生物柴油調(diào)合燃料缸內(nèi)廢氣氛圍顆粒物的形成與特征研究.pdf

1、生物柴油作為清潔可再生燃料，可以與石化柴油以任意比例調(diào)合使用形成生物柴油調(diào)合燃料，在柴油機上直接應(yīng)用。柴油機燃用生物柴油調(diào)合燃料可以改善燃燒過程，降低顆粒物排放，但NOx排放有所增加，結(jié)合廢氣再循環(huán)技術(shù)(Exhaustgas recirculation，EGR)，可以達到同時降低NOx和顆粒物排放的目的。采用生物柴油調(diào)合燃料，改變了燃料的理化特性;采用EGR技術(shù)，改變了缸內(nèi)的燃燒環(huán)境;燃料特性與燃燒環(huán)境的改變影響了顆粒物的形成，顆粒物的

2、形貌、結(jié)構(gòu)等狀態(tài)特征也會發(fā)生改變。
　　全文共分為七章，圍繞生物柴油調(diào)合燃料缸內(nèi)廢氣氛圍顆粒物的形成過程與狀態(tài)特征，采用數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的方法，重點針對缸內(nèi)碳煙前驅(qū)體的形成過程、燃燒過程中的碳煙生成特性以及排放顆粒物的形貌、結(jié)構(gòu)、石墨化程度、氧化活性等狀態(tài)特征開展了研究工作。建立了生物柴油-柴油耦合化學(xué)動力學(xué)模型，揭示了燃燒過程中的活性自由基、乙炔、芳香烴等碳煙前驅(qū)體的形成與衍變規(guī)律;基于自然發(fā)光法，提出了碳煙生成量的評價

3、參數(shù)，探討了生物柴油與EGR對碳煙生成與氧化的作用機制;通過顆粒的形貌分析，提出了表征顆粒輪廓復(fù)雜程度的評價指標(biāo);研究了生物柴油調(diào)合燃料顆粒表面官能團與氧化活性的變化規(guī)律，并揭示了兩者之間的相互關(guān)系。
　　針對不同燃燒階段的碳煙生成規(guī)律，在定容燃燒彈上，采用高速攝影，開展了廢氣氛圍下的柴油(B0)以及生物柴油調(diào)合燃料(B20、B50)的火焰發(fā)展過程與碳煙生成特性研究，采用燃燒火焰綜合亮度作為碳煙生成量的評價參數(shù)，探討了生物柴油與E

4、GR對碳煙生成與氧化的作用機制，結(jié)果表明，采用生物柴油調(diào)合燃料，在火焰浮起長度處的氧卷吸量高于柴油，能夠提高顆粒在燃燒后期的氧化速率，減少碳煙排放量;采用EGR技術(shù)，對碳煙的生成與氧化均起到抑制作用，擴散燃燒后期，燃燒火焰綜合亮度下降速率隨廢氣濃度的增加而逐漸減小，表明燃燒后期碳煙的氧化速率降低是導(dǎo)致其排放量增加的主要原因。
　　搭建了柴油機性能試驗臺架，測量了排放污染物，同時對燃燒過程進行了分析，重點考察了生物柴油摻混比、EGR

5、率對顆粒排放數(shù)量濃度的影響。結(jié)果表明，顆粒的數(shù)量濃度粒徑分布特征為雙峰對數(shù)分布;相同工況下，隨生物柴油摻混比的增加，小負荷工況下的核態(tài)顆粒數(shù)量明顯增加，大負荷下的聚積態(tài)顆粒減少，與B0相比，燃用B20、B50在25％負荷下的核態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值分別增加了16.6％、82.8％，在75％負荷下的聚積態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值分別減小了33.5％、80.3％;采用EGR技術(shù)，小負荷下的核態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值降低，大負荷下的聚積態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值顯著升

6、高，顆粒的平均粒徑增大。
　　開展了生物柴油調(diào)合燃料在廢氣氛圍下的碳煙形成過程研究，構(gòu)建了包含芳香烴與碳煙形成的生物柴油-柴油混合燃料耦合化學(xué)動力學(xué)模型，分析了生物柴油摻混比與EGR率對燃燒過程中的活性自由基、乙炔、芳香烴以及碳煙生成規(guī)律的影響。結(jié)果表明，采用生物柴油調(diào)合燃料會促使缸內(nèi)OH自由基生成始點提前，誘導(dǎo)火焰提前產(chǎn)生，碳煙前驅(qū)體乙炔的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，抑制了芳香烴的形成與生長，導(dǎo)致芳香烴苯與芘的生成量減小，碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低

7、。隨EGR率的增加，OH自由基的生成量減小而乙炔的生成量有所增加，對應(yīng)的生成始點都發(fā)生后移;苯和芘的生成時刻滯后，生成量明顯增加，導(dǎo)致碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加;采用EGR技術(shù)，碳煙生成與消耗達到平衡所需的時間有所延長。
　　針對生物柴油調(diào)合燃料顆粒物的狀態(tài)特征，采用電鏡、X射線小角散射等試驗方法，分析了顆粒群的形貌、顆粒的粒徑分布、基本碳粒子的微觀結(jié)構(gòu)，提出了以計盒維數(shù)作為表征顆粒輪廓復(fù)雜程度的評價指標(biāo)。結(jié)果表明，顆粒群整體呈團簇狀

8、結(jié)構(gòu)，粒徑范圍集中在20nm～80nm之間。顆粒的計盒維數(shù)隨生物柴油摻混比的增加而增大，隨EGR率的增加而減小，表明采用生物柴油調(diào)合燃料，提高了顆粒間的團簇程度，采用EGR技術(shù)會導(dǎo)致顆粒間的團簇程度降低。顆?；咎剂Ｗ咏Y(jié)構(gòu)呈指紋狀的球形碳層結(jié)構(gòu);隨生物柴油摻混比的增加，基本碳粒子的層面間距、彎曲度減小，微晶尺寸略有增加;隨EGR率的增加，基本碳粒子的層面間距、彎曲度逐漸增大，微晶尺寸逐漸減小。生物柴油調(diào)合燃料在廢氣氛圍條件下會形成團簇體

9、積較大、表面較為粗糙的顆粒。
　　采用拉曼光譜技術(shù)，分析了生物柴油調(diào)合燃料顆粒的化學(xué)異相性、石墨化程度等參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明，隨生物柴油摻混比與EGR率的增加，半高寬逐漸增大，顆粒的化學(xué)異相性增強;顆粒的ID1/IG比值隨生物柴油摻混比的增加而逐漸減小，ID3/IG比值略有增大，采用生物柴油調(diào)合燃料有助于提高顆粒的石墨化程度，而對顆粒中的無定型碳含量影響較小;顆粒的ID1/IG、ID3/IG比值隨EGR率的增加逐漸增大，采用E

10、GR技術(shù)，顆粒的石墨化程度降低，顆粒中的無定型碳含量增加。
　　為揭示生物柴油調(diào)合燃料顆粒表面官能團與氧化活性之間的相互關(guān)系，采用軟X射線近邊吸收光譜、熱重分析儀等測試技術(shù)，分析了顆粒表面官能團的分布規(guī)律，探討了顆粒氧化特征參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，柴油機顆粒表面含氧官能團(C-OH、C=O)、脂肪族C-H官能團的含量隨生物柴油摻混比以及EGR率的增加而逐漸增加。生物柴油調(diào)合燃料缸內(nèi)廢氣氛圍顆粒的氧化活性表觀活化能介于54.25k