柴油机燃烧过程中碳烟纳观结构对颗粒氧化、聚并增长影响机理的研究

碳烟纳观结构变化对柴油机燃烧过程中颗粒氧化、聚并增长存在重要影响，但迄今仍无完善理论对此定量描述。申请项目拟采用透射电子显微镜（TEM）等先进测试仪器，结合全气缸取样试验系统，在不同燃烧模式下，研究柴油机缸内碳烟纳观结构演变规律以及纳观结构与颗粒氧化、聚并增长的关系。探索纳观结构参数（晶片长度、曲率、间距、排列方式）对氧化反应有效碰撞分数和碰撞频率的影响规律，揭示纳观结构参数对颗粒van der Waals粘附力及机械性能的作用机理。借助工程热物理、反应动力学及材料科学等理论，建立纳观结构与颗粒比表面积、表面活性点浓度，以及与颗粒粘附效率、分形维数之间的关系。以实验为基础，构建氧化和聚并之间的耦合机理，通过对氧化、聚并特性参数的敏感性分析，探索与纳观结构相关的基础性科学问题。发展碳烟高温氧化、聚并增长新模型，提出强化柴油机碳烟缸内氧化的新措施，为柴油机碳烟排放控制技术的发展提供理论基础。

采用透射电镜（TEM）、EELS、Raman光谱、FT-IR光谱、XPS和TGA等分析检测技术，结合全气缸取样试验系统，在不同燃烧模式和多种燃料条件下，研究了柴油机缸内碳烟纳观结构及表面官能团对碳烟氧化、聚并增长的影响。研究发现，尽管燃料不同，燃烧火焰中形成的碳烟颗粒均具有分形结构特征，芳香烃和环烷烃组分能够促进分形维数较低的碳烟形成。分形碳烟颗粒由基本粒子组成，燃烧过程中基本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。基本粒子微晶层片平均间距和平均曲率随着燃烧进行总体呈逐渐减小的趋势，微晶层片长度变化趋势则正相反。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。结合Raman光谱、EELS分析，获得了碳烟颗粒纳观结构的变化规律。碳烟表面C-H官能团当量浓度随曲轴转角的增大整体呈逐渐减小的趋势， C-OH和C=O官能团浓度均呈“双峰”变化趋势，燃料中的芳香烃及环烷烃有增大碳烟表面脂肪族C-H和含氧官能团浓度的倾向。通过测量力-距离曲线分析了碳烟颗粒力学性能（弹塑性，纳米压痕，粘性等），研究了表面官能团对碳烟颗粒间吸附力、粘附力和粘附功的影响，获得了纳观结构和表面官能团对碳烟颗粒范德华力及机械性能的作用机理。根据缸内碳烟基本粒子粒径分布、纳观结构，计算了柴油机燃烧过程中碳烟颗粒氧化速率，获得了基本粒子纳观结构及表面官能团对碳烟颗粒氧化活性的影响规律，基于实验数据，建立了一个新的缸内碳烟氧化模型，研究成果为强化柴油机碳烟缸内氧化，控制柴油机碳烟排放提供了理论基础。