基于分形理论的甲醇/柴油燃烧颗粒微结构研究
发布时间：2021-01-18 06:23
采用同步辐射小角X射线散射（small-angle x-ray scattering,SAXS）技术,研究了柴油机燃用不同甲醇掺混比例（0、5%、15%）的甲醇/柴油混合燃料（分别记为M0、M5和M15）时颗粒的微结构。通过对散射强度和散射矢量进行不同变换和处理,结合分形理论和小角散射理论,得到了颗粒的空间结构、表面形态及团粒间隙和尺寸等参数。研究结果表明:与柴油燃烧颗粒相比,随着燃料中甲醇掺混比例增大,燃烧颗粒中的电子密度差逐渐增大,颗粒的尺寸减小;颗粒表面较为粗糙无序;M0、M5、M15的团粒间隙分别主要分布在57nm、810nm、1113nm,团粒间隙的尺寸和数量呈上升趋势;团粒间隙分维数与团粒尺寸呈正相关,掺混甲醇后随着颗粒团粒尺寸的增大,颗粒的分布越松散,团粒结构越不稳定。
【文章来源】：内燃机工程. 2016,37(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图２二维小角散射系统的试验现场
２θ）转化成散射矢量ｑ，即：ｑ＝４π（）λｓｉｎθ（２）式中，λ为入射线波长。散射步进或散射角与发生散射的结构体尺寸Ｌ也存在一定关系，如式（３）所示。Ｌ＝２π／ｑ（３）所以，结构体越小，散射角越大，对应的散射矢量越大。因此，对Ｉ（ｑ）－ｑ进行不同的变换和处理，结合分形理论和小角散射理论，可得到样品的回旋半径、团粒间隙数量和尺寸分布等参数信息，对柴油机燃烧颗粒的微结构进行描述。团粒间隙数量和尺寸分布能够定量描述颗粒的分布状态，如图３所示，计算时不考虑团粒间隙之间的相互作用，并假设团粒间隙近似为球形。根据小角散射理论，当散射体系是由稠密的粒子组成，并且其团粒间隙可以看成为形状相似、大小均匀的稀薄体系，则该体系的小角散射强度［８］可以表示为Ｉ（ｑ）＝４π（）３２Ｎ０Δρ２∫∞０ｆ（Ｒ）Ｒ６Ｆ２（ｑ，Ｒ）ｄＲ（４）Ｆ（ｑ，Ｒ）＝ｓｉｎ（ｑＲ）－ｑＲｃｏｓ（ｑＲ）（ｑＲ）３（５）式中，Ｒ为散射粒子半径；Δρ为散射粒子电子密度差；Ｆ（ｑ，Ｒ）为单粒子形状因子；ｆ（Ｒ）为散射粒子的尺寸分布；Ｎ０为单位体积内散射粒子总数量。则半径为Ｒ的团粒间隙数量分布Ｎ（Ｒ）＝Ｎ０ｆ（Ｒ）。由小角散射理论［９］推导可得到：ｌｇＩ＝ｌｇＫ０－４π２×Ｒｇ×ｌｇｅ３λ（）２×ε２（６）Ｒｇ＝４．１５９×１０－３ｔａｎθ（７）式中，Ｋ０为散射系数；λ为波长；ｔａｎθ为ｌ
现，随着燃料中甲醇掺混比例增加，散射曲线的凸起区域向高ｑ值偏移，在低ｑ值区域散射强度增加，Ｍ１５的散射强度最强。这说明随着燃料中甲醇掺混比例的增大，颗粒中电子密度差逐渐增大，颗粒之间的统计平均距离增大，颗粒尺寸减校这主要是因为：一方面，甲醇在燃烧过程中易裂解生成较多的挥发性物质，在排气稀释过程中挥发性物质更容易达到饱和状态［１１］；另一方面，由于甲醇中含量氧高，含量碳较低，与柴油相比在燃烧过程中Ｃ、Ｈ易与氧发生反应，使颗粒裂解生成大量几何尺寸较小的颗粒。图４小角散射图像图５小角散射强度曲线３．２颗粒的表面形态分析柴油机燃烧颗粒是具有自相似性的堆积结构。对测量得到的小角散射强度Ｉ与散射矢量ｑ分别取自然对数，得到散射对数曲线如图６所示，其斜率为ｄ。如果计算所得的ｄ值满足１≤－ｄ＜３，则为质量分形（孔分形）；如果３＜－ｄ＜４，则为表面分形，Ｄｓ＝６－ｄ，从而确定散射体的分形维数。从图５中可以看出，散射对数曲线存在线性区域，在低ｑ值区域没有出现直线，说明不存在Ｇｕｉｎｉｅｒ区，该类型散射体系属于散射体不均一体系，在某一尺寸上存在分形结构，根据文献［１２］的研究，该类型散射体在每个线性区域内分别对应一个分形结构范围。根据曲线的线形关系，将散射曲线分为Ｄ１和Ｄ２两个区域，即存在双分形规律，这种双分形规律也进一步说明了柴油机燃烧颗粒是具有自相似性的堆积结构。Ｍ０、Ｍ５和Ｍ１５的燃烧颗粒的分形维数与分形特征如表１所示。结果显示：随着燃料中甲醇掺混比例的增加，燃烧颗粒的Ｄ１区域分形维数小于Ｄ２区域；从质
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳烟微观结构的小角X射线散射分析[J]. 王向丽,王忠,倪培永. 内燃机工程. 2013(02)
[2]热损伤奥克托金（HMX）缺陷的X射线小角散射研究[J]. 闫冠云,田强,黄朝强,顾小敏,孙光爱,陈波,黄明,聂福德,柳义,李秀宏. 物理学报. 2012(13)
[3]甲醇在柴油机上应用的技术进展[J]. 姚春德. 中外能源. 2009(11)
[4]同步辐射X射线小角散射法研究纳米ZnO和Fe2O3颗粒在分散介质中的尺寸和形态[J]. 汪冰,荆隆,丰伟悦,邢更妹,王萌,朱墨桃,欧阳宏,赵宇亮,吴忠华. 核技术. 2007(07)
[5]生物柴油在柴油机中的应用研究[J]. 葛蕴珊,张世鹰,郝利君,吴思进,孔林河. 内燃机工程. 2004(02)
本文编号：2984453
【文章来源】：内燃机工程. 2016,37(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图２二维小角散射系统的试验现场
２θ）转化成散射矢量ｑ，即：ｑ＝４π（）λｓｉｎθ（２）式中，λ为入射线波长。散射步进或散射角与发生散射的结构体尺寸Ｌ也存在一定关系，如式（３）所示。Ｌ＝２π／ｑ（３）所以，结构体越小，散射角越大，对应的散射矢量越大。因此，对Ｉ（ｑ）－ｑ进行不同的变换和处理，结合分形理论和小角散射理论，可得到样品的回旋半径、团粒间隙数量和尺寸分布等参数信息，对柴油机燃烧颗粒的微结构进行描述。团粒间隙数量和尺寸分布能够定量描述颗粒的分布状态，如图３所示，计算时不考虑团粒间隙之间的相互作用，并假设团粒间隙近似为球形。根据小角散射理论，当散射体系是由稠密的粒子组成，并且其团粒间隙可以看成为形状相似、大小均匀的稀薄体系，则该体系的小角散射强度［８］可以表示为Ｉ（ｑ）＝４π（）３２Ｎ０Δρ２∫∞０ｆ（Ｒ）Ｒ６Ｆ２（ｑ，Ｒ）ｄＲ（４）Ｆ（ｑ，Ｒ）＝ｓｉｎ（ｑＲ）－ｑＲｃｏｓ（ｑＲ）（ｑＲ）３（５）式中，Ｒ为散射粒子半径；Δρ为散射粒子电子密度差；Ｆ（ｑ，Ｒ）为单粒子形状因子；ｆ（Ｒ）为散射粒子的尺寸分布；Ｎ０为单位体积内散射粒子总数量。则半径为Ｒ的团粒间隙数量分布Ｎ（Ｒ）＝Ｎ０ｆ（Ｒ）。由小角散射理论［９］推导可得到：ｌｇＩ＝ｌｇＫ０－４π２×Ｒｇ×ｌｇｅ３λ（）２×ε２（６）Ｒｇ＝４．１５９×１０－３ｔａｎθ（７）式中，Ｋ０为散射系数；λ为波长；ｔａｎθ为ｌ
现，随着燃料中甲醇掺混比例增加，散射曲线的凸起区域向高ｑ值偏移，在低ｑ值区域散射强度增加，Ｍ１５的散射强度最强。这说明随着燃料中甲醇掺混比例的增大，颗粒中电子密度差逐渐增大，颗粒之间的统计平均距离增大，颗粒尺寸减校这主要是因为：一方面，甲醇在燃烧过程中易裂解生成较多的挥发性物质，在排气稀释过程中挥发性物质更容易达到饱和状态［１１］；另一方面，由于甲醇中含量氧高，含量碳较低，与柴油相比在燃烧过程中Ｃ、Ｈ易与氧发生反应，使颗粒裂解生成大量几何尺寸较小的颗粒。图４小角散射图像图５小角散射强度曲线３．２颗粒的表面形态分析柴油机燃烧颗粒是具有自相似性的堆积结构。对测量得到的小角散射强度Ｉ与散射矢量ｑ分别取自然对数，得到散射对数曲线如图６所示，其斜率为ｄ。如果计算所得的ｄ值满足１≤－ｄ＜３，则为质量分形（孔分形）；如果３＜－ｄ＜４，则为表面分形，Ｄｓ＝６－ｄ，从而确定散射体的分形维数。从图５中可以看出，散射对数曲线存在线性区域，在低ｑ值区域没有出现直线，说明不存在Ｇｕｉｎｉｅｒ区，该类型散射体系属于散射体不均一体系，在某一尺寸上存在分形结构，根据文献［１２］的研究，该类型散射体在每个线性区域内分别对应一个分形结构范围。根据曲线的线形关系，将散射曲线分为Ｄ１和Ｄ２两个区域，即存在双分形规律，这种双分形规律也进一步说明了柴油机燃烧颗粒是具有自相似性的堆积结构。Ｍ０、Ｍ５和Ｍ１５的燃烧颗粒的分形维数与分形特征如表１所示。结果显示：随着燃料中甲醇掺混比例的增加，燃烧颗粒的Ｄ１区域分形维数小于Ｄ２区域；从质
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳烟微观结构的小角X射线散射分析[J]. 王向丽,王忠,倪培永. 内燃机工程. 2013(02)
[2]热损伤奥克托金（HMX）缺陷的X射线小角散射研究[J]. 闫冠云,田强,黄朝强,顾小敏,孙光爱,陈波,黄明,聂福德,柳义,李秀宏. 物理学报. 2012(13)
[3]甲醇在柴油机上应用的技术进展[J]. 姚春德. 中外能源. 2009(11)
[4]同步辐射X射线小角散射法研究纳米ZnO和Fe2O3颗粒在分散介质中的尺寸和形态[J]. 汪冰,荆隆,丰伟悦,邢更妹,王萌,朱墨桃,欧阳宏,赵宇亮,吴忠华. 核技术. 2007(07)
[5]生物柴油在柴油机中的应用研究[J]. 葛蕴珊,张世鹰,郝利君,吴思进,孔林河. 内燃机工程. 2004(02)
本文编号：2984453
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