含氧燃料燃烧颗粒高温凝相与热泳运移作用机理及衍化特性研究

Particulate matter (PM) from diesel engine is the main cause of haze. The PM is formed by the liquid-gas-solid of phase transformation and chemical reaction process after the fuel has been injected into the cylinder. The thermophoresis and collision phenomena of PM are happened under the reaction of high temperature gas. Part of the gas phase alkylation occurred phase transformation with the chilling effect, and adsorbed onto the surface of PM. The expanding phenomenon of PM is happened under differential pressure when the exhaust valve opening. The microstructure and surface activity of PM are changed..The aim of this project is to reveal the mechanism of oxygen fuel PM formation. The method of instantaneous sampling system of PM and small-angle X-ray scattering will be used, the particle nucleation model and collision coagulation mathematical model will be set up. The relationship within the high temperature pyrolysis of fuel, gas-solid phase nucleation, gaseous free radical adsorption, gas-solid phase mass transfer and collision condensation process will be carried out. The effects of the oxygen fuel molecular structure and combustion conditions on the fuel pyrolysis, gas particle precursor formation and solid particle nucleation will be investigated. This study will reveal the mechanism of high temperature condensed phase to PM and discussed the effects of temperature and pressure on the particle adsorption, collision aggregation and state characteristics. The methods to control the formation of carbon and reduce the emission of PM will be put forward, which can provide theoretical basis for reducing the air haze.

柴油机颗粒是形成雾霾的主要原因。从柴油喷入气缸雾化、燃烧到形成颗粒，经历了液相燃油--气相中间产物--固相颗粒的相变和化学反应过程。颗粒在高温气体作用下，产生热泳、碰撞，部分气相烃化物在激冷效应下发生相变，吸附在颗粒表面。排气门开启瞬间，颗粒在压差作用下发生膨化，颗粒的微观结构和表面活性发生变化。.以揭示含氧燃料颗粒的形成机理为目标，应用颗粒采样系统、X射线小角散射法，建立颗粒成核、碰撞-凝并模型，对燃料的高温裂解，颗粒气--固相成核、气态自由基吸附、气--固相质量转移、碰撞凝并等过程开展研究。探讨含氧燃料分子结构、燃烧条件对燃料裂解、气相颗粒前驱体形成、固相颗粒成核的影响，揭示高温凝相对颗粒的作用机制；探讨热泳运移温度、压力对颗粒吸附、碰撞凝聚及状态特征的影响，揭示压差膨化对颗粒表面活性和孔隙结构的衍化特性，提出抑制碳核形成，降低颗粒排放数量和质量，减少空气雾霾的措施和方法。

针对低碳含氧燃料的燃烧过程及污染物生成机理等共性问题，从低碳含氧燃料缸内雾化、燃烧到形成颗粒的过程入手，应用颗粒采样系统、X射线小角散射法，围绕颗粒成核、碰撞-凝并等理化过程，对燃料的高温裂解，颗粒气--固相成核、气态自由基吸附、气--固相质量转移、碰撞凝并等现象开展研究。以揭示含氧燃料颗粒的形成机理为目标，探讨了含氧燃料分子结构、燃烧条件对燃料裂解、气相颗粒前驱体形成、固相颗粒成核的影响，提出苯的主要形成路径对甲苯、苯乙烯和萘的生成具有明显的抑制和促进作用，H和HO2自由基对于抑制芳香烃生成具有重要作用。研究工作揭示了高温凝相对颗粒的作用机制；探讨热泳运移温度、压力对颗粒吸附、碰撞凝聚及状态特征的影响，提出颗粒在排气压差膨化过程中，碳氢分子在颗粒孔隙壁面表现为双层吸附特征，颗粒经过沉积逐渐长成分叉状的颗粒树突，形成颗粒链，呈现“海绵状”结构，揭示了颗粒表面活性和孔隙结构的衍化特性，提出抑制碳核形成，降低颗粒排放数量和质量，减少空气雾霾的措施和方法。.项目研究期间，发表了高水平学术期刊论文34篇，其中SCI检索19篇，EI检索9篇。申请PCT专利1件和发明专利13件，其中，获批国家发明专利6件。此外，获批国家版权局软件著作权7件。参加国内外学术会议15次并发表论文19篇。邀请国外专家来华或在线进行学术交流5次。培养研究生16名。在中国科技期刊卓越行动计划发表科普论文4篇及科普讲座3次。参与编写“内燃机产业高质量发展规划（2021-2035）”。全面完成项目任务书的要求。.有关成果在江苏悦达卡特生物能源有限公司、上海中器环保科技有限公司得到了应用。颗粒形成机理的研究在凯龙高科技股份有限公司、全柴动力股份有限公司、一汽无锡柴油机厂应用，解决了含氧生物质柴油的配制、DPF再生的问题。.课题组与同济大学、上海中器环保科技有限公司、上海柴油机股份有限公司完成了“复杂来源餐废油脂制车用生物柴油关键技术及应用”的项目研究，并通过了中国机械工业联合会组织的成果鉴定，为我国车用发动机满足“国六”、甚至于“近零排放”，实现“双碳”目标提供了可借鉴的理论方法和技术措施。