高原缺氧环境下生物质燃料对柴油机性能和排放的影响

为了研究不同类别的含氧生物质燃料在高原缺氧环境下对发动机性能和排放的影响,在一台卧式双缸柴油机上分别燃用柴油、乙醇柴油E10(含10%体积分数的乙醇和90%体积分数的柴油)及生物柴油-乙醇-柴油B10E10(含10%体积分数的生物柴油,10%体积分数的乙醇和80%体积分数的柴油)3种燃料进行了对比试验。试验结果表明,在不对柴油机做任何调整的情况下,分别燃用E10和B10E10 2种含氧生物质混合燃料后,柴油机动力性下降,外特性转矩平均下降幅度分别达到4.24%和5.49%;当量燃油消耗率基本低于柴油,经济性有所改善。燃用含氧生物质燃料后,柴油机的经济性变化情况除了与燃料本身的属性相关,还与转速和负荷相关。燃用E10混合燃料后,柴油机的一氧化碳(CO)排放在低负荷时高于柴油,高负荷时低于柴油;碳氢化合物(HC)排放高于柴油水平,升高幅度范围达4.9%~27.4%;氮氧化物(NOX)排放在低负荷时低于柴油,高负荷时趋于柴油水平。燃用B10E10混合燃料后,一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放在低负荷时都趋于柴油水平,高负荷时都低于柴油水平;氮氧化物(NOX)排放在低负荷时低于柴油,高负荷时高于柴油水平。柴油机在燃用E10和B10E10 2种混合燃料后,碳烟排放均低于柴油水平。柴油机燃用B10E10混合燃料后的碳氢化合物(HC)排放,碳烟排放以及低负荷时的一氧化碳(CO)排放均低于E10,氮氧化物(NOX)排放基本高于E10。与E10燃料相比,B10E10混合燃料在柴油机的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)以及碳烟排放方面具有更好的改善效果;但是动力性下降幅度较大,氮氧化物(NOX)排放增加。该研究可为含氧生物质燃料在高原缺氧地区的应用提供参考。     

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。     

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。     

不同掺混比例生物柴油的非常规污染物排放特性

为了实现柴油机的清洁燃烧,需要系统研究非常规污染物的生成机理与排放特性。根据羰基类、芳香烃类物质的理化性质特点,提出了柴油机非常规污染物高效快速的测量方法,采用不同掺混比例的生物柴油进行了柴油机台架试验,探讨了不同燃料、不同工况下柴油机非常规污染物的排放特性。结果表明,二硝基苯腙采样结合高效液相色谱技术,可以实现柴油机排气中15种羰基类污染物的快速准确测定,活性炭吸附结合气相色谱-质谱联用技术可以实现芳香烃污染物的定性定量分析;中、低负荷时,生物柴油掺混比例对柴油机总羰基排放的影响不大,随着负荷的增加,BD50（生物柴油和市售0#柴油按体积比1:1配制的调合油）和BD0（纯柴油）的总羰基排放呈升高趋势,BD100（以地沟油为原料的生物柴油）的总羰基排放有所降低;BD0的单环芳香烃最大排放浓度最高,3种燃料的气相多环芳香烃排放在低负荷和高负荷工况点存在"双峰"特征,三环菲约占所有环数多环芳香烃总量的44%,燃用生物柴油可降低柴油机约32%的多环芳香烃排放。该研究为柴油机非常规污染物的排放控制提供了参考。     

生物油/柴油乳化燃料的燃烧特性

为了研究生物油/柴油乳化燃料的燃烧特性,利用非离子表面活性剂复配,对热解生物油/柴油混合液进行了乳化,测量了乳化燃料的密度、热值、动力黏度及pH值。在SD1110型柴油机台架上进行4种不同配比的生物油/柴油乳化燃料的发动机台架试验,得出了柴油机燃用生物油/柴油乳化燃料和纯柴油的负荷特性和排放特性曲线,并且对乳化燃料和纯柴油的排放特性进行了对比。研究结果表明：生物油体积分数为20%的乳化燃料当量油耗率最低,乳化燃料CO的排放高于柴油的排放,且生物油含量越高CO排放越大,而乳化燃料的NO及碳烟的排放则优于纯柴油的排放。由于生物油/柴油乳化燃料的理化特性与柴油接近,可以作为普通柴油机的燃油使用。     

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。     

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。     

乙醇供给方式对高速柴油机排放性能的影响

为研究乙醇供给方式对高速柴油机排放的影响,在一台小型高速涡流室式柴油机上进行了乙醇燃料供给方式的试验研究,分别按进气道供给乙醇、柴油掺混乙醇方式进行了对比试验,并与供油量相同的纯柴油试验的排放进行了比较。研究结果表明:在柴油和乙醇供给量分别相同的情况下,进气道供乙醇方式比柴油掺混乙醇方式的碳烟排放低,最高降幅约16%,两者都远远低于纯柴油情况的碳烟排放;进气道供乙醇方式的CO排放也有所降低,降幅有10%,但NOx和HC排放较高。因此乙醇供给方式是影响高速柴油机性能的一个重要的因素,进气道供给乙醇方式,能降低碳烟和CO的排放。     

柴油机燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的试验研究

研究了乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的互溶性和理化性质，测量了柴油机燃用柴油、乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的动力性、经济性与排放特性。结果表明，当温度高于10℃、生物柴油的体积分数大于17.6%时，乙醇、柴油和生物柴油可以任意比例稳定互溶。随着乙醇掺混比例的增大，燃用乙醇-柴油-生物柴油混合燃料的燃烧与排放情况是：燃油消耗率逐渐增大，但能量消耗率变化不大；转矩逐渐减小；烟度排放大幅度降低,中高负荷下CO排放大幅度减少，HC排放量明显增加，NOx排放变化不大；最大燃烧压力和放热率峰值逐渐升高并后移。     

S195柴油机燃用轻-重馏分混合柴油的试验研究

将0^#轻柴油与20^#重柴油以不同的比例配制成3种混合油,在S195柴油机上进行正交试验,并利用SAS统计分析软件对正交试验结果进行优化分析,获得了S195柴油机最佳参数组合和不同工况下耗油率影响因素次序。台架试验和实际应用表明S195柴油机燃用重馏份柴油后,柴油机不仅运行正常,而且其动力性和经济性均较使用0^#轻柴油有所提高。     

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。     

废气再循技术对正丁醇/柴油燃烧颗粒结构及分形特征的影响

为深入了解添加含氧燃料和废气再循环技术(exhaust gas recirculation,EGR)共同作用对颗粒结构及分形特征的影响,运用颗粒分级采样装置采集了EGR率分别为0、10%、20%时,柴油机燃用正丁醇质量百分比为10%的正丁醇/柴油混合燃料(N10)的燃烧颗粒(N10EGR0、N10EGR10%、N10EGR20%),通过电镜试验和图像处理技术,开展了不同EGR率对正丁醇/柴油燃烧颗粒的影响研究,分析了颗粒群的微观结构、平均粒径、分形维数,基本碳粒子的层面间距、微晶尺寸等物理结构参数的变化规律,结果表明,N10EGR0、N10EGR10%、N10EGR20%燃烧颗粒群整体呈现团簇状结构,颗粒粒径范围主要集中在30~70 nm之间,呈正态单峰分布;随着EGR率的增加,粒径范围向大粒径方向移动,平均粒径逐渐增大,N10EGR20%与N10EGR0相比,平均粒径增大约为19%;计盒维数逐渐减小,表明颗粒间的团簇程度逐渐减弱。不同EGR条件下的基本碳粒子结构相似,呈指纹状球形碳层结构,随EGR率的增加,基本碳粒子的内核碳层排列无序性和外壳石墨晶体结构无规则性增强,平均层面间距和弯曲度逐渐增大,微晶尺寸逐渐减小。该研究为含氧燃料与EGR共同作用对颗粒的形成机理以及降低柴油机颗粒排放的措施提供理论参考。     

不同干燥方式对柠檬片干燥特性及品质的影响

为探索不同干燥方式对柠檬片干燥特性及品质的影响,该研究采用真空冻结冷冻干燥、传统冷冻干燥、热风干燥3种方式进行对比干燥试验。结果表明,真空冻结冷冻干燥柠檬片工艺耗时比传统冷冻干燥节省5 h,但是热风干燥2倍以上;耗电量比传统冷冻干燥节省14.27%,但是热风干燥5倍以上;真空冻结冷冻干燥、传统冷冻干燥、热风干燥柠檬片维生素C保存率分别为66.03%、45.45%、19.14%,复水比分别为4.60、3.97、2.24,差异显著(P0.05);热风干燥柠檬片色差值显著(P0.05)高于两组冷冻干燥柠檬片,而两组冷冻干燥柠檬片色差值未见显著差异(P0.05);真空冻结冷冻干燥柠檬片中5种主要挥发性风味化合物保存率显著(P0.05)高于传统冷冻干燥柠檬片,热风干燥柠檬片保存率最低(P0.05)。3组干燥柠檬片残留水均呈现自由水、不易流动水、结合水3个横向弛豫时间峰位,干燥样品残留水分中结合水占比例最高,不易流动水和自由水占比例较小,热风干燥柠檬片横向弛豫时间峰位相对其他两组呈现小幅度的右移趋势;两组冷冻干燥柠檬片感官特征总评分差异不显著(P0.05),热风干燥柠檬片在色泽、质地、柠檬味上远不及两组冷冻干燥柠檬片感官特征丰富。真空冻结冷冻干燥是高附加值柠檬片的首选干燥方法。该研究结果为柠檬片干燥加工技术提升提供参考。     

排气余热辅助低温等离子体再生柴油机颗粒捕集器试验

为探究低温等离子体(non-thermal plasma,NTP)对无外加热源的柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)的再生过程与再生效果,搭建了排气余热辅助NTP再生DPF的试验系统。借助发动机停机后的排气余热,利用DBD(dielectric barrier discharge)型NTP发生器,对处于降温过程的DPF进行再生试验研究。结果表明:随着DPF温度的下降,NTP中O3的分解反应减弱,PM(particulate matter)氧化反应加剧,DPF内部出现温度不降反升的现象,氧化区域自DPF前端逐渐向后端延伸,DPF径向中点处氧化反应最为剧烈,DPF轴向剖面上残余积碳呈现?形。再生后DPF内部残余积碳中可溶性有机成分SOF(soluble organic fraction)明显减少,且NTP处理能够降低PM中SOF及DS(dry soot)的表观活化能。整个再生过程中,DPF内部大量积碳被氧化去除。排气余热辅助的NTP再生技术,实现了对无外加热源的DPF的有效再生,使得DPF排气背压下降达69%。该文证实了排气余热辅助NTP再生DPF的可行性,为NTP再生DPF技术的应用提供了试验依据。     

EGR废气组分对柴油机颗粒氧化活性的影响

针对不同EGR废气组分条件下产生的颗粒,采用热重分析的方法,分析了EGR废气组分对颗粒中主要物质含量的影响;考察了颗粒中挥发物析出温度、soot组分着火温度等4个特征温度、燃烧特性指数以及活化能的变化规律。结果表明,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒的失质量百分数所占比例最大,颗粒中水分和可溶有机物(soluble organic fraction,SOF)含量增加明显,soot组分含量有较大幅度降低;在颗粒氧化过程中的高温反应阶段,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒中soot组分的质量变化率峰值和峰值对应温度均最小;氧化特性参数的计算结果表明,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒的挥发物析出温度TSOF1、挥发物起始燃烧温度TSOF2、soot组分着火温度Ti、soot组分燃尽温度Th均最低,燃烧特性指数增加明显,反应活化能最低。说明引入CO2后,颗粒中soot组分在达到相同失质量百分数时,所需的温度较低,反应所需能量较小,EGR废气中的CO2可以显著提高颗粒自身的氧化能力和反应活性,改善颗粒的氧化燃烧性能。     

正戊醇-柴油混合燃料发动机颗粒物的形貌结构与氧化活性研究

掺混正戊醇能够降低柴油机颗粒物排放,但掺混正戊醇对柴油混合燃料颗粒物的形貌结构和氧化活性的影响规律尚不明确。该研究采用高分辨率透射电子显微镜、拉曼光谱仪和同步热分析仪研究了柴油机中分别燃用不同掺混比的正戊醇/柴油混合燃料时生成颗粒物的形貌、纳观结构和氧化活性。结果表明,正戊醇掺混体积比分别为0、15%和30%的3种混合燃料燃烧颗粒物的微观形貌相似,低倍率时表现为由基本碳粒子聚合而成的团聚形貌,高倍率时呈现出典型的"外壳-内核"结构;随着正戊醇掺混比例的增加,颗粒物的基本碳粒子直径减小,微晶长度减小而微晶曲率增加,D1峰与G峰的峰面积比增加。说明颗粒物结构更为无序,石墨化程度降低。同时,随着正戊醇掺混比例的增加,3种燃料燃烧颗粒物的氧化温度逐渐降低,依次为:616.9、609.9和583.6℃,说明其对应的氧化活性逐渐升高。分析表明,正戊醇/柴油混合燃料燃烧生成的颗粒物高氧化活性与其更为无序的纳观结构相关。