不同特性燃料条件下柴油机缸内微粒纳观结构、表面官能团及氧化活性的研究

摘要

燃料特性、缸内压力、温度等外界条件对柴油机微粒的纳观结构及其表面官能团影响很大,而微粒的纳观结构和表面官能团又会影响微粒在氧化过程中的反应活性。因此,研究柴油机燃烧过程中不同特性燃料缸内微粒纳观结构、表面官能团及氧化活性的变化规律,对进一步了解柴油机微粒的形成历程和减少微粒的排放具有重要的意义。本文基于全气缸取样系统,应用TEM图像处理、EELS、Raman光谱、FT-IR光谱、XPS和TGA等分析检测技术,针对燃料特性不同的正庚烷、正庚烷/甲苯、柴油和F-T柴油所生成的柴油机缸内微粒,开展了燃烧过程中缸内微粒微观结构、表面官能团及氧化活性演变机制的研究,取得的主要研究成果如下:
　　1.四种燃料在燃烧过程中均形成了两类结构特性不同的缸内微粒,即由基本碳粒子构成的典型微粒和富含金属和非金属元素的非典型微粒。典型微粒具有分形结构特性,其中正庚烷、20％甲苯/80%正庚烷(体积比)、柴油和F-T柴油的典型微粒分形维数分别介于1.63~1.96、1.48~1.92、1.32~1.84和1.48~1.91之间,且在燃烧过程中均为先减小后增加的变化规律,分形维数的最小值出现在扩散燃烧阶段的初期。燃料中芳香烃和环烷烃组分能够促进分形维数较低的微粒形成。
　　2.四种燃料基本碳粒子粒径呈类似高斯分布,峰值介于15~25nm,平均粒径在燃烧过程中呈单峰变化趋势,最大值出现在预混燃烧阶段的中后期。平均层面间距和平均曲率随着燃烧进行总体呈逐渐减小的趋势,仅在预混燃烧阶段末期至扩散燃烧阶段初期出现一个突然的上升;微晶尺寸变化趋势则正相反。燃料中的芳香烃和环烷烃组分能够促进基本碳粒子的成长,使平均粒径、层面间距和曲率增大,微晶尺寸减小。此外,Raman光谱IG/ID及EELS中Iπ*/Iδ*的变化规律与微晶尺寸的变规律基本一致,验证了微粒微观结构特征参数提取结果的准确性。
　　3.微粒表面的脂肪族C–H官能团当量浓度随着曲轴转角的增大整体呈逐渐减小的趋势,仅在预混燃烧阶段末期至扩散燃烧阶段初期出现一个突然的上升。C–OH和C=O官能团浓度均呈“双峰”变化趋势,分别在预混燃烧阶段中期和扩散燃烧阶段末期各出现一个峰值。燃料中的芳香烃及环烷烃通过降低微粒的石墨化程度和纳观结构有序性,增大了微粒表面脂肪族C–H和含氧官能团的浓度。
　　4.四种燃料生成的缸内微粒氧化所需的表观活化能介于114.57~181.02 kJ/mol;燃烧过程中,脂肪族C–H表面官能团是影响微粒的氧化活性主要因素,微观结构和表面含氧官能团则属于相对次要的因素。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2柴油机微粒的组成及生成机理

1.3柴油机缸内采样技术

1.4柴油机燃烧过程缸内微粒的研究现状

1.5国内外碳烟微粒物理化学特性的研究现状

1.6本文研究意义及内容

第二章 微粒取样系统及样品分析方法

2.1全汽缸取样系统

2.2碳烟微粒的分析方法及仪器

2.3本章小结

第三章 不同燃料缸内微粒的形貌与纳观结构

3.1缸内微粒纳观形貌与元素组成

3.2典型微粒的分形特性

3.3基本碳粒子的的纳观结构与粒径分布

3.4基本碳粒子纳观结构特征参数

3.5微粒石墨化程度分析

3.6微粒纳观结构和石墨化程度的分析与讨论

3.7本章小结

第四章 不同燃料的缸内微粒表面官能团

4.1燃料对微粒表面脂肪族碳氢官能团的影响

4.2燃料对微粒表面含氧官能团的影响

4.3微粒表面碳原子sp3和sp2杂化比

4.4本章小结

第五章 不同燃料缸内微粒的氧化活性

5.1微粒氧化特性参数的定义

5.2燃料对缸内微粒氧化特性的影响

5.3燃料对缸内微粒氧化活性的影响

5.4微粒氧化活性与微粒纳观结构、表面官能团的关系

5.5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

参考文献

发表论文和参加科研的情况说明

致谢