排气过程甲醇/生物柴油颗粒物的衍化规律研究

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甲醇和生物柴油均为含氧清洁替代燃料,可以减少柴油机燃烧排放的颗粒物,是实现节能减排的重要途径之一。颗粒物是由不完全燃烧的碳和有机物质形成的,具有粒径小、孔隙结构疏松、比表面积大的特点,吸附能力较强。排气过程中,颗粒物能够吸附废气中的HC、NOx和H2O蒸汽等物质,形貌特征、组分、氧化特性会发生变化,影响柴油机颗粒物捕集器(DPF)的性能、再生效果和寿命。论文以甲醇/生物柴油混合燃料发动机排放的颗粒物为研究对象,研究了颗粒物的吸附行为及排气过程中的衍化规律。搭建颗粒物采集试验台,测量排气管内不同位置处颗粒物的特征参数,建立甲醇/生物柴油颗粒物的吸附模型,分析吸附特性的影响因素,探讨排气管内状态参数对排气过程颗粒物组分、氧化特性、形貌特征的影响规律。针对甲醇/生物柴油颗粒物的吸附能力,搭建了混合燃料发动机试验台架和吸/脱附试验台,采集了不同甲醇/生物柴油掺混比、不同工况时发动机排放的甲醇/生物柴油颗粒物,分析了颗粒物的结构特征和吸/脱附过程。研究结果表明,随着甲醇掺混比、负荷和转速的增加,甲醇/生物柴油颗粒物的比表面积和孔容积增加、平均孔径减小,吸附能力增强。吸附初始阶段,吸附穿透曲线斜率较大,甲醇/生物柴油颗粒物的单位时间吸附量随时间的增加而逐渐降低;当吸附时间达到400 s左右,吸附量达到饱和,最大饱和吸附量为0.291mg/g;当脱附时间达到500 s后,吸附质在颗粒物中的脱附过程基本完成。排气管内状态参数对甲醇/生物柴油颗粒物的吸附特性有很大的影响。以甲醇掺混比为10%、标定工况下混合燃料发动机排放的颗粒物特征参数为依据,应用Materials Studio软件,建立了甲醇/生物柴油颗粒物的吸附模型,探讨了排气温度、吸附质种类、吸附质浓度对颗粒物平衡吸附量和等量吸附热的影响规律。研究结果表明,吸附质种类和浓度一定时,随着排气温度的增加,甲醇/生物柴油颗粒物的平衡吸附量和等量吸附热降低。当排气温度和吸附质浓度一定时,平衡吸附量和等量吸附热随吸附质碳数的增加而增加,颗粒物对多环芳香烃(PAHs)的平衡吸附量和等量吸附热较直链烷烃有大幅增加。温度和吸附质一定时,当吸附质浓度增加了300×10-6,平衡吸附量增加了294%,等量吸附热无明显变化。排气过程中,甲醇/生物柴油颗粒物的特征会随废气流动发生变化。在甲醇掺混比和工况一定的条件下,沿排气流向,采集了排气管不同位置处的颗粒物,采用元素碳(EC)/有机碳(OC)分析仪、高效液相色谱仪、离子色谱仪、热重分析仪、透射电镜和粒径谱仪,探讨了颗粒物组分、氧化特性和形貌特征的衍变。研究结果表明,随着采样点距排气道出口距离的增加,排气温度降低,颗粒物中的OC、两环和三环PAHs质量浓度增加,硝酸根离子浓度先增加后降低,可溶性有机物(SOF)质量分数增加,活化能降低,氧化活性增强;颗粒物的数量浓度降低、平均粒径增大,计盒维数有所增加,微晶结构趋于无序。排气管内状态参数对排气过程甲醇/生物柴油颗粒物的特征变化有很大的影响。调节甲醇/生物柴油掺混比、发动机的负荷和转速,改变排气管内的HC浓度和排气温度、压力、流速,探讨了不同排气管内状态下,甲醇/生物柴油颗粒物组分、活化能、数量浓度和平均粒径的衍化规律。研究结果表明,工况一定时,随着甲醇掺混比的增加,颗粒物的活化能和数量浓度降低、平均粒径减小,HC浓度增加,颗粒物吸附OC和SOF的量增加。转速一定时,随着负荷的增加,排气压力增大,颗粒物对气相OC和SOF的吸附量增加,颗粒物的活化能降低、平均粒径减小。负荷一定时,随着转速的增加,颗粒物数量浓度增加,排气流速增加,吸附时间减少,排气过程中颗粒物吸附OC的量减少。研究工作表明,排气管内状态参数对排气过程中甲醇/生物柴油混合燃料颗粒物化学组分、氧化特性、形貌特征等参数的变化有很大的影响。研究工作可为后处理装置DPF的涂层设计、再生策略优化提供参考依据。
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