection method ［J］. Transactions of CSICE， 2021，39（6）：539-545.
9	QIU L， CHENG X， WANG X， et al. Development of a reduced n-decane/α-methylnaphthalene/polycyclic aromatic hydrocarbon mechanism and its application for combustion and soot prediction ［J］. Energy & Fuels， 2016， 30（12）： 10875-10885.
10	HOU J， YAN F， LEE T H， et al. Computational investigation on soot mechanism of diesel and diesel/n-butanol blend in constant volume chamber with various ambient temperatures ［J］. Energy & Fuels， 2017， 31（1）： 916-931.
11	BI X， QIAO X， LEE C F. Investigation about temperature effects on soot mechanisms using a phenomenological soot model of real biodiesel ［J］. Energy & Fuels， 2013， 27（9）： 5320-5331.
12	TAO F， FOSTER D， REITZ R. Soot structure in a conventional non-premixed diesel flame ［C］. SAE Paper 2006-01-0196.
13	生态环境部. 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）： GB 17691—2005 ［S］. 北京：中国环境科学出版社， 2005.
	Ministry of Ecology and Environment. Limits and measurement methods for exhaust pollutants from compression ignition and gas-fuelled positive ignition engines of vehicles （Ⅲ， Ⅳ， Ⅴ）： GB 17691—2005 ［S］. Beijing： China Environmental Science Press， 2005.
14	DREYER J A H， POLI M， EAVES N A， et al. Evolution of the soot particle size distribution along the centreline of an n-heptane/toluene co-flow diffusion flame ［J］. Combustion and Flame， 2019， 209（1-2）： 256-266.
15	ZHANG Q， GUO H， LIU F， et al. Modeling of soot aggregate formation and size distribution in a laminar ethylene/air coflow diffusion flame with detailed PAH chemistry and an advanced sectional aerosol dynamics model［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2009， 32（1）： 761-768.
16	GLEASON K， CARBONE F， GOMEZ A. Effect of equivalence ratio and temperature on soot formation in partially premixed counterflow flames ［J］. Combustion and Flame， 2022， 242（1）： 112088.
17	CHU H Q， YAN Y， XIANG L K， et al. Effect of oxygen-rich combustion on soot formation in laminar co-flow propane diffusion flames ［J］. Journal of the Energy Institute， 2020， 93（2）：822-832.
18	车显达. 柴油机富氮富氧进气变组分可控性研究［D］.长春：吉林大学， 2014.
	CHE X D. Controllability of variable composition of nitrogen-rich or oxygen-rich intake-air in the diesel engine ［D］. Changchun： Jilin University， 2014.
19	KARIMI M， WANG X L， HAMILTON J， et al. Numerical investigation on hydrogen-diesel dual-fuel engine improvements by oxygen enrichment ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2022， 47（60）：25418-25432.
20	GUIBET J C， FAURE-BIRCHEM E. Fuels and engines： technology energy environment ［M］. Paris： Editions Technips， 1999.
21	CURRAN H J， GAFFURI P， PITZ W J， et al. A comprehensive modeling study of n-heptane oxidation ［J］. Combustion and Flame， 1998， 114（1-2）： 149-177.
22	GUSTAVSSON J， GOLOVITCHEV V I. Spray combustion simulation based on detailed chemistry approach for diesel fuel surrogate model ［C］. SAE Paper 2003-01-1848.
23	CHEN W， SHUAI S， WANG J. A soot formation embedded reduced reaction mechanism for diesel surrogate fuel ［J］. Fuel， 2009， 88（10）： 1927-1936.
24	雒婧，尧命发.正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析［J］.燃烧科学与技术， 2012， 18（4）3：367-374.
	LUO J， YAO M F. Reduced combustion mechanism of n-heptane/toluene mixtures ［J］. Journal of Combustion Science and Technology， 2012， 18（4）：367-374.
25	HARTMANN M， GUSHTEROVA I， FIKRI M， et al. Auto-ignition of toluene-doped n-heptane and iso-octane/air mixtures： High-pressure shock-tube experiments and kinetics modeling ［J］. Combustion and Flame， 2011， 158（1）： 172-178.
26	WANG H， JIAO Q， YAO M， et al. Development of an n-heptane/toluene/polyaromatic hydrocarbon mechanism and its application for combustion and soot prediction ［J］. International Journal of Engine Research， 2013， 14（5）： 434-451.
27	SLAVINSKAYA N A， RIEDEL U， DWORKIN S B， et al. Detailed numerical modeling of PAH formation and growth in non-premixed ethylene and ethane flames ［J］. Combustion and Flame， 2012， 159（3）： 979-995.
28	SMITH G P，GOLDEN D M，FRENKLACH M，et al GRI-Mech 3.0 ［EB/OL］. （1999-7-30）［2022-7-25］. http：//combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/text30.html.
29	VISHWANATHAN G，REITZ R. Application of a semi-detailed soot modeling approach for conventional and low temperature diesel combustion-part Ⅰ：model performance ［J］. Fuel，2015，139（1）：757-770.
30	APPEL J， BOCKHORN H， FRENKLACH M. Kinetic modeling of soot formation with detailed chemistry and physics： laminar premixed flames of C2 hydrocarbons ［J］. Combustion and Flame， 2000， 121（1-2）： 122-136.
31	WALLS J R， STRICKLAND-CONSTABLE R F. Oxidation of carbon between 1000-2400°C ［J］. Carbon， 1964， 1（3）： 333-338.
32	NEOH K G， HOWARD J B， SAROFIM A F. Effect of oxidation on the physical structure of soot ［J］. Symposium （International） on Combustion， 1985， 20（1）： 951-957.
33	FRENKLACH M， HARRIS S J. Aerosol dynamics modeling using the method of moments ［J］. Journal of Colloid and Interface Science， 1987， 118（1）： 252-261.
34	CHONG C T， HOCHGREB S. Measurements of laminar flame speeds of liquid fuels： Jet-A1， diesel， palm methyl esters and blends using particle imaging velocimetry （PIV）［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2011， 33（1）： 979-986.
35	JI C， EGOLFOPOULOS F N. Flame propagation of mixtures of air with binary liquid fuel mixtures ［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2011， 33（1）： 955-961.
36	DAVIS S G， LAW C K. Determination of and fuel structure effects on laminar flame speeds of C1 to C8 hydrocarbons ［J］. Combustion Science and Technology， 1998， 140（1-6）： 427-449.
37	CASTALDI M J， MARINOV N M， MELIUS C F， et al. Experimental and modeling investigation of aromatic and polycyclic aromatic hydrocarbon formation in a premixed ethylene flame ［J］. Symposium （International） on Combustion， 1996， 26（1）： 693-702.
38	KNYAZKOV D A， SLAVINSKAYA N A， DMITRIEV A M， et al. Structure of an n-heptane/toluene flame： molecular beam mass spectrometry and computer simulation investigations ［J］. Combustion， Explosion， and Shock Waves， 2016， 52（2）： 142-154.
39	TANG Q， GE B， NI Q， et al. Soot formation characteristics of n-heptane/toluene mixtures in laminar premixed burner-stabilized stagnation flames ［J］. Combustion and Flame， 2018， 187（1）： 239-246.
40	孔德彧，林柏洋，顾晨，等.层流预混乙烯火焰中碳烟颗粒物的粒径分布［J］.燃烧科学与技术，2015，21（6）：537-542.
	KONG D Y， LIN B Y， GU C， et al. Soot particle diameter distribution in laminar premixed ethylene flame ［J］. Journal of Combustion Science and Technology， 2015，21（6）：537-542.
41	ZHANG Y， GHANDHI J， ROTHAMER D. Comparison of particulate size distributions from advanced and conventional combustion - part I： CDC， HCCI， and RCCI ［J］. SAE International Journal of Engines， 2014， 7（2）： 820-834.

燃料	十六烷值	低热值/（MJ?kg^-1）	H/C
柴油替代物	51.3	44.2	2.17
柴油	52.8	42.8	1.86

参数	指标
缸径/mm	82
行程/mm	90.4
排量/L	0.477
压缩比	16.7
连杆长/mm	145.54
喷油器型号	Bosch CRIN2
喷孔数	6
进气门晚关角/（°）CA ATDC	-132
排气门早开角/（°）CA ATDC	112

参数	指标
转速/（ r·min^-1）	1 900
指示平均压力/MPa	0.57
进气压力/MPa	0.13
进气温度/K	323
涡流比	1.5

模型类型	名称
湍流模型	RNG k-ε
喷雾破碎模型	KH-RT
油滴撞壁模型	Han
壁面油膜模型	O’Rourke-Amsden
蒸发模型	DMC
边界传热模型	Han-Reitz

[1]	张翼霄,马骁,卢鑫辉,王志,诸葛伟林,帅石金. 柴油机喷雾碰壁引燃进气预热特性研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1489-1498.
[2]	沈颖刚,施伟杰,肖欢容,杨锐敏,陈贵升,毕克刚. CDPF主动再生对SCR性能影响的试验研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1280-1288.
[3]	王俊,申立中,毕玉华,雷基林. 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对轻型柴油机燃烧与排放的影响[J]. 汽车工程, 2022, 44(7): 1088-1097.
[4]	张慧龑,汤旭阳,石磊,邓康耀. 增压系统海拔自适应和调节能力研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(2): 256-263.
[5]	肖仁鑫,梁大平,陈贵升,刘爽. 不同海拔下国六柴油机性能试验研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(12): 1926-1935.
[6]	岳广照,孙振茂,田广东. SCR催化器温度在线预估算法及试验研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(9): 1308-1313.
[7]	刘鹏,邓家福,范立云,吴钢,胡林. 串并联永磁对共轨高速电磁阀电磁力的影响[J]. 汽车工程, 2021, 43(8): 1136-1142.
[8]	靳莹,乔新勇,顾程,郭浩,宁初明. 基于Res⁃CNN和燃油压力波的柴油机喷油器故障诊断方法[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 943-951.
[9]	张韦,解礼兵,陈朝辉,周马益,陈永,范吉文,陶丽. 进气道螺旋段关键结构参数多目标优化设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(3): 337-344.
[10]	毕玉华,聂学选,刘少华,肖奔,王鹏,申立中,彭益源. 排气温度、排气流量和海拔高度对SCR系统NO_x转化率和NH₃泄漏量的影响研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(3): 350-357.
[11]	董意,刘建敏,李普,刘艳斌,乔新勇. 柴油机气缸垫状态参数预测与结构优化研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 232-240.
[12]	陈东东,王铁,李国兴,乔天佑,侯振宁. 瞬态工况下掺混PODE对混合动力柴油机排放特性的影响[J]. 汽车工程, 2021, 43(11): 1638-1644.
[13]	李青,陈贵升,罗赢,贺如,张涵,施伟杰. 碳化硅CDPF再生特性的关键性影响因素试验研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(10): 1479-1487.
[14]	黄铁雄,胡广地,孟忠伟,曾东建. 面向控制的DPF再生效率建模和试验研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(1): 44-49.
[15]	石秀勇, 蒋得刚, 梁云芳, 梁鹏飞. 基于流通阻力的DPF碳载量预测模型研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(9): 1183-1188.