进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒微观形貌的影响

采用全气缸取样系统获取不同进气条件下柴油机燃烧过程中的缸内碳烟颗粒,运用透射电子显微镜(TEM)测量碳烟样品在微观尺度下的二维形貌,并计算碳烟颗粒的分形维数和碳烟基本粒子直径,进而研究不同进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒物微观形貌的影响.结果表明:在碳烟生成主导阶段,进气压力的升高会增大生成的碳烟基本粒子的平均直径;而在碳...     

柴油机缸内团聚态颗粒氧化过程中的破碎

基于全气缸取样系统采集不同燃烧时刻的柴油机碳烟,使用粒数粒径测试分析仪和透射电子显微镜测量了碳烟的粒径分布、数密度、分形维数和团聚度,进而获得团聚态颗粒的破碎速率,在上述工作的基础上,分析了柴油机缸内碳烟氧化主导阶段团聚态颗粒物的破碎现象.结果表明:碳烟氧化主导阶段初期,团聚态颗粒破碎速率高,碳烟颗粒总粒数密度和核态颗粒数密度增加,同时分形维数和团聚度明显减小.随氧化主导阶段燃烧反应的进行,破碎速率逐渐降低,总颗粒数密度逐渐减小,核态颗粒数密度先增加后减小,而分形维数和团聚度呈现上升的趋势.     

乙烯预混火焰中燃空当量比对碳烟纳观结构、分形维数和氧化活性的影响

基于乙烯/氧气预混燃烧系统以及热泳取样和毛细管取样系统,结合场发射透射电子显微镜和热重分析技术,研究了燃空当量比对碳烟颗粒纳观结构、分形维数和氧化活性的影响规律.研究结果表明,随着燃空当量比的增加,碳烟分形维数和基本碳粒子粒径均增加,表明碳烟颗粒团聚程度提高,碳烟生长得到促进;随燃空当量比增加,碳烟微晶长度增大,层间距和曲率均减小,碳烟微观结构更为有序;燃空当量比的增加,导致碳烟的氧化反应特征参数值均增大,碳烟氧化活性减小.另一方面,碳烟的微晶长度、层间距和曲率与表观活化能有较好的线性相关性,即碳烟结构越有序,氧化活性越低.此外,分形维数与表观活化能也存在一定的正相关性.     

柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究

研究了6114柴油机不同工况下排气颗粒的数浓度、体积浓度和粒径分布特征,测试工况下柴油机排气颗粒数浓度均呈包括核模态（峰值粒径为10nm-20nm）和积聚模态（峰值粒径为50nm～80nm）的双峰对数正态分布。高转速下排气颗粒数浓度和体积浓度大于中间转速时的数浓度和体积浓度。相同转速下,颗粒体积浓度随负荷增加而增大,而数浓度高转速下随负荷增大而增加,中间转速下随负荷增加没有规律性变化。相同转速下,积聚模态数浓度随负荷增加而增大,核模态数浓度高转速下随负荷增大而增加,但在中间转速下随负荷增加无规律性变化。相同转速下,随负荷增加,核模态峰值粒径有减小趋势。中间转速下积聚模态峰值粒径随负荷增大先增大后减小,高转速下积聚模态峰值随负荷变化无明显变化。中间转速下排气颗粒的核模态峰值粒径小于高转速下核模态的峰值粒径,积聚模态峰值粒径大于高转速下积聚模态的峰值粒径。排气颗粒中核模态粒子占有较大的数量百分比,积聚模态粒子占有较大的体积百分比。     

运行状况对柴油机碳烟排放影响的研究

本文进行发动机转速、负荷、气门间隙、喷油定时、压缩比和进气阻力等因素对直喷式柴油机碳烟排放影响的研究。结果表明，碳烟排放量随转速和负荷的增加而增加，特别是当气门间隙增大、压缩比降低、进气阻力增加时，碳烟排放量明显增加。这表明运转状况对柴油机碳烟排放有很大的影响。     

碳烟微观结构的小角X射线散射分析

采用同步辐射小角X射线散射(SAXS)技术研究了柴油和燃料油燃烧所生成的碳烟的微观结构。基于小角散射理论,通过对散射强度曲线的拟合,得到粒径尺寸分布、回转半径、表面微结构与界面特征和分形特征等。研究结果表明:柴油生成的碳烟粒径集中在10～30nm,燃料油生成碳烟粒径集中在10～45nm,符合高斯分布。散射数据均呈现Porod正偏离,说明碳烟内部存在微结构起伏区。碳烟粒子具有分形特征和表面特征,质量分形维数在0.2～2.5之间,表面分形维数在2.1～2.2之间。     

运行状况对柴油机碳烟排放影响的研究

本文进行发动机转速，负荷，气门间隙，喷油定时，压缩比和进气阻力等因素对直喷比柴油机碳烟排放影响的研究。结果表明，碳烟排放量随转速和负荷的增加而增加，特别是当气门间隙增大，压缩比降低，进气阻力增加时，碳烟排放量明显增加。这表明运转状况对柴油机碳烟排放有很大的影响。     

基于分形理论与碳分析的柴油机颗粒物特性

颗粒物外在形貌与内在含碳属性的表征已成为大气颗粒物源解析的重要手段.应用分形理论及热光碳分析法,研究高、低负荷工况下不同粒径级柴油机颗粒物形貌的盒维数及其碳组分特性.结果表明:颗粒物粒径级越小,其吸附的可溶性有机物(SOF)越多,由分形理论计算得到的盒维数数值增大.低负荷工况下的颗粒物聚集现象严重,从而导致其分形盒维数比高负荷的高;在较小粒径级或低负荷工况时,因细颗粒物的吸附效应,最易挥发的OC1组分增多.低负荷工况下,元素碳(EC)中的EC1(char-EC)大量生成,其m(OC)/m(EC)值大于10;而高负荷工况下,EC几乎主要由EC2(soot-EC)组成,其m(OC)/m(EC)值小于1.此外,颗粒物形貌的盒维数与其有机碳与无机碳组分含量具有一定的关联,颗粒物的m(OC)/m(EC)比值越大,其对应形貌图的盒维数越大,反之亦然.     

船用柴油机循环废气对燃油经济性和废气排放的影响

为测试循环废气对燃油耗率、NOx和碳烟排放的影响,在一台8缸4冲程直喷式水冷船用柴油机上对不同的负荷和转速进行了试验。不管试验工况如何,试验中燃油喷射正时固定为上止点前38℃A。进气氧气浓度通过进气空气流量和废气再循环中的氧气浓度测定,废气氧气浓度在排气歧管上测定。由进气氧气与燃油耗率的比值计算的平均当量比,被用来分析评价废气再循环率（EGR）对NOx和碳烟排放的影响。结果发现比油耗受废气再循环率的影响较小,由于进气和排气氧气浓度下降以及当废气再循环率增大时当量比增大,NOx排放明显降低,而在某一给定负荷和转速下,特别是较高负荷时,碳烟排放随着EGR率的增大而加剧。基于NOx和碳烟排放这种关联关系,在不增加比油耗的条件下,在韩国重载柴油机排放标准范围内,不同的柴油机工况的最佳EGR率可以粗略估计。     

H_2-O_2对柴油机颗粒形貌特征的影响

针对柴油机掺烧H2-O2气体(布朗气)前后颗粒排放的变化情况,采用颗粒分级采样装置,对186,F柴油机标定工况下的排气颗粒进行采集.采用扫描电镜(SEM)对等效面积径以及颗粒形貌进行了分析.采用透射电镜(TEM)对颗粒的层面间距、颗粒微晶尺寸等微观结构进行分析,探讨了掺烧H2-O2气体前后颗粒微观结构的变化规律和H2-O2气体对颗粒的作用机理.结果表明:颗粒物的表面形貌主要呈团状、链状、枝状等状态分布;与原机相比,掺烧H2-O2气体后,颗粒多呈链状、枝状分布,颗粒表面的可溶性有机物减少,单位面积内的颗粒数量减少.掺烧H2-O2气体后,颗粒的平均等效面积径有明显降低,降低约71.9%,,颗粒粒径向小粒径方向移动;基本碳粒子层面间距有所增加,说明微晶碳层的面积增大,有利于颗粒氧化过程的进行;颗粒的微晶尺寸有所减小,弯曲度增大,表面微晶结构的有序性减弱.掺烧H2-O2前后颗粒分形维数分别为1.58和1.37,表明掺烧H2-O2气体后,使颗粒的结构紧密程度有所降低.     

正庚烷/正丁醇扩散火焰中碳烟微观结构的演变

基于层流扩散火焰研究了碳烟颗粒的形貌和纳米结构的演变过程.研究的燃料包括正庚烷、正丁醇以及二者的等体积混合物(H50B50).采用热泳探针法采样并使用透射电子显微镜TEM进行样本观测.总体来说,正丁醇火焰中产生的碳烟颗粒尺寸最小,数量也最少,其次是H50B50和正庚烷火焰;在碳烟发展过程中积聚颗粒的分形维数呈现单调递增的趋势.在碳烟生长阶段,微晶长度和曲率会减小,层间距会增大;随后,碳烟石墨化程度增大,微晶长度增大,微晶曲率和层间距减小;在碳烟发展后期,外层大量微晶被氧化,微晶曲率会增大.另外,正丁醇火焰尖端中成熟的碳烟具有最大的微晶长度和曲率以及最小的层间距.     

热老化温度对碳烟氧化活性的影响

由于炽热尾气长时间冲击,柴油机微粒捕集器(DPF)中的沉积碳烟颗粒会发生热老化.本文通过改变惰性气氛下的温度,研究热老化对柴油机碳烟颗粒微观物理化学特性和氧化活性的作用规律.结果表明,随热老化温度的升高,氧化反应特征温度和表观活化能表征的碳烟颗粒氧化活性逐渐降低;氧化活性的降低来源于碳烟颗粒物理化学特性的改变,即微晶尺寸增大,微晶曲率和层间距减小,以A_D1/A_G值表征的石墨化程度提高,而以I_C—H/I_C=C峰高比表征的脂肪族C—H表面官能团相对含量降低.此外,柴油机碳烟颗粒微观结构、表面C—H官能团相对含量与碳烟氧化活性具有良好的相关性,其中微晶曲率对氧化活性影响最大.     

后喷策略下喷油压力对柴油机缸内颗粒物粒径分布和形貌特征的影响

基于全气缸取样平台,运用称重法、发动机粒数粒径测试分析仪(EEPS)和透射电子显微镜(TEM)等手段对采集到的燃烧过程中的颗粒物进行分析处理,研究高压共轨柴油机在后喷策略下,喷油压力对于柴油机燃烧过程中颗粒物粒径分布和形貌特征的影响.实验结果表明:后喷的加入会延长燃烧持续期;当喷油压力由100,MPa上升到120,MPa时,缸内燃烧温度压力升高、燃烧始点提前,预混燃烧在整个燃烧过程中所占比例增大,生成颗粒物粒径分布特征由双峰变为单峰,粒子数密度和碳烟质量浓度均降低,除此之外增大喷油压力还会导致燃烧过程中生成的链状颗粒减少,分形维数增大,同时减小后喷对于燃烧持续期的影响.     

基于改进的详细碳烟模型的柴油燃烧碳烟颗粒物的生成特性

采用改进的详细碳烟模型,耦合了由正庚烷和甲苯组成的混合燃料的简化反应机理.在碳烟模型中,考虑了反应中生成的乙炔类异构体和多环芳香烃前驱物对碳烟颗粒成长过程的影响作用,分别以可视化发动机和单缸柴油机台架试验的结果,对详细碳烟模型预测柴油机碳炯生成和氧化过程的准确性和有效性进行了验证.结果表明,模拟得到的缸内压力、放热率曲线以及着火时刻和试验结果吻合较好,得到的碳烟浓度瞬态二维分布与采用双色法得到的试验结果较为接近,碳烟排放量的模拟值与试验值的变化趋势基本一致,因而本文的详细碳烟模型可较好地预测不同工况条件下柴油机碳烟颗粒排放的变化趋势.同时,采用提出的详细碳烟模型对柴油机内碳烟颗粒数密度和平均尺寸进行数值模拟,研究其在柴油机缸内的变化情况,结果表明,碳烟颗粒的直径在预混燃烧期和急燃期急剧增加,在缓燃期以及燃烧后期收敛于某一稳定值.     

非道路车用柴油机排放颗粒粒径分布特性研究

通过非道路车用柴油机台架试验,利用静电低压撞击器(ELPI)对其排气颗粒粒径分析后发现:非道路车用柴油机排气颗粒物主要集中在粒径为0.05～1μm的累积模式;高负荷、中高转速下颗粒浓度最大,低负荷低转速时粒径尺寸最小;一定转速下,较低负荷时颗粒浓度及粒径都比较小,随着负荷的增加粒径增大.对于非道路车用柴油机,控制微小颗粒生成是控制颗粒物排放的主要研究方向.     

不同海拔下EGR对含氧燃料柴油机性能影响的试验研究

利用大气模拟系统,在81kPa和100kPa的大气环境下,试验研究废气再循环(EGR)对柴油、B15E5燃料动力性、经济性及排放特性的影响。研究结果表明:使用EGR后,柴油机动力性下降较明显,81kPa时转矩的下降幅度高于100kPa时,B15E5燃料在最大转矩转速时动力性下降幅度大,转矩峰值消失。EGR对柴油机的经济性影响不明显,B15E5燃料的经济性差于纯柴油;低负荷工况有EGR时,柴油机燃油消耗率在81kPa时增加,而在100kPa时下降。EGR使柴油机的NOx排放明显下降,随着负荷增大降幅增大。EGR使柴油机的碳烟和CO排放明显增加,B15E5燃料的碳烟和CO排放明显低于纯柴油;81kPa时碳烟和CO排放高于100kPa时。EGR使燃烧温度和压力下降;100kPa时燃烧始点比81kPa提前。     

基于分形理论和热重分析的柴油机颗粒物物理特性研究

应用场发射扫描电镜(FESEM)和热重分析仪(TGA)等仪器及分形理论,研究柴油机高低负荷工况下不同粒径级颗粒物的表观形态及对有机可溶成分(SOF)吸附能力的影响。研究结果表明:高负荷工况下,随粒径级减小,SOF含量从20.31%增长到37.90%。由分形理论计算得到的盒维数亦对应地呈现增大趋势,而在相同粒径级下,由于低负荷工况时吸附较多的SOF使颗粒物粘结更紧密,其盒维数也大于高负荷工况。     

煤基混合燃料对柴油机燃烧与排放特性影响的研究

在一台高压共轨增压中冷柴油机上研究了煤基混合燃料(33%煤炭提取配方,67%-35#柴油)的燃烧与排放特性。结果表明:相比于燃用-35#柴油,燃用煤基混合燃料时柴油机的燃烧滞燃期基本不变,放热率峰值增大,低转速全负荷时最大缸内燃烧压力降低,而在高转速时变化不大;燃用煤基混合燃料时PM_(2.5)排放物质量浓度降低,全负荷工况下PM_(2.5)排放物质量浓度平均降低约15.2%,部分负荷工况下,低负荷时的改善效果最为明显,平均降低约56.3%;燃用煤基混合燃料时NO_x排放物体积分数略有增大。     

发动机燃用柴油和二甲醚时颗粒排放对比研究

采用电子低压撞击仪(ELPI)和HORIBA MDLT-1302部分流稀释采样颗粒排放质量测量系统,研究了2102QB发动机分别燃用柴油和二甲醚(DME)时颗粒排放(PM)的粒径分布及质量排放特性。试验结果表明:发动机燃用柴油时,PM主要是粒径为0.05~0.30μm的积聚态粒子,而燃用DME时则主要为粒径在0.05μm以下的核模态粒子;柴油机PM的颗粒数浓度比燃用DME时高1~2个数量级;随着转速的增加,发动机燃用两种燃料时的PM的颗粒数浓度均增加,DME发动机的质量浓度也增加,但柴油机的质量浓度降低;柴油机排气颗粒数浓度和质量浓度随负荷增加均升高,尤其在高负荷段急剧增加。DME发动机排气颗粒质量浓度随着T_(tq)·exp(n/1000)值的增加而先增加后降低,呈现明显的单峰曲线,且各转速下峰值位置基本相同。除全速低负荷工况外,发动机在部分负荷工况下,燃用DME时PM质量浓度为燃用柴油时的0.44%~16.6%,全负荷工况下为0.44%~0.98%。     

柴油机缸内微粒粒数粒径分布规律的研究

基于柴油机全气缸取样系统,采用商用电子低压冲击仪(ELPI)和透射电子显微镜(TEM),对柴油机燃烧过程中凝聚微粒的粒数浓度、粒径分布和基本碳粒子的粒径分布进行了研究.研究结果表明,凝聚微粒粒数浓度随曲轴转角呈单峰状分布,峰值出现在上止点后14～18℃A,燃烧后期约70%以上的微粒粒数被氧化燃烧;凝聚微粒粒数、粒径呈类似对数正态分布,频度最大值出现在100～200 nm.构成凝聚微粒的基本碳粒子粒径呈高斯分布,最大值出现在15～30 nm,平均粒径为19.7～29.7 nm,且在上止点后12～15℃A出现最大值.