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

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.     

汽油替代燃料燃烧过程中多环芳烃生成的化学动力学模型

提出了一个包含103组分和395个基元反应, 能够较好描述多组分汽油替代燃料多环芳烃(PAHs)生成的化学动力学机理模型. 计算结果与实验数据的对比表明, 该机理能够准确地计算乙烯、甲苯、正庚烷预混火焰和正庚烷部分预混对冲火焰中PAHs及其前驱物组分分布. 虽然本文机理目前还无法直接应用于汽油燃烧过程的PAHs多维数值模拟, 但与现有的汽油替代燃料PAHs机理相比, 本文提出的机理规模更小, 距离实际应用的目标更近.     

适用于汽油参比燃料TRF的多环芳香烃生成机理

构造了一个包括287种组分和1569个反应的汽油参比燃料TRF(toluene reference fuel)燃烧过程中多环芳香烃(PAHs)生成机理的详细化学反应动力学模型,引入四种PAH生长路径将多环芳香烃的生成机理发展到芘A4(C20H12)水平,并通过对PAH产率的分析,指出乙炔(C2H2)、丙炔(C3H3)、乙烯基乙炔(C4H4)以及含有奇数碳原子的环戊二烯自由基(C5H5)和茚基(C9H7)等物质对PAHs生成和生长起到重要作用.该机理可以较准确计算基础燃料(PRF)和TRF火焰的着火延迟期、燃烧火焰中小分子(PAH前驱体C2H2、C3H4等)和PAHs的物质浓度.通过与实验数据的比较表明,该机理在不同温度、压力、化学计量比下具有较好的性能.由此分析,该机理对碳烟前驱物PAHs的预测性能是可靠的.     

利用激光诱导炽光研究高压环境下液体燃料层流扩散火焰碳烟分布的二维图像

研究了在高压环境下压力对液体燃料的碳烟的层流扩散火焰碳烟生成的影响。利用激光诱导炽光和消光法相结合的方法,获得了层流扩散火焰的碳烟分布二维图像,测量和分析了正庚烷的层流扩散火焰的碳烟体积分数生成随压力变化的规律。然后,引入特别设计的"滴入式火焰"装置,该设计为两种以上液体混合燃料的层流扩散火焰碳烟生成的测量提供了保障。最后,定量地分析和对比了饱和环状分子结构(环己烷和环己醇)和直链分子结构(正己烷和1-己醇)的液体燃油的层流扩散火焰的碳烟生成趋势,结果表明,环状分子结构燃油的碳烟生成倾向要强于它们对应的线性分子结构的燃油。     

RP-3航空煤油碳烟机理的构建与验证

燃料燃烧过程中形成的碳烟颗粒是航空发动机中污染物排放的主要成分。RP-3航空煤油作为我国最常用的航空燃料,从微观机理层次研究其碳烟机理对于发动机的污染物减排具有重要意义。本文基于RP-3的三组分替代燃料模型(质量分数为73.0%的正十二烷、14.7%的1,3,5-三甲基环己烷和12.3%的正丙基苯)构建了描述碳烟生成的详细燃烧机理模型,其中包括关键的链烷烃、环烷烃以及芳香烃的多环芳烃(PAHs)生成路径。该机理在多个工况条件下对高温点火延迟时间,层流火焰速度的预测与实验结果符合。碳烟产率的模拟结果表明,该机理能准确再现碳烟的生成。基于该机理对碳烟生成过程中起到关键成核作用的多环芳烃物种芘(A4)进行了敏感性分析,结果表明含有苯环的正丙基苯通过自身裂解产生苯自由基的反应显著促进A4的生成。反应路径分析结果表明在燃烧的不同阶段形成PAHs的各个反应的通量占比有差别,反应前期PAHs的生成主要来源于苯自由基的加成反应过程,而后期主要来源于小分子C₂、C₃、C₄等自由基的加成反应过程。     

利用激光诱导炽光法定量测量柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数

激光诱导炽光(LII)法是一种用于测量火焰中碳烟体积分数的光学测试方法. 本文介绍了LII 的基本原理以及LII 实现定量测量的常见标定方法, 建立了一套基于双色法-激光诱导炽光法(2C-LII)的用于柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数定量测量的测试系统, 该测试系统采用双成像原理, 可以实现多点标定和全视场范围内的碳烟体积分数测量. 在一台工作在1200 r·min^-1、喷油量21 mg的光学单缸柴油机上, 研究了60、100 和140MPa三个不同喷油压力下, 缸内燃烧过程碳烟的分布情况, 结果表明, 碳烟自发光出现在燃烧放热率峰值之后, 且随着喷油压力提高, 碳烟发光持续期缩短, 碳烟发光强度降低. 测试区域内火焰中的碳烟体积分数范围约为0-50×10^-6. 不同喷油压力下, 碳烟生成初期、碳烟峰值和碳烟氧化三个阶段内平均碳烟体积分数的范围分别是: 5×10^-6-9×10^-6, 15×10^-6-20×10^-6和14×10^-6-16×10^-6. 喷油压力提高后火焰中的碳烟分布区域面积增大, 平均碳烟体积分数减小, 碳烟体积分数的空间分布趋于均匀.     

含氧燃料燃烧中燃料氧迁移路径及含氧中间体生成特性

与碳氢燃料相比, 含氧燃料在燃烧过程中容易生成醛类等非常规污染物, 这些含氧中间体的生成与燃料中氧的释放密切相关. 本文从燃料氧迁移路径的角度来研究含氧中间体的生成特性及规律. 并采用分子束质谱结合真空紫外同步辐射光电离技术(SVUV-PIMS)探测了丙烷、二甲醚、乙醇三种低压预混火焰中的主要含氧中间体, 并获得了其摩尔分数分布. 结果表明: 与外部氧相比, 燃料氧更易形成含氧中间体. 生成的最主要的含氧中间体取决于燃料氧在分子中的结构. 二甲醚火焰中甲醛为最主要的含氧中间体; 乙醇火焰中乙醛为最主要的含氧中间体; 丙烷火焰中, 甲醛和乙醛的含量均很小, 但碳氢中间体乙烯、乙炔和丙烯的含量较高.     

双燃料发动机缸内分层激光诱导荧光实验及化学动力学模拟研究

双燃料压燃（RCCI）是一种很有前景的发动机新型燃烧方式,能在小负荷到中高负荷范围内实现发动机高效清洁燃烧,为了将RCCI拓展到更高负荷,需要对其缸内燃油分层和燃烧过程开展更深入研究。本文在一台双燃料光学发动机上采用燃油-示踪剂平面激光诱导荧光法（PLIF）,对RCCI着火前缸内燃油分层进行定量测量,选用甲苯作为示踪剂,利用266 nm脉冲激光激发甲苯荧光,发动机转速1200 r·min^-1,平均指示压力6.9×10⁵ Pa,气道喷射异辛烷,缸内在上止点前10°喷射正庚烷。采用燃油-气体绝热混合假设,对PLIF测量结果进行温度不均匀性修正,以上止点后5°曲轴转角下的测量结果为例,不修正相比修正测试区域内的最大当量比高估15%。根据实验结果,利用Chemkin软件分析了活性、浓度和温度分层对燃烧滞燃期的影响,结果显示燃料活性分层和浓度分层共同决定RCCI的着火滞燃期,其中活性分层影响要大于浓度分层,而温度分层对着火滞燃期影响很小。RCCI燃烧过程自发光的高速成像结果表明,着火过程首先出现在燃烧室边缘的高活性区域,随后火焰向燃烧室中心处的低活性区域发展,碳烟辐射光图像显示碳烟主要形成于燃烧室边缘的高活性区域。     

基于炔丙基与丁二炔生成第一个碳环的反应机理研究

第一碳环的形成是多环芳烃(PAHs)生成的关键速率控制步，探明第一碳环的生成机理对抑制PAHs生成至关重要。为探究第一碳环的生长过程，本研究利用平均局部离子化能(ALIE)和静电势(ESP)预测反应发生的位点，基于密度泛函(DFT)方法和过渡态理论(TST)，计算炔丙基(C₃H₃)+丁二炔(C₄H₂)生成第一碳环的反应路径与化学动力学参数。结果表明，C₃H₃与C₄H₂加成反应形成五、六和七元环分子，其中，五元环形成速率最快，六元环最慢。在第一碳环的生成过程中，H转移和闭环反应所需的活化能较大、反应速率缓慢，其决定了第一碳环的生长速率。各碳环上的H转移反应速率取决于碳环上的C原子数量，其中，五元环最快，六元环最慢。本研究完善了碳氢燃料燃烧过程中第一碳环生成的反应动力学和热力学数据，可为PAHs的生成及预测提供有力的理论依据。     

有机金属化合物降低柴油机炭烟排放及其机理的研究

在直喷式柴油机上按自由加速法进行了柴油机炭烟排放试验，考察了8种有机金属化合物降低炭烟排放的效果，并对其作用机理进行了研究。实验表明，8种有机金属化合物均能有效降低炭烟排放，降烟效果顺序为二壬基萘磺酸钡>二茂铁>环烷酸铁>石油磺酸钡>环烷酸锰>环烷酸铜>环烷酸钡>环烷酸铈。在纯柴油中添加4‰二壬基萘磺酸钡时，降低炭烟排放40.7%；添加1‰二茂铁时，降低炭烟排放35.3%。试验还表明，有机结构影响有机金属化合物的降烟效果，同时影响着它在添加量上的感受性。炭烟的生成，主要与生成的乙炔（C2H2）和多环芳香烃（PAH）有关，而炭烟的氧化则与炭烟周围氧浓度和炭烟颗粒表面积有关。多数有机金属化合物本身携氧，能使燃油迅速分解生成CO，CO的增加使PAH明显减少，从而抑止炭烟的生成。茂型金属有机物能活化CO分子，进而有效抑止炭烟先导物的生成。     

Reduction of PAH and soot precursors in benzene flames by addition of ethanol

A one-dimensional premixed flame model (PREMIX) and schemes resulting from the merging of validated kinetic schemes for the oxidation of the components of the present mixtures (benzene and ethanol) were used to investigate the effect of oxygenated additives on aromatic species, which are known to be soot precursors, in fuel-rich benzene combustion. The specific flames were low-pressure (45 mbar), laminar, premixed flames at an equivalence ratio of 2.0. The blended fuels were formed by incrementally adding 4% wt of oxygen (ethanol) to the neat benzene flame and by keeping the inert mole fraction (argon) and the equivalence ratio constants. Special emphasis was directed toward the causes for the concentration-dependent influence of the blends on the amount of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) formed. The effects of oxygenate addition to the benzene base flame were seen to result in interesting differences, especially regarding trends to form PAH. The modeling results indicated that the concentration of acetylene and propargyl radicals, the main PAH precursors, as well as the PAH amounts were lower in the flame of the ethanol-benzene fuel mixture than in the pure benzene flame and that all of the formed PAHs were issued from the phenyl radical. Finally, the modeling results provided evidence that the PAH reduction was a result of simply replacing "sooting" benzene with "nonsooting" ethanol without influencing the combustion chemistry of the benzene.     

Thermochemical properties of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) from G3MP2B3 calculations

In this article, we present a new database of thermodynamic properties for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). These large aromatic species are formed in very rich premixed flames and in diffusion flames as part of the gas-phase chemistry. PAH are commonly assumed to be the intermediates leading to soot formation. Therefore, accurate prediction of their thermodynamic properties is required for modeling soot formation. The present database consists of 46 species ranging from benzene (C6H6) to coronene (C24H12) and includes all the species usually present in chemical mechanisms for soot formation. Geometric molecular structures are optimized at the B3LYP/6-31++G(d,p) level of theory. Heat capacity, entropy, and energy content are calculated from these optimized structures. Corrections for hindered rotor are applied on the basis of torsional potentials obtained from second-order M?ller-Plesset perturbation (MP2) and Dunning's consistent basis sets (cc-pVDZ). Enthalpies of formation are calculated using the mixed G3MP2//B3 method. Finally, a group correction is applied to account for systematic errors in the G3MP2//B3 computations. The thermodynamic properties for all species are available in NASA polynomial form at the following address: http://www.stanford.edu/group/pitsch/.     

Distinction of gaseous soot precursor molecules and soot precursor particles through photoionization mass spectrometry

Samples were drawn from sooting premixed low-pressure ethylene oxygen flames and investigated through photoionization mass spectrometry using either KrF or ArF lasers as the radiation source. With the former, mass spectra were obtained as described in the literature and characterized through a series of signal groups, one for each C-number and extending to about m/z 1000, assigned as a PAH series. When the ArF laser was used the same series was observed with a somewhat higher sensitivity. In addition, a new series was observed overlaid on the PAH series and starting at about m/z 680. The new series exhibited abundant ions and it completely dominated the spectrum beyond m/z 1000. This series was identified as being the spectrum of soot precursor particles. Through measurement of the ionization order it was concluded that at least two photons are needed for ionization of PAHs whereas the particles need only one photon. Consequently, they can be measured with high sensitivity when an ArF laser is used as the radiation source. Furthermore, the discrimination of soot precursor molecules and soot precursor particles becomes possible through photoionization and this enables an improved understanding of the mass spectra. This should allow a particle growth mechanism to be deduced in the near future.     

From A Fluorescent Chromophore in Solution to An Efficient Emitter in the Solid State

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) normally exhibit efficient fluorescence in dilute solutions, whereas their emission is significantly quenched in the aggregated state due to the formation of π‐aggregates/excimers. The rigid and planar structure of PAHs plays a positive role in terms of fluorescence in solution but a negative one in the aggregated state. To bestow PAHs a luminescent ability in the solid state, we constructed a non‐coplanar PAH‐substituted ethene. By using the planar PAH fluoranthene as a building block, a highly efficient solid‐state emitter with a fluorescence quantum efficiency of unity in the aggregated state was obtained. OLEDs with contain the molecule as an emitter reach a luminance up to 20 520 cd m^?2 and an efficiency of 10 cd A^?1.