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.     

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...     

柴油机运行工况对排气管内碳烟尺寸的影响

改变柴油机运行工况,采集排气管内碳烟颗粒,通过透射电镜对碳烟颗粒进行观测,拍摄碳烟颗粒形貌图片,采用Image-ProPlus软件统计分析碳烟颗粒的平均投影面积(A)、平均回转半径(R_g)、包含基本碳粒子的平均数(N_p)以及基本碳粒子的平均粒径(d_p)等特征参数,得到碳烟颗粒的分形维数.研究发现:改变柴油机负荷对排气管内的碳烟颗粒尺寸的影响要远大于改变转速带来的影响.转速不变时,随着负荷的增大,A、Rg、N_p和d_p均呈"v"型变化趋势,分形维数呈上升趋势;负荷不变时,随着转速的增大,A、R_g、N_p、d_p小幅度上升,分形维数基本不变.     

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.     

国-Ⅲ柴油机生物柴油颗粒排放特性研究

以柴油机颗粒物粒径分布特性为研究重点,在国-Ⅲ高压共轨柴油机上针对不同混合比的生物柴油与柴油混合燃料的颗粒物排放特性进行了研究.试验结果表明,共轨柴油机的颗粒物数量排放一般为双态分布(核态和聚集态),基本以50 nm为分界线.随着负荷的增加,颗粒粒径分布由单态分布转化为双态分布.这是由于排气中的SO2被催化器氧化为SO3后,进一步形成了微小的硫酸颗粒.在2 000 r/min的高低负荷,生物柴油混合燃料的颗粒粒径分布存在明显的不同.试验结果表明,燃料硫含量对柴油机核态颗粒的形成具有直接的影响.而生物柴油混合燃料内部舍氧,可明显降低聚集态颗粒排放数量.聚集态计算颗粒质量可有效反映舍氧燃料对碳烟的氧化作用,也间接表明了柴油机聚集态颗粒以碳烟为主.     

柴油机碳烟缸内氧化特性的研究

测量了缸内碳烟基本粒子粒径分布、纳观结构参数,计算了柴油机燃烧过程中碳烟颗粒氧化速率．采用拉曼光谱分析了碳烟颗粒石墨化程度与纳观结构参数的关系．结果显示,基本粒子纳观结构参数与发动机运行工况有关,且在燃烧过程中是变化的,并对碳烟颗粒的氧化活性存在影响,其中主要是微晶长度的影响．缸内碳烟实测氧化速率与Nagle／Stri...     

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.     

凝并作用下火灾烟颗粒粒径分布及变化

预测火灾烟颗粒粒径分布特征参数的动态变化可实现探测系统对环境参数响应的动态模拟.顶棚烟气输运中,烟颗粒的布朗凝并是改变粒径分布的主要过程,应用矩方法求解布朗凝并作用下对数正态颗粒粒径分布的烟颗粒非线性凝并方程,得到随燃烧变化的凝并速率下粒径分布特征参数随时间的计算结果.正庚烷试验火烟颗粒分布的计算预测值与实验测量值相近,结果表明,在烟雾浓度快速上升阶段,烟颗粒凝并造成颗粒浓度损失不明显,几何平均粒径变化很小,而燃烧基本结束后,烟颗粒数密度衰减很快.     

CO_2添加对碳烟生成及其尺寸分布的影响

基于颗粒群演化的模拟理论方法,构建了一维稳态层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型.通过耦合含有生成芘分子(A4)的详细化学反应机理,并采用蒙特卡洛(Monte Carlo)随机算法求解颗粒群平衡方程获得碳烟颗粒动力学演变尺寸分布信息.在此基础上,详细分析了层流预混火焰中二氧化碳添加对碳烟颗粒物尺寸分布的影响.结果表明:添加二氧化碳降低了碳烟颗粒成核速率,使得小粒径碳烟颗粒数密度减小;同时,添加二氧化碳减弱了碳烟颗粒表面生长速率,以及提高了OH和O2浓度而加速了碳烟的氧化反应,使得大粒径碳烟颗粒数密度降低.CO2添加对碳烟颗粒生成起到了一定抑制作用.     

柴油轿车NEDC循环的颗粒排放特性

以一台轻型柴油轿车为试验样车,采用颗粒数量及粒径分析仪对轿车NEDC循环的排气颗粒进行测试,研究其排气颗粒数量、粒径分布和几何平均粒径.结果表明:车辆加速阶段,总颗粒数密度增大且出现峰值;车辆减速阶段,总颗粒数密度先出现一个波峰,然后急剧下降,这在EUDC循环最后期的减速区域尤为明显.UDC首个循环单元的初始怠速工况下,核态颗粒数密度高于聚集态颗粒.暖机后的UDC和EUDC循环单元内,等速工况的聚集态颗粒数密度普遍高于核态颗粒.加速阶段,聚集态颗粒和核态颗粒数密度均有所升高.减速阶段,聚集态颗粒数密度降低,但核态颗粒数密度却有所升高且占主导地位,其数量分数大都在80%以上.UDC首个循环单元的单位里程颗粒数量排放最高,其余3个市区循环基本相同,而EUDC循环的单位里程排放颗粒数则明显低于UDC循环.NEDC每个循环单元的颗粒粒径均呈准正态分布,峰值粒径都出现在50～60,nm范围内.整个NEDC循环的颗粒几何平均粒径,最大为怠速工况时的55,nm,最小为减速工况时的37,nm.     

柴油机缸内碳烟颗粒形成过程与尺寸分布特性

采用了唯象的半经验碳烟排放模型,考虑了碳粒成核、表面成长、凝结和氧化的基本过程,模拟计算了柴油机缸内燃烧条件下缸内碳烟形成过程中的活性基核、碳粒核的生成规律及碳粒尺寸分布规律,并对碳烟排放进行了分析。计算结果表明:燃烧温度和混合物当量比对初始碳核的生成有很重要的影响,碳核粒子首先在活塞凹坑底部的浓混合区域生成,随燃烧的扩散过程,燃烧室中心位置和凹坑唇边挤流区相继出现较高浓度的基核,但存在浓度相位差,缸内不同位置生成碳粒数量和尺寸分布是不同的,不同尺寸范围的碳粒数量和质量之间存在对应关系。     

甲烷/空气扩散火焰中碳烟颗粒的三维形貌演变

采用热泳取样技术获取了甲烷/空气扩散火焰中不同高度的碳烟颗粒,并通过原子力显微镜研究了碳烟颗粒的三维形貌随火焰高度变化的演变规律.研究所选高度下碳烟微粒的三维形貌反映出了碳烟微粒在扩散火焰中形成的各个过程,即成核、表面生长、团聚和氧化.当火焰高度HAB从30,mm增加到45,mm时,单碳烟粒子平均粒径从8.72,nm增加到11.36,nm;当HAB45,nm时,单碳烟粒子平均粒径逐渐降低;单碳烟粒子的球度比主要分布在0.01~0.30之间,表明这些碳烟粒子的碳化程度较低,呈类液态;球度比随着颗粒体积当量直径的增加而增加,且随着HAB的增加球度比随体积当量直径的增加速率变快,说明单碳烟粒子碳化程度与颗粒大小和火焰高度相关.     

基于Monte-Carlo算法的燃烧过程碳烟颗粒生成特性

基于颗粒群平衡模拟的理论方法,建立描述碳氢燃料碳烟颗粒群尺寸分布函数演变过程的颗粒群平衡方程,将已有的详细化学反应机理和基于颗粒群平衡理论的碳烟模型进行耦合,采用直接模拟Monte-Carlo算法求解系统中的颗粒群平衡方程,获得燃烧过程中碳烟颗粒群尺寸分布函数的时空演变过程详细信息,同时模拟颗粒群成核、表面生长、凝并和氧化等多个动力学事件演变过程,分析颗粒数浓度、碳烟体积分数和最大颗粒数对颗粒物形成过程的影响规律,以及燃烧过程中颗粒粒径分布特性.     

柴油喷雾火焰中碳烟颗粒形貌及纳观结构特性

在定容燃烧弹内模拟柴油机上止点工作环境,进行喷雾燃烧试验.在环境氧体积分数为15%和21%时,用热泳探针在喷雾火焰不同轴向位置进行碳烟采样,用高分辨透射电镜(HRTEM)对样本进行观测和分析,研究不同环境氧体积分数对柴油碳烟颗粒形貌与纳观结构的影响.结果表明:环境氧体积分数从21%降低到15%,碳烟基元颗粒的氧化过程受到抑制,基元颗粒平均直径和团聚物回转半径增大,微晶碳层片段长度减小,扭曲度增加,基元颗粒石墨化程度降低;在同一氧体积分数下,随着采样位置远离喷孔,基元颗粒直径和团聚物回转半径减小,微晶碳层片段长度增加,扭曲度降低,基元颗粒石墨化程度增加.     

典型生物质剪切破碎生成颗粒的形状特征

借助光学显微镜和Image J图像处理软件,运用统计方法和分形理论对芦苇、稻秆、豆秸及松木4种生物质经剪切破碎后的颗粒的形状特征进行研究.结果发现:随着粒径的减小,生物质颗粒的长宽比及不同生物质颗粒长宽比之间的差异均变小.芦苇、稻秆、豆秸及松木4种生物质颗粒粒度为0.180～0.425mm时,平均长宽比分别为9.82、9.00、7.01和3.01,差异较大;粒度为0.096～0.125mm时,平均长宽比较接近,分别为2.42、2.70、2.59和2.49.4种生物质颗粒具有分形特性,在所研究的粒径范围内,分形维数处于0.8 ～0.9之间,且4种颗粒的分形维数随颗粒粒径的减小表现出减小趋势,但是松木颗粒的变化相对较小.     

柴油机颗粒物热重参数优化选择及其氧化特性研究

探究了柴油机颗粒物中可溶有机成分(soluble organic fraction,SOF)及热重参数对碳烟氧化特性的影响,并基于Coats-Redfern算法得到不同升温速率下碳烟的氧化动力学参数。研究结果表明:在碳烟缓慢氧化阶段,柴油机颗粒中SOF组分阻碍了碳烟氧化反应的进行,而脱SOF后碳烟比表面积增大,更利于氧化反应的进行。与脱SOF前相比,脱SOF后相应的氧化特征温度均有所降低,因而颗粒物去除SOF后的热重试验更能反应碳烟的氧化动力学特性。通过比较试验,确定进样量、工作气流量和升温速率等热重参数的优化取值,其中升温速率对碳烟氧化燃烧反应的影响显著。随着升温速率增大,碳烟氧化反应出现滞后现象,其特征温度升高且最大失重率峰值降低,而升温速率对碳烟热解程度和氧化反应温度区间大小无明显影响。通过对比分析,低升温速率(3℃/min)条件下扩散控制可以忽略不计,氧化特征温度重复性最好。不同升温速率下碳烟燃烧反应动力学参数活化能E和指前因子A之间存在动力学补偿效应,E与A均随升温速率的降低而减小。     

柴油机颗粒过滤器工作过程中捕集颗粒物的试验研究

对柴油机颗粒过滤器(diesel particulate filter,DPF)进行了颗粒物(particulate matter,PM)在线捕集试验。通过发动机废气排放颗粒物粒径谱仪EEPS-3090分析了DPF对不同粒径PM的捕集特性;通过扫描电镜仪和热重分析仪探究了DPF前后端PM的堆积形貌及氧化特性。研究结果表明:DPF对大粒径颗粒物的捕集效果优于小粒径颗粒物,聚集态颗粒物基本被DPF完全拦截;DPF孔道过滤壁面的深层碳烟减小了微孔孔径,随着采样时间的增加,DPF对PM的捕集率升高。柴油机排气流经DPF后,逃逸出少量PM,以核态颗粒物为主。与DPF前端相比,后端PM的挥发性组分含量升高,元素碳的含量下降,氧化活性增强。     

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。     

DPF主动再生过程颗粒排放特性试验

通过柴油发动机台架,采用后喷助燃的再生方式研究了主动再生过程中柴油机颗粒捕集器(DPF)出口的颗粒排放特性.结果表明:在主动再生期间,DPF出口颗粒浓度可增加2~3个数量级;在升温过程和再生过程,出口颗粒物数量浓度和粒径分布会因为碳载量和再生温度的共同作用而表现出差异;升温过程中,10 nm左右核模态颗粒物的排放主要由来流中颗粒物的穿透引起;再生过程中,10 nm左右核模态颗粒物的排放主要由碳烟颗粒层氧化反应生成的二次颗粒逃逸引起;整个再生期间,100 nm左右的积聚态颗粒物的排放主要由DPF载体内碳烟颗粒的逃逸引起.     

不同环境下喷雾燃烧碳烟演化历程的数值模拟

针对柴油发动机在不同负荷下碳烟排放特征的演变和发展,依据ECN喷雾定容燃烧实验中碳烟的测量数据,基于OpenFOAM开源软件喷雾燃烧求解器,耦合半经验现象学碳烟预测模型．通过Φ-T关系图呈现环境因素改变对碳烟形成及氧化各阶段的影响,分析各子过程的分布区域和演化规律,进而提出环境条件对碳烟生成及演化历程的影响机制．研究结果表明：现象学模型本身能够较好地反映碳烟的分布情况．碳烟生长主要发生在当量比Φ>3区域;而碳烟发生氧化的区域,也是OH主要分布的区间,大多位于当量比Φ<2的位置．环境温度和密度的增加初期促进了碳烟的成核,加剧了颗粒的聚并速率,使得颗粒数显著下降;而环境氧体积分数的增加抑制了碳烟颗粒数的增长和聚并速率,使碳烟整体尺寸趋于小尺寸、高密度的分布情况．