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近年来全球极端气候事件频发,生态环境日益恶化,柴油机尾气排放作为环境问题的主要因素之一,各国不断出台严苛的排放法规以限制柴油机污染物排放。柴油机后处理技术是减少污染物排放的重要举措,而改善燃油的理化性质,优化缸内燃烧则可以从源头上解决柴油机排放污染问题。燃油添加剂可在不改变柴油机结构的前提下实现燃油的高效清洁燃烧,因此受到了研究人员的关注,越来越多关于燃油添加剂应用于柴油机的研究在全球范围内开展。本文基于柴油机台架试验平台与燃烧可视化系统,对应用于柴油机的常规市售铁基燃油添加剂(Fe-FBC)开展燃烧过程、污染物排放和碳烟生成历程等研究,并基于颗粒理化性质检测仪器对Fe-FBC燃油燃烧颗粒进行粒径分布规律、微观形貌与结构、氧化活性以及可溶性有机物(SOF)组分等深入分析。试验前按Fe元素质量比为200 mg/kg、400 mg/kg和600 mg/kg进行Fe-FBC燃油配制,分别标记为Fe200、Fe400和Fe600。在柴油机上分别燃用纯柴油和三种Fe-FBC燃油,并采用燃烧分析仪和排气分析系统对Fe-FBC燃油燃烧特性和排放性能进行探究。结果表明柴油中添加Fe-FBC可有效促进燃烧化学反应,显著提高燃油的燃烧速率和热效率。Fe-FBC对HC、CO和烟度排放具有较优的抑制作用,且随着柴油中Fe-FBC含量增多减排效果更加显著,不同浓度Fe-FBC燃油的HC和CO排放在各工况下降幅分别为4.7%~13.3%和1.4%~7.8%,Fe200、Fe400和Fe600燃油满负荷工况下烟度降幅达到最大,分别为13.7%、20.4%和24.0%,Fe-FBC对NO_x排放的作用效果并不明显。柴油机运转于高负荷工况时,Fe-FBC对甲醛、乙醛、1,3-丁二烯、乙烯、乙炔和多环芳香烃(PAHs)等非常规污染物具有显著的降排作用,但中低负荷下柴油中添加Fe-FBC会产生较多的1,3-丁二烯、乙烯和乙炔排放。采用内窥镜系统改造柴油机燃烧可视化平台,拍摄柴油机燃用纯柴油、Fe200和Fe400燃油缸内燃烧火焰图像,基于双色法求解燃烧过程中缸内火焰温度与碳烟浓度,并对碳烟生成历程中面积分布进行分析。结果表明随着柴油中Fe-FBC含量增多,燃油着火时刻略有提前,火焰发展速度加快,燃烧程度剧烈,缸内最高燃烧温度显著上升,燃烧持续期略有缩短。缸内碳烟生成量在整个燃烧过程中始终维持在较低浓度,燃烧室内碳烟面积占有率随着柴油中Fe-FBC含量增加显著降低,表明Fe-FBC在燃烧过程中可持续抑制碳烟的生成,并促进碳烟催化氧化。选用发动机粒径谱仪(EEPS)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TGA)和气相色谱质谱联用仪(GC-MS)分别对燃用Fe-FBC燃油排气颗粒的粒径分布规律、微观形貌与结构、氧化活性和SOF组分等颗粒理化性质进行分析。结果表明柴油中添加Fe-FBC后排气颗粒粒径细化、颗粒总数量略有上升,颗粒总质量显著降低。相比于纯柴油,Fe400燃油的排气颗粒结构排列趋于稀疏,分布松散,且具有更低的计盒维数。颗粒的氧化反应始点温度随着Fe-FBC含量增多不断降低,低温氧化活性显著增强。Fe-FBC的加入改变了颗粒中SOF组分,尤其是减少了PAHs的种类与含量,将高苯环数的PAHs向低环数转化。此外Fe-FBC还降低了SOF组分中高碳原子数化合物,弱化了颗粒的毒性。