燃料分子结构对GDI汽油机微粒生成的影响规律研究

The project aims at the impact of fuel molecular structure, such as chain length, branch chain form, position of alkenes double bond, cis–trans isomerisation, as well as oxygenated group functions type on particle physical-chemical properties from GDI engine. By using the technology of laminar tube reactor combined with 13C stable isotope trace, contribution of carbon within a molecular to particle during pyrolysis process can be analyzed in order to forecast possible carbon reaction path. The influence of fuel molecular structure on particle evolution during combustion can be expected by GDI engine in-cylinder sampling. Furthermore, basing on experiment and theoretical analysis, a dynamic model of particle formation and evolution for large-molecule hydrocarbon fuels combustion will be built and the simulation studies will be conducted. The effect of fuel molecular structure on GDI engine particle formation and evolution can be revealed. The implementation of the project is helpful to clarify the relationship between fuel molecules and formation and emission of GDI engine particle pollutants, so as to provide scientific basis for measures of energy-saving and emission reduction in the automotive industry as well as design and application of clean vehicle fuel in the future, which has important academic significance and practical value.

本项目开展燃料分子的碳链长度、支链类型、烯烃双键位置、顺反异构、含氧基团类型等结构特征对GDI汽油机排气微粒理化特性影响规律的研究；利用管式流动反应器结合13C稳定同位素示踪技术，研究热解过程燃料分子中不同位置碳原子对微粒的贡献率，预测可能的碳反应路径；通过缸内取样试验，研究燃料分子结构对GDI汽油机缸内微粒演化历程的影响规律；进一步在试验与理论分析的基础上，建立大分子碳氢燃烧微粒生成和演化的动力学模型，开展模拟研究，揭示燃料分子结构影响GDI汽油机微粒形成机理及演化规律。本项目成功实施，有助于阐明燃料分子与GDI汽油机微粒污染物形成和排放之间的关系，为汽车行业节能减排措施的实施以及未来清洁车用燃料的设计和实现提供科学依据，具有重要的学术意义及实用价值。

直喷汽油机微粒排放与燃料之间的联系十分复杂，需要从更详细的燃料组成方面进行研究，以期发现两者之间的本质联系。本项目针对燃料的烯烃、芳烃等组分构成、碳链长度、支链类型等特征，通过流动反应器热解试验和发动机燃烧与排放台架试验，详细分析了燃料分子结构对颗粒粒径分布的影响规律。首先对一系列单分子碳氢燃料热解过程颗粒物的形成规律进行系统研究，发现了苯系物燃料支链长度/数量、直链/环状烃中的双键数量对燃料热解过程颗粒形成率的影响与热解温度密切相关。进一步开展了汽油中苯系物和烯烃组分对排气颗粒的影响的发动机台架试验研究，发现相对苯环上的支链数量，支链长度对颗粒排放影响更显著；与对称结构相比，苯环上的非对称支链结构会增加颗粒排放；含支链烯烃颗粒排放一定程度高于直链烯烃，环状烯烃积聚态颗粒排放明显高于直链烯烃。最后开展了醇分子结构对柴油机排气颗粒影响的研究，发现燃用添加一定比例醇构成的相同含氧量的醇-柴油燃料时，发动机燃烧和颗粒排放有显著的差异。掺醇燃料燃烧特性之间的差异主要取决于醇类-柴油混合燃料的物理特性，一定程度受其化学性质影响。而掺混醇对颗粒排放特性的影响则同时取决于燃料的物理特性和与醇类的分子结构相关化学特性。项目为优化汽油燃料品质、抑制GDI汽油机微粒排放，推进交通领域的节能减排提供了科学依据。