柴油及含氧混合燃料燃燒碳煙微觀形貌與結(jié)構(gòu)特性研究.pdf

1、內(nèi)燃機運行產(chǎn)生的碳煙顆粒與燃燒效率緊密相關，也是空氣污染的重要來源。燃燒碳煙生成機理與碳煙顆粒詳細結(jié)構(gòu)特性在燃燒學和內(nèi)燃機領域研究一直受到重點關注。隨著內(nèi)燃機技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛排放法規(guī)日趨嚴格，內(nèi)燃機的燃燒過程發(fā)生了明顯變化，燃燒生成碳煙顆粒超細化程度增加，對應理化特性隨之改變。人們對燃燒生成碳煙顆粒微觀形貌與結(jié)構(gòu)特性的認識還有許多不足，對碳煙顆粒特殊形貌的形成機制、生成機理和影響因素的研究在許多環(huán)節(jié)存在缺失，有待進一步驗證和探索。因

2、此，研究柴油和摻混含氧燃料的混合柴油燃燒生成碳煙的微觀形貌與結(jié)構(gòu)特性，探討不同燃燒環(huán)境條件對碳煙顆粒形貌和碳煙生成的影響，尋求降低燃燒碳煙排放策略，有著十分重要的理論和實際意義。
　　本文研究的主要目標是探索高溫高壓環(huán)境下柴油及摻混含氧燃料燃燒過程中碳煙顆粒微觀形貌結(jié)構(gòu)特性、碳煙形貌結(jié)構(gòu)形成過程的基本規(guī)律和重要影響因素，揭示柴油機運行工況，燃燒環(huán)境以及含氧燃料對碳煙顆粒微觀形貌與結(jié)構(gòu)特性的影響和相應變化規(guī)律，提出基于透射電鏡的燃燒

3、碳煙顆粒形貌分析技術(shù)的研究方法。
　　首先歸納了基于透射電鏡的碳煙樣本采樣、制樣、觀測和分析的原理和方法，提出了燃燒生成碳煙顆粒宏觀、整體、局部、微觀多個尺度下的主要形貌特征參數(shù)的計算方法和不同參數(shù)之間的內(nèi)在關聯(lián)。
　　基于高壓定容燃燒彈裝置，設計了噴霧火焰碳煙顆粒采樣裝置，實現(xiàn)對定容彈不同環(huán)境下柴油和含氧燃料摻混柴油單束噴霧火焰進行軸向和徑向多點碳煙同步采樣，利用高分辨透射電鏡對碳煙顆粒樣本進行觀測、統(tǒng)計和分析。研究了噴霧

4、火焰中碳煙顆粒的微觀形貌與結(jié)構(gòu)特性，歸納了噴霧火焰內(nèi)部碳煙顆粒的形貌分布規(guī)律，探討了相關影響因素。研究結(jié)果表明，火焰中碳煙顆粒主要以基本顆粒和小積聚顆粒的形式存在，平均粒徑小于80nm。噴霧火焰內(nèi)部碳煙積聚反應主要受到碳煙濃度和環(huán)境溫度的影響，碳煙的積聚化程度隨著燃燒反應的進行不斷增長。碳煙濃度在噴霧火焰中心位置處濃度最高，在火焰外圍濃度相對較低。碳煙的數(shù)量、質(zhì)量、粒徑及結(jié)構(gòu)與噴霧火焰燃燒發(fā)展過程緊密相關，變化趨勢會隨著燃燒環(huán)境發(fā)生偏移

5、。柴油中摻混丁醇燃料會延長噴霧火焰的滯燃期，縮短燃燒持續(xù)期，丁醇柴油噴霧火焰中碳煙顆粒的數(shù)量密度和質(zhì)量遠小于純柴油噴霧火焰，摻混丁醇有效抑制了噴霧火焰中的碳煙生成。由于生物柴油的理化性質(zhì)與柴油較為接近，摻混生物柴油對噴霧火焰中碳煙形貌結(jié)構(gòu)的影響小于摻混丁醇燃料。
　　分別基于非增壓單缸柴油機和電控高壓共軌渦輪增壓多缸柴油機，進行不同運行工況下尾氣中碳煙顆粒采樣、透射電鏡觀測和形貌結(jié)構(gòu)分析。結(jié)合柴油機燃燒放熱特性，研究了尾氣中碳煙的

6、形貌分布特性，比較了尾氣碳煙顆粒與噴霧火焰碳煙顆粒的主要形貌結(jié)構(gòu)差異，探究不同燃料（柴油、含氧混合燃料）、不同運行工況（負荷、噴油策略）對柴油機尾氣中碳煙微觀形貌與結(jié)構(gòu)特性的影響。研究結(jié)果表明，尾氣中碳煙顆粒主要以大積聚顆粒的形式存在，積聚化程度高，有著復雜的分形結(jié)構(gòu)。摻混丁醇使柴油機的燃燒過程發(fā)生明顯改變，尾氣中碳煙的質(zhì)量和數(shù)量濃度明顯減少。摻混丁醇后內(nèi)燃機尾氣碳煙顆粒的基本顆粒直徑趨于減小，積聚顆粒的維數(shù)趨于降低，粗顆粒的數(shù)量大大減