燃燒過(guò)程中碳煙微粒三維形貌及力學(xué)特性的研究.pdf

1、由于碳煙微粒的形成過(guò)程包含一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程，且這些變化發(fā)生時(shí)間極短，因此，其生成演化機(jī)理迄今尚未完全清楚。本文通過(guò)柴油機(jī)全氣缸取樣系統(tǒng)和熱泳取樣系統(tǒng)獲取了柴油機(jī)、甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰燃燒過(guò)程中的碳煙微粒，并使用原子力顯微鏡(Atomic force microscope，AFM)研究了這些微粒的形貌及力學(xué)特性在燃燒過(guò)程中演變規(guī)律，研究成果有助于深入理解碳煙微粒生成演化機(jī)制，從而為降低碳煙微粒的排放提供了理論指導(dǎo)。
　　柴

2、油機(jī)、甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰三種燃燒方式下生成的微粒體積當(dāng)量直徑(Equivalent diameter，ED）分布的峰值位于2.5-4.5nm;伴隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，單個(gè)碳煙微粒的平均體積當(dāng)量直徑(Averaged equivalent diameter，AED)呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰生成的微粒球度比(Sphericity ratio，SR)隨ED的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，表明這兩種燃燒方式下的微粒碳化程度與粒徑相關(guān)。

3、相比之下，柴油機(jī)缸內(nèi)微粒未發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律，這可能是由缸內(nèi)燃燒不均勻?qū)е虏煌俺墒於取碧紵熚⒘：臀慈既剂系墓泊嫠鸬摹Ｓ捎贏FM的使用將微粒的粒徑檢測(cè)限拓展到了1nm，從而發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)、甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰三種燃燒過(guò)程中一直存在納米粒子，這些納米粒子粒徑小于7nm、球度比低于0.02。燃燒初期微粒的三維形貌圖與對(duì)應(yīng)的振幅圖和相圖差異明顯，隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，這種差異逐漸減小。甲烷預(yù)混火焰早期形成的微粒主要是單微粒，當(dāng)HAB=8mm時(shí)才出現(xiàn)聚集

4、態(tài)的微粒，這說(shuō)明碳煙微粒的團(tuán)聚可能發(fā)生在碳化完成之后，符合Lahaye等人提出的演化機(jī)制;柴油機(jī)缸內(nèi)和甲烷擴(kuò)散火焰在燃燒初期出現(xiàn)了團(tuán)聚態(tài)的微粒，說(shuō)明微粒在未完全碳化之前可能已發(fā)生了團(tuán)聚，這與Reilly提出的碳煙微粒演化機(jī)制相符。
　　柴油機(jī)缸內(nèi)微粒具有三種不同特征的力曲線，分別對(duì)應(yīng)于碳化碳煙微粒，初生碳煙微粒和未燃液體燃料;而甲烷預(yù)混火焰和甲烷擴(kuò)散火焰的碳煙微粒只有兩種形式的力曲線，分別與碳化碳煙微粒、初生碳煙微粒對(duì)應(yīng)。由于初生

5、態(tài)碳煙微粒在力測(cè)量過(guò)程中發(fā)生了塑性形變，所以?xún)H針對(duì)具有石墨片層結(jié)構(gòu)的碳化碳煙微粒進(jìn)行力學(xué)分析。柴油機(jī)缸內(nèi)和甲烷擴(kuò)散火焰的碳煙微粒平均吸附力(Averaged attractive force，AFat)隨燃燒過(guò)程的進(jìn)行逐漸降低，而甲烷預(yù)混火焰的碳煙微粒AFat呈逐漸增加的趨勢(shì)。對(duì)于柴油機(jī)和甲烷擴(kuò)散火焰微粒來(lái)說(shuō)，計(jì)算的范德華力(Van der Waals force，F(xiàn)vdl)與AFat比值在60％以上，而甲烷預(yù)混火焰的碳煙微粒Fvdl與

6、AFat達(dá)到了75％，表明范德華力在吸附力中占主導(dǎo)地位。三種燃燒方式生成的碳煙微粒平均粘附力(Averaged adhesive force，AFad)都隨燃燒過(guò)程的進(jìn)行呈逐漸增加的趨勢(shì)，柴油機(jī)碳煙微粒的增加趨勢(shì)相對(duì)于甲烷預(yù)混火焰和甲烷擴(kuò)散火焰較平緩。甲烷預(yù)混火焰的平均粘附能(Averaged adhesion energy，AWad)較柴油機(jī)缸內(nèi)和甲烷擴(kuò)散火焰的碳煙微粒AWad略低。碳煙微粒的AWad較其平均熱動(dòng)能高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)