柴油机排气管内碳烟颗粒形貌变化过程分析

采集柴油机在不同工况下和排气管不同位置处的碳烟颗粒,通过透射电镜对碳烟颗粒形貌进行观测,采用image-pro plus软件统计分析碳烟颗粒的形貌特征参数,得到碳烟颗粒的分形维数.结果表明:随着平均有效压力的升高,碳烟颗粒的分形维数和尺寸增大,其形貌从简单的链状和支状向复杂的簇状和网状发展;在相同的平均有效压力下,采样点2处的碳烟颗粒的分形维数大于采样点1处,表明当碳烟颗粒在排气管中运动时,仍在通过碰撞、聚合和破碎等物理过程发生变化.     

正丁醇/柴油混合燃料EGR氛围下排气颗粒热重分析

针对3种不同EGR率(0,10%,20%)条件,进行了柴油机燃用正丁醇/柴油混合燃料B10的排气颗粒热重试验研究,考察了不同EGR率对颗粒热解和燃烧特性的影响,探讨了颗粒的起燃温度、燃尽温度等特征参数以及组分百分比的变化规律,基于Coats-Redfern非等温法,计算并分析了EGR率对颗粒活化能的影响.结果表明:随着EGR率的增加,颗粒的起燃温度降低,燃尽温度升高;颗粒中的挥发性物质所占百分比减小,高沸点挥发性成分以及固定碳颗粒组分有所增加,B10EGR~20%的颗粒中的固定碳颗粒质量分数与B10颗粒相比,增加了23.6%;颗粒的活化能逐渐减小,与B10颗粒相比,B10EGR10%,B10EGR~20%颗粒的活化能分别减小了0.9,1.7 kJ·mol~(-1).     

经过预处理后柴油机颗粒物氧化活性的变化

为评价常用的通过热重分析方法计算动力学参数的准确性,在不同发动机工况下采集了不同种类的柴油机颗粒物,在N₂氛围中进行了预处理,通过分析颗粒物预处理前后微观形态、结构参数的变化,间接评价预处理过程对颗粒物活性、反应动力学计算结果的影响. 80%负荷采集的原始颗粒和微粒聚集体样品的微观形态由洋葱状变为壳核结构,且原始颗粒的粒径显著减小,100%负荷采集的原始颗粒的微观形态变化不明显;三种颗粒物样品经过预处理后微晶的层间距均大幅度减小,且80%负荷下采集的原始颗粒减小程度最大. 80%负荷下采集的微粒聚集体和100%负荷下的原始颗粒的微晶平均长度略微增大,曲率增加显著,而80%负荷下原始颗粒的微晶长度增加较为显著,曲率略微减小.经过预处理后,颗粒物的氧化活性显著降低,间接表明经过预处理的柴油机颗粒物的动力学参数与原始颗粒物的参数有一定差异.      

PODE2-4掺混正庚烷/甲苯燃烧碳烟颗粒理化性质影响研究

为研究一种聚甲氧基二甲醚(PODE_2-4)掺混正庚烷/甲苯混合燃料对碳烟颗粒理化性质的影响，搭建了同轴射流反扩散火焰燃烧平台，采用透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱仪(Raman)和热重分析仪(TGA)对颗粒样品进行分析。结果表明：随着PODE_2-4由0掺混至30%,碳粒子直径逐渐向小粒径方向偏移，平均粒径逐渐下降，颗粒内部微晶曲率平均值逐渐增大，微晶长度则呈相反趋势，且减小幅度逐渐增大；一阶拉曼光谱中代表晶格内部缺陷和无序结构的D峰与代表石墨稳定结构的G峰的积分强度之比逐渐增加，石墨化程度降低，无序程度增大；质量损失速率峰值温度、起始氧化温度、燃尽温度和表观活化能均呈下降趋势，颗粒反应活性增强。分析结果表明，PODE_2-4可作为燃料添加剂改变碳烟颗粒微观结构，进而增强其氧化活性，该研究可为实际工程应用中PODE_n与柴油掺混燃烧并促进DPF再生提供一定的理论参考。     

直刮板回转滚筒内物料的混合特性

针对颗粒在回转滚筒内混合这一共性问题,建立了颗粒运动的离散元模型及"颗粒接触数"标定法,从混合形态、混合指数、直刮板结构几个方面研究了物料的混合特性。结果表明:颗粒A-A或B-B接触数随时间逐渐减小,变化规律类似于衰减震荡曲线,A-B接触数随时间逐渐增大,变化规律类似于指数函数形式;直刮板增混作用明显,存在最优的刮板高度和数量,在滚筒转速为15 r/min、颗粒粒径为3 mm、填充率为33%条件下,10块高度比为0.6的直刮板对混合促进效果最大,比无刮板时混合速率系数增大约24%。     

导叶式旋风管排气管内流动减阻的试验研究

通过对导叶式旋风管内流动参数的测量分析,发现排气管内气流旋转强度高,并存在“滞流”、“倒流”及逆压梯度等无益于颗粒分离的流动状态,造成排气管内压力损失约占旋风管总压降的22%。在排气管内安装框形结构后,可有效削弱和抑制上述耗能流动,在保证分离效率基本不变的前提下,使旋风管减阻幅度达到9%。     

热解温度对淮南煤热解与CO_2气化特性的影响

采用STA409热综合分析仪研究了不同热解温度(950℃,1200℃和1400℃)下淮南煤的热解特性,同时采用傅里叶红外光谱仪、扫描电镜和X射线衍射仪等对不同热解温度下煤焦的物化特性进行了分析.发现随着热解终温的升高,煤焦表面孔隙增大,总孔体积和孔面积也明显增大;煤焦的碳微晶结构逐渐向有序化方向发展,并最终导致石墨化,化学稳定性增强;同时煤焦内C元素的含量快速增加而H含量逐渐减少,且煤焦内有机官能团的红外吸收也明显减少;煤焦的活化能随碳转化率的增大和热解终温的升高而增大,说明煤焦的CO2气化活性随温度升高而降低.     

纤维素在炭化和活化过程中的结构变化

以纤维素为原料,通过在氮气氛下炭化和水蒸气活化得到纤维素基炭.采用热分析、傅里叶红外光谱、X射线衍射及低温N2吸附测试手段研究了纤维素的炭化和活化过程以及过程中炭微晶结构和比表面积的变化.纤维素分子结构中的C—OH、C—O—C、C—H等基团在280~380℃之间大量分解,380℃后少量裂解产生的小分子碎片或基团持续分解,同时碳元素发生结构重排,形成石墨微晶.炭化温度是影响纤维素基活性炭微晶结构及孔结构的关键因素,随炭化温度的升高,石墨微晶尺寸变大,孔结构得到发育,但活性炭的比表面积则呈先增加后下降趋势,当炭化温度为600℃时所得活性炭比表面积最大;炭化时间对炭微晶结构及比表面积的影响不显著;随着活化时间的延长,先是炭结构中的非微晶碳被氧化,比表面积及总孔容积变大,然后微晶碳被氧化,微晶结构被破坏,炭中部分微孔变成中孔或大孔,导致比表面积及总孔容积变小,当微晶间的非微晶碳被充分氧化而又不破坏原微晶结构时得到的炭孔隙最丰富.     

一种新型含氧燃料对柴油机燃烧特性的影响

为解决柴油机的碳烟颗粒和氮氧化物排放难以同步降低的矛盾,在一台TY1100直喷柴油机上对新设计的一种含氧添加剂乙酸-2-甲氧基乙酯(MEA)和柴油的混合燃料进行了燃烧和排放的试验研究.结果表明:MEA可与柴油实现良好的互溶;在相同的工况下,随着混合燃料中MEA比例的增加,柴油机缸内的最高压力变化较小,但滞燃期略有延长,瞬时放热率增加,燃烧持续时间变短;MEA可以显著降低柴油机的碳烟排放,可使HC和CO的排放有一定程度的降低,但对发动机NOx的排放没有明显的影响;在不改变发动机结构参数的条件下,当燃用体积分数为15%的MEA混合燃料时,发动机的碳烟排放平均降低约50%,发动机的标定功率下降约5%,而热效率提高约2%.     

粉煤灰直接烧结制备多孔微晶玻璃

以粉煤灰为原料,直接烧结粉煤灰至自膨胀温度点,制备多孔微晶玻璃.研究温度对多孔微晶玻璃结构和性能的影响.研究发现,在1 200～1 260℃,由石英和非晶玻璃体高温熔融形成的液相含量逐渐增加,析出的钙长石逐渐增多,由粘度的降低和晶体自膨胀引起的体积密度和孔隙率的变化率逐渐增大.1 260～1 320℃,粉煤灰中可熔融的石英和非晶态玻璃体已基本熔融,钙长石的量也基本稳定,体积密度的减小和孔隙率的增加主要是由升高温度引起的粘性流动速度的增大导致的.从1 200～1 320℃,多孔微晶玻璃的孔隙率逐渐增大,孔壁逐渐变薄,孔径分布逐渐变宽,多孔微晶玻璃的强度逐渐减小,变化率逐渐增大.本研究为粉煤灰资源化利用提供了新途径,同时也降低了多孔材料对天然原材料的需求.     

火焰温度对碳烟微观结构和氧化活性的影响

基于甲烷/氧气预混燃烧系统,采用透射电子显微镜、拉曼光谱仪和热重分析仪,研究了温度对碳烟微观结构和氧化活性的影响规律.碳烟颗粒的微晶尺寸(L)、层面间距(D)和曲率(C)的平均值分别在0.651~0.979,nm、0.351~0.402,nm和1.191~1.425之间,IG/ID在1.017~1.177之间,且随着火焰温度的升高,L增大,D和C都减小,IG/ID增大,表明颗粒微观结构变得更为有序,石墨化程度更高;碳烟颗粒的氧化反应活化能在124.65~154.38,k J/mol之间,且随着火焰温度的升高,氧化反应活化能升高,表明颗粒氧化活性降低.     

热老化对碳烟颗粒氧化特性的影响

针对柴油机排气颗粒被捕集在柴油机颗粒捕集器中后不能立即得到氧化再生,将受到高温排气一段时间的热老化的问题.基于热重分析仪,探究了不同温度、时间和氧体积分数条件下热老化对碳烟颗粒氧化性能的影响规律.采用高分辨率透射电镜得到了相应的老化颗粒的微观结构图,并与热重试验结果进行对比分析.结果表明:随着老化温度的增加,颗粒的活化能逐渐增加;随着老化时间的增加,颗粒活化能先增加而后趋于不变;与无氧条件下热老化相比,有氧条件下热老化后的颗粒活化能相对较高,且氧体积分数的大小对颗粒活化能无明显影响;老化温度越高、老化持续时间越长以及老化氧体积分数增加时,基本碳粒的直径和内核区域变小,外层结构更加致密,形成更为稳定的外壳.     

缝隙式排气管对旋风分离器的性能影响

为降低传统旋风分离器工作时排气管内气流高速旋转造成的大量能量损失,将Lapple型旋风分离器的排气管改进为缝隙式排气管,利用数值模拟和实验的方法分析了缝隙式排气管对旋风分离器的性能影响.采用RSM模型对气相流场的切向速度、静压、流动轨迹、湍流强度以及压降进行数值模拟,采用多相流模型中的DPM模型对分离器的分离效率和颗粒运动轨迹进行仿真分析.仿真分析结果与实验验证结果吻合度较好,有较高的预报精度.最终结果表明,缝隙式排气管可使传统旋风分离器的压降下降6.8%,分离效率提升5.5%;当排气管上缝隙长度或宽度增加至一定数值,分离器的分离效率达到最大.随着排气管上缝隙长度或宽度的增加,旋风分离器的分离效率逐渐趋于稳定,压降持续降低;排气管上的矩形缝隙可使排气管内产生旋进涡核(PVC)现象,随着缝隙长度的增加,旋进涡核现象有所减弱,缝隙宽度的变化对旋进涡核现象影响较小;缝隙式排气管可有效抑制普通排气管中心处回流区的产生,并使普通排气管底部以及外旋流的湍流强度降低,从而减少排气管底部的短路流,提高分离效率.通过观察不同颗粒粒径的电石渣颗粒的运动轨迹,可知Lapple型旋风分离器与新型旋风分离器内部流场呈现出有利于固体颗粒分离的组合涡结构,排气管结构的改变并未影响分离腔的原始涡流结构.     

钙硅氧化物的质量比对10%Al2 O3高炉渣--尾矿--粉煤灰微晶玻璃性能的影响

利用高炉渣、尾矿和粉煤灰各自成分特点,在未添加任何晶核剂和其他化学试剂条件下,使用烧结法制得了不同CaO/SiO2质量比的10%Al2 O3(质量分数)矿渣微晶玻璃.通过差热分析、X射线衍射、扫描电子显微镜等分析手段,分析了CaO/SiO2质量比和析晶温度对高炉渣-尾矿-粉煤灰微晶玻璃样品的晶相变化规律、析晶行为和主要力学性能的影响.随着CaO/SiO2质量比增大,析晶活化能不断减小,Si-O四面体连接强度下降,质点移动加强,各组开始析晶温度和晶化温度逐渐减小.当玻璃样品中钙硅氧化物的质量比为0.4时,分别在886℃和982℃形核、析晶保温1 h 后,可以得到抗折强度103.59 MPa、显微硬度5.3 GPa、耐酸性0.25%(质量损失率)、耐碱性小于0.1%,主晶相为透辉石的最佳力学性能的微晶玻璃样品.     

皮革废料焦的结构与CO_2气化特性实验研究

利用孔隙率及比表面积分析仪、扫描电镜、热天平和X射线衍射仪分别对真皮皮革废料焦的结构特性、气化特性和碳微晶结构特性进行了表征分析。研究结果表明:皮革废料热解后形成的焦孔隙结构发达,其总孔容积和比表面积分别是锡林浩特褐煤焦的7倍和19.4倍;皮革废料焦的碳微晶结构高度有序化,石墨化度达98.26%;皮革废料焦气化起始温度约为921℃;升温速率对皮革废料焦与CO2气化反应影响明显,随着升温速率的提高,气化反应的平均表观活化能降低;皮革废料焦气化活性低于锡林浩特褐煤焦。虽然皮革焦具有较高的孔隙率和比表面积,但碳微晶结构的高度石墨化导致了皮革废料焦本征反应活性较低。在皮革废料焦中添加锡林浩特褐煤焦可提高混合焦样的气化活性。     

高温时H13钢中初生碳氮化物的分解研究

利用光学显微镜、扫描电镜和电子探针研究了H13钢中初生碳氮化物高温分解时的形貌、尺寸、成分变化规律.原始初生碳氮化物主要为10~30μm的长条状(Vx,Mo1-x)(Cy,N1-y)及少量方形的(Tix,V1-x)(Cy,N1-y).在1200℃保温2.5 h后碳氮化物边缘变为凹凸不平的锯齿状,然后形成细小的分解颗粒,10 h后碳氮化物平均长度减小为12.9μm,主要为(Tix,V1-x)(Cy,N1-y).当经过1250℃ ×5 h保温后87%的碳氮化物发生分解,(Vx,Mo1-x)(Cy,N1-y)溶解消失,碳氮化物长度在20μm以下,当保温时间延长到10 h后碳氮化物长度均在10μm以下,70%为方形并且93%分解形成细小颗粒,未分解的碳氮化物为(Tix,V1-x)(Cy,N1-y).电子探针分析(Tix,V1-x)(Cy,N1-y)的分解与Fe元素扩散有关,高温时Fe在(Tix,V1-x)(Cy,N1-y)中含量逐渐增加而Ti、V减少,优先在边部曲率半径较小部位或缺陷处分解,形成0.1~1μm的细小分解颗粒,并由外向内以区域溶解方式使原始碳氮化物逐渐消失.双亚点阵模型分析两种碳氮化物的平衡溶解温度和组成有关,试样中大部分(Tix,V1-x)(Cy,N1-y)平衡溶解温度在1200~1246℃之间,与实验吻合较好.     

柴油机选择性催化还原后处理系统的尿素沉积特性

采用非气助式尿素选择性催化还原后处理系统在柴油机试验台架上进行试验,探究不同尿素喷射量、壁面温度及尿素喷射次数对尿素沉积的影响。研究结果表明:排气管的空间布置会影响气流运动,导致排气管内壁面的尿素沉积物非对称分布;在排气温度为200℃、排气流量为200 kg/h、尿素喷射量为270 g、喷射次数为10 800次的条件下,当排气管壁面温度高于140℃时,内壁面的尿素沉积质量与壁面温度呈负相关。当尿素喷射总量为270 g时,尿素喷射次数的增大将增加排气管内壁面的尿素沉积质量和尿素沉积长度。     

废气再循环对柴油机颗粒结构特征与氧化活性的影响

为探究废气再循环（EGR）对柴油机颗粒结构特征与氧化活性的影响规律，采集了不同废气质量分数的F-T柴油、生物柴油和柴油3种燃料的燃烧颗粒，运用粒径谱仪（EEPS）、透射电镜（TEM）、热重分析仪（TGA）等方法，探究了颗粒物的结构特征与氧化活性。结果显示，随着废气质量分数的增加，颗粒物平均粒径、分形维数D_f、基本粒子的层面间距d和微晶曲率T_f升高，微晶尺寸L_a、氧化特征温度和表观活化能E_a降低，颗粒物结构更加紧凑，团聚程度增加，碳层有序性减弱，颗粒稳定性变差，氧化活性增强，表明采用EGR技术可降低颗粒捕集器（DPF）的再生温度。废气质量分数相同时，柴油产生的颗粒物平均粒径最大，比F-T柴油升高了3.3%～7.1%;燃用生物柴油的颗粒物基本粒子碳层排列更加无序，氧化反应活性较强；当颗粒基本粒子具有更宽的d、更短的L_a和更大的T_f时，颗粒氧化活性更强。     

聚丙烯腈基炭纤维的组织结构及力学性能

在不同温度下对聚丙烯腈基炭纤维(PAN-CF)进行张力炭化处理并进行高温石墨化.研究结果表明:在炭化过程中,PAN-CF的拉伸强度在1400℃时达最大值,拉伸模量则随炭化温度的升高而增大;与炭化样品相比,PAN-CF石墨化后的拉伸强度减小,拉伸模量增大;随着炭化温度的升高,微晶c轴方向堆叠厚度Lc增大,层面间距d002减小; 炭化温度为1400℃时,PAN-CF在石墨化后,内部的炭颗粒排列得非常紧密,并且孔洞、裂纹、皮芯结构等缺陷很少;当炭化温度高于1400℃时,石墨化后PAN-CF内部有大量缺陷,使PAN-CF的拉伸强度大大降低.     

炭化微米木纤维滤芯柴油机排放纳米颗粒吸附特性

为了有效净化柴油机排放的纳米级碳烟颗粒(纳米颗粒),以炭化微米木纤维材料制备柴油机尾气微粒捕集器滤芯.分析炭化微米木纤维滤芯及柴油机排放颗粒物特性,并利用巨正则系综蒙特卡罗法(GCEMC)模拟纳米颗粒在炭化微米木纤维活性炭孔中的吸附特征,进而利用柴油机尾气微粒捕集器性能检测试验台对活性炭孔吸附纳米颗粒的蒙特卡罗模拟结果进行验证.结果表明:当柴油机微粒捕集器中尾气温度为470 K,捕集器前部压力由102.5 kPa过渡到125.0 kPa时,炭化微米木纤维滤芯吸附纳米粒子平均数密度的GCEMC模拟结果约为6.28×107cm-3,试验结果约为5.60×107cm-3,模拟结果和试验结果基本一致,该方法可以用来进行炭化微米木纤维滤芯吸附纳米颗粒过程的模拟研究.