含氧燃料顆粒狀態(tài)特征及前驅體形成機理研究.pdf

1、顆粒物污染是我國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源，嚴重危害人類健康。內燃機燃用清潔含氧代用燃料，不僅可以部分替代石油，同時能夠降低排放污染物。
　　論文針對乙醇、二甲醚(DME)、碳酸二甲酯(DMC)和生物柴油等含氧燃料，圍繞前驅體的形成機理、中間燃燒產物形成過程、顆粒的氧化特性及結構特征等方面，采用同步輻射真空紫外光電離質譜、熱重分析、掃描/透射電鏡、小角X射線散射、臺架試驗、數值模擬等方法，測

2、量了中間及最終燃燒產物摩爾分數的變化規(guī)律，從化學反應動力學角度，對苯、萘、菲、芘等重要前驅體物質的形成過程進行了數值模擬，探討了燃料分子結構和含氧量對顆粒氧化特性以及顆粒微觀結構、粒徑分布、分形維數等結構特征參數的影響規(guī)律，提出了顆粒數的測量方法。
　　根據碳氫燃料的燃燒特點，在總結苯環(huán)形成路徑和芳香烴生長機理的基礎上，構建了包含芳香烴(PAHs)生成過程的乙醇、DME、DMC和乙醇/正庚烷化學反應動力學模型，采用激波管、預混火焰

3、和內燃機反應模型，運用生成速率和敏感性分析方法，對PAHs的形成過程進行了數值模擬。研究表明，丙炔基聚合環(huán)化反應是形成苯環(huán)的主要路徑，脫氫加乙炔促進了苯環(huán)的生長，H和OH自由基消耗了生成的PAHs。對于第三體“M”參與的反應，燃用乙醇可以抑制PAHs的形成，燃用DME對PAHs的形成影響不大，燃用DMC可以促進PAHs的形成。乙醇/正庚烷缸內燃燒過程中，PAHs主要在缸內溫度急劇升高的階段形成，正庚烷和正丙基的分解反應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譜與光電離效率譜相結合的方法，確定了乙醇/正庚烷層流預混火焰中的最終燃燒產物以及乙炔、乙烯、丙炔基、甲醛、乙醛等中間燃燒產物，研究了不同當量比和乙醇摻混比條件下，中間及最終燃燒產物摩爾分數的變化規(guī)律。測量結果表明，H2、CO的摩爾分數隨著當量比的增加而增加，隨著乙醇摻混比例的增加，甲醛和乙烯酮等非常規(guī)污染物的摩爾分數下降，而乙醛的摩爾分數增加。通過

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入了最終燃燒產物H2O中，一部分進入了甲醛和乙醛中。結合數值模擬結果，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體物質摩爾分數的觀點。
　　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、、最大失重速率和對應溫度、活化能等參數評價顆粒的氧化特征。試驗結果表明，隨著燃料含氧量的增加，碳煙的百分比減小，揮發(fā)性有機物的百分比增大。增加燃料的含氧量，揮發(fā)性有機物的起始燃燒溫度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。根據乙醇、DMC和生物柴油的分子結構特點，提出含氧基團促進了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，縮短碳鏈長度可以增加顆粒表面吸附的含氧基團，從而

7、促進揮發(fā)性有機物的燃燒。
　　在YZ4DB3柴油機上，采集了燃用乙醇/柴油的示功圖，分析了燃燒過程的變化規(guī)律，探討了燃燒過程與顆粒氧化特性之間的關系。結果表明，摻混乙醇的滯燃期延長、燃燒持續(xù)期縮短;小負荷時表現為擴散燃燒的放熱率峰值升高，大負荷時表現為預混燃燒的放熱率峰值升高。摻混含氧燃料通過影響燃燒過程以及中間和最終燃燒產物的形成過程，改變了顆粒特性，使得燃燒顆粒的粒徑減小、有機物組分的比例增加、基本碳粒子內部無序結構減少、團聚

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序和內核-外殼微觀結構，探討了燃料分子結構和含氧量對顆粒粒徑分布、界面厚度和分形維數等尺度參數的影響規(guī)律，提出了根據拐點和弧長個數確定團聚顆粒中單個顆粒個數的計算方法。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