复合燃烧过程中化学动力学速率与 混合速率的作用及控制
复合燃烧过程中化学动力学速率与 混合速率的作用及控制
主要内容 1.研究工作的背景和关键科学问题 2.时间尺度控制的燃烧过程的模拟和实验研究 3.柴油机微细喷孔中不稳定空化现象的研究 4.喷雾场PLF实验方法的定量标定 5.结论
主要内容 1. 研究工作的背景和关键科学问题 2. 时间尺度控制的燃烧过程的模拟和实验研究 3. 柴油机微细喷孔中不稳定空化现象的研究 4. 喷雾场PLIF实验方法的定量标定 5. 结论
背景:能源危机与环境保护 排放法规日益严厉(以欧洲重载柴油机法规为例) 0.12 欧3(2000 0.10 0.06 欧5到欧6 NOx: 0.25 g/kWh 欧3到欧4:排放 装004PM:0.01g/kWh 限值大幅降低 欧6(2014) 欧5(2008) 欧4(2005) 氮氧化物排放[g/kWh]
背景：能源危机与环境保护 排放法规日益严厉（以欧洲重载柴油机法规为例） 欧5（2008） 欧4（2005） 0 1 2 3 4 5 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 颗粒物排放[g/kWh] 欧 3（2000） 氮氧化物排放[g/kWh] 欧6（2014） 欧5到欧6： NOx:0.25 g/kWh， PM :0.01 g/kWh 欧3到欧4：排放 限值大幅降低
背景:能源危机与环境保护 排放法规日益严厉(以欧洲重载柴油机法规为例) 0.12 途径 当前欧3 欧3(2000) 技术水平 0.10 0.08 燃烧优化 0.06 油正 时提助 0.04 欧6(2014) 途径2 0.02 SCR-触媒 欧5(2008) 欧4(2005) 0.00 氮氧化物排放[gkWh]
背景：能源危机与环境保护 排放法规日益严厉（以欧洲重载柴油机法规为例） 欧5（2008） 欧4（2005） SCR-触媒 DOC / DPF 0 1 2 3 4 5 6 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 燃油消耗/二氧化碳排放 颗粒物排放[g/kWh] 欧 3（2000） 冷却的EGR， 延迟喷射 喷油正时提前 氮氧化物排放[g/kWh] 欧6（2014） 燃烧优化 当 前 欧 ３ 技术水平 途径 1 途径 2
先进燃烧理论与技术的创新是最有效的 节能减排的手段 (降低 ngine-out排放,不加或只加简单后处理装置) 优点 当前欧3 欧3(2000) 技术水平 0.10 可有效避免尾气后处理技 术所带来的种种困难 大幅度降低对昂贵的后处 理设备的依赖,降低内燃 0.06 燃烧过程的变革 机成本40-70% 不过分依赖后处理设备 t00落 有节能(5~10%)的潜 欧6(2014) 力 0.02 欧5(2008) 是环境友好、能源和资源 欧4(2005) 节约型技米。 氮氧化物排放gkWh] 如何实现低 NOX/PM排放的燃 烧过程? 如何在获得低 NOX/PM排放的 同时保持高的热效率?
先进燃烧理论与技术的创新是最有效的 节能减排的手段 欧5（2008） 欧4（2005） 0 1 2 3 4 5 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 颗粒物排放[g/kWh] 欧 3（2000） 氮氧化物排放[g/kWh] 欧6（2014） 当 前 欧 ３ 技术水平 燃烧过程的变革 ◼ 优点： ◼ 可有效避免尾气后处理技 术所带来的种种困难； ◼ 大幅度降低对昂贵的后处 理设备的依赖，降低内燃 机成本40－70％； ◼ 不过分依赖后处理设备， 有节能（5~10％）的潜 力; ◼ 是环境友好、能源和资源 节约型技术。 如何实现低NOx/PM排放的燃 烧过程？ 如何在获得低NOx/PM排放的 同时保持高的热效率？ （降低Engine-out 排放，不加或只加简单后处理装置）
新概念燃烧技术降低排放的原理 Flamer 10%O2 Flame, 15%0 oo 传统 15% 口有害排放产物在特定的混合气 Formationl 浓度和燃烧温度范围生成 10% 93 口避开NOx和Soot生成区域,实现 MK (Nissan) “零排放” HPLI(AVL) path 口对于柴油机就是避开Φ=1的扩 500 稀扩散燃烧 散燃烧 多脉冲预混 口1400K燃烧温度是提高C0转化率 燃烧 的重要界限 Slow oxidation Rapid Co oxidation %o NO 60010001400180022002600 Temperature [K 图中标示柴油机主要排放物(NOX和soot)与混合气浓度(当量比φ)、温度(T间的函数 关系。要完全避免NOx及soot排放的生成,须使缸内的浓度和温度分布满足特定的条件,即 φ<2,T<2200K。柴油机低温燃烧的概念正是基于此原理提出的
新概念燃烧技术降低排放的原理 有害排放产物在特定的混合气 浓度和燃烧温度范围生成 避开NOx和Soot生成区域，实现 “零排放” 对于柴油机就是避开Φ＝1的扩 散燃烧 1400K燃烧温度是提高CO转化率 的重要界限 稀扩散燃烧 多脉冲预混 燃烧 传统 燃烧 图中标示柴油机主要排放物（NOx和soot）与混合气浓度（当量比φ ）、温度(T)间的函数 关系。要完全避免NOx及soot排放的生成，须使缸内的浓度和温度分布满足特定的条件，即 φ<2，T<2200K。柴油机低温燃烧的概念正是基于此原理提出的
燃烧路径是混合率与化学动力学速率的 较量(TSCC) Tnam. 10% 02 路径斜率: △d W Formation Slop △T 由热力学第一定律 △T HR Pav-dQ m +mC+mp Cp NO Slow co △T决定于放热,作功,传热和热容 0010001400180022002600 Temperature[K 出RQ2[fuep吧 度 Pb GR可以稀释(Q2],提高热容 RT 降低HR+增大热容(分母)→△I↓·高密度一方面可以提高混合率,有利 EGR稀释[Q2]导致燃料与氧的低提高化学反应率HR,但又可以降低温升 △T 合率△￠↓ 过高的密度可能导致过低的温度,过低 EGR是把双刃剑。 的温度导致过低的HR,“双重作用
燃烧路径是混合率与化学动力学速率的 较量 (TSCC) 路径斜率： a a e e p p HR PdV dQ T m C m C m C − − = + + 由 热力学第一定律： •△T 决定于放热，作功，传热和热容 •HR ∞[O2 ] a , [fuel]b, T c , •EGR可以稀释[O2] ，提高热容： 降低HR+ 增大热容（分母） △T •EGR稀释[O2]导致燃料与氧的低混 合率△￠ ； •EGR是把双刃剑。 • 高密度: •高密度一方面可以提高混合率△¢，有利 提高化学反应率HR，但又可以降低温升 ΔΤ； •过高的密度可能导致过低的温度，过低 的温度导致过低的HR，“双重作用”。 * Pb R T = slop =
燃烧路径是混合率与化学动力学速率的 较量(TSCC) 路径斜率: 提高增压压力(冲 △d 量压力)可以提高 Slop 混合率△￠; △T 由热力学第一定律 降低充量温度可以 降低化学反应率HR:51 △T HR Pav-dQ 提高压力和降低温 m +mC+mp Cp 度即提高充量密度 △T决定于放热,作功,传热和热容 出RQ2[fuep吧 高密度: Pb↑ GR可以稀释(Q2],提高热容 R*T↓ 降低HR+增大热容(分母)→△↓·高密度一方面可以提高混合率s有利 EGR稀释2]导致燃料与氧的低混提高化学反应率HR,但又可以降低温升 合率△￠↓ EGR是把双刃剑。 过高的密度可能导致过低的温度,过低 的温度导致过低的HR,“双重作用
燃烧路径是混合率与化学动力学速率的 较量 (TSCC) 路径斜率： a a e e p p HR PdV dQ T m C m C m C − − = + + 由 热力学第一定律： •△T 决定于放热，作功，传热和热容 •HR ∞[O2 ] a , [fuel]b, T c , •EGR可以稀释[O2] ，提高热容： 降低HR+ 增大热容（分母） △T •EGR稀释[O2]导致燃料与氧的低混 合率△￠ ； •EGR是把双刃剑。 • 高密度: •高密度一方面可以提高混合率△¢，有利 提高化学反应率HR，但又可以降低温升 ΔΤ； •过高的密度可能导致过低的温度，过低 的温度导致过低的HR，“双重作用”。 * Pb R T = slop = •提高增压压力（冲 量压力）可以提高 混合率△￠； •降低充量温度可以 降低化学反应率HR； •提高压力和降低温 度即提高充量密度；
当量比￠对绝热火焰温度(ΔT)的影响 影响燃烧的路径 n绝热火焰温度是指在等压/绝 热的理想条件下的燃烧温度 环境温度、当量比对绝热火 焰温度的影响 左侧图中所示, CHEMKIN模块中的对 EQUI程序对正庚烷的燃烧过程 quivalence Ratio 进行了模拟。反应机理采用LLNL 国家实验室的正庚烷详细反应机 理,缸内压力为6MPa。 绝热火焰温度随环境温度的升高而 Equivalence Ratio 升高。当量比为1处的绝热火焰 一0.75 温度最高,故NOX生成的位置约 在当量比为1的扩散火焰区
当量比￠对绝热火焰温度（△T）的影响 ◼ 绝热火焰温度是指在等压/绝 热的理想条件下的燃烧温度。 ◼ 环境温度、当量比对绝热火 焰温度的影响 左侧图中所示，CHEMKIN模块中的对 EQUI程序 对正庚烷的燃烧过程 进行了模拟。反应机理采用LLNL 国家实验室的正庚烷详细反应机 理 ，缸内压力为6MPa。 绝热火焰温度随环境温度的升高而 升高。当量比为1处的绝热火焰 温度最高，故NOx生成的位置约 在当量比为1的扩散火焰区。 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 Adiabatic Flame Temperature(K) Equivalence Ratio 800k 1000k 1200k 1400k 1600k 1800k 2000k 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 Adaibatic Flame Temperature(K) In-cylinder Temperature(k) 0.5 0.75 1 2 3 4 Equivalence Ratio 影响燃烧的路径
废气再循环EGR对燃烧路径的影响 2000 雪 1400 1200 1000 2.04%20.73% 17.18%-1762% 26.03%-16.18% Crank Angle(deg ATDC) Crank Angle(deg ATDC) EGR率对瞬时放热率的影响 EGR率对缸内平均温度的影响 随着EGR率的增加,缸内的平均温度逐渐降低。这是因为各工况的总喷油量都 相等,平均当量比基本保持不变,总放热量基本相等。EGR增大后,为保证氧 的绝对量,采用进气增压的条件下,缸内充量增多热容增大,喷油时刻缸内温 度低,在整个燃烧过程中温升上升的幅度小,着火延迟期增长, 随着EGR率的增加,着火延迟期増大,放热相位滞后,这使得在滞燃期内形成 的可燃混合气的数量増加,预混燃烧的强度増大,预混放热率峰值逐渐升高
废气再循环EGR对燃烧路径的影响 ◼ 随着EGR率的增加，缸内的平均温度逐渐降低。这是因为各工况的总喷油量都 相等，平均当量比基本保持不变，总放热量基本相等。EGR增大后，为保证氧 的绝对量，采用进气增压的条件下，缸内充量增多热容增大，喷油时刻缸内温 度低，在整个燃烧过程中温升上升的幅度小，着火延迟期增长。 ◼ 随着EGR率的增加，着火延迟期增大，放热相位滞后，这使得在滞燃期内形成 的可燃混合气的数量增加，预混燃烧的强度增大，预混放热率峰值逐渐升高。 10 20 30 40 50 60 70 80 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2.04%-20.73% 10.6%-19.15 17.18%-17.62% 26.03%-16.18% 35.58%-13.77% In_cylinder Averaged Temperature(K) Crank Angle(deg.ATDC) 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Heat Release Rate (J/deg.ATDC) Crank Angle(deg.ATDC) 2% 10.6% 17.2% 26% 35.6% EGR率对瞬时放热率的影响 EGR率对缸内平均温度的影响