柴油机燃用CeO2和Co3O4纳米燃油的燃烧过程及排放特性研究

摘要

当今，世界范围内环境问题和能源危机不断加剧，因此，如何提高发动机燃烧效率，并降低其污染物的排放量是人类面临的一个充满挑战性和亟待解决的课题。在柴油中添加燃油添加剂，改变柴油的某些理化性质，可在不改变柴油机现有结构的情况下，达到提高柴油的燃烧热效率，降低柴油机有害排放物的目的。
　　本文根据极性相溶性原则选取合适质量配比为1∶2∶2∶1的Span20、Tween20、Tween60和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为试验所需复配表面活性剂，配制颗粒质量浓度为50mg/L和100mg/L的纳米CeO2和Co3O4颗粒的纳米燃油，分别标记为50CeO2、100CeO2、50Co3O4和100Co3O4，连同柴油组成5种测试燃料。静置稳定性试验得出，Co3O4纳米燃油的稳定性要明显优于CeO2纳米燃油，50Co3O4燃油可稳定保存48小时以上，100CeO2燃油保存12小时的分离层厚度达7％。
　　在柴油机台架上进行了纳米添加剂对柴油机燃烧过程、经济性和排放性能的影响。结果表明，添加纳米CeO2和Co3O4颗粒的燃油其缸内压力、压升率峰值和放热率峰值有增加趋势;标定工况下，柴油机燃用50CeO2、100CeO2、50Co3O4和100Co3O4等4种纳米燃油后燃烧始点相比于燃用纯柴油时分别约提前0.7°、0.9°、1.5°和1.7°曲轴转角，比油耗分别降低约1.2％、3.1％、1.5％和3.7％。CO、HC、NOx和烟度排放都明显降低。
　　采用MOUDI微孔均匀沉积冲击器来研究柴油机排气颗粒物的粒径分布特性。5种测试燃料燃烧颗粒物的粒径分布总体呈单峰正态分布，峰值粒径均在截取直径为0.56um-1.0um区间。纳米燃油燃烧颗粒物的粒径分布总体向小粒径方向偏移，且燃烧颗粒物中的积聚态颗粒物所占比重有所增加。
　　通过扫描电镜观察柴油机排气颗粒物的微观组织结构形貌显示，纳米燃油燃烧颗粒物的粒径明显变细，孔隙率变小，团聚程度提高，组织排列结构越缜密，呈现疏松多孔的海绵状，滤纸中玻璃纤维更易被覆盖而不见。
　　在20℃/min升温速率，空气氛围工作气下进行柴油机排气颗粒物的热重特性试验得出，50CeO2、100CeO2、50Co3O4、100Co3O4等4种纳米燃油燃烧颗粒物氧化反应的起燃温度、失重率峰值温度及燃尽温度均有所降低，最大失重率明显增加。通过热解动力学FWO法求得柴油、50CeO2、100CeO2、50Co3O4和100Co3O4等4种纳米燃油燃烧颗粒物的氧化活化能值分别为214kJ/mol、195.04kJ/mol、182.87kJ/mol、176.05 kJ/mol和165.70 kJ/mol，由此说明，纳米添加剂可明显降低柴油机排气颗粒物的氧化活化能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 柴油机的排放控制技术

1．2．1 机内净化技术

1．2．2 机外净化技术

1．2．3 燃油品质改进

1．3 柴油机添加剂的发展状况

1．3．1 燃烧促进剂

1．3．2 十六烷值改进剂

1．3．3 消烟剂

1．4 纳米柴油添加剂柴油机上的研究进展

1．5 本文研究的主要内容

第二章 纳米燃油的制备及其静置稳定性研究

2．1 颗粒在液相中分散稳定理论

2．2 颗粒在液相中分散方法

2．2．1 物理分散

2．2．2 化学分散

2．2．3 物理-化学复合分散

2．3 纳米CeO2和CO3O4颗粒的表征

2．3．1 透射电子显微镜

2．3．2 X-射线衍射仪

2．3 表面活性剂的选择

2．3．1 HLB值理论

2．3．2 复配表面活性剂的配制

2．4 纳米燃油的制备

2．4．1 试验设备及试剂

2．4．2 纳米燃油的配制方法

2．5 纳米燃油的稳定性研究

2．6 本章小结

第三章 纳米燃油的燃烧过程与排放特性

3．1 测试设备及仪器

3．1．1 试验样机

3．1．2 测试仪器

3．2 试验燃料

3．3 试验方案

3．4 试验结果与分析

3．4．1 燃烧特性分析

3．4．2 经济性分析

3．4．3 排放特性分析

3．5 成本分析报告

3．6 本章小结

第四章 纳米燃油燃烧颗粒物的物理化学特性

4．1 颗粒物的粒径分布特性分析

4．1．1 微孔均匀沉积冲击器及其工作原理

4．1．2 颗粒物粒径分级采样过程

4．1．3 颗粒物的粒径分布规律

4．2 颗粒物的形貌特性分析

4．2．1 样品制备及分析仪器

4．2．2 结果与分析

4．3 本章小结

第五章 纳米燃油燃烧颗粒物的热重特性分析

5．1 热分析动力学理论

5．2 热解动力学方程的建立

5．3 热解动力学FWO法

5．4 TG／DTG曲线

5．5 颗粒物反应活化能计算

5．6 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文