不同燃烧模式下正庚烷燃烧发动机排气超细颗粒特性.pdf

?第 45 卷 第 6 期?2011年 6 月上 海 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSIT YVol.45 No.6?Jun.2011?收稿日期:2010-05-05基金项目:教育部高校博士点基金项目(20070248024)作者简介:刘?炜(1978-),男,湖南攸县人,博士,主要从事节能环保策略研究.E-mail:ll7413 .黄?震(联系人),男,教授,博士生导师,电话(T el.):021-64074085;E-mail:z-huang .?文章编号:1006-2467(2011)06-0837-05不同燃烧模式下正庚烷燃烧发动机排气超细颗粒特性刘?炜1,2,?黄?震1(1.上海交通大学 动力机械与工程教育部重点实验室,上海 200240;2.深圳创新集团投资有限公司 博士后工作站,广东 深圳 518048)摘?要:在改造的发动机上研究了正庚烷缸内直喷压燃(CIDI)、进气道喷射均质压燃(HCCI)以及进气道-气缸喷射复合燃烧(CCCI)3 种燃烧模式的发动机排气超细颗粒特性.结果表明,排气超细颗粒数浓度-粒径分布曲线随预混合率变化显著;CIDI 燃烧时,排气超细颗粒以积聚模态微粒为主.随着预混合率的增大,排气积聚模态微粒数浓度明显降低,而核模态数浓度则显著增大;正庚烷HCCI 燃烧时发动机排气超细颗粒以核模态微粒为主,积聚模态微粒数浓度很低;正庚烷 CCCI 和HCCI 燃烧时发动机排气总颗粒数浓度明显较 CIDI 燃烧时高.排气核模态数浓度与 HC 排放明显相关.关键词:燃烧模式;排气;超细颗粒;正庚烷中图分类号:T K 16?文献标志码:AEffects of Combustion Modes on Exhaust Particle Size Distributionsfrom a Diesel Engine Fueled with n-HeptaneLI U Wei1,2,?H UA NG Zhen1(1.Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.Postdoctoral Working Station,Shenzhen Capital Group Co.,Ltd,Shenzhen 518048,Guangdong,China)Abstract:Effect of combustion modes(including compression ignition direct injection(CIDI),homogene-ous charge compression ignition(HCCI)and compound charge compression ignition(CCCI)combustion)on NSDs of exhaust particles from engines fuelled with n-heptane was studied.T he results indicate thatthe structure of NSDs for n-heptane changes with premixed ratio(rp)obviously.T he accumulation modedominates in CIDI case.With the increase of rp,the accumulation mode decreases,the nucleation mode in-creases significantly.In HCCI case,the nucleation mode occupies the dominant part of the total particles,and the number concentration of accumulation mode is very low.And the total exhaust particles numberconcentrations for CCCI and HCCI are obviously higher than those of CIDI.In addition,the number con-centration of nucleation mode is highly correlation with H C concentrations.Key words:combustion mode;exhaust;ultrafine particle;n-heptane?由于能源与环境的压力,为提高燃烧效率和控制排放,国内外学者在压燃式发动机上较深入地研究了进气道喷射均质充量压燃燃烧(HCCI)和气道-气缸喷射复合燃烧(CCCI)1.其中,HCCI 是在进气及压缩过程形成均质的混合气,当活塞压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火;CCCI 是将缸内直喷扩散燃烧与进气道喷射 HCCI 燃烧相结合,先气道预混合 HCCI 燃烧,而后在缸内喷雾扩散燃烧,实现两级燃烧.研究结果表明,相对于传统直喷压燃燃烧(CIDI),HCCI 和 CCCI 模式发动机常规污染物排放大幅减少 2-4.然而,目前关于新燃烧模式下发动机排气超细颗粒(DP 50 nm)微粒为主.随着 rp的增大,数浓度峰左移,峰值粒径变小,当 rp由 0 增大到 1.0,峰值粒径由 89 nm 减小到 21 nm.同时,核模态(DP 50 nm)微粒数浓度随 rp增大而增大.当rp增大到1.0 时,正庚烷为H CCI 燃烧,发动机排气超细颗粒以核模态微粒为主,积聚模态微粒数浓度很低.图 3?rp对正庚烷燃烧排气超细颗粒数浓度-粒径分布的影响Fig.3?The influence of rpon exhaust particle numbersize distribution for n-heptane?图 4所示为各 rp下燃用正庚烷其排气积聚模态、核模态及总颗粒数浓度,图中,N50-487、N10-50及N10-487分别为测试范围内 DP=50 487 nm(积聚模态)、10 50 nm(核模态)及 10 487 nm(总颗粒)的微粒数浓度.结果表明,排气积聚模态微粒数浓度随rp增大而降低.其中,当 rp由 0 增大到 0.5,其降幅较小,而当 rp继续增大到 1.0,其积聚模态微粒数浓度显著降低,此时 N50-487相对于 rp=0 时降低了约94.6%.然而对于核模态,其数浓度则随 rp的增大明显增大,rp=1.0 时相对于 rp=0 增大了约 3.7倍.另外,由图 4(c)可见,CCCI 和 HCCI 燃烧时发动机排气总颗粒数浓度明显较 CIDI 燃烧时高.其中,正庚烷 HCCI 燃烧相对于直喷燃烧其排气总颗粒数浓度增大了约 22.6%;rp=0.5 时,增幅最大,达到 38.8%.积聚模态微粒主要是由柴油或润滑油经不完全燃烧而产生的一次碳粒(DP?2 nm)聚积成团并凝结吸附 HC 或硫酸等挥发和半挥发组分形成.rp较小时(rp?0.5),H CCI 燃烧阶段使得缸内温度显著升高,以致直喷的正庚烷的滞燃期缩短,使得高温下喷雾油束外缘迅速着火,而油束核心来不及与氧气充分混合就发生脱碳反应;另外,HCCI 在839?第 6 期刘?炜,等:不同燃烧模式下正庚烷燃烧发动机排气超细颗粒特性?上止点前燃烧降低了缸内整体的氧浓度,起到了类似废气再循环(EGR)的作用.这两方面的原因使得复合燃烧正庚烷时仍然有大量的一次碳粒生成 5,因此,rp较小时积聚模态微粒变化较小.然而,当rp=1.0,正庚烷 HCCI 燃烧时,油气混合均匀,抑制了一次碳粒的生成,进而减少了其积聚成团生成积聚模态微粒,因此,积聚模态微粒数浓度显著降低.图 4?不同 rp下排气超细颗粒的数浓度Fig.4?Number concentration of ultrafine particle?核模态微粒成因相对复杂,通常认为是由燃烧室内形成的一次碳粒以及硫酸和 HC 等前体物在排放稀释过程中成核形成的二次颗粒物(成核作用受环境温度湿度、排气中已有颗粒浓度的比表面积以及系统的沉积和挥发等因素影响)4.核模态微粒数浓度随 rp增大而增大,主要有两方面的原因:?积聚模态微粒随 rp的减小使得其对核模态微粒前体物质的吸附减小,使得其在排气稀释过程中凝结成核生成了较多的核模态微粒;?正庚烷 CCCI 和HCCI 燃烧时其 HC 排放相对于 CIDI 燃烧时明显较大.较多的 HC 在排气稀释过程中会成核生成较多的核模态微粒.对于排气总颗粒,其反映的是积聚模态和核模态微粒变化的叠加.总体说来,随着 rp的增大,核模态增幅明显大于积聚模态降幅,因此,CCCI 和HCCI燃烧相对于 CIDI 燃烧发动机排气总颗粒数浓度较高.2.3?数浓度与 HC排放相关性分析图 5所示为 ne=1 800 r/min,pIM EP=0.41 MPa下各 rp下排气核模态微粒数浓度 N10-50、总颗粒数浓度 N10-487与 HC 排放相 关性分析.结果表明,N10-50与 HC 排放明显相关,线性相关系数 R2=0.72,而 N10-487与 HC 排放相关性较差.发动机 HC的排放对其超细颗粒排放有重要影响.一般认为,HC 在冷却稀释过程中会凝结成核形成大量核模态微粒 11.N10-487与 H C 排放相关性较差主要是因为rp?0.50 时积聚模态微粒数浓度占总颗粒数浓度比例较大,而积聚模态微粒主要是由一次碳烟积聚成团形成,与 HC 排放无关.N10-487=1.326?108+159.011?103?HCR2=0.22N10-50=3.479?107+716.954?103?H CR2=0.72图 5?排气颗粒数浓度与 HC 排放相关性分析Fig.5?Relationship between number concentration(N)and HC3?结?论(1)排气超细颗粒数浓度粒径分布曲线随预混合率 rp变化显著.正庚烷 CIDI 燃烧时,排气超细颗粒以积聚模态微粒为主.随着 rp的增大,数浓度峰向左移,峰值粒径变小.当 rp增大到 1.0,正庚烷HCCI 燃烧时发动机排气超细颗粒以核模态微粒为主,积聚模态微粒数浓度很低.840上?海?交?通?大?学?学?报第 45 卷?(2)排气积聚模态微粒数浓度随 rp增大而降低;核模态数浓度则随 rp增大而明显增大;CCCI 和HCCI 燃烧相对于 CIDI 燃烧发动机排气总颗粒数浓度明显较高.(3)排气核模态微粒数浓度与 HC 排放明显相关,而排气总颗粒数浓度与 HC 排放相关性较差.参考文献:1?Zhang J J,Qiao X Q,Guan B,et al.Search for theoptimizing control method of compound charge com-pression ignition(CCCI)combustion in an engine fu-eled with dimethyl ether J.Energy&Fuels,2008,22(3):1581-1588.2?Wu J H,Huang Z,Qiao X Q,et al.Study on com-bustion and emissions characteristics of turbochargedengine fuelled with dimethyl ether J.InternationalJournal of Automotive Technology,KSAE,2006,7(6):645-652.3?尧命发,许斯都.直喷式柴油机燃用二甲基醚(DME)试验研究 J.燃烧科学与技术,2002,8(3):252-257.?YAO Ming-fa,XU S-i du.Experimental investigationon burning dimethyl ether(DME)in direct injectiondiesel engine J.Journal of Combustion Science andTechnology,2002,8(3):252-257.4?Liu W,Huang Z,Wang J S,et al.Effects of dime-thoxy methane blended with GTL on particulate mat-ter emissions from a compression-ignition engine J.Energy&Fuels,2008,22(4):2307-2313.5?Lee D,Miller A,Kittelson D.Characterization ofmeta-l bearing diesel nanoparticles using single-part-icle mass spectrometry J.Aerosol Science,2006,37(1):88-110.6?刘炜,张武高,李新令,等.低硫柴油直喷燃烧超细颗粒排放特性研究J.科学通报,2009,54(12):1773-1778.?LIUWei,ZHANG Wu-gao,LI Xin-ling,et al.Characteristics of ultrafine particle from a compres-sion-ignition engine fueled with low sulfur diesel J.Chinese Science Bulletin,2009,54(12):1773-1778.7?Desantes J M,Berm?dez V,Garc?a J M,et al.Effects of current engine strategies on the exhaustaerosol particle size distribution from a heavy-dutydiesel engine J.Aerosol Science,2005,36(10):1251-1276.8?Liu W,Qiao X Q,Wang J S,et al.Effects of com-bustion mode on exhaust particle size distribution pro-duced by an engine fueled by Dimethyl Ether(DM E)J.Energy&Fuels,2008,22(6):3838-3843.9?马骏骏.基于燃料设计与管理的 HCCI/DI 分层复合燃烧的试验研究 D.上海:上海交通大学机动学院,2009.10?李新令.发动机超细颗粒排放特性及排气稀释过程中其形成和变化研究 D.上海:上海交通大学环境学院,2007.11?Vaaraslahti K,Virtanen A,Ristim?ki J,et al.Nu-cleation mode formation in heavy-duty diesel exhuastwith and without a particulate filter J.Environmen-tal Science and Technology,2004,38(18):4884-4890.?(上接第 836 页)6?杨晓光,汪友华,颜威利.神经网络预测应用于横向磁通感应加热中涡流场与温度场的有限元分析 J.中国电机工程学报,2004,24(8):119-123.?YANG Xiao-guang,WANG You-hua,YAN We-i li.Neural network prediction applied to the finite ele-ment analysis of eddy current and temperature field inTFIH J.Proceedings of the CSEE,2004,24(8):119-123.7?Mesquita R C,Bastos J P A.3D finite element solu-tion of induction heating problems with efficient time-stepping J.IEEE Transactions on Magnetics,1991,27(5):4056-4068.8?Hayt W H.Engineering electromagnetics M.NewYork:McGraw-Hill,2008.9?Garbulsky G D,Marino P,Pignotti A.Numericalmodeling of induction heating of stee-l tube ends J.IEEE Transactions on Magnetics,1997,33(1),746-752.10?Callebaut J.Induction Heating DB/OL.(2007-02-06)2010-05-23.http:/www.leonardo-energy.org/webfm_send/181.841?第 6 期刘?炜,等:不同燃烧模式下正庚烷燃烧发动机排气超细颗粒特性?