柴油机燃烧边界条件对排放颗粒质量及颗粒数影响的研究

Advanced emission regulations have set a limitation for particulate mass (PMmass) and particle number (PN) of diesel engine emissions. Investigations on the effects of combustion boundaries on the engine–out particulate mass and particle number will have great significance for the particles control technology development. Based on the advanced combustion technology and the precisely combustion process control, this application will elaborately analyze the generation and evolution process of nucleation and accumulation particles under typical diesel combustion boundary conditions, which will use experimental study and numerical simulation simultaneously. Through exhaust sampling and electron microscope analysis, establish the correlation of combustion process parameters and the PMmass and PN. By improving the multi-step phenomenology soot model previously proposed by my research group and establish the sub-model of particle number, we will further research the effects of mixture temperature, uniformity, the charge density, and oxygen concentration on the generation and evolution process of the PMmass and PN. Finally, the conditions of how to lower the PMmass and PN emissions, realize the efficient and clean combustion will be put forward and summarized, the way to reduce the PN and PMmass will be revealed.

柴油机排放的颗粒质量和颗粒数已成为先进排放法规的控制量，理解柴油机燃烧边界条件对颗粒物质量和颗粒数生成演变规律的影响，对于研究开发降低颗粒质量和颗粒数的控制技术具有重要意义。本申请将以先进的高效清洁燃烧技术为基础，在精细控制燃烧过程的条件下，通过实验和数值模拟相结合的研究方法，深入分析典型柴油机燃烧边界条件下，核态和积聚态颗粒物的生成和演变过程。通过排气取样和电镜分析，建立燃烧过程边界条件参数与颗粒质量和颗粒数及其组分的相关关系，进而研究燃烧过程参数对颗粒质量和颗粒数的影响；在进一步完善本课题组先前提出的多步现象学碳烟模型的基础上，建立颗粒数子模型，揭示混合气温度、均匀程度、充量密度以及氧浓度对核态和积聚态颗粒质量和颗粒数的生成及其演变过程。最终，提出和归纳实现降低颗粒质量及颗粒数的高效清洁燃烧的条件，揭示同时降低颗粒质量和颗粒数的途径。

柴油机在国防安全和国民经济建设中具有不可替代作用，其研究难点是进一步提高热效率和实现近零排放，本项目通过柴油机边界条件和燃料特性协同控制研究其对燃烧过程、颗粒质量和颗粒数的影响规律。首先，基于单缸机实验研究了不同燃料（柴油、汽油和煤制油）与边界条件（增压压力、喷射压力、EGR率、进气门晚关时刻等）对热效率和排放的影响，揭示了颗粒物形态与缸内热力学参数全局当量比的量化关系，当量比0.5是积聚态和核膜态颗粒物的临界值，当量比小于0.5时，排放以核膜态颗粒物为主，反之排放以积聚态颗粒物为主。探索了缸内上止点充量密度对喷雾和燃烧的影响，发现较高充量密度使油气混合速率加快，可燃混合气均匀程度提高，燃烧速率加快导致指示热效率增加，颗粒物排放降低。但充量密度进一步提高后，指示热效率增加缓慢，泵气损失却显著增加，导致有效热效率呈先增加后降低的趋势。其次，通过数值模拟研究分析了燃烧环境因素（温度、氧浓度、混合气浓度及中间产物浓度）对乙炔生成历程、碳烟表面活化程度、碳烟表面生长以及氧化速率的影响，提出了碳烟表面活化表面积的比例分数与单位面积生长速率，可以更加准确预报颗粒质量和颗粒数。最后，基于单缸机和仿真模拟优化得到的边界条件，通过多缸发动机实验研究稳态和瞬态过程进气门晚关机构、可调两级增压、EGR系统协同匹配，实现柴油机可变热力循环，使得燃烧过程参数设计和控制更加灵活，研究得到最高有效热效率为45.5%，且提高了瞬态工况动态响应特性，并显著降低PM和PN排放峰值。