柴油及含氧混合燃料燃烧碳烟微观形貌与结构特性研究.docx

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1、柴油及含氧混合燃料燃烧碳烟微观形貌与结构特性研究内燃机运行产生的碳烟颗粒与燃烧效率紧密相关,也是空气污染的重要来源。燃烧碳烟生成机理与碳烟颗粒详细结构特性在燃烧学和内燃机领域研究一直受到重点关注。随着内燃机技术的不断发展,车辆排放法规日趋严格,内燃机的燃烧过程发生了明显变化,燃烧生成碳烟颗粒超细化程度增加,对应理化特性随之改变。人们对燃烧生成碳烟颗粒微观形貌与结构特性的认识还有许多不足,对碳烟颗粒特殊形貌的形成机制、生成机理和影响因素的研究在许多环节存在缺失,有待进一步验证和探索。因此,研究柴油和掺混含氧燃料的混合

2、柴油燃烧生成碳烟的微观形貌与结构特性,探讨不同燃烧环境条件对碳烟颗粒形貌和碳烟生成的影响,寻求降低燃烧碳烟排放策略,有着十分重要的理论和实际意义。本文研究的主要目标是探索高温高压环境下柴油及掺混含氧燃料燃烧过程中碳烟颗粒微观形貌结构特性、碳烟形貌结构形成过程的基本规律和重要影响因素,揭示柴油机运行工况,燃烧环境以及含氧燃料对碳烟颗粒微观形貌与结构特性的影响和相应变化规律,提出基于透射电镜的燃烧碳烟颗粒形貌分析技术的研究方法。首先归纳了基于透射电镜的碳烟样本采样、制样、观测和分析的原理和方法,提出了燃烧生成碳烟颗粒宏

3、观、整体、局部、微观多个尺度下的主要形貌特征参数的计算方法和不同参数之间的内在关联。基于高压定容燃烧弹装置,设计了喷雾火焰碳烟颗粒采样装置,实现对定容弹不同环境下柴油和含氧燃料掺混柴油单束喷雾火焰进行轴向和径向多点碳烟同步采样,利用高分辨透射电镜对碳烟颗粒样本进行观测、统计和分析。研究了喷雾火焰中碳烟颗粒的微观形貌与结构特性,归纳了喷雾火焰内部碳烟颗粒的形貌分布规律,探讨了相关影响因素。研究结果表明,火焰中碳烟颗粒主要以基本颗粒和小积聚颗粒的形式存在,平均粒径小于80nm。喷雾火焰内部碳烟积聚反应主要受到碳烟浓度和

4、环境温度的影响,碳烟的积聚化程度随着燃烧反应的进行不断增长。碳烟浓度在喷雾火焰中心位置处浓度最高,在火焰外围浓度相对较低。碳烟的数量、质量、粒径及结构与喷雾火焰燃烧发展过程紧密相关,变化趋势会随着燃烧环境发生偏移。柴油中掺混丁醇燃料会延长喷雾火焰的滞燃期,缩短燃烧持续期,丁醇柴油喷雾火焰中碳烟颗粒的数量密度和质量远小于纯柴油喷雾火焰,掺混丁醇有效抑制了喷雾火焰中的碳烟生成。由于生物柴油的理化性质与柴油较为接近,掺混生物柴油对喷雾火焰中碳烟形貌结构的影响小于掺混丁醇燃料。分别基于非增压单缸柴油机和电控高压共轨涡轮增压

5、多缸柴油机,进行不同运行工况下尾气中碳烟颗粒采样、透射电镜观测和形貌结构分析。结合柴油机燃烧放热特性,研究了尾气中碳烟的形貌分布特性,比较了尾气碳烟颗粒与喷雾火焰碳烟颗粒的主要形貌结构差异,探究不同燃料(柴油、含氧混合燃料)、不同运行工况(负荷、喷油策略)对柴油机尾气中碳烟微观形貌与结构特性的影响。研究结果表明,尾气中碳烟颗粒主要以大积聚颗粒的形式存在,积聚化程度高,有着复杂的分形结构。掺混丁醇使柴油机的燃烧过程发生明显改变,尾气中碳烟的质量和数量浓度明显减少。掺混丁醇后内燃机尾气碳烟颗粒的基本颗粒直径趋于减小,积

6、聚颗粒的维数趋于降低,粗颗粒的数量大大减少。不同喷油策略和负荷下内燃机尾气碳烟颗粒高分辨结构参数存在明显的差异,改变喷油策略和发动机负荷,在改变内燃机尾气碳烟排放烟度的同时,同样会导致尾气碳烟颗粒基本颗粒粒径、分形维数、基本颗粒内部微晶结构的改变,从而影响尾气碳烟的吸附、输运、反应活性等理化特性。