基于可視化技術(shù)的納米柴油缸內(nèi)碳煙催化氧化機(jī)理研究.pdf

1、柴油機(jī)排放的顆粒主要由不可溶固體碳顆粒、硫酸鹽以及未燃碳?xì)浠衔锝M成，其中的細(xì)微碳煙顆粒及其表面吸附的多環(huán)芳烴PAH，具有誘變性與致癌性，對環(huán)境和人體健康造成極大的危害。因此，本文針對目前柴油機(jī)碳煙排放量大、無法從根源上消除的難題，系統(tǒng)開展了缸內(nèi)碳煙生成、分布及催化氧化過程的研究。通過制備符合柴油特性的納米柴油，設(shè)計高壓共軌柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒可視化試驗系統(tǒng)，對納米CeO2催化碳煙氧化活性測試及機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了缸內(nèi)碳煙生成量計算以及臺

2、架性能試驗，系統(tǒng)地研究了納米柴油催化缸內(nèi)碳煙氧化的機(jī)理，探索納米柴油缸內(nèi)碳煙產(chǎn)生過程和濃度分布規(guī)律，以達(dá)到從源頭上抑制碳煙生成和降低排放的目標(biāo)，為納米柴油在工程上的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容有：
　　根據(jù)固體顆粒在液相中分散原理和極性相溶性原則，研究了納米柴油的配制方法，配制質(zhì)量-體積濃度為50mg/L和100mg/L的納米柴油，分別標(biāo)記為50CeO2和100CeO2。穩(wěn)定性靜置試驗結(jié)果表明：納米柴油可穩(wěn)定保存12小時以上

3、，可滿足試驗需要。
　　利用AVL公司的Visioscope內(nèi)窺鏡技術(shù)設(shè)計高壓共軌柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒過程可視化試驗系統(tǒng)。在不改變?nèi)紵覂?nèi)部結(jié)構(gòu)和柴油機(jī)性能的前提下，將內(nèi)窺鏡伸入燃燒室內(nèi)部并利用CCD彩色相機(jī)和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集和處理缸內(nèi)燃燒圖像。試驗表明：利用該系統(tǒng)可以動態(tài)、真實地獲得柴油機(jī)整個工作循環(huán)缸內(nèi)噴霧及碳煙火焰的高清晰彩色圖像。
　　通過燃燒動力學(xué)測試方法，對不同粒徑納米CeO2與碳煙混合物進(jìn)行熱重-傅立葉紅

4、外光譜聯(lián)用（TGA-FTIR）試驗，并利用X射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射光譜（XRD）對焙燒后的納米CeO2顆粒進(jìn)行表征，以評估納米CeO2對碳煙燃燒催化的催化活性，研究納米CeO2催化氧化柴油機(jī)碳煙的反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明：納米CeO2催化氧化柴油機(jī)碳煙經(jīng)歷了四個過程，即CeO2表面的氧吸附，超氧化物和過氧化物的形成，過氧化物與碳煙的反應(yīng)生成CO2以及氧空位的擴(kuò)散。高溫焙燒導(dǎo)致納米CeO2催化劑化學(xué)結(jié)構(gòu)的

5、改變，促使中間產(chǎn)物超氧化物和過氧化物形成。過氧化物離子與碳煙反應(yīng)形成了氧空位，過氧化物與氧空位都有很高的表面遷移率，且表面擴(kuò)散過程非?？?，通過與氧空位的相互作用，分子氧進(jìn)入CeO2晶體結(jié)構(gòu)，提高了納米CeO2催化活性。
　　根據(jù)納米柴油缸內(nèi)燃燒可視化的試驗圖像和柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙計算模型，在測得缸內(nèi)碳煙火焰圖像的基礎(chǔ)上，利用雙色法分別對不同工況下柴油機(jī)燃用柴油、50CeO2和100CeO2納米柴油三種油樣缸內(nèi)燃燒動態(tài)圖像進(jìn)行處理與計算

6、，研究了納米柴油缸內(nèi)碳煙生成與分布規(guī)律。結(jié)果表明納米CeO2顆?？梢越档筒裼偷幕罨埽s短滯燃期，降低著火溫度，促進(jìn)缸內(nèi)柴油燃燒。在25％、50%和100%三種負(fù)荷下，對柴油機(jī)燃用柴油、50CeO2和100CeO2納米柴油的缸內(nèi)碳煙面積占有率進(jìn)行了分析，其中100CeO2納米柴油占有率最小，柴油占有率最大，且隨著柴油中納米CeO2催化劑濃度增加，催化碳煙氧化效果越明顯。同種燃油隨著負(fù)荷的增加，碳煙的生成量和濃度也相應(yīng)增加。50CeO2和

7、100CeO2納米柴油隨負(fù)荷增加催化碳煙氧化效果越好。
　　最后，通過對柴油機(jī)燃用納米柴油的臺架試驗，重點考察納米柴油催化燃燒過程對柴油機(jī)燃燒特性、油耗和排放特性的影響。結(jié)果表明：柴油機(jī)燃用納米柴油可以使缸內(nèi)壓力、壓升率峰值和放熱率峰值有所增加，燃油消耗率和常規(guī)污染物排放降低。額定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷下，與燃用柴油相比，柴油機(jī)燃用50CeO2和100CeO2納米柴油后燃燒始點分別提前約0.7℃A和0.9℃A，比油耗分別降低約1.2%和3.1