生物柴油缸内废气热氛围亚微米颗粒形成机理及控制研究

Diesel engine with EGR (exhaust gas recirculation) system fueled with biodiesel, the number of sub-micron particulates increased significantly. The addition and polymerization reactions occur between aromatic hydrocarbons from exhaust gas and intermediates formed by biodiesel combustion cause the secondary nucleation. The high temperature environment in the cylinder changes the surface activities of particulates. And the oxygenated components in biodiesel change the concentration of radicals and oxygen ion in the cylinder. The role of both high temperature environment and biodiesel change the formation process of sub-micron particulates. The methods of synchrotron photoionization mass spectrometry tests and chemical reaction dynamics simulation are used to study the variation of intermediates during combustion. The formation process of aromatic hydrocarbons aromatic and basic carbon particulates will be analyzed. The effects of oxygen characteristics of biodiesel on the chemical reaction process of nucleation will be discussed. Design the simulation device of particulates collision and agglomeration. Investigate the relationship between particulates forces, secondary nucleation and particulates growth. And propose the limit value of EGR when secondary nucleation occurred. Using electron microscopy and X-ray small-angle scattering tests, the microscopic structure and size distribution of basic carbon particulates and sub-micron particles will be studied. The methods and technical measures will be proposed to inhibit the carbon formation and reduce secondary nucleation of particulate, so as to reduce particulate of diesel engine. Expand the range of thermophysics engineering studying in elementary reactions of biodiesel combustion.

采用EGR装置的柴油机燃用生物柴油后，亚微米颗粒数量增加明显。再次进入气缸的芳香烃类物质与生物柴油燃烧形成的中间产物发生加成聚合反应，二次成核。缸内热氛围改变了颗粒的表面活性，生物柴油含氧基团改变了缸内自由基和氧离子的浓度，两者共同作用改变了亚微米颗粒的形成过程。 项目采用真空紫外光电离试验和化学反应动力学模拟的方法，研究燃烧中间产物的变化规律，分析芳香烃、基本碳粒子的衍生过程，探讨生物柴油燃料氧特性对成核化学反应过程的影响。设计颗粒碰撞/团聚模拟装置，探讨颗粒间作用力与二次成核、颗粒生长的关系，提出二次成核临界浓度的EGR限值。采用电镜和X射线小角散射等试验方法，研究基本碳粒子、亚微米颗粒、颗粒群的微观结构及尺度分布，揭示生物柴油缸内废气热氛围的亚微米颗粒形成机理，提出降低颗粒排放的控制措施。丰富内燃机高效清洁燃烧的研究内容，拓展工程热物理生物柴油燃烧与污染物控制的研究领域。

柴油机加装EGR后，废气进入气缸会影响颗粒形成的物理和化学过程，燃烧产生的颗粒数量明显增加。项目针对废气热氛围的生物柴油碳粒子成核过程开展研究，主要研究工作和结果如下：（1）建立了生物柴油燃烧过程中前驱体PAHs形成及基本碳粒子的成核机理，研究了EGR氛围条件下，燃烧中间产物、活性自由基对PAHs和碳核生成的影响，考察了燃烧过程中形成的小分子中间燃烧产物和自由基（C2H2、C3H3、OH、CH3等）对PAHs的作用机理，探讨了废气浓度对生物柴油着火与燃烧过程的影响，探明了废气浓度与生物柴油掺混比对碳烟生成与氧化的关系。（2）根据含氧燃料的特点，提出判断混合燃料着火的温度、氧燃比等指标，提出了柴油机燃用甲醇/生物柴油、甲醇/柴油的着火模式；指出柴油机燃用含氧混合燃料，采用分子中不含C-C键、碳链长度较短、含氧量较高的含氧燃料，可以抑制前驱体芳香烃的形成、降低颗粒排放。（3）基于颗粒粒径的正态分布原则，建立了柴油机颗粒的碰撞运动和凝并模型，分析了EGR对颗粒形成过程中碰撞、凝并的动力学影响机制，研究指出了柴油机颗粒的运动表现的“靠近—接触—分离或凝并”的碰撞特征。项目的研究，提出了不同负荷柴油机的EGR率。（4）开展了生物柴油颗粒状态特征研究，探讨了生物柴油颗粒及颗粒群的分形特点；分析了基本碳粒子的层面厚度及间距、碳原子点阵排列变化的基本规律，探讨了氧化作用对基本碳粒子内部无序非晶态结构、外壳层状石墨结构的影响；研究了生物柴油亚微米颗粒质量和数量浓度的分布规律，揭示了EGR缸内热氛围条件下，生物柴油亚微米颗粒的形成机理。研究结果丰富了内燃机高效清洁燃烧的研究内容，为降低柴油机颗粒提供理论依据。