基于不同燃料PAH特性改进的适用于多组分燃料的碳烟模型

庞斌 解茂昭 贾明 刘耀东

引用本文: 庞斌, 解茂昭, 贾明, 刘耀东. 基于不同燃料PAH特性改进的适用于多组分燃料的碳烟模型[J]. 物理化学学报, 2013, 29(12): 2523-2533. doi: 10.3866/PKU.WHXB201310161 shu
Citation:  PANG Bin, XIE Mao-Zhao, JIA Ming, LIU Yao-Dong. Improved Phenomenological Soot Model for Multicomponent Fuel Based on Variations in PAH Characteristics with Fuel Type[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2013, 29(12): 2523-2533. doi: 10.3866/PKU.WHXB201310161 shu

基于不同燃料PAH特性改进的适用于多组分燃料的碳烟模型

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51176020, 51176021) (51176020, 51176021)

    美国通用汽车全球研发中心(GM024705-NV584)资助项目 (GM024705-NV584)

摘要:

将多环芳烃(PAH)骨架模型与甲苯参比燃料(TRF)氧化模型耦合, 构建了一个新的TRF-PAH骨架模型.以新的TRF-PAH 骨架模型作为燃料燃烧的气相化学反应模型, 基于不同分子结构的燃料氧化过程中生成PAHs和碳烟的路径也不同的研究结论, 本文进一步优化了以PAHs为碳烟前驱生成物的碳烟半经验模型. 通过甲苯在流动反应器、搅拌反应器和激波管中的氧化/裂解实验验证发现, 新的TRF-PAH骨架模型可以相对准确地预测小分子PAHs和重要中间组分的浓度. 通过对比烷烃和芳香烃氧化过程中生成苯的计算值可以发现,燃料的分子结构对PAHs的生成路径影响很大. 另外, 改进后的碳烟模型利用甲苯、正庚烷/甲苯及异辛烷/甲苯混合物为燃料的激波管中裂解和氧化实验验证, 结果表明在较宽的工况内碳烟模拟值与实验值吻合较好. 最后, 将新的碳烟模型应用于KIVA程序, 模拟以TRF20为燃料的柴油机碳烟排放, 结果表明TRF-PAH骨架模型和碳烟模型能重现缸内燃烧和排放的特性.

English

    1. [1]

      (1) Ra, Y.; Reitz, R. D. Combust. Flame 2008, 155 (4), 713. doi: 10.1016/j.combustflame.2008.05.002

      (1) Ra, Y.; Reitz, R. D. Combust. Flame 2008, 155 (4), 713. doi: 10.1016/j.combustflame.2008.05.002

    2. [2]

      (2) Ra, Y.; Reitz, R. D. Combust. Flame 2011, 158 (1), 69. doi: 10.1016/j.combustflame.2010.07.019(2) Ra, Y.; Reitz, R. D. Combust. Flame 2011, 158 (1), 69. doi: 10.1016/j.combustflame.2010.07.019

    3. [3]

      (3) Andrae, J. C.; Björnbom, P.; Cracknell, R.; Kalghatgi, G.Combust. Flame 2007, 149 (1), 2.(3) Andrae, J. C.; Björnbom, P.; Cracknell, R.; Kalghatgi, G.Combust. Flame 2007, 149 (1), 2.

    4. [4]

      (4) Mehl, M.; Pitz,W. J.;Westbrook, C. K.; Curran, H. J. Proc. Combust. Inst. 2011, 33 (1), 193.(4) Mehl, M.; Pitz,W. J.;Westbrook, C. K.; Curran, H. J. Proc. Combust. Inst. 2011, 33 (1), 193.

    5. [5]

      (5) Machrafi, H.; Cavadias, S. Combust. Flame 2008, 155 (4),557. doi: 10.1016/j.combustflame.2008.04.022(5) Machrafi, H.; Cavadias, S. Combust. Flame 2008, 155 (4),557. doi: 10.1016/j.combustflame.2008.04.022

    6. [6]

      (6) Zheng, D.; Zhong, B. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (9),2029. [郑东, 钟北京. 物理化学学报, 2012, 28 (9), 2029.]doi: 10.3866/PKU.WHXB201207042(6) Zheng, D.; Zhong, B. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (9),2029. [郑东, 钟北京. 物理化学学报, 2012, 28 (9), 2029.]doi: 10.3866/PKU.WHXB201207042

    7. [7]

      (7) Alexiou, A.;Williams, A. Fuel 1995, 74 (2), 153. doi: 10.1016/0016-2361(95)92648-P(7) Alexiou, A.;Williams, A. Fuel 1995, 74 (2), 153. doi: 10.1016/0016-2361(95)92648-P

    8. [8]

      (8) Agafonov, G.; Naydenova, I.; Vlasov, P.;Warnatz, J. Proc. Combust. Inst. 2007, 31 (1), 575. doi: 10.1016/j.proci.2006.07.191(8) Agafonov, G.; Naydenova, I.; Vlasov, P.;Warnatz, J. Proc. Combust. Inst. 2007, 31 (1), 575. doi: 10.1016/j.proci.2006.07.191

    9. [9]

      (9) Choi, B. C.; Choi, S. K.; Chung, S. H. Proc. Combust. Inst.2011, 33 (1), 609. doi: 10.1016/j.proci.2010.06.067(9) Choi, B. C.; Choi, S. K.; Chung, S. H. Proc. Combust. Inst.2011, 33 (1), 609. doi: 10.1016/j.proci.2010.06.067

    10. [10]

      (10) Song, J. O.; Song, C. L.; Tao, Y.; Lv, G.; Dong, S. R. Combust. Flame 2011, 158 (3), 446. doi: 10.1016/j.combustflame.2010.09.017(10) Song, J. O.; Song, C. L.; Tao, Y.; Lv, G.; Dong, S. R. Combust. Flame 2011, 158 (3), 446. doi: 10.1016/j.combustflame.2010.09.017

    11. [11]

      (11) Chen,W. M.; Shuai, S. J.;Wang, J. X. Fuel 2009, 88 (10),1927. doi: 10.1016/j.fuel.2009.03.039(11) Chen,W. M.; Shuai, S. J.;Wang, J. X. Fuel 2009, 88 (10),1927. doi: 10.1016/j.fuel.2009.03.039

    12. [12]

      (12) Agafonov, G.; Smirnov, V.; Vlasov, P. Proc. Combust. Inst.2011, 33 (1), 625. doi: 10.1016/j.proci.2010.07.089(12) Agafonov, G.; Smirnov, V.; Vlasov, P. Proc. Combust. Inst.2011, 33 (1), 625. doi: 10.1016/j.proci.2010.07.089

    13. [13]

      (13) Blacha, T.; Di Domenico, M.; Gerlinger, P.; Aigner, M.Combust. Flame 2012, 159 (1), 181. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.07.006(13) Blacha, T.; Di Domenico, M.; Gerlinger, P.; Aigner, M.Combust. Flame 2012, 159 (1), 181. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.07.006

    14. [14]

      (14) Tao, F.; lovitchev, V. I.; Chomiak, J. Combust. Flame 2004,136 (3), 270. doi: 10.1016/j.combustflame.2003.11.001(14) Tao, F.; lovitchev, V. I.; Chomiak, J. Combust. Flame 2004,136 (3), 270. doi: 10.1016/j.combustflame.2003.11.001

    15. [15]

      (15) Tao, F.; Foster, D. E.; Reitz, R. D. SAE Tech. Pap. Ser. 2006,2006-01-0196.(15) Tao, F.; Foster, D. E.; Reitz, R. D. SAE Tech. Pap. Ser. 2006,2006-01-0196.

    16. [16]

      (16) Vishwanathan, G.; Reitz, R. D. SAE Tech. Pap. Ser. 2008, 2008-01-1331.(16) Vishwanathan, G.; Reitz, R. D. SAE Tech. Pap. Ser. 2008, 2008-01-1331.

    17. [17]

      (17) Jia, M.; Peng, Z. J.; Xie, M. Z. Proc. Inst. Mech. Eng. Part: D J. Automob. Eng. 2009, 223 (3), 395. doi: 10.1243/09544070JAUTO993(17) Jia, M.; Peng, Z. J.; Xie, M. Z. Proc. Inst. Mech. Eng. Part: D J. Automob. Eng. 2009, 223 (3), 395. doi: 10.1243/09544070JAUTO993

    18. [18]

      (18) Kaminaga, T.; Kusaka, J.; Ishii, Y. Int. J. Engine. Rer. 2008, 9 (4), 283. doi: 10.1243/14680874JER00908(18) Kaminaga, T.; Kusaka, J.; Ishii, Y. Int. J. Engine. Rer. 2008, 9 (4), 283. doi: 10.1243/14680874JER00908

    19. [19]

      (19) Vishwanathan, G. Development and Application of a PracticalSoot Modeling Approach for Low Temperature DieselCombustion. Ph. D. Dissertation, The University ofWisconsin:Madison, 2012.(19) Vishwanathan, G. Development and Application of a PracticalSoot Modeling Approach for Low Temperature DieselCombustion. Ph. D. Dissertation, The University ofWisconsin:Madison, 2012.

    20. [20]

      (20) Wang, F.; Zheng, Z.; He, Z. Energy & Fuels 2012, 26 (3), 1612.doi: 10.1021/ef201937k(20) Wang, F.; Zheng, Z.; He, Z. Energy & Fuels 2012, 26 (3), 1612.doi: 10.1021/ef201937k

    21. [21]

      (21) Zheng, D.; Zhang, Y. P.; Zhong, B. J. Acta Phys. -Chim. Sin.2013, 29 (6), 1154. [郑东, 张云鹏, 钟北京. 物理化学学报,2013, 29 (6), 1154.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201303201(21) Zheng, D.; Zhang, Y. P.; Zhong, B. J. Acta Phys. -Chim. Sin.2013, 29 (6), 1154. [郑东, 张云鹏, 钟北京. 物理化学学报,2013, 29 (6), 1154.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201303201

    22. [22]

      (22) Wang, H.; Reitz, R. D.; Yao, M.; Yang, B.; Jiao, Q.; Qiu, L.Combust. Flame 2012, 163 (3), 504.(22) Wang, H.; Reitz, R. D.; Yao, M.; Yang, B.; Jiao, Q.; Qiu, L.Combust. Flame 2012, 163 (3), 504.

    23. [23]

      (23) Reitz, R. D.;Wang, H.; Jiao, Q.; Yao, M.; Yang, B.; Qiu, L. Int. J. Engine. Rer. 2013, 14 (5), 434. doi: 10.1177/1468087412471056(23) Reitz, R. D.;Wang, H.; Jiao, Q.; Yao, M.; Yang, B.; Qiu, L. Int. J. Engine. Rer. 2013, 14 (5), 434. doi: 10.1177/1468087412471056

    24. [24]

      (24) Liu, Y. D.; Jia, M.; Xie, M. Z.; Pang, B. Energy & Fuels 2013,27 (8), 4899. doi: 10.1021/ef4009955(24) Liu, Y. D.; Jia, M.; Xie, M. Z.; Pang, B. Energy & Fuels 2013,27 (8), 4899. doi: 10.1021/ef4009955

    25. [25]

      (25) Pang, B.; Xie, M. Z.; Jia, M.; Liu, Y. D. Energy Fuels 2013, 27 (3), 1699. doi: 10.1021/ef400033f(25) Pang, B.; Xie, M. Z.; Jia, M.; Liu, Y. D. Energy Fuels 2013, 27 (3), 1699. doi: 10.1021/ef400033f

    26. [26]

      (26) Pang, K. M.; Ng, H. K.; Gan, S. Fuel 2011, 90 (9), 2902. doi: 10.1016/j.fuel.2011.04.027(26) Pang, K. M.; Ng, H. K.; Gan, S. Fuel 2011, 90 (9), 2902. doi: 10.1016/j.fuel.2011.04.027

    27. [27]

      (27) Shen, H. P. S.; Vanderover, J.; Oehlschlaeger, M. A. Proc. Combust. Inst. 2009, 32 (1), 165. doi: 10.1016/j.proci.2008.05.004(27) Shen, H. P. S.; Vanderover, J.; Oehlschlaeger, M. A. Proc. Combust. Inst. 2009, 32 (1), 165. doi: 10.1016/j.proci.2008.05.004

    28. [28]

      (28) Davis, S.;Wang, H.; Breinsky, K.; Law, C. Symposium (International) on Combustion 1996, 26 (1), 1025.(28) Davis, S.;Wang, H.; Breinsky, K.; Law, C. Symposium (International) on Combustion 1996, 26 (1), 1025.

    29. [29]

      (29) Klotz, S. D.; Brezinsky, K.; Glassman, I. Symposium (International) on Combustion 1998, 27 (1), 337.(29) Klotz, S. D.; Brezinsky, K.; Glassman, I. Symposium (International) on Combustion 1998, 27 (1), 337.

    30. [30]

      (30) Dagaut, P.; Pengloan, G.; Ristori, A. Phys. Chem. Chem. Phys.2002, 4 (10), 1846. doi: 10.1039/b110282f(30) Dagaut, P.; Pengloan, G.; Ristori, A. Phys. Chem. Chem. Phys.2002, 4 (10), 1846. doi: 10.1039/b110282f

    31. [31]

      (31) Zhang, H. R.; Eddings, E. G.; Sarofim, A. F.;Westbrook, C. K.Proc. Combust. Inst. 2009, 32 (1), 377. doi: 10.1016/j.proci.2008.06.011(31) Zhang, H. R.; Eddings, E. G.; Sarofim, A. F.;Westbrook, C. K.Proc. Combust. Inst. 2009, 32 (1), 377. doi: 10.1016/j.proci.2008.06.011

    32. [32]

      (32) Colket, M.; Seery, D. Symposium (International) on Combustion1994, 25 (1), 883.(32) Colket, M.; Seery, D. Symposium (International) on Combustion1994, 25 (1), 883.

    33. [33]

      (33) Marchal, C.; Delfau, J.; Vovelle, C.; Moreac, G.;Mounaimrousselle, C.; Mauss, F. Proc. Combust. Inst. 2009, 32 (1), 753. doi: 10.1016/j.proci.2008.06.115(33) Marchal, C.; Delfau, J.; Vovelle, C.; Moreac, G.;Mounaimrousselle, C.; Mauss, F. Proc. Combust. Inst. 2009, 32 (1), 753. doi: 10.1016/j.proci.2008.06.115

    34. [34]

      (34) Raj, A.; Prada, I. D. C.; Amer, A. A.; Chung, S. H. Combust. Flame 2011, 159 (2), 500.(34) Raj, A.; Prada, I. D. C.; Amer, A. A.; Chung, S. H. Combust. Flame 2011, 159 (2), 500.

    35. [35]

      (35) Sivaramakrishnan, R.; Tranter, R. S.; Brezinsky, K. J. Phys. Chem. A 2006, 110 (30), 9388. doi: 10.1021/jp060820j(35) Sivaramakrishnan, R.; Tranter, R. S.; Brezinsky, K. J. Phys. Chem. A 2006, 110 (30), 9388. doi: 10.1021/jp060820j

    36. [36]

      (36) Detilleux, V.; Vandooren, J. Proc. Combust. Inst. 2011, 33 (1),217. doi: 10.1016/j.proci.2010.06.151(36) Detilleux, V.; Vandooren, J. Proc. Combust. Inst. 2011, 33 (1),217. doi: 10.1016/j.proci.2010.06.151

    37. [37]

      (37) Zhang, H. R.; Eddings, E. G.; Sarofim, A. F. Energy Fuels 2007,21 (2), 677. doi: 10.1021/ef060195h(37) Zhang, H. R.; Eddings, E. G.; Sarofim, A. F. Energy Fuels 2007,21 (2), 677. doi: 10.1021/ef060195h

    38. [38]

      (38) Zhang, H. R.; Eddings, E. G.; Sarofim, A. F. Energy Fuels 2008,22 (2), 945. doi: 10.1021/ef700526n(38) Zhang, H. R.; Eddings, E. G.; Sarofim, A. F. Energy Fuels 2008,22 (2), 945. doi: 10.1021/ef700526n

    39. [39]

      (39) Fenimore, C. P.; Jones, G.W. J. Phys. Chem. 1967, 71 (3), 593.doi: 10.1021/j100862a021(39) Fenimore, C. P.; Jones, G.W. J. Phys. Chem. 1967, 71 (3), 593.doi: 10.1021/j100862a021

    40. [40]

      (40) Neoh, K.; Howard, J.; Sarofim, A. Symposium (International) on Combustion 1985, 20 (1), 951.(40) Neoh, K.; Howard, J.; Sarofim, A. Symposium (International) on Combustion 1985, 20 (1), 951.

    41. [41]

      (41) Kellerer, H.; Müller, A.; Bauer, H. J.;Wittig, S. Combust. Sci. Technol. 1996, 113 (1), 67. doi: 10.1080/00102209608935488(41) Kellerer, H.; Müller, A.; Bauer, H. J.;Wittig, S. Combust. Sci. Technol. 1996, 113 (1), 67. doi: 10.1080/00102209608935488

    42. [42]

      (42) Alexiou, A.;Williams, A. Combust. Flame 1996, 104 (1), 51.(42) Alexiou, A.;Williams, A. Combust. Flame 1996, 104 (1), 51.

    43. [43]

      (43) Sakai, Y.; Miyoshi, A.; Koshi, M.; Pitz,W. J. Proc. Combust. Inst. 2009, 32 (1), 411. doi: 10.1016/j.proci.2008.06.154(43) Sakai, Y.; Miyoshi, A.; Koshi, M.; Pitz,W. J. Proc. Combust. Inst. 2009, 32 (1), 411. doi: 10.1016/j.proci.2008.06.154

    44. [44]

      (44) Andrae, J. C.; Brinck, T.; Kalghatgi, G. Combustion and Flame2008, 155 (4), 696. doi: 10.1016/j.combustflame.2008.05.010(44) Andrae, J. C.; Brinck, T.; Kalghatgi, G. Combustion and Flame2008, 155 (4), 696. doi: 10.1016/j.combustflame.2008.05.010

    45. [45]

      (45) Bakali, A.; Delfau, J. L.; Vovelle, C. Combust. Sci. Technol.1998, 140 (1-6), 69. doi: 10.1080/00102209808915768(45) Bakali, A.; Delfau, J. L.; Vovelle, C. Combust. Sci. Technol.1998, 140 (1-6), 69. doi: 10.1080/00102209808915768

    46. [46]

      (46) Frenklach, M.; Yuan, T.; Ramachandra, M. Energy Fuels 1988,2 (4), 462. doi: 10.1021/ef00010a013(46) Frenklach, M.; Yuan, T.; Ramachandra, M. Energy Fuels 1988,2 (4), 462. doi: 10.1021/ef00010a013

    47. [47]

      (47) Hippler, H.; Reihs, C.; Troe, J. Symposium (International) on Combustion 1991, 23 (1), 37.(47) Hippler, H.; Reihs, C.; Troe, J. Symposium (International) on Combustion 1991, 23 (1), 37.

    48. [48]

      (48) Luo, J.; Yao, M. F.; Liu, H. F.; Yang, B. B. Fuel 2012, 97, 621.doi: 10.1016/j.fuel.2012.02.057

      (48) Luo, J.; Yao, M. F.; Liu, H. F.; Yang, B. B. Fuel 2012, 97, 621.doi: 10.1016/j.fuel.2012.02.057

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  722
  • 文章访问数:  1096
  • HTML全文浏览量:  24
文章相关
  • 发布日期:  2013-11-28
  • 收稿日期:  2013-07-11
  • 网络出版日期:  2013-10-16
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章