柴油机燃烧结束后缸内及排气管中的碳烟动力学演变过程研究

The dynamic evolution process of soot particles plays a decisive role in the prediction of soot size distribution in the diesel engine, but the growth and evolution mechanism of soot particles has not been understood at the end of the diesel engine combustion. The studies found that the prediction of soot emission and size are much smaller than the experimental value because the growth process of soot particles at the end of the diesel engine combustion doesn’t considered during the calculation. Accordingly, based on the basic theory of fluid-trajectory model, move track of soot particles are traced using Langevin’s equation in the diesel engine cylinder, dynamic events of soot particles in-cylinder and at the exhaust pipe at the end of combustion are considered, turbulent model and soot model et al in computational fluid dynamics (CFD) are coupled to calculate the growth process of every soot particle, derive final size, and analysis the factors that affect the growth of soot particle. Meanwhile, diesel engine comprehensive platform is built to measure soot size distribution of different sampling positions at the exhaust pipe using combustion DMS500, so as to cross-checked with calculated results of soot particles dynamic evolution model. A combination of theoretical analysis, simulation and experiment research is used to explore the dynamic evolution process of soot particles in-cylinder and at the exhaust pipe at the end of the diesel engine combustion. This work may have important implications for illuminating size distribute characteristics of soot particles in diesel engine, especially gives some guidance for reducing PN of soot emission.

柴油机碳烟颗粒的动力学演变过程对其尺寸分布特性起着决定性作用，但目前对柴油机缸内燃烧结束后的碳烟生长演变机理并不十分清楚。研究发现，预测的柴油机碳烟排放量及尺寸明显小于实验值，原因是计算中未考虑缸内燃烧结束后的碳粒动力学演变过程。据此，基于流体-轨道模型，采用拉格朗日方程追踪缸内碳粒的运动轨迹，考虑碳粒在缸内燃烧结束后及排气管中的动力学事件，耦合计算流体动力学（CFD）中的湍流模型、碳烟模型等，对每个碳粒的生长过程进行计算，获得最终的尺寸，分析影响碳粒生长的因素。同时，结合柴油机综合实验台架，采用微粒光谱仪对排气管上不同取样位置的碳烟尺寸分布进行测量，并与碳烟颗粒动力学演变模型的计算结果互相验证。本项目采用理论分析、模拟计算和实验研究相结合的方式，探索燃烧结束后缸内及排气管中碳粒的动力学演变过程，对阐明柴油机碳粒的尺寸分布特性有重要意义，尤其对降低碳烟排放的数量浓度（PN）具有指导意义。

柴油机碳烟颗粒的动力学演变过程对其尺寸分布特性起着决定性作用。研究发现，预测的柴油机碳烟排放量及尺寸明显小于实验值，原因是计算中未考虑缸内燃烧结束后的碳粒动力学演变过程。据此，基于流体-轨道模型，采用拉格朗日方程追踪缸内碳粒的运动轨迹，考虑碳粒在缸内燃烧结束后及排气管中的动力学事件，耦合计算流体动力学（CFD），对每个碳粒的生长过程进行计算，获得最终的尺寸，分析影响碳粒生长的因素。同时，结合柴油机综合实验台架，采用HRTEM对排气管上不同取样位置的碳粒形貌进行测量，并与颗粒动力学演变模型的计算结果互相验证。.通过实验和模拟研究均发现：在柴油机工况不变时（如1800r/min，BMEP=1.13MPa），排气管采样点2处碳烟颗粒的分形维数（Df=1.922）大于采样点1处（Df=1.909）。通过HRTEM图片后处理发现，采样点2处碳烟颗粒的基本特征参数均大于采样点1处，表明碳粒随着尾气排出时仍经历碰撞、聚合和破碎等动力学演变过程。在采样点1和2之间加装保温棉，减缓尾气温度的温降，促使链状碳粒在涡团的作用下更易团聚，即Rg降低，Df升高（Df=1.964）；同时，加装保温棉后，采样点2处基本碳粒子的平均碳层间距（Ds=0.345）和碳层的扭曲度（Tf=1.07）均小于加装保温棉前（Ds=0.367，Tf=1.12），这说明排气管温度的升高有利于基本碳粒子的石墨化。.通过颗粒动力学模型计算发现：随着颗粒在计算域（0.1cm×0.1cm×0.1cm）中占有的体积分数增加，碰撞频率（fc）、聚合频率（fa）、摩擦碰撞频率（ffc）均增加；与气流温度（t）相比，气流速度（v）对颗粒碰撞的影响更大。随着v的增加，fc、fa、ffc均增大，同时颗粒尺寸分布范围由[5,8.57]μm增大到[5, 12.4]μm。不同条件下，颗粒的Stokes数小于0.005时，fa/fc迅速下降，即发生聚合较困难。采用该模型可计算排气管内颗粒的形貌，并预测不同工况下碳粒的分形维数。.本项目采用理论分析、模拟计算和实验研究相结合的方式，探索燃烧结束后缸内及排气管中碳粒的动力学演变过程，对阐明柴油机碳粒的尺寸分布特性有重要意义，尤其对降低碳烟排放的数量浓度（PN）具有指导意义。.