柴油替代燃料燃烧反应机理及污染物生成数值模拟

作     者：胡俊成 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董大伟

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：柴油机 替代燃料 化学反应机理 污染物 数值模拟 喷油规律 

摘      要：内燃动车作为“一带一路建设的重要轨道交通设备,其动力源依然是柴油机。为了满足日益严苛的柴油机排放法规要求,对其燃烧过程中污染物生成特性的研究具有重要的理论和现实意义。本文采用化学反应动力学机理耦合计算流体力学(CFD)的数值计算方法,对直喷式柴油发动机燃烧污染物碳烟颗粒、NOx和未燃碳氢的生成机理进行了详细、深入研究。首先,考虑实际柴油组分和理化特性参数的相似性,建立了70%正十二烷、8%环己烷和22%甲基萘(体积比)三组分柴油替代组分燃料模型。与现有模型相比,本文替代燃料模型囊括了实际柴油中链烷烃、环烷烃和芳香烃三种不同烃类代表性组分,并充分考虑碳烟阈值系数的相似,因此本文模型的理化特性参数上与国内市售0#柴油的相似度更高。其次,依据三组分柴油替代燃料模型,发展了柴油替代燃料燃烧化学反应机理,包含NOx和碳烟前驱物PAHs生成机理。并采用反应流分析方法,获得包括98组分和354基元反应的简化机理。通过CHEMKIN验证该机理在预测代表性组分及实际柴油的着火特性和组分特性方面的准确性。而且本文机理适用于柴油机燃烧室的三维CFD数值模拟,并能准确预测缸压曲线。然后,建立柴油机燃烧室三维CFD计算模型,采用上述简化机理,并耦合详细碳烟颗粒相模型及矩方法算法,实现柴油机燃烧室污染物(碳烟、氮氧化物和未燃碳氢)生成的详细数值模拟。而后,详细研究了不同喷油提前角3、7、11和15BTDC(Before Top Dead Center)度以及不同喷油规律(斜坡形、楔形、矩形和多次喷射)对碳烟颗粒、NOx和HC污染物生成特性的影响规律。研究发现,随着喷油时刻的提前,碳烟和HC化合物污染物的生成量越低,但NOx污染物生成量增加;多次喷射(预喷射燃油总量10%)可以有效的同时控制碳烟、NOx和HC化合物污染物生成量。