碳链长度与羟基位置对RCCI排气颗粒物化学特性的影响研究

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颗粒物对大气环境和人体健康造成严重威胁,推动研究颗粒物的生成机理和控制技术势在必行。学者们通过对燃料设计和燃烧模式等方面构建解决方案。在众多生物质燃料中,醇类燃料在保证动力性能良好的前提下,对节能减排做出了巨大贡献。此外,醇类燃料存在分子结构变化,比如碳链长度的增加或羟基位置的内移都会对燃烧产生很大的影响。在众多新型燃烧方式中,活性控制压燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)方式作为一种燃烧可控、排放清洁和高效稳定的燃烧方式而备受瞩目。研究表明,将醇类燃料与RCCI燃烧方式相结合在实际应用中大有可为,为进一步降低颗粒物提供可能。因此,本研究基于一台改装过的六缸重型柴油发动机,分别控制循环总能量和转速恒定为4000J和1500rpm,喷油定时(start of injection,SOI)为-10°CA ATDC,保证预混比(premix ratio,Rp)分别为30%、40%和50%,选取了5种存在分子结构之间变化的醇类燃料,即乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和仲丁醇作为低活性燃料分别在进气道喷射,柴油作为高活性燃料在缸内直喷,组织实现RCCI燃烧。研究了碳链长度与羟基位置对RCCI排气颗粒物化学特性的影响。本文主要研究内容和结论如下:(1)随着两种碳链长度(CCL和CCLOHP)的增大,C元素含量变化规律完全相反,O元素含量整体上几乎不改变;不同Rp条件下的C元素含量变化随OHP的内移略有不同,O元素含量在3种Rp下呈现出3种不同的变化规律,即增加、不变和减小;随着Rp的增加,绝大多数醇类燃料颗粒物C和O元素含量增加。此外,在任何3种条件下,Si元素和其他微量元素含量变化较为复杂,无规律可循,正丙醇RCCI颗粒物在3种Rp下均未产生微量元素,而仅在Rp=40%下的CCL和CCLOHP,没有微量元素产生。(2)X射线光电子能谱技术用于表征和分析RCCI排气颗粒物,根据XPS全谱扫描显示,乙醇/柴油RCCI颗粒物表面元素成分主要为O元素、C元素和Si元素等,且氧碳元素摩尔比(ηo/ηc)为1.31。此外,XPS精细谱分析表明,sp杂化碳、sp~3/sp~2杂化碳比、羟基(C-OH)官能团和羰基(C=O)官能团的百分比含量分别为26.17%、87%、13.08%和6.34%。而醚/醇中的碳氧官能团(C-O in ether/alcohol)在颗粒物表面上明显占主导地位,羟基(C-OH)官能团和羰基(C=O)官能团在颗粒物表面的碳氧官能团中的贡献较小。(3)对RCCI颗粒物化学成分进行了相关和回归分析,结果发现,CCLOHP与所有元素成分相关,并对C元素更敏感。和OHP和CCL相关的仅为C元素,和Rp相关的仅为O元素;得到了不同元素成分实际影响因素,敏感性顺序如下:C元素为CCL>CCLOHP>OHP,O元素为CCLOHP>Rp,Si元素仅为CCLOHP。
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