EGR对生物柴油燃烧及碳烟颗粒形成的影响研究

摘要

大气污染危害人类健康，柴油机排出NOx和颗粒物（PM）是大气污染的主要原因之一。生物柴油含氧、不含硫，可以有效降低柴油机 PM的排放，但可能增加NOx的排放。废气再循环（Exhaust gas recirculation, EGR）是一种降低NOx的有效技术手段，在轻型车上得到了广泛应用。但应用EGR技术，对柴油机的PM排放也会产生一定的影响。论文针对燃烧生物柴油、应用 EGR技术后，颗粒前驱体的形成机理、缸内燃烧过程、颗粒的粒径、形貌、石墨结构和氧化特性进行研究，探讨了EGR对生物柴油颗粒前驱体形成路径、颗粒前驱体生成量、缸内燃烧过程、颗粒粒径、形貌、石墨结构和氧化特性的影响。主要研究工作和结论如下：
　　采用数值模拟的方法，开展了生物柴油颗粒前驱体形成路径和生成量的研究。应用 CHEMKIN软件，构建并验证了包含多环芳香烃形成的生物柴油机理文件。采用闭式均相模型，研究了EGR对生物柴油颗粒前驱体生成路径的影响，分析了不同EGR率时生物柴油燃烧中苯、萘、菲、芘、C2H2和 C3H3生成量的变化规律。研究结果表明，苯主要是通过基元反应C3H3+C3H3=C6H6生成。随着EGR率的增加，生成和消耗苯、萘、菲和芘的基元反应最大反应速率均增加，最大反应速率对应时刻后移，苯、萘、菲和芘的最大生成量逐渐增加，最大生成量对应时刻后移； C3H3的最大生成量分别增加了6.1％和15.5%。
　　采用台架试验方法，在186F柴油机上，分别以生物柴油和柴油为燃料，应用缸压传感器和燃烧分析仪，测量了25%负荷和75%负荷下不同EGR率时的示功图，分析了EGR对柴油机缸内压力、滞燃期和放热率的影响；测量了25%负荷和75%负荷下不同EGR率时的CO、HC、NOx和烟度，分析了EGR对柴油机排放规律的影响。研究结果表明，低负荷时，生物柴油最大爆发压力略高于柴油，高负荷时，生物柴油最大爆发压力与柴油相差不大。随着EGR率的增加，生物柴油和柴油的最大爆发压力均降低，最大爆发压力对应时刻后移；生物柴油和柴油的滞燃期逐渐增加；低负荷时，生物柴油和柴油的放热率峰值逐渐降低，生物柴油放热率峰值分别降低约3.5%和8.1%，高负荷时，生物柴油和柴油的放热率峰值先升高后降低，峰值对应曲轴转角逐渐后移。
　　采用颗粒分级采样装置，测量了不同EGR率时生物柴油和柴油颗粒的粒径分布，分析了颗粒粒径大小和模态分布。采用高分辨率透射电镜，拍摄了不同EGR率时颗粒的微观图片，分析了颗粒形貌。采用激光拉曼光谱仪，测量了不同EGR率时生物柴油和柴油颗粒的拉曼光谱，采用五带拟合法，对颗粒的拉曼光谱进行拟合，分析了颗粒的石墨结构参数。采用热重分析仪，测量了不同EGR率时生物柴油和柴油颗粒的热重曲线，分析了EGR对颗粒组分、起燃温度、失重速率峰值温度、燃尽温度和表面活化能的影响。结果表明，随着EGR率的增加，生物柴油和柴油颗粒粒径向大粒径方向偏移，积聚模态比例降低，粗粒子模态比例增加，颗粒团聚程度增加，颗粒化学异相性增加，石墨化程度降低，颗粒SOF组分增加，起燃温度、失重速率峰值温度和燃尽温度逐渐降低，氧化所需的表面活化能逐渐降低，颗粒的氧化活性增加。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1选题背景和意义

1.2柴油机排放污染物

1.3柴油机颗粒形成过程

1.4 国内外研究现状

1.5本文主要研究内容

第二章 EGR对生物柴油颗粒前驱体形成的影响

2.1模型的简化

2.2 机理的验证与评价参数

2.3 生物柴油单/多环芳香烃的形成过程

2.4 EGR对生物柴油PAHs形成的影响

2.5本章小结

第三章 EGR对生物柴油燃烧过程和排放规律的影响

3.1 试验设备及方案

3.2 燃烧特性的分析

3.3 CO、HC、NOX和烟度

3.4 本章小结

第四章 EGR生物柴油颗粒形貌的分析

4.1试验设备及方案

4.2 颗粒粒径分析

4.3颗粒微观形貌

4.4 本章小结

第五章 EGR生物柴油颗粒石墨结构和氧化特性分析

5.1 试验设备和方案

5.2 石墨结构分析

5.3 氧化特性分析

5.4 本章小结

第六章 全文总结和工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文、参与项目、所获奖励