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SOF颗粒物排放建模

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; 可吸入颗粒物; 排放; 模型; 烟尘; 未燃碳氢化合物。

1.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. 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

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），ρs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：

г为点火延迟位置，P和T 为压力和温度以及α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，ΔPn在喷嘴孔在喷入气缸之前的压差，ρf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。

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