铁基FBC对柴油机缸内燃烧和碳烟排放特性影响的研究
发布时间：2021-10-05 06:45
近年来全球极端气候事件频发,生态环境日益恶化,柴油机尾气排放作为环境问题的主要因素之一,各国不断出台严苛的排放法规以限制柴油机污染物排放。柴油机后处理技术是减少污染物排放的重要举措,而改善燃油的理化性质,优化缸内燃烧则可以从源头上解决柴油机排放污染问题。燃油添加剂可在不改变柴油机结构的前提下实现燃油的高效清洁燃烧,因此受到了研究人员的关注,越来越多关于燃油添加剂应用于柴油机的研究在全球范围内开展。本文基于柴油机台架试验平台与燃烧可视化系统,对应用于柴油机的常规市售铁基燃油添加剂（Fe-FBC）开展燃烧过程、污染物排放和碳烟生成历程等研究,并基于颗粒理化性质检测仪器对Fe-FBC燃油燃烧颗粒进行粒径分布规律、微观形貌与结构、氧化活性以及可溶性有机物（SOF）组分等深入分析。试验前按Fe元素质量比为200 mg/kg、400 mg/kg和600 mg/kg进行Fe-FBC燃油配制,分别标记为Fe200、Fe400和Fe600。在柴油机上分别燃用纯柴油和三种Fe-FBC燃油,并采用燃烧分析仪和排气分析系统对Fe-FBC燃油燃烧特性和排放性能进行探究。结果表明柴油中添加Fe-FBC可有效促进燃...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柴油机颗粒物组分Fig.1.1Compositionofparticlefromdieselengine
铁基FBC对柴油机缸内燃烧和碳烟排放特性影响的研究41.3.2颗粒物生成机理碳烟是柴油机颗粒物的结构核心，颗粒物的生成历程是以碳烟为主体，持续发生大量的物化反应，并经历气相、液相和固相等相变的过程。国内外学者采用试验结合软件模拟的手段，不断探究颗粒物的生成过程，提出不同的颗粒物生成理论。本节基于众多学者的颗粒物生成理论进行整理归纳，并将生成历程细化分为7个阶段，阐明柴油机颗粒生成的演化过程。图1.2所示为颗粒物生成历程。图1.2柴油机颗粒物生成历程Fig.1.2Generationprocessofparticlefromdieselengine（1）燃油裂解。柴油在高温高压的环境下，因无法与氧气充分反应而直接裂解，生成诸如C3H3、C2H2和C2H4等气相小分子。燃料裂解成气相小分子的速率通常取决于燃料性质和燃烧环境。（2）多环芳香烃生长。裂解得到的气相小分子相互环化，生成初级多环芳香烃（PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs）。目前初级多环芳香烃的生长机理存在不同的解释，Frenklach等人提出的脱氢加乙炔机理HACA（H-Abstraction-C2H2-Addition）得到了广泛的认可[17,18]，即初级多环芳香烃苯环结构位上的氢原子在燃烧过程中脱离，结构空缺由环境中的乙炔C2H2补充，不断进行的小分子环化与乙炔C2H2加成形成了多环芳香烃的生长反应链，完成碳烟前驱体的生成过程。（3）碳烟成核。多环芳香烃持续生长过程中局部环境的PAHs浓度饱和时，发生冷凝作用，将气相的PAHs转化为粒径约2nm的固相微粒，即碳粒核心。（4）碳烟表面生长。成核的碳粒表面存在反应活性强烈的自由基，可吸附燃油裂解产生的气相小分子发生HACA反应，这种作用于碳粒表面的现象被称为碳粒的表面生长[19,20]。碳粒表面生长初期，微粒形貌呈不规则状态，随着气相小
铁基FBC对柴油机缸内燃烧和碳烟排放特性影响的研究6Dp＜2.5μmPM2.5Dp＜100nm超细微粒颗粒数量/质量浓度分布粒径/nm数量加权质量加权110100100010000Dp＜50nm纳米微粒核模态积聚模态粗粒子模态图1.3柴油机排气颗粒典型粒径分布[30]Fig.1.3Typicalparticlesizedistributionofdieselengine[30]碳粒是组成柴油机颗粒的基本单元，碳粒在范德华力或静电力作用下，以一定排列次序相互堆叠的形态被称为颗粒的微观结构，碳粒表面显著的微晶分层结构则被称为颗粒的微观形貌。柴油机颗粒微观结构与形貌的观察分析通常由扫描电镜或高倍透射电镜完成。如图1.4(a)所示，在扫描电镜的放大显示下，发现颗粒由成百上千个类球状碳粒相互堆积粘结，形成团簇状或枝链状的聚合结构。对颗粒的基本组分单元碳粒进行透射电镜扫描，如图1.4(b)所示，发现碳粒主要由内核与外壳两种结构形式分层共存，但在基本碳粒生成初期，这种分层的结构特征并不明显，随着碳粒的生长，微晶碳层不断叠加，形成大量有序或无序的石墨微晶分层结构。颗粒生成历程中诸如燃油性质、采样工况和排气过程等因素均会影响颗粒微观结构与形貌，结构与形貌的差异会导致颗粒化学性质的改变。部分学者就颗粒微观结构与形貌对颗粒氧化活性等方面开展研究，Tomasek[31]等发现碳烟的氧化活性与基本碳粒的排列结构密切相关，紊乱无序的碳粒排列可提升碳烟的氧化活性。Yang[32]等结合试验与量子化学计算提出颗粒微观结构对氧化性能的影响远大于颗粒表面官能团。(a)颗粒物聚合结构(b)基本碳粒内部形貌图1.4柴油机颗粒微观结构与形貌Fig.1.4Microstructureandmorphologyofdieselengineparticles
【参考文献】：
期刊论文
[1]柴油机燃烧系统多参数多目标优化研究[J]. 吴崇荣,魏胜利,卢泓坤. 机械设计与制造. 2019(02)
[2]PODE掺混和喷油参数对柴油机燃烧排放特性影响[J]. 陈晖,黄豪中,黄荣,刘庆生,滕文文. 内燃机学报. 2019(01)
[3]预喷油量对DMCC发动机燃烧和排放的影响[J]. 危红媛,姚春德,潘望,窦站成,吴涛阳,陈超. 内燃机学报. 2018(05)
[4]加氢催化生物柴油喷雾燃烧及碳烟的试验[J]. 李贝,钟汶君,何志霞,商伟伟,曹嘉伟,王谦. 内燃机学报. 2018(05)
[5]柴油机燃用铁基FBC燃油的微粒排放特性[J]. 王玉梅,孙平,冯浩杰,刘军恒,嵇乾. 浙江大学学报(工学版). 2017(10)
[6]柴油机颗粒的微观结构和成分对其氧化活性的影响[J]. 马志豪,李磊,钞莹,马凡华,徐斌,吴健. 内燃机学报. 2015(02)
[7]连续再生颗粒捕集器对柴油机颗粒排放的影响[J]. 楼狄明,温雅,谭丕强,纪丽伟. 同济大学学报(自然科学版). 2014(08)
[8]轻型柴油机预混合低温燃烧路径优化试验及分析[J]. 尹必峰,王佳,何建光,徐毅,贾和坤. 农业工程学报. 2014(15)
[9]黏性颗粒流态化的气固流动模型研究进展[J]. 张永俊,王嘉骏,顾雪萍,冯连芳. 过程工程学报. 2014(03)
[10]柴油机微粒捕集器电加热再生的试验研究[J]. 孙柱,孙平,嵇乾,赵思博. 车用发动机. 2014(02)
博士论文
[1]生物柴油调合燃料缸内废气氛围颗粒物的形成与特征研究[D]. 瞿磊.江苏大学 2017
[2]燃油分段喷射强化柴油机燃烧性能的研究[D]. 赵陆明.北京理工大学 2015
[3]柴油机微粒捕集器及其再生技术研究[D]. 王丹.吉林大学 2013
[4]燃油品质对重型柴油机排放特性影响的试验与研究[D]. 高俊华.天津大学 2013
[5]柴油机碳烟生成机理多维数值模拟及试验研究[D]. 王浒.天津大学 2012
[6]催化型微粒捕集器NO2高效利用及铈基复合再生机理研究[D]. 龙罡.湖南大学 2012
[7]生物柴油非常规污染物形成机理的理论分析与试验研究[D]. 许广举.江苏大学 2012
[8]生物柴油发动机燃烧控制与排放特性试验研究[D]. 朱磊.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]甲醇/F-T柴油混合燃料非常规污染物的形成过程研究[D]. 梅莲.江苏大学 2019
[2]NTP对柴油机排气颗粒的氧化去除效果及理化特性的影响研究[D]. 樊润林.江苏大学 2019
[3]DPF孔道内碳烟沉积分布的可视化实验及模拟研究[D]. 潘杰.华中科技大学 2019
[4]汽油/加氢催化生物柴油喷雾燃烧及碳烟生成特性的可视化研究[D]. 李贝.江苏大学 2019
[5]喷油压力对柴油机缸内颗粒数浓度、分形维数及活性影响[D]. 王光耀.天津大学 2018
[6]聚甲氧基二甲醚/柴油混合燃料的燃烧与排放特性研究[D]. 冯浩杰.江苏大学 2016
[7]CNT及MoO3纳米柴油的燃烧过程和排放特性研究[D]. 李显明.江苏大学 2016
[8]喷油策略对柴油机燃烧影响的可视化研究[D]. 靳森嘉.北京理工大学 2015
[9]铈基燃油添加剂的制备及其催化性能的研究[D]. 廖军海.哈尔滨工业大学 2014
[10]PTV用于柴油机燃烧过程中气/颗粒相多环芳香烃分布研究[D]. 朱广艳.天津大学 2010
本文编号：3419207
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柴油机颗粒物组分Fig.1.1Compositionofparticlefromdieselengine
铁基FBC对柴油机缸内燃烧和碳烟排放特性影响的研究41.3.2颗粒物生成机理碳烟是柴油机颗粒物的结构核心，颗粒物的生成历程是以碳烟为主体，持续发生大量的物化反应，并经历气相、液相和固相等相变的过程。国内外学者采用试验结合软件模拟的手段，不断探究颗粒物的生成过程，提出不同的颗粒物生成理论。本节基于众多学者的颗粒物生成理论进行整理归纳，并将生成历程细化分为7个阶段，阐明柴油机颗粒生成的演化过程。图1.2所示为颗粒物生成历程。图1.2柴油机颗粒物生成历程Fig.1.2Generationprocessofparticlefromdieselengine（1）燃油裂解。柴油在高温高压的环境下，因无法与氧气充分反应而直接裂解，生成诸如C3H3、C2H2和C2H4等气相小分子。燃料裂解成气相小分子的速率通常取决于燃料性质和燃烧环境。（2）多环芳香烃生长。裂解得到的气相小分子相互环化，生成初级多环芳香烃（PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs）。目前初级多环芳香烃的生长机理存在不同的解释，Frenklach等人提出的脱氢加乙炔机理HACA（H-Abstraction-C2H2-Addition）得到了广泛的认可[17,18]，即初级多环芳香烃苯环结构位上的氢原子在燃烧过程中脱离，结构空缺由环境中的乙炔C2H2补充，不断进行的小分子环化与乙炔C2H2加成形成了多环芳香烃的生长反应链，完成碳烟前驱体的生成过程。（3）碳烟成核。多环芳香烃持续生长过程中局部环境的PAHs浓度饱和时，发生冷凝作用，将气相的PAHs转化为粒径约2nm的固相微粒，即碳粒核心。（4）碳烟表面生长。成核的碳粒表面存在反应活性强烈的自由基，可吸附燃油裂解产生的气相小分子发生HACA反应，这种作用于碳粒表面的现象被称为碳粒的表面生长[19,20]。碳粒表面生长初期，微粒形貌呈不规则状态，随着气相小
铁基FBC对柴油机缸内燃烧和碳烟排放特性影响的研究6Dp＜2.5μmPM2.5Dp＜100nm超细微粒颗粒数量/质量浓度分布粒径/nm数量加权质量加权110100100010000Dp＜50nm纳米微粒核模态积聚模态粗粒子模态图1.3柴油机排气颗粒典型粒径分布[30]Fig.1.3Typicalparticlesizedistributionofdieselengine[30]碳粒是组成柴油机颗粒的基本单元，碳粒在范德华力或静电力作用下，以一定排列次序相互堆叠的形态被称为颗粒的微观结构，碳粒表面显著的微晶分层结构则被称为颗粒的微观形貌。柴油机颗粒微观结构与形貌的观察分析通常由扫描电镜或高倍透射电镜完成。如图1.4(a)所示，在扫描电镜的放大显示下，发现颗粒由成百上千个类球状碳粒相互堆积粘结，形成团簇状或枝链状的聚合结构。对颗粒的基本组分单元碳粒进行透射电镜扫描，如图1.4(b)所示，发现碳粒主要由内核与外壳两种结构形式分层共存，但在基本碳粒生成初期，这种分层的结构特征并不明显，随着碳粒的生长，微晶碳层不断叠加，形成大量有序或无序的石墨微晶分层结构。颗粒生成历程中诸如燃油性质、采样工况和排气过程等因素均会影响颗粒微观结构与形貌，结构与形貌的差异会导致颗粒化学性质的改变。部分学者就颗粒微观结构与形貌对颗粒氧化活性等方面开展研究，Tomasek[31]等发现碳烟的氧化活性与基本碳粒的排列结构密切相关，紊乱无序的碳粒排列可提升碳烟的氧化活性。Yang[32]等结合试验与量子化学计算提出颗粒微观结构对氧化性能的影响远大于颗粒表面官能团。(a)颗粒物聚合结构(b)基本碳粒内部形貌图1.4柴油机颗粒微观结构与形貌Fig.1.4Microstructureandmorphologyofdieselengineparticles
【参考文献】：
期刊论文
[1]柴油机燃烧系统多参数多目标优化研究[J]. 吴崇荣,魏胜利,卢泓坤. 机械设计与制造. 2019(02)
[2]PODE掺混和喷油参数对柴油机燃烧排放特性影响[J]. 陈晖,黄豪中,黄荣,刘庆生,滕文文. 内燃机学报. 2019(01)
[3]预喷油量对DMCC发动机燃烧和排放的影响[J]. 危红媛,姚春德,潘望,窦站成,吴涛阳,陈超. 内燃机学报. 2018(05)
[4]加氢催化生物柴油喷雾燃烧及碳烟的试验[J]. 李贝,钟汶君,何志霞,商伟伟,曹嘉伟,王谦. 内燃机学报. 2018(05)
[5]柴油机燃用铁基FBC燃油的微粒排放特性[J]. 王玉梅,孙平,冯浩杰,刘军恒,嵇乾. 浙江大学学报(工学版). 2017(10)
[6]柴油机颗粒的微观结构和成分对其氧化活性的影响[J]. 马志豪,李磊,钞莹,马凡华,徐斌,吴健. 内燃机学报. 2015(02)
[7]连续再生颗粒捕集器对柴油机颗粒排放的影响[J]. 楼狄明,温雅,谭丕强,纪丽伟. 同济大学学报(自然科学版). 2014(08)
[8]轻型柴油机预混合低温燃烧路径优化试验及分析[J]. 尹必峰,王佳,何建光,徐毅,贾和坤. 农业工程学报. 2014(15)
[9]黏性颗粒流态化的气固流动模型研究进展[J]. 张永俊,王嘉骏,顾雪萍,冯连芳. 过程工程学报. 2014(03)
[10]柴油机微粒捕集器电加热再生的试验研究[J]. 孙柱,孙平,嵇乾,赵思博. 车用发动机. 2014(02)
博士论文
[1]生物柴油调合燃料缸内废气氛围颗粒物的形成与特征研究[D]. 瞿磊.江苏大学 2017
[2]燃油分段喷射强化柴油机燃烧性能的研究[D]. 赵陆明.北京理工大学 2015
[3]柴油机微粒捕集器及其再生技术研究[D]. 王丹.吉林大学 2013
[4]燃油品质对重型柴油机排放特性影响的试验与研究[D]. 高俊华.天津大学 2013
[5]柴油机碳烟生成机理多维数值模拟及试验研究[D]. 王浒.天津大学 2012
[6]催化型微粒捕集器NO2高效利用及铈基复合再生机理研究[D]. 龙罡.湖南大学 2012
[7]生物柴油非常规污染物形成机理的理论分析与试验研究[D]. 许广举.江苏大学 2012
[8]生物柴油发动机燃烧控制与排放特性试验研究[D]. 朱磊.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]甲醇/F-T柴油混合燃料非常规污染物的形成过程研究[D]. 梅莲.江苏大学 2019
[2]NTP对柴油机排气颗粒的氧化去除效果及理化特性的影响研究[D]. 樊润林.江苏大学 2019
[3]DPF孔道内碳烟沉积分布的可视化实验及模拟研究[D]. 潘杰.华中科技大学 2019
[4]汽油/加氢催化生物柴油喷雾燃烧及碳烟生成特性的可视化研究[D]. 李贝.江苏大学 2019
[5]喷油压力对柴油机缸内颗粒数浓度、分形维数及活性影响[D]. 王光耀.天津大学 2018
[6]聚甲氧基二甲醚/柴油混合燃料的燃烧与排放特性研究[D]. 冯浩杰.江苏大学 2016
[7]CNT及MoO3纳米柴油的燃烧过程和排放特性研究[D]. 李显明.江苏大学 2016
[8]喷油策略对柴油机燃烧影响的可视化研究[D]. 靳森嘉.北京理工大学 2015
[9]铈基燃油添加剂的制备及其催化性能的研究[D]. 廖军海.哈尔滨工业大学 2014
[10]PTV用于柴油机燃烧过程中气/颗粒相多环芳香烃分布研究[D]. 朱广艳.天津大学 2010
本文编号：3419207
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