DOC+POC对柴油机燃用生物柴油排放及颗粒物理化特性的影响

摘要

生物柴油作为柴油机比较理想的替代燃料，在保持原柴油机结构的基础上能够有效降低 CO、HC 和颗粒物排放。采用一定比例的生物柴油与石化柴油掺混燃烧的方法，可以缓解石油危机带来的影响。氧化催化器（DOC）与颗粒氧化催化器（POC）组合是一种常见的柴油机后处理装置，可显著降低 HC、CO 和颗粒物的排放。随着生物柴油应用的普及，研究 DOC+POC 作用下柴油机燃烧生物柴油的排放特性及颗粒物的理化特性，对生物柴油推广应用以及DOC+POC装置的改进优化有重要意义。 在一台高压共轨柴油机上进行燃用调合生物柴油（B0、B10和B20）台架试验，并结合颗粒物采集及分析设备，分析 DOC+POC 对柴油机燃用调合生物柴油常规排放和颗粒物的理化特性的影响。 （1）通过尾气分析设备，对DOC+POC作用前后三种燃料的常规排放进行测量。柴油机掺烧生物柴油后，CO、HC 以及碳烟排放明显降低，NOx 排放增加；加装DOC+POC后，三种燃料的CO、HC和碳烟排放均明显改善，NOx排放略有下降。DOC+POC对CO、HC和碳烟的转化率随着转速上升而降低，随着负荷增加而升高。在2200r/min负荷特性下，B20排放的CO、HC和碳烟的平均转换率最高，转化率分别为87.7%、83.7%和52.7%。 （2）利用微孔均匀沉积式碰撞采集器（MOUDI）对DOC+POC作用前后三种燃料的颗粒物进行分级采样，通过称重获得颗粒物的质量浓度粒径分布。随着生物柴油的掺混比增加，各粒径范围的排气颗粒物质量浓度均下降，质量浓度峰值均在0.18~0.32μm。加装DOC+POC后，三种燃料颗粒物的质量浓度均降低，聚集态的质量浓度转化率高于粗颗粒态。在2200r/min转速下B20排气颗粒物中聚集态转化率最高，转化率为60.2%。 （3）通过热重试验，研究DOC+POC作用前后的三种燃料排气颗粒物的氧化特性及组分占比的变化规律。随着生物柴油的掺混比增加，颗粒物中可溶有机物组分（SOF）增加、碳烟和无机盐组分减少，颗粒物更易于被氧化。加装DOC+POC后，颗粒物中碳烟和无机盐组分增加。随着生物柴油掺混比增加，TG曲线失重依次减缓， DTG曲线中SOF对应的失重率峰值明显减小。 （4）通过气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）分析试验，分析DOC+POC对三种燃料排气颗粒物中SOF的影响。柴油机掺烧生物柴油后，SOF中脂类和酸类物质质量分数增加，烷烃类、芳香烃和酚类物质质量分数减少。B0和B20的碳原子数质量分数均呈现近似以 C16 为峰值的正态分布。DOC+POC 对脂类和酸类物质净化作用明显，质量分数降幅分别为 55.45%和 43.27%；DOC+POC 对 B20 颗粒物中 SOF 的C12~C18氧化作用明显。 （5）通过激光拉曼光谱分析仪（LSR）分析试验，利用五带拟合法分析DOC+POC对三种燃料排气颗粒物化学异相性、石墨化程度和无定形碳含量的影响。与B0相比，燃用B20燃料排气颗粒物的物质种类增加，化学异相性增强，石墨化程度降低，无定形碳含量增加。加装DOC+POC后，B0和B20颗粒物石墨化程度增加，化学异相性降低，无定形碳含量减少，形成的颗粒物结构更加规整。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 生物柴油研究进程

1.2.1生物柴油发展概况简述

1.2.2 生物柴油发展的制约因素及对策

1.2.3国内外生物柴油的应用研究

1.3 柴油机颗粒物排放控制技术

1.3.1 前处理净化技术

1.3.2 机内控制技术

1.3.3 机外控制技术

1.4 DOC、POC的应用研究

1.5 本文主要研究内容

第二章 试验装置及样品分析方法

2.1 发动机台架试验系统

2.1.1 发动机及后处理装置

2.1.2 试验燃油

2.1.3 颗粒物采样及方法

2.1.4 台架试验测试设备与试验方案

2.2 颗粒物分析仪器

2.2.1 热重分析仪

2.2.2 气相色谱-质谱联用仪

2.2.3 激光拉曼光谱仪

2.3 本章小结

第三章 DOC+POC对常规排放及颗粒质量浓度分布的影响

3.1 常规排放特性

3.1.1 CO排放特性

3.1.2 HC排放特性

3.1.3 NOx排放特性

3.1.4 碳烟排放特性

3.2 颗粒物质量浓度与粒径分布特性

3.2.1 颗粒物质量浓度与粒径分布结果分析

3.2.2 聚集态与粗颗粒态颗粒物转化率结果分析

3.3 本章小结

第四章 DOC+POC对颗粒物理化特性的影响研究

4.1 颗粒物的氧化特性

4.1.1 热重分析条件

4.1.2 氧化过程分析

4.1.3 颗粒物组分分析

4.2 可溶有机物组分分析

4.2.1 GC-MS分析方法

4.2.2 SOF各组分质量分数分析

4.2.3 碳原子数分布

4.3 颗粒物拉曼光谱分析

4.3.1 拉曼光谱试验方案

4.3.2 拉曼光谱拟合

4.3.3 拉曼光谱参数分析

4.4 本章小结

第五章 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文