正十二烷喷雾火焰中碳烟的瞬态生成特性

针对压燃式发动机中碳烟演化过程难以被实验准确捕捉的问题,研究了高温高压环境中正十二烷喷雾燃烧焰中碳烟瞬态生成特性及动力学行为,在实验方面,应用消光辐射联合技术以及燃烧成像测速技术,同步获得高温高压环境中单孔喷油器正十二烷喷雾燃烧火焰中的碳烟体积分数、碳烟温度和碳烟速度场的瞬态分布;数值计算方面,基于OpenFOAM环境,发展欧拉喷雾模型和非稳态火焰面进度变量湍流燃烧模型的耦合模型,喷雾燃烧过程的数值计算结果与实验数据有高度的一致性。研究结果表明:相比于参考工况,低喷油压力工况火焰浮起长度更短,碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间更长,推动了碳烟的生成,碳烟峰值质量增加了80%;高温环境工况碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间没有明显差异,但更短的火焰浮起长度使得燃料在更高的当量比开始燃烧,导致其碳烟峰值质量增加了88%;富氧工况的燃烧温度最高,碳烟粒子运动速度增大,使得碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间明显减少,同时火焰内部当量比较小,因而碳烟峰值质量减少了42%。

核壳结构Co_(3)O_(4)@MnOx整体式催化剂的碳烟催化燃烧性能

采用两步水热法在泡沫镍基底上合成了具有纳米棒形貌的Co_(3)O_(4)@MnOx整体式催化剂,通过X射线衍射、X射线能谱分析、氢气-程序升温还原、X射线光电子能谱、拉曼光谱和碳烟-程序升温还原等手段对催化剂进行表征,在微型固定床反应器上评价了其催化碳烟燃烧性能,通过等温动力学实验探究了催化剂的本征活性。结果表明,Co_(3)O_(4)@MnOx催化剂呈现了以Co_(3)O_(4)为核、以MnOx为壳的核壳结构。与催化剂Co-NW相比,Co_(3)O_(4)@MnOx催化剂中Co_(3)O_(4)与MnOx之间的相互作用使其表面产生了更多高价物种Mn^(4+)和Mn^(3+)以及更多的表面氧空位,其氧化还原性能提高,催化剂的活性氧物种数量增加了两倍,催化性能得到改善,在NO存在的反应气氛中使碳烟起燃温度降低148℃。此外,相比催化剂CoNW,Co_(3)O_(4)@MnOx催化剂使碳烟燃烧反应的活化能从113.6 kJ/mol降低至102.2 kJ/mol,催化剂的本征活性提高了两倍。

甲烷掺混对正庚烷扩散火焰中碳烟结构及氧化活性的影响

基于正庚烷层流扩散火焰系统以及热泳取样和探针取样系统,结合透射电子显微镜和热重分析技术,研究了甲烷掺混对碳烟颗粒的微观形貌、纳观结构和氧化活性的影响.研究结果表明,随着甲烷添加比例增大,碳烟的分形维数和平均基本粒子直径减小,表明碳烟颗粒的团聚程度下降,且生长受到抑制.此外,随甲烷添加比例增大,碳烟颗粒的微晶片层尺寸减小,曲率和层间距增大,表明碳烟颗粒的纳观结构有序度降低.另一方面,随着甲烷掺混比例从0增加到30%,碳烟样品的表观活化能减少了19.5 kJ/mol,氧化反应特征温度下降了20℃左右,表明氧化反应活性提高.氧化活性的升高与碳烟颗粒纳观结构有序度的下降和分形维数减小有关.

不同海拔下柴油机燃用不同比例生物柴油的碳烟形成历程

基于不同海拔下某农用柴油机燃用生物柴油-柴油混合燃料的试验数据,建立柴油机生物柴油-柴油混合燃料时缸内燃烧的三维仿真模型。利用该模型研究不同海拔下柴油机燃用不同比例生物柴油时缸内碳烟的生成与氧化过程。研究结果表明:当柴油机燃用不同比例生物柴油-柴油混合燃料时,随着海拔的升高,碳烟的开始生成始点和峰值对应的时刻有所推后,碳烟的峰值和趋于稳定的终值均随之升高,碳烟从开始生成到趋于稳定所对应的区间延长;随着柴油机燃用生物柴油比例的增大,碳烟生成的始点没有明显的变化规律,碳烟生成速率、缸内峰值以及趋于稳定的终值均随之降低,碳烟从开始生成到趋于稳定所对应的区间缩短。本研究可为高原地区柴油机燃用生物柴油实现高效清洁燃烧提供参考。

甲烷掺混对乙烯扩散火焰中PAH及碳烟生成的影响机理

以甲烷掺混乙烯对冲扩散火焰为研究载体,基于火焰多参数试验测量数据,分析了两种常用于模拟预测多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon,PAH)及碳烟生成的反应动力学机理,即气相化学反应机理(KAUST PAH mechanism 2,KM2)和AramcoMech机理.研究结果表明:两种机理均能较准确地预测甲烷掺混乙烯扩散火焰的热化学结构;两种机理关于甲烷掺混对PAH及碳烟生成的影响预测效果不佳;两种机理均未能预测甲烷掺混对乙烯火焰中PAH及碳烟生成的抑制行为;通过比较两种机理中PAH及碳烟生成路径的异同,发现两种机理均高估了炔丙基自由基(C_(3)H_(3)·)生成对甲烷掺混的敏感性;火焰多参数测量数据有助于进一步优化和验证甲烷燃料的反应机理.

柴油引燃天然气火焰温度场和碳烟浓度场分析

针对柴油引燃高压直喷天然气火焰温度场和碳烟浓度场尚不明确的问题,在定容燃烧弹平台上,采用高压直喷天然气共轴喷射器,利用高速彩色相机结合双色法研究了不同油/气喷射压力和油/气喷射间隔对高压直喷天然气燃烧后的火焰温度和碳烟KL值分布特性。研究结果表明:高压天然气被引燃后的火焰平均温度和碳烟平均KL值均随着油/气喷射压力的升高而降低,因此为降低碳烟KL值应提高油/气喷射压力。当油/气喷射间隔为0.8 ms时,高压天然气射流火焰平均温度最高,最高达到2318 K;当喷射间隔为0.4 ms时,火焰的平均温度最低,最低为2148 K;相同时刻下,油/气喷射间隔0.8 ms的碳烟平均KL值相较于0.4 ms的工况最多提高了112.8%,相较于喷射间隔1.2 ms的工况最多提高了49.02%;试验结果表明:为降低高压直喷天然气燃烧时的碳烟生成水平,应将喷射间隔设定在柴油喷射结束之前。本文为HPDI天然气发动机的燃料喷射策略和降低碳烟生成的相关研究提供基础参考。

甲醇/甲烷层流扩散火焰碳烟生成的模拟研究

为充分了解甲醇对碳烟生成的影响,构建甲醇/甲烷混合燃烧机理,耦合Moss-Brookes碳烟模型,建立甲醇/甲烷层流火焰燃烧模型,在保证碳流量一定的情况下,研究甲醇掺混比(质量分数)分别为0、10%、20%、30%、40%这5种掺混比的甲醇/甲烷层流扩散火焰的碳烟生成特性。研究结果表明:甲醇的添加会导致火焰的起燃位置降低,从而导致碳烟在火焰更低的位置生成。火焰中碳烟体积分数随甲醇掺混比的增加先增加后减小,在30%甲醇掺混比下火焰的碳烟体积分数峰值达到最大值,碳烟体积分数为4.12×10^(-8)。甲醇掺混比升高会使O和OH的峰值升高,但在30%甲醇掺混时,峰值会在轴向位置发生向上偏移,导致30%甲醇掺混时碳烟体积分数为最大值。

RP-3航油火焰三维温度场和碳烟浓度场测量

RP-3航空煤油是航空发动机的常用燃料之一,火焰温度及碳烟浓度分布作为反映燃烧状态最直接的参数,是燃料优化配比的重要数据支撑。针对三维测量中,重建路径计算的准确性受相机位姿影响的问题,提出了一种将三维辐射成像法与相机立体标定技术相结合的测量方法。数值模拟结果表明,所提方法可以在提供较高的空间分辨率的同时保证测量结果的可靠性。利用标定后的六相机测量系统,对RP-3、空气预混火焰进行了实验测量,获得了其三维温度及碳烟浓度分布。测量的空间分辨率为1 mm×1 mm×1 mm,重建与热电偶测量温差的标准不确定度为0.58 K,证明了测量方法的精确性。

制备方法对碳烟催化中Ag-Cs协同体系影响研究

采用离子交换法和浸渍法分别合成了Ag-Cs/ZSM-5(E)和Ag-Cs/ZSM-5(D)双金属催化剂.利用X射线衍射光谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)等手段表征材料的物理、化学状态.通过程序升温氧化(TPO)测试催化剂活性,发现在氧气气氛下,Ag-Cs/ZSM-5(E)和Ag-Cs/ZSM-5(D)双金属催化剂催化活性较Ag/ZSM-5有着非常明显的提升,T50从Ag/ZSM-5的546℃分别降低至Ag-Cs/ZSM-5(E)的430℃和Ag-Cs/ZSM-5(D)的464.℃同时,Ag-Cs/ZSM-5(E)比Ag-Cs/ZSM-5(D)表现出更佳的催化活性和稳定性.研究结果证实了Ag-Cs双金属的协同作用,以及ZSM-5载体上路易斯酸性位点Cs在双金属协同中的关键作用.

用于碳烟燃烧的Ag(x)-Mn_(1)Co_(2.3)多孔纳米片催化剂的制备与性能研究

采用等体积浸渍法制备了一系列Mn_(1)Co_(2.3)复合物负载不同质量分数Ag颗粒的催化剂,并用于碳烟颗粒的催化燃烧。结果表明,制得的Ag(10)-Mn_(1)Co_(2.3)在松散接触模式以及10%O_(2)/Ar+10%H_(2)O(g)+500μL/L NOx辅助气氛条件下表现出最佳的催化活性,其T_(10)､T_(50)和T_(90)分别为293､338℃和375℃。负载Ag不仅提高了催化剂的本征活性,而且Mn_(1)Co_(2.3)所具有的多孔纳米片形貌使该催化剂与反应物之间具有良好的固-固接触效率。

DOC和金属DPF对柴油机排气中碳烟纳观结构特性的影响

开展了柴油机氧化催化器(DOC)和金属DPF对柴油机排气中碳烟纳观结构特性的影响研究。结果表明:原机排气中碳烟平均微晶长度(L_(p))随负荷的增加而增大,随转速的升高而减小;平均微晶层间距(D_(p))和平均微晶曲率(T_(p))的变化规律与L_(p)相反。经过DOC处理后,L_(p)增大,D_(p)和T_(p)减小;而它们的变化幅度均随负荷的增大而增大,随转速的升高而减小。金属DPF对碳烟3个纳观结构特性参数的影响均不大。原机排气中碳烟的L_(p)、D_(p)和T_(p)均与碳烟氧化反应表观活化能(E_(a))具有密切的相关性,其中,T_(p)与E_(a)的决定系数最大;经过DOC处理后,L_(p)、D_(p)和T_(p)与E_(a)的决定系数均略有增加。

K负载Sn_(0.4)Ce_(0.6)O_(2)对碳烟的催化燃烧性能研究

催化燃烧是目前去除柴油发动机尾气中碳烟颗粒最有效的净化技术之一。为提高催化剂表面原子的移动性能,改善催化剂的低温氧化还原能力,采用碱金属K负载Sn_(x)Ce_(1-x)O_(2)催化剂对碳烟的催化燃烧性能进行研究。利用共沉淀法将Sn和Ce按照不同的物质的量之比进行掺杂得到Sn_(x)Ce_(1-x)O_(2)催化剂,在微型固定床程序升温反应器上进行活性评价,发现n_(Sn)∶n_(Ce)=4∶6时催化剂具有最好的催化性能。而后通过浸渍法制备了一系列更高活性的xK/Sn-Ce催化剂,并对其进行了XRD、XPS、H_(2)-TPR、O_(2)-TPD等表征分析。结果表明:负载K之后的催化剂表面的活性氧的浓度得到了提高,氧转移速率加快,氧化还原能力得到了提高。当K负载量为15%(x=15%)时,催化剂对碳烟有最好的去除效果,产物中CO_(2)的选择性达到94.3%,T_(90)温度为388℃。该研究为设计高效的碳烟燃烧催化剂提供了重要参考。

DMF/柴油RCCI燃烧碳烟生成数值模拟

由于石油资源的短缺和汽车尾气排放的污染问题日益严重,开发内燃机可替代燃料以及新型燃烧方式,成为了当前研究领域的热点.本文以进气道喷射DMF、缸内直喷柴油,模拟研究DMF/柴油RCCI发动机碳烟生成特性.基于一台双燃料发动机,建立三维仿真模型,采用基于离散分区法的详细碳烟模型,研究DMF预混比对碳烟生成过程及颗粒粒径分布的影响规律.结果表明,随DMF预混比的增加,混合气活性降低,滞燃期增大,燃烧相位逐渐滞后,燃烧持续期逐渐增大,缸内温度降低,高温高当量比区域减小;碳烟排放总质量降低,核态颗粒物的质量和数量增加,积聚态颗粒物的质量和数量降低.

基于辐射光谱的对冲扩散火焰碳烟温度和体积分数的测量实验研究

对冲扩散火焰是研究碳烟生成特性的理想平台,温度是碳烟生成的重要影响因素,碳烟体积分数是衡量碳烟生成率的重要指标,因此对冲火焰中碳烟温度和体积分数的准确测量对于开发减少碳烟排放策略至关重要。文章基于碳烟多光谱辐射(soot spectral emission,SSE)方法同步测量对冲火焰中的碳烟温度和体积分数。考虑到对冲火焰空间尺度小,需要较高测量空间分辨率和位置精度的特点,开发一种用于对冲火焰精准测量定位的方法,有效地提高实验测量的位置精度;同时建立一套基于热电偶的光谱响应函数原位标定系统;最后使用SSE方法对常压环境不同工况下乙烯对冲扩散火焰的碳烟温度和体积分数进行测量。测量结果验证了对冲火焰碳烟温度场和浓度场的准一维性质;通过与消光法实验数据和采用详细化学反应机理的数值计算结果的对比,验证了SSE方法测量对冲火焰中碳烟温度及体积分数分布的可行性。

碳烟边缘茚型五碳环与活性O的氧化反应机理研究

针对碳烟在火焰中的氧化,本文利用DFT方法研究活性O氧化碳烟边缘茚型五碳环结构的反应机理.在B3LYP/6-311G(d,p)和M06-2X/cc-p VQZ的计算水平下,探究活性O与C_(13)H_(9)自由基的详细反应路径,并基于TST计算各基元反应在500~3 000 K温度范围内的速率常数.结果表明:活性O与C_(13)H_(9)自由基形成的C_(13)H_(9)O,进一步热解后将产生CHO、CO和具有四碳环结构的PAHs.CHO的生成高度依赖温度和反应位点,其反应需克服402.7 kJ/mol的限速步能垒.C_(13)H_(9)O热解的氧化产物主要为CO.M1和M2热解释放CO的主反应路径为路径3和12,并产生具有四碳环结构的CS9,对应的限速步能垒分别为167.9 kJ/mol和153.8 kJ/mol.C_(13)H_(9)O热解的起始反应主要为C—C键断键和H转移反应,其中C—C键断键的反应路径更易发生,且反应速率也更快.

不同海拔条件下柴油燃烧火焰温度和碳烟特性研究

为了研究海拔条件对柴油机冷起动阶段柴油燃烧过程的影响,在定容燃烧弹台架上模拟了平原和海拔2000 m工况下柴油机缸内的热力学状态,利用双色法获取了不同工况下柴油火焰温度和表征碳烟浓度的KL因子分布.结果表明,随着海拔由0 m增加至2000 m,环境温度、压力同时降低产生了耦合作用,导致柴油滞燃期由2.0 ms增大至3.13 ms.海拔升高后,柴油燃烧过程中平均火焰温度降低,局部高温区域消失,KL因子总量减少.海拔条件变化影响了碳烟特性和火焰温度的关系.随着海拔升高,火焰温度降低,导致碳烟氧化主导阶段碳烟氧化速率降低,局部火焰温度对局部碳烟浓度的影响减小.

掺混比例对航空煤油/柴油的着火和碳烟排放影响

航空煤油/柴油掺混作为一种典型的宽馏程燃料,具有提升着火能力、改善低温冷起动并对柴油机结构可靠性影响较小等潜在性能.基于电加热定容燃烧弹,耦合纹影法、广域低通化学发光法和高频背光消光法等光学诊断方法,研究了不同航空煤油掺混比例对航空煤油RP-3/柴油掺混燃油喷雾、着火和碳烟排放特性的影响.结果表明:在航空煤油中掺烧柴油,有利于提高掺混燃油的着火能力,但同时也会提高碳烟排放,产生明显的红外信号.随着柴油掺混比例的增加,冷态喷雾体积几乎没有变化,但在高温蒸发环境下,喷雾锥角及体积均略微下降.添加25%(体积分数)的柴油可明显缩短着火滞燃期,且碳烟面积和碳烟质量规律与纯煤油相近,随着柴油组分的进一步增加,碳烟面积和碳烟质量都相应明显增加.此外,掺混25%柴油的航空煤油掺混燃油,可大幅提高燃油的着火性能,且碳烟排放维持在较低水平;航空煤油中添加较少比例的柴油适合在航空发动机中使用,从而成为一种比纯航空煤油更有潜力的单一燃料.

基于碳烟粒径分布预测的柴油燃烧机理构建与氧含量影响研究

为预测柴油机碳烟排放的粒径分布,选用90%摩尔分数的正庚烷和10%摩尔分数的甲苯作为柴油替代物,分别构建气相动力学机理和表面动力学机理,并将二者耦合,构建成柴油替代物机理(简称HTS机理),将HTS机理结合矩量法数值模型进行了机理验证,并通过改变进气发动机进气氧的体积分数,进一步研究了氧浓度对碳烟粒径分布的影响。研究结果表明,在滞燃期、层流火焰速度、预混火焰关键组分、预混火焰碳烟粒径分布、柴油机缸压与放热率以及柴油机排放物生成等方面,应用HTS机理计算的模拟值与试验值基本一致。使用HTS机理研究氧浓度对碳烟粒径分布的影响表明:随着氧浓度的增加,碳烟颗粒平均数密度降低、数密度峰值减小、数密度峰值对应的颗粒物直径增大;且小粒径(直径0~50 nm)碳烟的数密度随之降低。

碳烟催化氧化热重分析及活化能计算

采用溶胶凝胶法制备钙钛矿催化剂并通过热重法考察其碳烟催化氧化活性,将热分析动力学内容引入碳烟催化氧化反应中,通过Friedman等转化率法计算反应的活化能。该综合实验内容包括催化剂的制备、催化活性的评价和动力学计算,具备较强的系统性和完整性,引领学生接触学科前沿性知识,有助于高年级学生科研素质和创新能力的培养。

甲烷、丙烷掺混对乙烯扩散火焰中碳烟生成影响

鉴于日益严格的污染物排放法规和减排需求,研究燃料掺混燃烧对碳烟排放的影响是具有价值的。采用GRI-Mech3.0气相反应机理并结合详细的热力学和输运数据,对层流扩散火焰乙烯/甲烷和乙烯/丙烷混合燃料燃烧进行了数值模拟。对比分析了各工况的燃烧温度分布、碳烟分布以及重要中间组分浓度变化。结果表明,掺混甲烷和丙烷均导致乙烯扩散火焰中峰值温度和碳烟体积分数减小,相同掺混比下掺混甲烷的碳烟体积分数减小幅度更大。随着掺混比增加,温度和碳烟体积分数峰值分布向火焰下游发展,H自由基摩尔分数逐渐减小,OH自由基摩尔分数略有减少,C2H2摩尔分数逐渐减小且分布向火焰下游移动。在该研究的扩散火焰工况下,甲烷和乙烯掺混以及丙烷和乙烯掺混在碳烟生成方面均未发现协同效应。