铁基燃油添加剂对柴油机颗粒物排放与荷电特性的影响研究

发布时间：2020-03-26 06:45

【摘要】：柴油机排气中微纳米颗粒物质量与数量浓度较高,是危害大气环境与人类健康的诱因之一。优化缸内燃烧过程与应用后处理装置虽然可以大幅降低柴油机颗粒质量排放,但是对超细纳米颗粒数量排放的控制效果并不十分有效。本文研究基于荷电凝并理论,通过外接高压电源对柴油机排气中颗粒进行正负极性荷电,提升颗粒在电场内碰撞凝并效率,将细小颗粒凝并成较大粒径颗粒,在不改变现有柴油机颗粒捕集器结构参数的情况下,在降低排气颗粒数量的同时提高颗粒捕集器的捕集效率。通过台架试验和颗粒采样研究铁基燃油添加剂(Fe-Fuel Borne Catalyst,Fe-FBC)含量对柴油机颗粒粒径、微观结构与官能团等理化特性的影响,按质量比为100 mg/kg、200 mg/kg和300 mg/kg向国V柴油中加入Fe-FBC制备出Fe100、Fe200、Fe300三种混合燃油,利用发动机粒径谱仪(Engine Exhaust Particle Size,EEPS)分析仪研究不同Fe-FBC含量对颗粒粒径的影响。结果表明:柴油机燃用Fe-FBC燃油时,排气颗粒粒径分布向小粒径方向偏移,颗粒总数量浓度有所增加;通过扫描电镜观察颗粒发现,纯柴油颗粒样品呈现团簇状结构,Fe300燃油颗粒样品存在更多的链状结构;基于分形理论计算出颗粒的计盒维数,发现Fe300燃油颗粒的计盒维数更小,表明其内部碳粒子聚合效应减小,团聚程度减弱。自制双极荷电凝并装置并搭建出颗粒荷电试验台,燃油选用纯柴油与三种Fe-FBC燃油,柴油机颗粒荷电电压分别设定为0、5、10、15和20 kV,采用离子水溶液捕集柴油机排气颗粒并用电位仪测量分析颗粒表面Zeta电位与电荷量。结果表明:提高荷电电压能够显著增加颗粒Zeta电位和电荷量;随着荷电电压从0 kV增加到15 kV,颗粒的Zeta电位值与电荷量增加最明显,荷电电压为15 kV时,四种燃油的颗粒表面电荷量达到最大值;相比于纯柴油,Fe-FBC加入燃油中能够明显提升排气颗粒的Zeta电位和电荷量,当负极荷电电压为15 kV时,Fe100、Fe200与Fe300燃油颗粒表面电荷量与纯柴油相比分别增加了3.23、7.54和11.67倍。在柴油机台架上采用EEPS分析了荷电电压对排气颗粒粒径分布与凝并效率的影响。结果表明:随着荷电电压增加,柴油机排气颗粒粒径向大粒径方向偏移,当荷电电压为20 kV时,纯柴油颗粒峰值浓度粒径从60.4 nm增加到69.8 nm,Fe300燃油颗粒峰值浓度粒径从10.8 nm增加到19.1 nm,峰值处数量浓度降低41.1%;当荷电电压为20 kV时,燃用纯柴油的排放颗粒总数量浓度降低,燃用纯柴油排放颗粒的凝并效率达到最大值21.5%;此外,颗粒内含有Fe元素能够明显提升颗粒的凝并效率,在荷电电压为20 kV条件下,纯柴油与Fe300燃油核模态颗粒的凝并效率分别为29.2%和35.4%。荷电凝并耦合DPF开展台架试验,研究DPF对柴油机颗粒捕集效率的变化规律。结果表明:荷电凝并技术能够改善DPF对小粒径颗粒的捕集效率,在颗粒粒径处于6.04~12.4 nm处,DPF对纯柴油与Fe300燃油颗粒的原始捕集效率为35.1%和39.6%;当荷电电压为20 kV时,DPF在上述粒径范围内两种燃油颗粒的数量捕集效率分别增加12.2%和23.8%;荷电电压与Fe-FBC均可以提升DPF质量捕集效率,两者耦合作用可以显著降低排气颗粒的数量与质量排放。
【图文】：

图 1.1 中国车用柴油机各阶段排放法规标准Fig.1.1 China all stages emissions regulation of automotive diesel engine.着柴油机缸内燃烧技术不断的升级和优化，柴油机颗粒物排放粒布范围大部分分布在 5~100nm之间[10-12]，捕集超细颗粒物成为当前。DPF采用壁流式方式捕集颗粒，颗粒粒径越小其捕集效率会越低级超细颗粒物捕集效果很差。现今DPF厂家多采用增加孔数量和降略来提高对纳米级颗粒的捕集效率，但是此举措不但会增加DPF的且会提升柴油机排气压力从而导致发动机工况恶化[13]。在不改变D提下，实现对纳米级颗粒更高效率捕集成为一个新的研究方向。油添加剂研究现状油添加剂应用

图 2.1 线式电极电晕放电原理图Fig.2.1 Schematic diagram of corona discharge with linear electrode电晕放电形式较多，根据高压电极与接地极结构可以分为针板式、线式电晕放电，各放电形式通过改变电极的形状、布列形式和极板间距电晕放电特性的调整。此外，根据所携带高压电场极性可以将电晕放电晕放电与正极电晕放电。负极电晕放电依靠直接向局部区域释放高过电子能量冲击气体分子实现放电；正极电晕放电则依靠极强电场分子外围电子吸入电极，剩余下正离子削弱电极周围电场，相比于负，正极电晕放电产生离子浓度较低，放电电流较小。 放电特性影响因素电晕放电的稳定性决定电极对颗粒的荷电效率，当电极稳定释放出大油机排气中会形成均匀的离子风场，，对排气中的颗粒荷电有明显的
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK421.5

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本文编号：2601107