反应活性可控氛围下预混压燃发动机颗粒物微观理化特性及其形成机理的研究

Reactivity charge compression ignition combustion technology is one kind of new combustion modes to realize high-efficiency and low emission combustion, and PM emission can be reduced obviously by this combustion mode. However, the PM formation mechanism, particulate size distribution and the mutual influences between the particulate micro-properties and oxidation reactivity during this combustion mode have not yet been fully verified. For this purpose, the effects of the boundary parameters such as premixed fuel reactivity, proportion and temperatureon the particulate size distribution, the particulate formation process, nanostructure, surface functional group and oxidation reactivity are determined by the numerical simulation of chemical reaction kinetics, advanced test method based on thermogravimetric analysis and multi-spectral analysis as well as the engine test. Furthermore, the mutual influences among particulate nanostructure, particulate physical and chemical properties and oxidation reactivity are discussed. It is finally obtained that the formation path of the particle precursors-single/polycyclic aromatic hydrocarbon, particulate physical and chemical properties and particulate oxidation reactivity under the condition of the reactivity charge compression ignition combustion. Thus, the PM reducing mechanisms in the combustion process of the reactivity charge compression ignition are revealed. The results can provide theoretical fundamentals for organizing the combustion process of diesel engine effectively, formulating the effective control strategies of PM emissions and designing the diesel after-treatment scientifically.

反应活性可控压缩燃烧技术是一种可实现发动机高效清洁燃烧的有效措施，可显著降低发动机的颗粒物排放，但是我们还不完全清楚这种燃烧模式下颗粒物的形成机理、粒径分布特性以及颗粒微观特性和氧化活性之间的相互影响关系。为此，本申请拟将化学反应动力学数值模拟计算，热重分析和谱分析等先进测试方法以及发动机排放特性试验等技术手段相结合来研究预混燃料活性、比例、温度等边界参数对颗粒物粒径分布、生长历程、微观结构、表面官能团和氧化活性的影响规律，进而探讨颗粒物微观结构、物理化学特性和氧化活性之间的相互影响关系，最终获得反应活性可控条件下颗粒物前驱体单/多环芳香烃的形成路径、颗粒物微观理化特性对氧化活性的影响机理，从而深刻揭示反应活性可控压缩燃烧方式降低发动机颗粒物的作用机制。本申请所获得的研究结果将为合理组织柴油机燃烧过程、制定颗粒排放物有效控制策略以及科学设计柴油机后处理器提供基础理论依据。

由于对大气环境和人体健康的负面作用，机动车颗粒物排放污染一直是全社会关注的热点问题，因此研究如何降低机动车颗粒物排放显得尤为迫切。反应活性可控压缩燃烧技术是一种可实现发动机高效清洁燃烧的有效措施，但是这种燃烧氛围下颗粒物的形成机理以及颗粒微观特性之间的相互影响关系我们还不十分清楚。为此，本项目采用热重、电镜分析、发动机台架试验以及数值仿真等研究手段相结合的方法开展了相关研究。. 项目研究了反应活性可控预混压燃氛围对颗粒物前驱体生成的影响，分析了不同预混燃料比例、温度和压力等边界条件下活性中间基和燃烧产物的浓度和生成速率的变化规律，发现引入低活性预混燃料会影响反应的局部活性氧浓度,生成的活性中间基会抑制颗粒成核、促进颗粒氧化。开展了反应活性可控预混压燃氛围对燃烧过程和颗粒物粒径分布的影响研究，发现随着预混比的增加，燃烧相位不断推迟，放热率峰值也随之增加，最终使核态颗粒数量浓度增加，积聚态颗粒数量浓度减少，颗粒物的总数量浓度增加，而质量浓度降低。开展了反应活性可控预混压燃氛围对颗粒物微观理化特性及氧化活性的影响研究。发现预混燃料比例的提高，会使颗粒的纳观结构更趋于无序，微晶长度减小，曲率增加，碳烟氧化活性提高；颗粒的基本碳粒子尺寸随着EGR率的增加而增加，且颗粒内部碳排列更为有序；引入大比例EGR后，碳烟表面的含氧官能团含量减少，颗粒的氧化活性随着EGR率的升高而降低。. 研究工作获得了反应活性可控预混压燃条件下颗粒物前驱体的形成路径、颗粒物微观理化特性对氧化活性的影响机理，揭示了反应活性可控压缩燃烧方式降低发动机颗粒物的作用机制。本项目的研究结果将为合理组织柴油机燃烧过程、制定颗粒排放物有效控制策略以及设计柴油机后处理器提供基础理论依据。