含氧燃料顆粒狀態(tài)特征及前驅(qū)體形成機(jī)理研究.pdf

1、顆粒物污染是我國(guó)最主要的大氣污染之一，汽車顆粒排放已成為大氣可吸入顆粒物的主要來(lái)源，嚴(yán)重危害人類健康。內(nèi)燃機(jī)燃用清潔含氧代用燃料，不僅可以部分替代石油，同時(shí)能夠降低排放污染物。
　　論文針對(duì)乙醇、二甲醚(DME)、碳酸二甲酯(DMC)和生物柴油等含氧燃料，圍繞前驅(qū)體的形成機(jī)理、中間燃燒產(chǎn)物形成過(guò)程、顆粒的氧化特性及結(jié)構(gòu)特征等方面，采用同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜、熱重分析、掃描/透射電鏡、小角X射線散射、臺(tái)架試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法，測(cè)

2、量了中間及最終燃燒產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度，對(duì)苯、萘、菲、芘等重要前驅(qū)體物質(zhì)的形成過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了燃料分子結(jié)構(gòu)和含氧量對(duì)顆粒氧化特性以及顆粒微觀結(jié)構(gòu)、粒徑分布、分形維數(shù)等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的影響規(guī)律，提出了顆粒數(shù)的測(cè)量方法。
　　根據(jù)碳?xì)淙剂系娜紵攸c(diǎn)，在總結(jié)苯環(huán)形成路徑和芳香烴生長(zhǎng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含芳香烴(PAHs)生成過(guò)程的乙醇、DME、DMC和乙醇/正庚烷化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，采用激波管、預(yù)混火焰

3、和內(nèi)燃機(jī)反應(yīng)模型，運(yùn)用生成速率和敏感性分析方法，對(duì)PAHs的形成過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明，丙炔基聚合環(huán)化反應(yīng)是形成苯環(huán)的主要路徑，脫氫加乙炔促進(jìn)了苯環(huán)的生長(zhǎng)，H和OH自由基消耗了生成的PAHs。對(duì)于第三體“M”參與的反應(yīng)，燃用乙醇可以抑制PAHs的形成，燃用DME對(duì)PAHs的形成影響不大，燃用DMC可以促進(jìn)PAHs的形成。乙醇/正庚烷缸內(nèi)燃燒過(guò)程中，PAHs主要在缸內(nèi)溫度急劇升高的階段形成，正庚烷和正丙基的分解反應(yīng)抑制了菲和芘的生成

4、，增加乙醇摻混比例可以減小PAHs的生成速率和循環(huán)生成量。
　　采用同步輻射光電離質(zhì)譜與光電離效率譜相結(jié)合的方法，確定了乙醇/正庚烷層流預(yù)混火焰中的最終燃燒產(chǎn)物以及乙炔、乙烯、丙炔基、甲醛、乙醛等中間燃燒產(chǎn)物，研究了不同當(dāng)量比和乙醇摻混比條件下，中間及最終燃燒產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。測(cè)量結(jié)果表明，H2、CO的摩爾分?jǐn)?shù)隨著當(dāng)量比的增加而增加，隨著乙醇摻混比例的增加，甲醛和乙烯酮等非常規(guī)污染物的摩爾分?jǐn)?shù)下降，而乙醛的摩爾分?jǐn)?shù)增加。通過(guò)

5、分析乙醇中氧原子的遷移路徑，確定了乙醇中的燃料氧一部分進(jìn)入了最終燃燒產(chǎn)物H2O中，一部分進(jìn)入了甲醛和乙醛中。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出摻混乙醇增加了火焰中含氧自由基的濃度，能夠顯著降低苯、乙炔、乙烯和丙炔基等前驅(qū)體物質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)的觀點(diǎn)。
　　采集乙醇/柴油、DMC/柴油和生物柴油/柴油的燃燒顆粒，采用熱重分析的方法，測(cè)量了顆粒的TG和DTG曲線，確定了顆粒脫水干燥、揮發(fā)分析出和燃燒、碳煙燃燒三個(gè)失重階段，提出采用起始失重/析出/燃燒溫度

6、、最大失重速率和對(duì)應(yīng)溫度、活化能等參數(shù)評(píng)價(jià)顆粒的氧化特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著燃料含氧量的增加，碳煙的百分比減小，揮發(fā)性有機(jī)物的百分比增大。增加燃料的含氧量，揮發(fā)性有機(jī)物的起始燃燒溫度TSOF2降低、碳煙的起始燃燒溫度Tsoot升高、最大失重速率增加、顆粒的活化能下降。根據(jù)乙醇、DMC和生物柴油的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出含氧基團(tuán)促進(jìn)了C-C和C-H鍵的斷裂，是碳煙中元素碳比例減少的主要原因;此外，縮短碳鏈長(zhǎng)度可以增加顆粒表面吸附的含氧基團(tuán)，從而

7、促進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)物的燃燒。
　　在YZ4DB3柴油機(jī)上，采集了燃用乙醇/柴油的示功圖，分析了燃燒過(guò)程的變化規(guī)律，探討了燃燒過(guò)程與顆粒氧化特性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，摻混乙醇的滯燃期延長(zhǎng)、燃燒持續(xù)期縮短;小負(fù)荷時(shí)表現(xiàn)為擴(kuò)散燃燒的放熱率峰值升高，大負(fù)荷時(shí)表現(xiàn)為預(yù)混燃燒的放熱率峰值升高。摻混含氧燃料通過(guò)影響燃燒過(guò)程以及中間和最終燃燒產(chǎn)物的形成過(guò)程，改變了顆粒特性，使得燃燒顆粒的粒徑減小、有機(jī)物組分的比例增加、基本碳粒子內(nèi)部無(wú)序結(jié)構(gòu)減少、團(tuán)聚

8、程度提高、顆粒的活化能下降。
　　采用掃描/透射電鏡、同步輻射小角X射線散射的試驗(yàn)方法，考察了乙醇/柴油、DMC/柴油和生物柴油/柴油的顆粒形貌，研究了基本碳粒子的無(wú)序和內(nèi)核-外殼微觀結(jié)構(gòu)，探討了燃料分子結(jié)構(gòu)和含氧量對(duì)顆粒粒徑分布、界面厚度和分形維數(shù)等尺度參數(shù)的影響規(guī)律，提出了根據(jù)拐點(diǎn)和弧長(zhǎng)個(gè)數(shù)確定團(tuán)聚顆粒中單個(gè)顆粒個(gè)數(shù)的計(jì)算方法。研究表明，基本碳粒子的粒徑呈高斯分布，粒徑范圍在14～45nm之間，平均層面間距在0.32～0.44