燃料特性对柴油机缸内微粒生成和演化历程的影响规律研究

本项目拟通过构建"点状缸内取样/热泳沉积采集"瞬时缸内微粒取样/采集系统，采用SMPS、TEM、HRTEM、XRD、FTIR和GC-MS等仪器，建立系统的微粒理化特性分析、表征方法。测试分析特定工况下柴油机燃用不同硫、芳烃及氧含量特性燃料燃烧过程中聚团粒子的粒数粒径分布规律。通过微粒分形维数、回转半径、碳层结构等参数以及表面官能团的研究，对微粒的微观特征进行表征分析；测试分析特定工况下微粒的化学组分，考察微粒中干碳烟、SOF以及SOF中多环芳烃组分的分布特征。分析具有不同硫、芳烃和氧含量特性燃料燃烧过程中微粒的形成、生长和氧化模式，揭示燃料特性对柴油机微粒形成和排放的影响规律与作用机理。本项目的成功实施，有助于阐明燃料特性与柴油机微粒污染物形成与排放之间的关系，从而为汽车行业节能减排措施的实施提供科学依据，具有重要的学术意义及实用价值。

建立缸内取样阀的设计、加工和测试及排气颗粒稀释系统，通过提高电磁铁启动电压和电流等方式缩短针阀开启/关闭时间，提高采样阀的单次采样时间，建立的采样阀关闭时间低于1.5nm，且开启时间和压力上升时间均不超过5ms，同时采样流量和泄露量均能够满足项目实验要求。建立了包括粒数粒径、形貌特征、碳层结构和表面官能团的系统的颗粒理化特征的表征方法，实现了燃烧颗粒产物中积聚态和构成积聚态的基本粒子理化特性的分析和表征，包括聚团粒子粒数粒径、表面含氧和碳碳官能团以及碳质颗粒组分的分析以及基本粒子石墨化程度、构成基本粒子的碳粒长度和扭曲度的表征等；完成了低硫柴油以及生物柴油、碳酸二甲酯和甲缩醛和柴油构成的掺混燃料颗粒形成特性的研究，分析了不同燃油颗粒的有机碳元素碳组成，氧化活性变化，结构石墨化程度以及表面官能团分布，并根据实验结果，研究总结了影响颗粒氧化活性变化的因素，发现在普通柴油中添加含氧燃料，既增加了燃料自身的含氧量，也降低了柴油中芳烃等碳质组分的含量，使缸内的燃烧状况得到改善，从而减少了碳质的积聚态颗粒的生成，使颗粒物的质量排放水平显著下降。实验发现若大比例地掺混生物柴油，燃油自身粘度被增加，在缸内的雾化混合效果变差，容易产生大量VOF，最终导致核模态颗粒大幅增加，颗粒排放数量急剧升高。含氧燃料通过破坏碳链形成和改善缸内氧化状况抑制了EC的产生，燃用生物柴油时OC排放量相对较高，且随着掺混比例的增加，易挥发的OC组分增加，颗粒整体挥发性增强。燃用含氧燃料减少了颗粒前驱物的产生，从而降低了前驱物向碳层加合的速率，限制了碳层的生长。柴油机颗粒的表面官能团以脂肪族基团为主，同时存在部分含氧基团。含氧燃料中的含氧基团以化学吸附的方式参与了颗粒表面碳层生长的过程，从而增加了颗粒表面含氧基团的比重。颗粒的氧化活性强弱受石墨化程度以及可供氧化剂接触的表面积影响。通过燃用含氧燃料产生的颗粒由于结构混乱，且比表面积大，在氧化过程中容易和氧化剂接触反应，起燃温度下降，氧化速率较高。发动机排放控制策略对微粒纳米结构影响的研究, 发现与低喷油压力下的颗粒相比，喷油压力下生成的颗粒碳层尺寸较短且较为平整。进一步开展颗粒演化动力学的研究发现尾气中挥发性纳米颗粒颗粒的浓度和粒径与稀释气温度、湿度和停留时间密切相关。发表SCI论文4篇，培养研究生2名。