柴油機EGR氛圍顆粒的形成及衍變規(guī)律研究-.pdf

1、柴油機排放的NOX和顆粒物已成為我國空氣污染的主要來源之一。為進(jìn)一步降低柴油機的NOX和顆粒排放，滿足更加嚴(yán)格排放法規(guī)的要求。針對輕型車用柴油機，一般采用廢氣再循環(huán)（EGR）+顆粒催化氧化/捕集（POC/DOC/DPF）等技術(shù)措施。EGR技術(shù)通過增加混合氣熱容值，稀釋混合氣中的氧濃度，起到了降低最高燃燒溫度的作用，是降低柴油機NOX排放的主要機內(nèi)凈化措施之一。但采用EGR后，過量空氣系數(shù)和氧濃度下降，會對顆粒排放產(chǎn)生不利影響。
　

2、　針對柴油機EGR氛圍顆粒的形成和衍變規(guī)律，論文共分為七章，重點對EGR氛圍顆粒前驅(qū)體的形成過程、顆粒的碰撞凝并過程、顆粒官能團(tuán)和氧化活性以及微觀物理特性等方面進(jìn)行了研究。圍繞EGR率、廢氣組分和溫度等參數(shù)，采用臺架試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了EGR對柴油機燃燒過程、燃燒中間產(chǎn)物以及NOX和顆粒排放的影響；通過構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理和固體動力學(xué)物理模型，探討了EGR氛圍顆粒前驅(qū)體多環(huán)芳香烴（PAHs）的生成規(guī)律和形成路徑，分析了E

3、GR對顆粒形成過程中碰撞、凝并等固體動力學(xué)過程的影響機制；采用熱重分析、X射線近邊吸收光譜、拉曼光譜和 X射線小角散射等分析手段，考察了EGR對顆粒揮發(fā)、氧化特性以及官能團(tuán)組分和含量的影響，總結(jié)了顆粒形貌、基本碳粒子微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)（微晶尺寸、彎曲度、層面間距）、顆粒分形特征、石墨化程度等微觀物理特性的衍變規(guī)律。
　　采用EGR后，對燃燒過程的影響主要來自廢氣組分，廢氣中CO2對柴油機燃燒過程的影響明顯大于N2，主要通過抑制H2O

4、2的分解反應(yīng)，減少OH自由基的大量生成，起到推遲柴油著火的作用，并進(jìn)一步阻滯了OH自由基對CH2O的氧化反應(yīng)，使柴油裂解氧化過程中由低溫向高溫的轉(zhuǎn)化過程受到抑制，阻滯了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行；廢氣中的CO2對NOX的抑制作用強于N2，可以有效降低柴油機的NOX排放；N2是導(dǎo)致采用EGR后積聚態(tài)顆粒粒徑增大、數(shù)量和質(zhì)量濃度升高的主要氣體成分，CO2可以降低顆粒排放數(shù)量和質(zhì)量濃度，主要是起到降低積聚態(tài)顆粒的作用。
　　根據(jù)碳?xì)淙剂系娜紵攸c，

5、在總結(jié)苯環(huán)形成路徑和芳香烴生長機理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含芳香烴（PAHs）生成過程的正庚烷-PAHs化學(xué)反應(yīng)機理，并分別對機理的著火延遲、燃燒產(chǎn)物和中間產(chǎn)物進(jìn)行了驗證。采用構(gòu)建的化學(xué)反應(yīng)機理，分析了EGR率、廢氣組分和溫度對苯、萘、菲、芘四種典型PAHs生成規(guī)律的影響，運用生成速率和敏感性分析方法，確定了EGR氛圍顆粒前驅(qū)體的主要基元反應(yīng)和形成路徑。研究結(jié)果表明，導(dǎo)致采用EGR后，PAHs生成量增加的主要影響因素是廢氣中的N2和廢氣溫度的

6、升高，廢氣中的CO2對PAHs的生成具有抑制作用；引入EGR后主要是通過促進(jìn)了丙炔基聚合反應(yīng)，造成苯生成量增加，是苯生成的主要反應(yīng)路徑；萘主要是通過苯基的二次脫氫加乙炔反應(yīng)和苯基與乙烯基乙炔化合反應(yīng)生成；菲的反應(yīng)路徑主要有兩個，在低溫時主要通過菲基 A3-4和 H的反應(yīng)得到，另一個反應(yīng)路徑是聯(lián)苯基（P2-）與乙炔的反應(yīng)，該反應(yīng)主要發(fā)生在高溫環(huán)境中，引入EGR后，菲基A3-4和H的反應(yīng)是菲的主要生成路徑；EGR對芘生成主要基元反應(yīng)和形成路

7、徑影響不大，主要通過 A3-4與乙炔反應(yīng)生成。
　　通過建立包含顆粒碰撞、凝并以及粗顆粒對細(xì)顆粒捕集過程的物理模型，運用矩方法對通用動力學(xué)方程進(jìn)行求解。以自由分子區(qū)中的顆粒為研究對象，分析了EGR對顆粒形成過程中碰撞、凝并等固體動力學(xué)過程的影響機制。結(jié)果表明，采用EGR后，隨著燃燒形成的成熟顆粒再次進(jìn)入氣缸，一方面增加了缸內(nèi)自由分子區(qū)中顆粒系統(tǒng)的初始分散性，加快了自由分子區(qū)中顆粒數(shù)量的衰減和平均體積的增加；另一方面，由于成熟的顆粒

8、粒徑較大，多為形狀不規(guī)則的團(tuán)聚體，再次進(jìn)入氣缸后，在改變顆粒初始分散性的同時，顆粒形狀不規(guī)則程度增加也是使碰撞頻率增加的主要原因，同時也加強了粗顆粒對細(xì)顆粒的捕集作用。
　　采用X射線近邊吸收光譜，探討了EGR對顆粒中碳官能團(tuán)組分的影響，結(jié)合分峰擬合方法，對比分析了顆粒中主要碳官能團(tuán)相對含量的變化規(guī)律。結(jié)果表明，柴油機顆粒中碳官能團(tuán)主要包括不含氧的芳香基碳、石墨碳官能團(tuán)和脂肪族C-H官能團(tuán)以及含氧的醌類、羧基、羰基、酚/酮類官能團(tuán)

9、；隨著EGR率增加，顆粒中芳香基碳、石墨碳官能團(tuán)逐漸降低，含氧官能團(tuán)和脂肪族C-H官能團(tuán)呈升高趨勢；隨著廢氣溫度升高，顆粒中碳官能團(tuán)產(chǎn)生相反的變化規(guī)律。廢氣中的CO2對顆粒中碳官能團(tuán)相對含量的影響作用要明顯強于N2，可以顯著降低顆粒中的石墨碳和芳香基碳官能團(tuán)，增加含氧官能團(tuán)和脂肪族C-H官能團(tuán)的相對含量，對提高顆粒的氧化活性具有較強的促進(jìn)作用。
　　采用熱重分析儀，分析了EGR對顆粒中可揮發(fā)性物質(zhì)、干碳煙等組分含量的影響，通過計算

10、顆粒的氧化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)、著火溫度、燃燒特性指數(shù)等，研究了EGR對顆粒氧化活性的影響。結(jié)果表明，隨著EGR率增加，顆粒中碳煙所占比例逐漸降低，水分和揮發(fā)性有機物增多，顆粒中揮發(fā)物析出溫度TSOF1逐漸降低；與引入廢氣和N2時相比，只通入CO2時的TSOF1最低，廢氣中的CO2是導(dǎo)致顆粒中碳煙、揮發(fā)性有機物等隨EGR率增加產(chǎn)生變化的主要因素；廢氣溫度升高，顆粒中主要組分的含量會產(chǎn)生相反的變化規(guī)律，并且TSOF1逐漸升高。顆粒中揮發(fā)物起始燃

11、燒溫度TSOF2、soot組分著火溫度Ti和燃盡溫度Th的變化規(guī)律與TSOF1相同。顆粒的活化能與EGR率呈近似線性關(guān)系，隨著EGR率增加，顆粒的燃燒特性指數(shù)和燃盡特性指數(shù)均逐漸增加，活化能降低明顯，顆粒氧化所需的能量減少，更易氧化燃燒，燃燒效率增加，燃燒性能得到改善。廢氣中CO2對顆粒氧化活性的影響明顯高于N2，可以顯著降低顆粒的反應(yīng)活化能，提高顆粒的氧化活性；廢氣溫度升高，會對顆粒的氧化活性產(chǎn)生不利影響。
　　采用激光拉曼光譜

12、，分析了不同EGR率、廢氣組分和溫度條件下產(chǎn)生顆粒的石墨化程度。研究結(jié)果表明，隨著EGR率增加，顆粒的石墨化程度逐漸降低，通過對比廢氣組分和溫度的影響，認(rèn)為廢氣中的CO2是使顆粒石墨化程度隨EGR率增加而降低的主要因素，廢氣溫度的升高會使顆粒的石墨化程度升高。
　　采用原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線小角散射等試驗方法，考察了EGR對顆粒微觀形貌和結(jié)構(gòu)的影響。隨著EGR率和廢氣溫度增加，顆粒的團(tuán)簇大小逐漸增大，顆粒間的統(tǒng)計平均

13、距離逐漸減小，團(tuán)粒間隙尺寸和數(shù)量逐漸減小，致密程度增大，空間結(jié)構(gòu)更為緊密，結(jié)構(gòu)剛性增強，顆粒間團(tuán)聚力逐漸增大，且主要作用形式由液橋力向范德華力和液橋力共同作用轉(zhuǎn)變，并且范德華力逐漸起到主要作用。與引入廢氣和N2相比，廢氣中的CO2可以減小顆粒團(tuán)簇大小、增大顆粒間的統(tǒng)計平均距離、降低結(jié)構(gòu)緊密程度和結(jié)構(gòu)剛性。
　　采用透射電子顯微鏡結(jié)合圖像處理的方法，考察了EGR對顆?；咎剂Ｗ游⒂^結(jié)構(gòu)的影響，確定了層面間距、微晶尺寸、彎曲度和分形維