后喷诱导湍流燃烧场内瞬态碳烟动力学机理的研究

The spray-combustion interaction in multiple-injection is so complicated that it has not been fully understood today due to the coupling relationship of turbulence with spray, combustion and the formation of soot. This project investigates the impact of turbulence on the interaction between soot particles and fuel droplets under engine-like conditions using advanced measurement techniques, engaging to explore the effect of post-injection on transient soot dynamics. Based on flow field visualization test, the turbulent diffusion of the particles and droplets will be simulated by the application of computational fluid dynamics, and the kinetic energy of particles and droplets will be worked out. The force-separation curves of particles and droplets will be measured to determine the influencing factors of surface energy, and the dissipative energy loss corresponding to the attractive and repulsive force components in the contact area will be developed to establish a complete dynamic model for impact process. The pyrolytic substances will be identified to analyze pyrolysis reactions of fuel droplets on the soot surfaces. A new reaction mechanism will be developed based on the theory of quantum chemistry.The reactions and the parameters sensitive to turbulent fluctuations will be determined, and a closure method for turbulent reaction rate equations will be established.The project will be directed toward the influence of turbulence-chemistry interactions on the formation of soot and developing a new soot model for multiple-injection. A theoretical basis is expected to be presented for the optimization of post-injection strategy and the emissions control technologies of diesel engines.

多次喷射柴油机的燃烧过程十分复杂，湍流、喷雾、燃烧及排放物生成交织在一起，迄今仍无完善理论对此准确描述。申请项目拟利用光学发动机、定容燃烧弹等，结合先进测试仪器，着重研究柴油机缸内碳烟、油雾碰撞粘附，粘附油雾燃烧、裂解等过程，以及湍流对这些过程的影响，探索后喷策略对碳烟瞬态动力学过程的影响规律。基于流场测量，采用计算流体力学方法研究碳烟、油雾的微观湍流扩散机理，分析碳烟、油雾动能的变化规律。测量碳烟油雾之间的力曲线，确定表面能的影响因素，计算碰撞过程中的阻尼能量耗散，建立碳烟油雾粘附碰撞理论模型。测量粘附油雾裂解残留物成分，分析粘附油雾在碳烟表面可能发生的各种反应，运用量子化学计算方法，构建反应动力学模型。分析受湍流脉动控制的主要反应以及主要参数，确定湍流反应速率方程的封闭方法，建立多次喷射柴油机缸内湍流燃烧-碳烟颗粒复杂化学反应相互作用的理论模型，提出后喷优化策略及碳烟排放控制方法。

多次喷射柴油机缸内燃烧过程十分复杂，湍流、喷雾、燃烧及排放物生成交织在一起，迄今仍无完善理论对此准确描述。项目利用光学发动机、定容燃烧弹等，结合先进测试仪器，研究了后喷诱导作用与喷射策略关系及其对缸内碳烟生成过程的影响机理。探索了后喷诱导作用的控制机制，研究了后喷诱导作用对主喷火焰宏观运动和微观脉动的影响，分析了后喷诱导作用对碳烟生成和氧化过程的影响。基于对颗粒的三维形貌重构和力学特性测量，归纳了颗粒形态学参数的影响因素，分析了颗粒形貌特性与颗粒力学特性的关系，研究了控制碳烟颗粒间相对运动的范德华力和静电力，探索了颗粒碰撞过程中阻尼能量耗散及颗粒粘附能和动能的作用机理。为了分析后喷诱导作用对颗粒理化特性的影响，测量了碳烟的有序化程度，研究了主后喷间隔对柴油机排放颗粒物的有序化程度的影响规律；测量了碳烟表面脂肪族C-H变化规律，探索了颗粒中脂肪族碳氢官能团的含量随发动机工况的变化规律；测量了碳烟O/C、C-OH、C=O和sp3/sp2变化规律，研究了后喷燃油燃烧对主喷燃油生成颗粒物的氧化能力；测量了不同喷射策略下碳烟的氧化活性，研究了燃烧组织参数和诱导作用对碳烟氧化活性的影响。运用量子化学计算方法，构建了反应动力学模型，推测了热力学上可行的反应路径，修正了碳氢氧化过程中链分支反应机理，结合火焰中各种组分浓度分布及变化规律，确定了不同组分之间相互作用的新途径以及关键中间组分。研究结果为后喷优化策略的实施及碳烟排放控制方法的制定奠定了坚实的理论基础。