EGR对调合生物柴油发动机颗粒物理化特性的影响

摘要

能源短缺和大气污染问题日益突出，寻找可替代的清洁能源成为全球共识。柴油机主要污染物为氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM），对大气环境乃至人体健康构成极大危害。与石化燃料柴油相比，生物柴油具有热值高、可再生等优点，能显著降低柴油机PM排放，但生物柴油组分中含氧，NOx排放升高。废气再循环（EGR）可以降低缸内燃烧温度，抑制NOx生成，但会导致PM排放增加。结合EGR技术开展柴油机燃用调合生物柴油的排放特性研究工作具有一定学术意义及工程应用价值。
　　本文以轻型车用柴油机为研究对象开展台架试验工作，分析不同生物柴油掺混比及EGR率下的柴油机常规排放特性，研究EGR率对调合生物柴油发动机颗粒物质量浓度粒径分布、颗粒物微观结构及石墨化程度、颗粒物氧化特性及SOF组分的影响规律。
　　（1）采用尾气分析仪、烟度计对发动机燃用调合生物柴油的常规排放特性进行测试，同时运用微孔冲击式采样器对颗粒物进行分级采样，分析颗粒物排放质量浓度粒径分布。柴油机掺烧生物柴油后，CO、HC和烟度呈下降趋势，NOx排放明显增加；同种燃料，引入EGR后，CO、HC和烟度增加，NOx排放显著下降。当EGR率在10%~15%区间，燃用B10、B20燃料可以均衡的实现NOx及PM的较低排放。相比于B0颗粒，B20颗粒排放质量浓度分布向小粒径范围偏移，颗粒整体粒径变小；同种燃料，引入EGR后，B0、B20颗粒排放质量浓度分布均向大粒径范围偏移，颗粒整体粒径变大。
　　（2）采用高倍透射电镜（HRTEM）及激光拉曼光谱分析颗粒物微观形貌、初级碳粒子的微观结构及颗粒物的石墨化程度。EGR率不变时，B20颗粒与B0颗粒相比重叠效应减弱，初级碳粒子的平均粒径降低，平均微晶尺寸降低了约10%~15%，平均碳层间距、微晶曲率略有增加，B20颗粒的石墨化程度低于B0颗粒；对于同种燃料，当EGR率为25%时，初级碳粒子的平均粒径增加，但平均微晶尺寸比未引入 EGR时增加了约20%~25%，初级碳粒子平均碳层间距、微晶曲率略有下降，碳微晶排列更有序，石墨化程度增加，拉曼光谱分析结果验证了微观结构参数的准确性。
　　（3）结合热重分析仪和气质联用仪（GC-MS）分别研究了颗粒物氧化特性及可溶性有机组分（SOF）。热重试验结果表明，掺烧生物柴油后，颗粒中SOF含量增加，干碳烟含量降低；随着EGR率增加，B0和B20颗粒SOF含量均减少，干碳烟含量增加。B20颗粒的起始燃烧温度低于B0颗粒，掺烧生物柴油后，排气颗粒物更容易被氧化。同一种燃料，随着EGR率的增加，颗粒物起始燃烧温度增加，颗粒物氧化活性降低。GC-MS分析结果表明，颗粒物SOF组分包括烷烃、酚类、酯类、酸类、醇类、芳香烃类等化合物，其中烷烃的质量分数最高，可达50%。柴油机掺烧生物柴油后，颗粒物SOF中酯类、酸类化合物增加，烷烃、酚类、芳香烃类化合物减少。对于同种燃料，随着EGR率的增加，颗粒物SOF成分中芳香烃显著增加。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 柴油机颗粒物研究现状

1.3 生物柴油的应用及研究现状

1.4 废气再循环技术

1.5 本文的主要研究内容

第二章 EGR对调合生物柴油发动机常规排放的影响

2.1 柴油机台架系统

2.2 常规排放特性

2.3 颗粒物质量浓度粒径分布

2.4本章小结

第三章 EGR对颗粒物微观特性的影响

3.1 EGR对颗粒物微观结构的影响

3.2 EGR对颗粒物石墨化程度的影响

3.3 本章小结

第四章 EGR对颗粒物氧化特性和SOF组分的影响

4.1 EGR对颗粒物氧化特性的影响

4.2 EGR对颗粒物SOF组分的影响

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

科研成果及获奖情况