基于精细碳黑模型的柴油机燃烧模拟

为更好地预测及分析柴油机污染物碳黑的产生特性,需要开发具有广泛应用价值的碳黑模型。该文以正庚烷作为燃料模拟物质,基于正庚烷氧化的气相反应机理,及描述固相碳黑颗粒形成物理、化学过程的详细动力学模型,对直喷式内燃机工作过程中的化学反应流进行了数值模拟计算。计算得到了柴油机燃烧室内多环芳烃质量、碳黑质量、体积分数随转角的变化曲线。在一定燃烧室壁面温度条件下,得到典型的多环芳烃质量、碳黑质量、碳黑体积分数均与测试水平相符,碳黑质量随转角变化曲线也与测试结果吻合较好。     

正庚烷HCCI燃烧下多环芳烃生成机理与影响因素分析

通过修改化学动力学软件SENKIN,建立了正庚烷均质充量压缩点燃(HCCI)燃烧过程数值模拟的单区模型.利用此模型对正庚烷HCCI燃烧下芳烃(苯、萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.同时,分析了过量空气系数、进气初始压力和发动机转速对多环芳烃形成规律的影响.计算中采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理(共包括107种组分、542个基元反应).结果表明,在低温反应阶段并没有苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)、芘(A4)生成;当进入高温反应阶段后,苯、萘、菲、芘的浓度迅速升高至峰值,然后均陡直下降为零.随着过量空气系数的增大,苯的摩尔分数峰值降低,但菲的摩尔分数峰值变化较小.同时,苯、萘、菲的摩尔分数随进气初始压力的降低而降低;随着发动机转速的下降,苯的摩尔分数先降低后增加,萘的摩尔分数却是先增加后降低,而菲的摩尔分数却持续降低.     

煤气化多环芳烃初步研究

为了研究煤及其气化产物中多环芳烃的分布特征,在一台小型常压流化床气化炉上进行了以空气和水蒸气为气化剂的煤气化试验,经索氏萃取和K-D浓缩后,采用带荧光检测器和二极管矩阵检测器的高效液相色谱仪对原煤、底渣、旋风焦、布袋焦和煤气中被US EPA列为优控污染物名单的16种多环芳烃进行了测定.试验结果表明:煤气化前后多环芳烃质量分数和毒性当量质量分数的分布特征相似,但多环芳烃的组成和质量分数不同;煤化程度增加,原煤多环芳烃质量分数和毒性当量质量分数减小,煤气化多环芳烃的质量分数先接连后减,毒性当量质量分数与煤化程度呈线性关系;部分煤种气化多环芳烃的质量分数高于原煤多环芳烃质量分数,且煤气化多环芳烃的种类分为原煤未分解的多环芳烃、热解合成的多环芳烃、自由基高温缩合生成的多环芳烃.     

纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性

基于一台双缸柴油机，结合自行设计开发的纯氧进气系统进行试验，研究了不同进气氧体积分数对正庚烷均质压燃燃烧过程及稳定性的影响。试验结果表明，随着混合气中氧体积分数降低，二氧化碳体积分数增加，缸内平均比热容不断增大，使得缸内最高燃烧温度降低，其对应的峰值相位推迟，燃烧始点推迟，放热率峰值下降，热效率降低；同时发现随着二氧化碳体积分数的增加，缸内温度会随之降低，使得燃烧循环不稳定性增强。以上现象均表明较高的二氧化碳体积分数能够有效抑制纯氧氛围下正庚烷均质压燃。此外，试验发现了纯氧氛围下正庚烷均质压燃负温度系数区间持续时间大幅缩短现象。     

有机酸脂对高原柴油机燃烧特性的影响

针对高原环境下柴油机燃烧恶化的问题,分析了硝酸异辛脂(EHN)的分解途径,通过化学反应动力学分析揭示了EHN添加剂改善柴油机燃烧的机理.利用单缸机台架试验方法研究了进气压力为68kPa、转速为1 400r/min满负荷工况下EHN对柴油机燃烧特性的影响.结果表明:添加EHN能够促进正庚烷反应中自由基OH,H,HO_2和H_2O_2的生成,加速正庚烷的分解,使柴油机着火滞燃期缩短;在低气压进气条件下,随着EHN质量分数的增加,柴油机缸内压力峰值略有下降、放热率曲线前移,柴油机的最大扭矩增加、有效比油耗降低,动力性及经济性均得到改善.     

柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性

分析了柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性和放热规律,研究了相同十六烷值条件下混合燃料中含氧量对燃烧特性和放热过程的影响,为柴油机燃用含氧混合燃料提供理论指导和试验依据.研究结果表明:十六烷值改进剂(亚硝酸异戊酯)的体积分数为0.2%时,可使其着火性能与乙醇的体积分数减小10%时的水平相当.当保持十六烷值不变,混合燃料中氧的质量分数提高3.6%,扩散燃烧期和总燃期的曲轴转角平均缩短0.8°,中高负荷放热率曲线型心位置的曲轴转角向上止点平均靠近0.25°,可以认为,试验结果反映了混合燃料含氧量对燃烧的影响.     

富氧燃烧对柴油机低温燃烧反应机理影响的数值分析

从柴油机缸内燃烧反应的化学反应动力学机理出发,利用CHEMKIN软件对富氧燃烧时的低温反应进行了研究,运用计算流体动力学分析方法,通过耦合柴油机三维燃烧模型和正庚烷氧化反应动力学模型对低温反应机理中重要的脱氢反应和加氧反应过程进行了数值分析.对比空气助燃、富氧浓度对脱氢反应和加氧反应的影响发现:富氧燃烧能够促进脱氢反应,在压缩的上止点时刻,氧的体积分数分别为23%、25%和27%时的缸内脱氢产物C7H15的质量分数最大值分别是空气助燃时的1.95倍、4.77倍和291.58倍;加氧反应的速率随富氧浓度的升高呈线性增长趋势;富氧燃烧可以提高柴油机的热效率,使缸内生成更多的OH自由基,从而加快了后续的中温反应和高温反应速度.     

沉积条件对低温各向同性热解炭形貌的影响

研究沉积温度和丙烷气体体积分数对低温各向同性热解炭(LTIC)形貌的影响,并用成核-生长理论解释材料形貌的成因。该热解炭材料由不同体积分数的丙烷通过准稳态流化床化学气相沉积法(FBCVD)在1 250~1 450℃的沉积温度下得到。研究结果表明:随着沉积温度或丙烷气体体积分数的升高,各向同性热解炭的类球形颗粒状形貌越来越明显,且密度降低,沉积过程由生长模式向成核模式过渡。沉积模式随沉积条件的改变会决定热解炭形貌的改变,而这些变化与气相中形成的线性分子和小分子芳烃与稠环芳香烃(PAHS)的比以及液滴的黏度改变有关。     

基于数值模拟的旋转燃烧室的性能分析

通过分析某型鱼雷燃烧室结构,建立旋转燃烧室的物理数学模型,利用Fluent软件对不同转速下的旋转燃烧室单组元喷雾燃烧过程进行仿真模拟,得到燃料质量分数场以及燃烧室内的压强分布,为燃烧室的结构优化提供理论依据.通过优化结构,缩小了燃烧室的体积,减小了燃烧室的质量,提高了燃烧室的性能.     

球和球柱体的二元随机填充研究

采用组合球模型和松弛算法,模拟了等体积及等直径的球和球柱体二元随机填充.模拟结果表明,无论混合物组份体积分数如何变化,混合填充率均呈现出随球柱体长径比先升后降的趋势,最高混合填充率均出现在球柱体长径比约为0.35处.模拟结果还表明,在等体积条件下,球与球柱体的混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线均为近似线性;在等直径条件下,当球柱体长径比较小时,混合填充率变化曲线也呈近似线性;当球柱体长径比大于1.6时,混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线逐渐转变为上凸曲线.本文还模拟了不等径球的二元随机填充和球柱体随机填充.其中,不等径球的二元随机填充率与现有填充率预测模型的预测结果一致,球柱体组合球模型与解析模型的随机填充模拟结果吻合.     

掺烧布朗气对轻型车加速过程排放的影响

考虑到布朗气具有内爆及催化等特性,以柴油机轻型车为研究对象,将布朗气引入柴油机进气总管,参与缸内燃烧,以研究布朗气对轻型车加速过程中排放性能的影响.在转毂试验台上,测量了掺混布朗气前后的轻型车NOx,THC,CO排放随整车加速过程的变化情况.结果表明:车速从13km·h-1加速到27 km·h-1的过程中,NOx体积分数下降4.8%,THC体积分数不变,CO体积分数升高5.6%;车速从23 km·h-1加速到40 km·h-1时,NOx体积分数下降4.1%左右,THC体积分数变化不明显,CO体积分数升高4.0%左右;由40 km·h-1加速到62 km·h-1的过程中,NOx体积分数下降8.1%,THC体积分数降低5.3%,CO体积分数降低3.0%.     

成都市城东道路灰尘中典型多环芳烃的液相色谱测定及其来源分析

城市道路灰尘中的多环芳烃在一定程度上可以反映邻近区域多环芳烃的排放情况。作者采用超声波溶剂提取、自制硅胶层析柱净化和高效液相色谱分离,建立了城市道路灰尘中菲和蒽、荧蒽和芘、苯并[a]蒽和等3对多环芳烃同分异构体的分离分析方法。该方法精密度优于4%,检出限(质量分数)为(1.6~4.7)×10-9,回收率为72%~92%。用该方法测定了成都市城东不同功能区道路中6种多环芳烃的含量,总质量分数在(1.57~7.15)×10-6。多环芳烃含量分布表明人口密集、工业活动及交通要道等功能区道路灰尘中多环芳烃含量高。源解析结果显示研究区道路灰尘中多环芳烃主要来源于附近的石油、机动车尾气和有机物质燃烧。     

燃烧室几何形状和位置对燃烧过程的影响

采用自制的喷雾燃烧多功能动态可视化试验装置,对柴油机燃烧室几何形状和位置对燃烧过程的影响进行光学法研究,获得口径为62 mm圆柱形、55 mm缩口形、55 mm缩口偏置凹坑形3种不同形状燃烧室的喷雾燃烧过程照片。研究结果表明:与圆柱形燃烧室相比,缩口形燃烧室和缩口偏置形燃烧室的燃油蒸发速度及混合速度增加,始燃点(曲轴转角)提前3°~5°,后期扩散燃烧速度加快,整个燃烧持续期(曲轴转角)缩短7°~9°。     

直喷式柴油机燃烧过程的CFD研究

本文应用三维CFD仿真软件AVL FIRE对CY4102直喷式柴油机的燃烧过程进行了数值模拟计算,再现了缸内流体的运动过程、湍流参数的变化、燃油粒子的空间分布、燃烧过程的进展状况、传热过程以及缸内温度场的分布等,结果表明:随着喷油提前角的增大,滞燃期变长,最高平均温度、压力和放热率峰值均增大,且其对应的曲轴转角均有前移趋势,同时氮氧化合物(NOX)的排放增加,碳烟(Soot)的排放减低;燃烧室速度场和柴油浓度场随曲轴转角的变化不明显。     

楔横轧椭圆轴直角台阶轧齐曲线

根据楔横轧工艺的特点,推导了椭圆轴在轧齐过程中螺旋斜锥体大端半径随轧件转角变化的旋转公式.通过对轧齐过程的分析,获得了各阶段的体积公式,并依据体积平衡原理得到了椭圆轴直角台阶轧齐曲线.最后采用刚塑性有限元软件Deform-3D对椭圆轴的轧齐过程进行了模拟,取得了良好的结果,同时验证了曲线方程的正确性.     

柴油机燃烧过程的数值模拟及燃烧室改进

为了改善柴油机燃烧室内混合气的形成状态和燃烧质量,对改装DLH1105型直喷柴油机缸内喷雾和燃烧过程进行了动态数值模拟,并在压缩比不变的情况下设计了3种不同结构的燃烧室,分别为敞口型、直口型和缩口型.通过STAR-CD软件对3种结构的燃烧室进行了三维数值模拟,获得了柴油机的缸内流场、燃油质量分数分布和温度场.结果表明:模拟出的缸内喷雾和燃烧过程与可视化试验的结果吻合,计算模拟的方法可靠;缩口型燃烧室有较强的挤流强度,较长的涡流持续期,使混合气质量和燃烧性能优于直口燃烧室和敞口燃烧室,缸内压力和平均温度最高,Soot生成量最少,同时NO的生成量最大.     

太湖北部湾沉积物中多环芳烃分布及风险评估

以EPA优控的16种多环芳烃为对象,分析了太湖北部贡湖的大贡山(1号采样点)和小贡山(2号采样点)以及梅梁湖的马山(3号采样点)和拖山(4号采样点)不同季节16种多环芳烃的分布特征及风险,并采用特征化合物及多元统计分析方法分析了多环芳烃的来源.结果表明:春季受周围工业生产影响,多环芳烃质量比较高,质量比在342.1～611.1ng/g之间;夏季受高温及引江济太调水工程影响,梅梁湖多环芳烃质量比下降,而贡湖1号与2号采样点出现全年最大值,质量比分别为558.4ng/g与335.6ng/g;冬季梅梁湖2个采样点多环芳烃质量比变化较小,贡湖则出现全年最小值,质量比分别为248.8ng/g与340.5ng/g.太湖北部湾中多环芳烃尚未对周围环境造成明显的不利影响.油料、木材和煤炭燃烧是多环芳烃的主要来源.     

La-Co复合氧化物催化降解VOCs

通过共沉淀法制备了一系列的复合La-Co氧化物,以N_2吸脱附、X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、H_2程序升温还原和X射线光电子能谱对其进行表征测试,并采用密度泛函理论(DFT)模拟计算优化了La-Co催化剂的理论模型。La-Co催化剂活性评价在固定床连续反应器-气相色谱在线检测装置上进行,此时体积空速15 000 h~(-1)、氧气体积分数10%、温度150～275℃、作为降解底物的正庚烷和甲苯的体积分数为0.18%。结果表明,La的添加能显著提高Co催化剂物理及化学性能,比表面积最高提高6倍以上,晶面间距减小约24 nm,吸附氧所需能量最多降低0.62 eV。其中LCC4催化剂催化活性最优,其对正庚烷与甲苯转化率达90%时的最低温度分别为152和178℃,与Co_3O_4催化剂相比分别降低69和32℃。LCC4催化剂稳定性考察结果显示,其在500 min内对正庚烷及甲苯的降解活性均维持在99%±0.5%。     

乙醇/柴油混合燃料的配制、物性测量和对柴油机性能影响的模拟研究

选择丁醇、庚醇、生物柴油和聚山梨糖醇单油酸酯(Span80)作为助溶剂,对比研究其助溶效果.按照不同乙醇体积分数(10%,20%和30%)和温度范围(5～60℃),进行混合燃料的密度、表面张力和黏度等物性参数测量,研究其随乙醇体积分数和温度变化的规律.模拟研究混合燃料对柴油机性能的影响,结果表明:随乙醇体积分数的增加,燃油雾化效果得到改善,壁面油膜逐渐减少,氮氧化物(NOx)和碳烟(soot)排放逐渐减少;发动机动力性逐渐下降,但是当量比油耗和燃烧噪声逐渐下降.乙醇体积分数为10%时柴油机的综合性能最佳.     

基于驾驶员生理负荷的高原公路转角值安全风险评价

为了解在高原公路上行车时平曲线转角值对驾驶员生理负荷的影响,选取国道314线海拔3000m～4030m区间段作为试验路段,选取心率增长率、脉搏血容(BVP)作为驾驶员生理变化的评价指标,并且通过MATLAB编程给心率增长率和脉搏血容分配系数,得到K值作为驾驶员生理负荷的评价指标,通过实测数据的对比分析,定量分析心率增长率、BVP与K值随平曲线转角值得变化规律,并建立回归模型。结果表明：心率增长率、BVP值和K值都与平曲线转角值存在较强的相关性,并且K值随平曲线转角值的增加而减小,尤其在转角值0-10°范围内变化显著;在海拔与转角值的双重影响下,随着转角值越小,海拔越高,K值越大,驾驶员生理负荷越高,交通安全风险越高。