柴油机排放颗粒物微观物理化学特性及其对微粒氧化性能影响机理的基础研究

本项目针对柴油机颗粒物微观物理化学特性及其对颗粒物氧化反应的影响机理开展研究工作，将建立柴油机排放颗粒物微观物理化学特性的科学评价方法；提出适用于柴油机颗粒物微观物理化学特性研究的PCA和PLS等统计学方法；阐明柴油机工况、燃烧组织措施及燃料组成等对颗粒物微观物理化学特性的影响规律；确定微观物理化学特性对柴油机排放颗粒物氧化反应的影响机理；构建基于微观物理化学特性参数的颗粒物氧化反应理论模型，确定颗粒物微观物理化学特性对其氧化反应的作用机制；阐明催化反应条件下微观物理化学特性对颗粒物氧化活性的作用机理；提出微观物理化学特性对颗粒物氧化反应活性的影响规律以及柴油机运行条件的调整策略。研究将对深入认识颗粒物的本质、评价柴油机颗粒物对环境和气候的影响、指导柴油机后处理技术的应用，具有重要的理论意义和潜在的实际价值。

本项目针对柴油机颗粒物微观物理化学特性及其对颗粒物氧化反应的影响机理开展研究工作，取得以下成果：.（1）柴油机排放颗粒物的微观形貌呈现出由多个近似于圆球形的基本碳粒子组成的不规则形状。石化柴油（DF）、生物柴油（BD）及煤制柴油（CTL）所生成颗粒物的分形维数介于1.58-1.8之间，相同工况下颗粒物分形维数大小顺序为BD>DF>CTL。微粒的分形维数和基本碳粒子平均粒径均随负荷的增加而增大，随转速的增加先降低后增加。此外，怠速工况下，基本碳粒子平均粒径较大。.（2）随负荷的增加，基本碳粒子的微晶层间距和曲率变小，微晶尺寸增加；随转速的升高，微晶层面间距和曲率先减小后增加，微晶尺寸则先增加后减小。相同工况下，三种燃油所生成基本碳粒子的无序化程度大小顺序为：BD>DF>CTL。.（3）碳烟微粒表面碳氢官能团随负荷的增加而减小，随转速的增加先减少后增加，碳氢官能团当量比介于0.11-0.5之间。三种微粒的氧/碳比、羟基官能团含量以及sp3/sp2杂化比均随着负荷的减小而增加，随转速的增加而先减小后增加。相同工况下，上述3种特性参数的大小顺序均为：BD>DF>CTL，而表面羰基官能团不仅含量较小，而且对工况和燃料的变化不敏感。.（4）三种燃料所产生碳烟微粒的起燃和燃尽温度介于394-622.5℃之间，而表观活化能介于138.1-172.5 kJ/mol之间。随负荷的增加，碳烟微粒氧化活性下降，而随转速上升，微粒氧化活性先下降后上升。相同工况下，三种燃料产生的碳烟微粒氧化活性的大小顺序为：BD>DF>CTL。.（5）偏最小二乘回归分析结果表明：碳烟微粒的氧化活性受油品特性、发动机运行条件、碳烟微粒微观物理化学特性等因素的影响。其中，以微晶曲率和层面间距为代表的碳烟微粒内部微观物理结构是影响其氧化特性的最关键因素，而微粒氧化活性对表面官能团组成和含量以及燃油成分特性的敏感度相对较小。.（6）取代型钙钛矿催化剂和金属改性分子筛型催化剂不与碳烟接触时，可以通过“溢出机理”催化碳烟氧化；而在负载催化剂的POC中，主要通过“溢出机理”实现碳烟的脱除；反应气氛中的NOx能够同时强化“氧化还原机理”和“溢出机理”对碳烟的脱除作用。.上述研究成果对深入认识颗粒物的本质、评价柴油机颗粒物对环境和气候的影响、指导柴油机后处理技术的应用，具有重要的理论意义和潜在的实际价值。