基于可视化技术的纳米柴油缸内碳烟催化氧化机理研究

摘要

柴油机排放的颗粒主要由不可溶固体碳颗粒、硫酸盐以及未燃碳氢化合物组成，其中的细微碳烟颗粒及其表面吸附的多环芳烃PAH，具有诱变性与致癌性，对环境和人体健康造成极大的危害。因此，本文针对目前柴油机碳烟排放量大、无法从根源上消除的难题，系统开展了缸内碳烟生成、分布及催化氧化过程的研究。通过制备符合柴油特性的纳米柴油，设计高压共轨柴油机缸内燃烧可视化试验系统，对纳米CeO2催化碳烟氧化活性测试及机理分析的基础上，进行了缸内碳烟生成量计算以及台架性能试验，系统地研究了纳米柴油催化缸内碳烟氧化的机理，探索纳米柴油缸内碳烟产生过程和浓度分布规律，以达到从源头上抑制碳烟生成和降低排放的目标，为纳米柴油在工程上的应用奠定理论基础。本文主要研究内容有：
　　根据固体颗粒在液相中分散原理和极性相溶性原则，研究了纳米柴油的配制方法，配制质量-体积浓度为50mg/L和100mg/L的纳米柴油，分别标记为50CeO2和100CeO2。稳定性静置试验结果表明：纳米柴油可稳定保存12小时以上，可满足试验需要。
　　利用AVL公司的Visioscope内窥镜技术设计高压共轨柴油机缸内喷雾与燃烧过程可视化试验系统。在不改变燃烧室内部结构和柴油机性能的前提下，将内窥镜伸入燃烧室内部并利用CCD彩色相机和计算机数据处理系统采集和处理缸内燃烧图像。试验表明：利用该系统可以动态、真实地获得柴油机整个工作循环缸内喷雾及碳烟火焰的高清晰彩色图像。
　　通过燃烧动力学测试方法，对不同粒径纳米CeO2与碳烟混合物进行热重-傅立叶红外光谱联用（TGA-FTIR）试验，并利用X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射光谱（XRD）对焙烧后的纳米CeO2颗粒进行表征，以评估纳米CeO2对碳烟燃烧催化的催化活性，研究纳米CeO2催化氧化柴油机碳烟的反应机理。结果表明：纳米CeO2催化氧化柴油机碳烟经历了四个过程，即CeO2表面的氧吸附，超氧化物和过氧化物的形成，过氧化物与碳烟的反应生成CO2以及氧空位的扩散。高温焙烧导致纳米CeO2催化剂化学结构的改变，促使中间产物超氧化物和过氧化物形成。过氧化物离子与碳烟反应形成了氧空位，过氧化物与氧空位都有很高的表面迁移率，且表面扩散过程非常快，通过与氧空位的相互作用，分子氧进入CeO2晶体结构，提高了纳米CeO2催化活性。
　　根据纳米柴油缸内燃烧可视化的试验图像和柴油机缸内碳烟计算模型，在测得缸内碳烟火焰图像的基础上，利用双色法分别对不同工况下柴油机燃用柴油、50CeO2和100CeO2纳米柴油三种油样缸内燃烧动态图像进行处理与计算，研究了纳米柴油缸内碳烟生成与分布规律。结果表明纳米CeO2颗粒可以降低柴油的活化能，缩短滞燃期，降低着火温度，促进缸内柴油燃烧。在25％、50%和100%三种负荷下，对柴油机燃用柴油、50CeO2和100CeO2纳米柴油的缸内碳烟面积占有率进行了分析，其中100CeO2纳米柴油占有率最小，柴油占有率最大，且随着柴油中纳米CeO2催化剂浓度增加，催化碳烟氧化效果越明显。同种燃油随着负荷的增加，碳烟的生成量和浓度也相应增加。50CeO2和100CeO2纳米柴油随负荷增加催化碳烟氧化效果越好。
　　最后，通过对柴油机燃用纳米柴油的台架试验，重点考察纳米柴油催化燃烧过程对柴油机燃烧特性、油耗和排放特性的影响。结果表明：柴油机燃用纳米柴油可以使缸内压力、压升率峰值和放热率峰值有所增加，燃油消耗率和常规污染物排放降低。额定转速全负荷下，与燃用柴油相比，柴油机燃用50CeO2和100CeO2纳米柴油后燃烧始点分别提前约0.7℃A和0.9℃A，比油耗分别降低约1.2%和3.1%。HC、NOx和烟度都有不同程度的降低，且随催化剂添加量增多，降幅增加。其中，CO排放分别降低10.9%和22.5%；HC排放分别降低3.1%和6.3%；NOx排放分别降低1.4%和5.6%；烟度排放分别降低4.2%和7.9%。因此，纳米CeO2颗粒的催化作用可以缩短纳米柴油滞燃期，提高缸压、促进柴油燃烧，降低起燃温度和油耗，以及减少碳烟等污染物的排放等。试验结果与计算分析相吻合，验证了纳米CeO2颗粒催化缸内碳烟氧化机理。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 柴油机碳烟排放的控制研究及动态

1.3 碳烟测量研究

1.4 纳米柴油的研究现状

1.5 论文的研究思路及主要研究内容

第二章 纳米柴油的制备及其稳定性研究

2.1 颗粒物在液相中的分散机理

2.2 颗粒在液相中分散方法

2.3 纳米CeO2颗粒的表征

2.4 表面活性剂的选择

2.5 纳米柴油的制备

2.6 纳米柴油的稳定性研究

2.7 本章小结

第三章 柴油机缸内喷雾与燃烧可视化系统设计及试验

3.1 可视化系统结构设计

3.2 柴油机缸内喷雾可视化

3.3 柴油机缸内燃烧可视化

3.4 本章小结

第四章 柴油机燃用纳米柴油催化碳烟氧化的机理

4.1 TGA-FTIR实验

4.2 纳米CeO2催化碳烟氧化机理

4.3 本章小结

第五章 基于可视化的缸内碳烟生成过程与浓度分布计算

5.1 柴油机碳烟生成数学模型

5.2 柴油机缸内碳烟火焰图像处理与计算

5.3 计算结果与分析

5.4 本章小结

第六章 柴油机燃用纳米柴油的燃烧与排放特性试验

6.1 试验设备及方案

6.2 试验结果与分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

读博士期间科研成果及参加学术情况

致谢