生物柴油混合比对柴油机排放颗粒特性的影响

为研究负荷和生物柴油对柴油机排放颗粒的影响,该文利用高分辨率透射电镜研究了电控高压共轨增压中冷柴油机在转速2000r/min、扭矩75和225N·m2种负荷下,燃用混合比为0、10%、50%和100%4种掺混比例(分别记做B0、B10、B50和B100)的黄连木籽生物柴油/柴油混合燃料时,产生排放颗粒的微观形貌和结构。结果表明,除B100产生排放颗粒中基本粒子的形状和粒径分布呈现出不规则性外,其余燃料的排放颗粒均由球形的基本粒子构成且粒径具有单分散特性;基本粒子具有多层类石墨微晶结构,碳层之间受到扭转和平移,存在无序内核区;B100在转速2000r/min、扭矩225N·m工况时的基本粒子平均粒径为45.57nm,与其余3种混合燃料排放颗粒的粒径相差很大。负荷和掺混比例在50%以内的生物柴油/柴油混合燃料对基本粒子的平均粒径影响不大。研究结果可为柴油机颗粒生成机理和后处理系统的设计提供参考。     

柴油机燃烧甲醇/生物柴油尾气颗粒物热解特性分析

采集了甲醇/生物柴油(5%、10%、15%)混合燃料在柴油机燃烧的尾气颗粒。采用热重分析仪和切线法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)热解动力学方法,研究颗粒挥发及氧化规律,分析了颗粒热解特征温度和活化能。结果表明:随着甲醇掺混量的增加,颗粒中H_2O的质量分数由2.6%增加到3.5%,可溶有机物(soluble organic fraction,SOF)质量分数由26.1%增加到32.5%,SOF的质量变化速率增大,对应的峰值温度后移;在O_2氛围中,SOF挥发阶段与在N2氛围中的表现基本一致,但质量变化速率明显增大;碳烟(soot)质量减小,由70.3%减少到63.8%,soot质量变化率峰值增大;SOF析出温度变化较小,soot起始燃烧温度明显降低,由488℃降低到458℃,SOF起始燃烧温度与燃尽温度均有所降低,颗粒的热解总反应时间缩短;颗粒的热解反应活化能由140.3 k J/mol降低117.3 k J/mol,颗粒的热解性能增强,颗粒更易被氧化。研究结果可为甲醇/生物柴油燃烧颗粒的处理及柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)再生提供依据。     

柴油机排放颗粒物的热重特性分析

为了解不同粒径颗粒物在特定氛围下的氧化特性,该文利用MOUDI采样器收集到的柴油机颗粒物,在纯N2及纯O2环境下,对0.18～0.32、0.32～0.56、0.56～1.00和1.00～1.80 μm 4个粒径级颗粒分别进行热重分析试验。结果表明,随着粒径级的增大,颗粒物中水分和SOF（soluble organic fraction）的含量下降,而干碳烟（soot）和无机盐的含量增加。在纯N2氛围下,颗粒在SOF挥发阶段随着颗粒物粒径级减小,其SOF含量和失重峰值速率随之增加;但在soot热解阶段不同粒径级的失重速率趋同。程序升温终了时,各粒径级颗粒的热重曲线在纯N2氛围下缓滞停在不同位置,而在纯O2氛围下则渐趋归一。随着颗粒物粒径级的减小,热重曲线呈下降趋势,颗粒越细则越易升温（氧化）失重;而在纯O2氛围下,各粒径级在SOF挥发阶段表现出与纯N2氛围下一致的规律但失重速率峰值明显增加。在soot热解阶段,随着颗粒物粒度减小,比表面积增加使其吸附氧的能力增加,发生化学反应的活性增大,颗粒氧化的起燃温度降低,且起燃时刻对应的失重速率增加;各粒径级颗粒物的失重速率峰值出现在600～640℃之间,随着颗粒物粒径增大其soot所占含量随之增多,热解失重速率峰值亦显著增加。研究结果可为颗粒物处理的技术措施提供基础物性数据,有助于推动颗粒物处理装置的改进和优化。     

坚果壳类生物质慢速热解动力学分析

为研究坚果壳生物质的慢速热解动力学过程，对两类坚果壳类生物质(花生壳和葵花瓜子壳)进行了低升温速率下惰性气氛的热重分析实验。采用竞争型热解反应动力学模型描述它们的热解过程。在原有动力学机理函数的基础上，提出了一种新的经验动力学机理函数。利用现代优化技术——模式搜索法，对实验数据进行了动力学分析，结果表明：新动力学机理函数能有效描述坚果壳类生物质的慢速热解动力学过程。     

CeO2纳米颗粒催化柴油燃烧氧化特性分析

为了深入了解柴油中添加Ce O2纳米催化剂后生成颗粒的氧化特性,该文配制了Ce O2质量分数分别为0、50、100 mg/kg的纳米催化燃油,利用微粒分级采样装置采集柴油机燃用3种燃料生成的颗粒样品,采用扫描电镜研究了Ce O2质量分数对颗粒形貌特征的影响,通过热重分析方法研究了升温速率、Ce O2质量分数对颗粒氧化特性的影响并采用Coast-Redfern方法计算了颗粒的活化能。结果表明:颗粒群为团簇状结构,粒径范围在20~70 nm之间;随着Ce O2质量分数增加,颗粒平均粒径减小,粒径向小粒径方向移动,计盒维数增大。随着升温速率的增加,颗粒氧化过程出现滞后现象,氧化反应区域变宽,初始氧化温度、峰值失重温度和氧化终止温度增高,失重率峰值变小。升温速率对颗粒反应活化能影响较小。升温速率相同时,随着Ce O2质量分数的增加,颗粒的反应活化能、初始氧化温度、峰值失重温度和氧化终止温度均降低,Ce O2质量分数越高,降幅越大。Ce O2纳米催化剂添加到柴油后,使颗粒粒径变小,并能促进颗粒的氧化,降低颗粒起燃温度,可有效降低柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)再生温度和延长再生周期,对柴油机排气净化具有重要的意义。     

不同配比乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性

为了研究乙醇柴油混合燃料的经济性和排放性,该文在双缸直喷式柴油机和在用的柴油轿车上分别进行了发动机台架试验和整车底盘测功机试验。结果表明,在不调整柴油机条件下,使用乙醇柴油混合燃料能够在一定程度上改善发动机燃油经济性和降低排气烟度和NOX排放,但HC排放增加。适当减小供油提前角有利于改善乙醇柴油混合燃料发动机经济性和排放特性。对于试验车辆,燃用E10有利于降低汽车在中、高速时的等速工况燃料消耗量和常温下冷起动后PM、NOX排放量。该研究结果对于改善乙醇柴油混合燃料的燃油经济性和排放性具有实用价值。     

甜高粱乙醇全生命周期温室气体排放

甜高粱是中国发展非粮乙醇的重要原料之一。为研究中国不同地区发展甜高粱乙醇的温室气体(greenhouse gas,GHG)排放表现并识别出影响温室气体排放量的主要环节,选取黑龙江东部、新疆中部、山东北部和海南4个典型地区的甜高粱液态发酵制乙醇生产系统为研究对象,设计3种不同的副产物利用情景,以生命周期分析方法计算并比较了乙醇在全生命周期内的温室气体排放量。研究结果表明:1)在不考虑副产物利用的基准情景下,甜高粱乙醇全生命周期GHG排放量为同等热值汽油的66%～77%;2)原料种植阶段是影响甜高粱乙醇全生命周期GHG排放量的主要阶段,柴油、灌溉用电和农用氮肥是种植阶段GHG的主要排放环节;3)对茎秆废渣实施再利用可降低甜高粱乙醇全生命周期GHG排放量,废渣燃烧为乙醇生产供能或以废渣为原料生产饲料可使甜高粱乙醇全生命周期GHG排放量降低50%～64%。该文为甜高粱乙醇规模化生产相关政策的制定提供参考。     

升温速率对椰壳热解特性的影响及动力学分析

利用热重分析仪对椰壳在不同升温速率（5、20、40℃/min）下的热解特性及动力学进行了研究,探讨了热解机理。结果表明：椰壳热解过程主要分为脱水、快速热解和缓慢失重;对比不同升温速率下的失重曲线表明,升温速率对热解失重率有明显影响,其最终热解产物的得率随升温速率的增加而减少。运用氮吸附仪测定其吸附等温线,获得不同热解温度对炭化料的孔结构,结果表明：热解温度越高,微孔越发达。使用TG曲线数据,利用分布活化能模型求出相应的活化能,失重率在0.1～0.8之间时,活化能在146～444 kJ/mol,呈“N”形变化。活化能的分布函数,反映了椰壳热解过程中不同阶段反应性能的变化规律,有助于了解椰壳的热解机理。     

几种生物质热解特性及动力学的对比

该文对芒属、芦苇、狼尾草进行常压热重分析,同时与稻草相比较,试验结果表明：草类生物质热解过程可以分为4个阶段,干燥失水、过渡阶段、快速热解、炭化阶段。在290℃附近存在一个肩峰,失重都集中在187～400℃,挥发分综合释放指数芒属＞稻草＞狼尾草＞芦苇,活化能芒属＞稻草＞狼尾草＞芦苇,固体剩余物芒属＞狼尾草＞稻草＞芦苇,所以总体上看芒属的热解稳定性相对较差,芦苇的热解稳定性较好,同时采用二级反应动力学模型由Coats-Redfern法求的相应得活化能和频率因子。     

预处理甜高粱茎秆残渣的热解动力学研究

采用热重法对甜高粱茎秆残渣四个样品(原生物质、盐酸酸洗、3%氯化钾加入及10%氯化钾加入)的热解动力学进行了研究。结果表明4个样品的热解可分为4个阶段，随着升温速率的提高，主反应区热重曲线和微分热重曲线都向高温方向移动，热解最大速率以及相对应的温度随之提高；盐酸酸洗有利于挥发分的生成，一定量氯化钾的参与可以提高炭产量。Satava机理函数推断法得出原生物质和氯化钾加入的甜高粱茎秆残渣热解符合Zhuralev-Lesakin-Tempelman方程－三维扩散；酸洗甜高粱茎秆残渣热解符合Valensi方程－二维扩散，圆柱形对称。     

2004 Mack MD11柴油机燃料加氢后NOx与微粒排放特性

为了降低柴油机的排放,氢作为柴油机燃料的研究正在引起研究者的关注。该文进行了在2004 Mack MD11柴油机中添加不同比例氢气(最高氢气比例达7%)与柴油形成混合燃料的NOx、微粒(PM,particulate matter)排放特性研究。研究表明:负荷工况不同,添加氢气对NOx排放特性的影响不同;随着添加氢的增加,有NO转化为NO2现象;NOx排放很大程度还与发动机可变截面涡轮增压系统(VGT,variable-geometry gas turbine)和废气再循环系统(EGR,exhaust gas recirculation)工作状况有关;添加氢气后即使在大、全负荷下,NOx排放量也没有明显增加。这主要归因于2004 Mack MD11采取了EGR,并且随着负荷增加,EGR率也在增加。在各种负荷工况下,添加氢气对降低PM排放量的作用明显,PM排放量减小率一般达50%以上,最高达75%。     

乙醇柴油配比优化及其用于发动机的性能试验

为了完善乙醇柴油的稳定性、燃油经济性和排放性能的研究,该文基于稳定性试验数据建立响应面模型,并对乙醇柴油的配比进行优化和试验验证,最后使用优化后乙醇柴油(体积比:乙醇10%,正丁醇4%,柴油86%;简称乙醇柴油)在柴油机上进行负荷特性试验.结果表明:常温下该燃料在具塞试管里可以保持稳定状态,不发生相分离时间达到60 d以上.通过额定转速1500 r/min及1200 r/min转速下的负荷特性试验发现,使用乙醇柴油的发动机有效热效率在小负荷时与纯柴油相近,在高负荷及全负荷时均高于纯柴油;乙醇柴油的NOx排放,在小负荷时低于纯柴油,在中高负荷时却稍高于纯柴油,在全负荷时与纯柴油相近;乙醇柴油的碳烟排放,在小负荷时与纯柴油相近,在中高负荷时却明显低于纯柴油.对于试验所用柴油机,适当减小供油提前角有利于改善乙醇柴油的发动机燃油经济性和排放性能.     

柴油机排放颗粒物中石墨烯结构分析

为了了解不同粒径的柴油机排放颗粒物中石墨烯结构,利用激光拉曼光谱仪和软X射线谱学显微光束线站分析了不同粒径的柴油机排放颗粒物中石墨烯结构和碳原子价态信息。结果表明,排放颗粒的D1峰(由无序石墨烯边缘和基底碳原子的A1g对称振动而产生的)与D2峰(无序石墨烯表面碳原子的E2g对称振动)的相对强度在3.34~4.01之间,石墨烯缺陷类型主要为边缘缺陷。随着排放颗粒粒径的增加,D1峰的半高宽分别增加了2.8和6.7 cm-1,化学异相性增加;D1峰与G峰(是理想石墨烯晶格E2g对称振动引起的)的相对强度分别降低了14.67%和27.17%,石墨化程度提高;D3峰(代表排放颗粒中的无定形碳,主要包括有机成分、碎片和官能团)的相对强度R3分别降低了13.73%和39.22%,无定形碳含量降低。石墨烯晶格内部C-C键长与粒径关系不大,晶格内部C-C键长约为0.142 nm;随着排放颗粒粒径的增加,石墨烯微晶尺寸分别增加了约0.412和0.821 nm,相邻石墨烯间距降低,排放颗粒活性增加;脂肪族C=C化学键、脂肪族C-H和羧基C=O化学键含量降低,"石墨烯性"C=C、酚类C-OH和酮类C=O化学键含量增加。该研究可为不同粒径柴油机排放颗粒形成机理的完善和排放颗粒净化装置的优化提供参考。     

DOC与POC耦合柴油机燃用调合生物柴油颗粒物的排放特性

在一台高压共轨柴油机上进行燃用调合生物柴油(B0、B10和B20)台架试验,利用MOUDI颗粒分级采样系统和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分别研究氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)结合颗粒氧化催化器(particle oxidation catalyst,POC)对颗粒物的粒径质量浓度分布和可溶性有机组分(SOF)的影响。结果表明:随着生物柴油的掺混比增加,各粒径范围的排气颗粒物质量浓度均下降,质量浓度峰值均在0.18~0.32μm;颗粒物SOF中脂类、酸类质量分数增加,烷烃类、芳香烃、酚类物质质量分数减少;B0和B20的碳原子数质量分数均呈现近似以C16为峰值的正态分布。加装DOC+POC后,3种燃料颗粒物的质量浓度均降低,聚集态颗粒的质量浓度转化率高于粗颗粒态,其中B20聚集态转化率最高,为58.36%;随着生物柴油的掺混比增加,DOC+POC对SOF的转化率增大,其中B20颗粒中SOF转化率达65.15%;DOC+POC对脂类和酸类物质净化作用明显,加装DOC+POC后,B20脂类和酸类物质的质量分数降幅分别为55.45%和43.27%;DOC+POC对B20颗粒物中SOF的C12~C18氧化作用明显。     

生物柴油发动机尾气中的颗粒物特性分析

运用扫描电镜和X射线能谱仪对柴油机燃烧生物柴油和0＃柴油尾气排放中收集的颗粒物样品进行检测和分析。研究结果表明,生物柴油因含氧而减少燃烧过程中燃料碳缺氧的几率,颗粒物中碳烟成分少,颗粒物粒径较小,在聚集状态的表面形貌上表现得更致密。而0＃柴油燃烧后产生的颗粒物样品因碳烟成分多,颗粒物粒径较大,在聚集状态的表面形貌上表现为葡萄球状的粘结。元素分析结果表明,两个样品的差别在于在0＃柴油颗粒物样品中检测到硫,而在生物柴油的颗粒样品中未检测到硫。生物柴油是石化柴油的一种优质替代燃料。     

乙醇柴油均质压缩燃烧反应特点及边界条件分析

为了提高发动机的性能,该文研究纯柴油和乙醇/柴油双燃料的化学动力学反应机理,分析乙醇加入对柴油均质压缩燃烧的重要物种、自由基和关键反应的影响.结果表明,乙醇在一定程度上抑制了柴油的低温反应,脱氢产物C7H15在低温阶段的裂解反应微弱,一次加氧反应和二次加氧反应起主导作用.还分析了不同进气温度(400 K、420 K和440 K)和当量比(0.2、0.4和0.6)等边界参数对均质压燃发动机燃烧过程的影响.结果表明,初始温度对着火时刻有着重要的影响,当量燃空比对着火时刻和缸内压力、温度变化影响显著.初始温度升高,脱氢反应和加氧反应先增强后减弱,反应时刻提前.当量燃空比增大,脱氧反应和加氧反应增强,反应开始时刻延迟,反应时间缩短.研究结果可为乙醇/柴油双燃料发动机的应用提供理论依据.     

重型柴油机颗粒物分布规律的试验研究

为了同时控制车用重型柴油机的颗粒物排放质量和数目,该文对稳态工况及瞬态工况下柴油机排放颗粒物分布规律进行了试验研究。试验结果表明:在稳态工况下,随着负荷的增加或者转速的提高,积聚态及核态颗粒物数目浓度、中位直径(count median diameter,CMD)、表面积和质量均呈现增大趋势,且峰值向大粒径方向偏移。在本研究中,稳态工况全工况总颗粒物数目浓度为1.5×10~6~4.5×10~6个/cm~3,积聚态颗粒物数目浓度为2×10~6~1×10~7个/cm~3,而核态颗粒物数目浓度为1×10~7~3×10~7个/cm~3,在总颗粒物数目浓度中占比为65%~96%。全工况当量比均小于0.7,在中低转速,当量比对颗粒物分布影响较为明显,在高转速尤其是大负荷条件下,当量比的影响减弱。在瞬态工况下,颗粒物数目浓度出现了与颗粒物质量类似的排放尖峰现象,浓度峰值达到2×108~7×108个/cm~3,比其对应的稳态工况出现的浓度峰值高出1个数量级。而且排放尖峰现象中,积聚态颗粒物数目浓度占主要部分,其峰值浓度比稳态工况要高出2个数量级,此时排放尖峰现象中核态颗粒物数目浓度也出现明显增长。排放尖峰现象对应的粒径主要集中在积聚态颗粒物的50~200 nm范围和核态颗粒物的6~8 nm及20~50 nm范围。这主要是因为当量比在瞬态过程出现了超过临界当量比0.8的情况。研究结果对重型柴油机颗粒物排放控制以及生成机理有重要指导意义,并可为排放后处理器的匹配计算提供数据支持。     

乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究

在YZ4DB3柴油机上,通过测量燃用乙醇/柴油混合燃料的示功图和排放污染物,分析了燃烧过程与排放污染物的变化规律。结果表明,随着乙醇掺混比例的增加,乙醇/柴油混合燃料的滞燃期延长,燃烧终点提前,燃烧持续期缩短。小负荷时,与柴油相比,E10和E20的最大爆发压力分别下降了0.2、0.4MPa,扩散燃烧放热率峰值升高;全负荷时,与柴油相比,乙醇/柴油混合燃料的最大爆发压力变化不大,预混燃烧放热率峰值升高。与燃用柴油相比,掺混乙醇能明显降低烟度,NOx排放变化不大;HC和CO排放随着乙醇掺混比例的增加而升高,小负荷时较明显。乙醇/柴油混合燃料的燃料消耗率与燃用柴油的燃油消耗率基本相同。     

不同进料方式燃烧器对生物质燃料颗粒物排放特性的影响

为摸清不同进料方式的燃烧器对生物质成型燃料燃烧后颗粒物排放的影响,该文对上进料式(A型)、水平进料式(B型)和下进料式(C型)等3种类型的燃烧器进行燃烧颗粒排放试验,采用低压电子冲击仪对玉米秸秆、棉秆、木质3种成型燃料燃烧后颗粒物排放开展数量浓度和质量浓度研究,并计算出每种燃料在3种燃烧器中每秒排放的颗粒物数量和质量分布。试验结果表明:3种燃烧器中的颗粒物质量分布都成双峰分布,主要集中在5~7级和12级,占总颗粒物质量的90%;木质和棉杆燃料在A型燃烧器中的颗粒物质量排放最少,玉米秸秆燃料在B型中颗粒物质量最少。3种燃烧器中的颗粒物数量分布都成单峰分布玉米秸秆和木质在B型燃烧器上的颗粒物数量主要集中在1~5级,在A型和C型燃烧器上颗粒物数量主要集中在3~6级;棉杆在C型燃烧器上集中在1~5级,在A型和B型燃烧器上颗粒物数量主要集中在3~6级。3种燃烧器对颗粒物质量的分布影响不大。根据试验结果,建议不同的燃料匹配不同的燃烧器。从颗粒物排放总量角度,玉米秸秆应该匹配B型燃烧器,棉杆和木质燃料应该匹配A型燃烧器。从PM2.5所占比例得出,玉米秸秆燃料应匹配C型燃烧器,棉杆匹配B型燃烧器,木质匹配A型燃烧器。并建议生物质成型燃料燃烧器结构应具有以下特点:进料连续平稳;带有主动清渣装置并且清渣波动小;鼓风配风,保证过量空气系数高。研究结果为中国生物质固体成型燃料的颗粒物排放法规的制定提供参考。