煤直接液化柴油燃烧的碳烟颗粒三维形貌及力学性质研究

Diesel engines are used to automobiles widely, and also training planes, private aircraft, low-altitude unmanned planes and other general aviation applications increasingly. Direct coal liquefaction diesel (DCLD) has been put into mass production firstly in China, and its quality is better than petro-diesel. Because of its different hydrocarbon groups composition, combustion, physico-chemical properties from petro-diesel, this project will develop a rapid electrically-driven probe to collect soot particles at different positions within spray flame. By using the most advanced structural analysis means—AFM(atomic force microscopy),the three-dimensional morphology and mechanical property of DCLD combustion-generated soot particles were studied, such as particle aggregation state, structure, size, irregularity, relation between adhesion and its kinetic energy, cohesion efficiency of soot particles, and resistance to deformation. The effects of molecular structure corresponding to naphthene number, cross reaction, combustion mode, combustion boundary conditions including turbulence on the property of soot particles are concluded. The basic rule, mechanism of the initial carbon nucleation formation, growth and oxidation of DCLD are discussed. Its similarity and difference of soot particle characteristics between DCLD and petrochemical diesel are shown. The study will lay a mechanism and experimental foundation for in-cylinder and engine-out PM purification.

柴油机广泛用于汽车，在航空教练机、私人飞机及中低空无人机等通用航空领域的应用也日益增加。煤直接液化柴油DCLD是在我国率先成熟、大批量生产，且品质优于石化柴油。针对其迥异于石化柴油的烃族组成、理化和燃烧特性，本项目研制快速采集装置，以采集火焰不同位置的碳烟颗粒；采用目前最先进的结构分析工具——原子力显微镜，在燃烧基础试验装置和柴油机上研究喷雾扩散燃烧和低温燃烧所致碳烟颗粒的三维形貌和力学特性，包括颗粒聚集状态、结构、尺寸、不规则度及碳烟颗粒粘附能和与其动能的关系、碳烟颗粒团聚效率、抵抗形变能力。研究分子结构即环烷烃环数、交叉反应、燃烧方式、燃烧边界条件包括湍流对燃烧致碳烟颗粒特性的影响规律，揭示煤直接液化柴油初始碳核形成、长大和氧化的基本规律、机理及其与石化柴油的异同.本研究为碳烟颗粒的机内机外净化提供原理性和试验依据。

针对煤直接液化柴油（DDCL）迥异于石化柴油的烃族组成、理化和燃烧特性，本项目研制快速采集装置，以采集火焰不同位置的碳烟颗粒；采用目前最先进的结构分析工具——原子力显微镜，在燃烧基础试验装置上研究喷雾扩散燃烧和低温燃烧所致碳烟颗粒的三维形貌和力学特性，包括颗粒聚集状态、结构、尺寸、不规则度及碳烟颗粒粘附能等参数。研究燃烧方式、燃烧边界条件包括湍流对燃烧致碳烟颗粒特性的影响规律，揭示煤直接液化柴油初始碳核形成、长大和氧化的基本规律、机理。研究煤液化柴油在发动机上的燃烧与碳烟颗粒排放特性，包括颗粒粒径分布、颗粒多环芳烃含量及当量毒性、颗粒氧化活性等。结果表明，氧浓度15%逐渐增加到21%时，碳烟基元颗粒半径逐渐减小，基元颗粒半径分布趋于集中，碳烟团聚物的回转半径的平均值呈现降低的趋势。喷油压力从150 MPa降低到90 MPa，煤直接液化油碳烟团聚物回转半径、粒径均增加，而分形维呈现逐渐减小的趋势。随采样位置逐渐远离喷油器，煤直接液化柴油喷雾火焰轴线方向的碳烟颗粒的回转半径和粒径逐渐降低，碳烟团聚物结构越来越紧凑。发动机试验研究表明，在1400rpm的低负荷和2300rpm的中低负荷，粒径分布呈现单峰形态，核模态峰值粒径在6nm左右，积聚态峰值粒径总体随负荷升高而增大。煤直接液化油积聚态颗粒数浓度小于0.2μg/g。DDCL虽芳香烃含量很低，但其绝大部分成分为环烷烃，环烷烃在高温缺氧的环境下极易经过连续脱氢生成芳香烃。煤液化柴油的颗粒至400℃时失重率高于石化柴油，表明煤液化柴油颗粒中可溶性有机物占比高于PD。各燃油DTG曲线在550℃附近的谷值对应温度为颗粒起燃温度。煤直接液化油和石化柴油生成碳烟颗粒的量和成熟度有差异。颗粒物生成量和成熟度是影响柴油机尾气颗粒物处理装置再生和效率、最终影响柴油机尾气颗粒物排放水平的重要参数。本研究为碳烟颗粒的机内机外净化提供原理和试验依据。