基于分形理论的甲醇/柴油燃烧颗粒微结构研究

采用同步辐射小角X射线散射(small-angle x-ray scattering,SAXS)技术,研究了柴油机燃用不同甲醇掺混比例(0、5%、15%)的甲醇/柴油混合燃料(分别记为M0、M5和M15)时颗粒的微结构。通过对散射强度和散射矢量进行不同变换和处理,结合分形理论和小角散射理论,得到了颗粒的空间结构、表面形态及团粒间隙和尺寸等参数。研究结果表明:与柴油燃烧颗粒相比,随着燃料中甲醇掺混比例增大,燃烧颗粒中的电子密度差逐渐增大,颗粒的尺寸减小;颗粒表面较为粗糙无序;M0、M5、M15的团粒间隙分别主要分布在5~7nm、8~10nm、11~13nm,团粒间隙的尺寸和数量呈上升趋势;团粒间隙分维数与团粒尺寸呈正相关,掺混甲醇后随着颗粒团粒尺寸的增大,颗粒的分布越松散,团粒结构越不稳定。     

燃煤烟气中的SO3对微细颗粒物电除尘特性的影响

采用BDL粉尘比电阻测定仪、巴柯粒度分析仪和COULTERTM SA 3100TM比表面积分析仪对某燃用准格尔煤电厂飞灰的比电阻、粒度及比表面积进行了分析,研究了烟气中SO3对微细颗粒物导电性能和团聚性能的影响.结果表明：在锅炉额定工况下当烟气中SO3的质量浓度增加约34.3 mg/m^3时,飞灰比电阻降低约2个数量级,同时飞灰表面张力减小,黏附力增大,使得微细颗粒团聚为大颗粒,平均粒径增大,比表面积减小,从而使电除尘器效率明显提高.     

柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究

研究了6114柴油机不同工况下排气颗粒的数浓度、体积浓度和粒径分布特征，测试工况下柴油机排气颗粒数浓度均呈包括核模态（峰值粒径为10nm-20nm）和积聚模态（峰值粒径为50nm～80nm）的双峰对数正态分布。高转速下排气颗粒数浓度和体积浓度大于中间转速时的数浓度和体积浓度。相同转速下，颗粒体积浓度随负荷增加而增大，而数浓度高转速下随负荷增大而增加，中间转速下随负荷增加没有规律性变化。相同转速下，积聚模态数浓度随负荷增加而增大，核模态数浓度高转速下随负荷增大而增加，但在中间转速下随负荷增加无规律性变化。相同转速下，随负荷增加，核模态峰值粒径有减小趋势。中间转速下积聚模态峰值粒径随负荷增大先增大后减小，高转速下积聚模态峰值随负荷变化无明显变化。中间转速下排气颗粒的核模态峰值粒径小于高转速下核模态的峰值粒径，积聚模态峰值粒径大于高转速下积聚模态的峰值粒径。排气颗粒中核模态粒子占有较大的数量百分比，积聚模态粒子占有较大的体积百分比。     

低配比GTL柴油和生物柴油的燃烧颗粒排放特性

以一台电控高压共轨柴油机为样机,研究了柴油机分别燃用低配比天然气合成油(GTL柴油)、低配比生物柴油混合燃料的颗粒排放特性。所用燃料分别为纯柴油、GTL柴油体积掺混比为10%的燃料(G10)、生物柴油体积掺混比10%的燃料(B10)。研究了该机燃用这三种燃料的烟度、颗粒数量及粒径分布特性。研究结果表明:柴油机燃用G10燃料、B10燃料的排气烟度均低于纯柴油,B10燃料的排气烟度低于G10燃料;柴油燃用三种燃料的排气颗粒数量大多呈明显的单峰或者双峰对数分布。B10燃料的核态颗粒数量在各工况下均为最高,G10燃料在各负荷下全粒径范围内聚集态颗粒与核态颗粒的数量几乎均为最低。随负荷增加,柴油机颗粒总数量呈总体上升趋势。各工况下,柴油机燃用B10燃料的颗粒总数量最高,G10燃料的颗粒总数量最低,核态颗粒数量的差异在其中占主导地位。     

柴油机缸内团聚态颗粒氧化过程中的破碎

基于全气缸取样系统采集不同燃烧时刻的柴油机碳烟,使用粒数粒径测试分析仪和透射电子显微镜测量了碳烟的粒径分布、数密度、分形维数和团聚度,进而获得团聚态颗粒的破碎速率,在上述工作的基础上,分析了柴油机缸内碳烟氧化主导阶段团聚态颗粒物的破碎现象.结果表明:碳烟氧化主导阶段初期,团聚态颗粒破碎速率高,碳烟颗粒总粒数密度和核态颗粒数密度增加,同时分形维数和团聚度明显减小.随氧化主导阶段燃烧反应的进行,破碎速率逐渐降低,总颗粒数密度逐渐减小,核态颗粒数密度先增加后减小,而分形维数和团聚度呈现上升的趋势.     

柴油机水下排气管倒流极限试验

为防止水下排气柴油机发生海水倒灌事故,需弄清水下排气管内海水倒流发生的物理机制与发生条件.通过管内径为90,mm、长度为1.8,m的水平玻璃管在1、2及3,m不同水深下排气的试验,获得了水下排气管倒流极限以及排气口水深变化对其影响.结果表明:在一定排气量范围内水相会在排气管出口端下部稳定地滞留一定长度,但不会形成实质的水倒流;随管内滞留水长度由0增至1.8,m,对应的极限表观气速由24,m/s降至8,m/s,极限Wallis参数由0.95降至0.55,倒流极限呈现出先快速减小后趋于定值的趋势;在相同管内滞留水长度随排气口水深增大,极限表观气速略有减小,而极限Wallis参数基本不变,表明Wallis参数较好地表征了排气密度和排气速度对水下排气管倒流极限的综合影响.     

喷油时刻对柴油机富氧燃烧颗粒物排放特性的影响

为改善柴油机颗粒物排放问题,进行了柴油机富氧燃烧的试验.通过一台单缸高压共轨柴油机在不同的进气氧体积分数条件下研究了预喷时刻和主喷时刻对柴油机颗粒物排放的影响.采用DMS500型快速颗粒光谱仪测试分析了柴油机富氧燃烧排放颗粒物的数量浓度、质量浓度、粒径分布和几何平均直径.结果表明:随着预喷时刻提前,颗粒物数量浓度和质量浓度变化范围不大,几何平均粒径略有增大;随着主喷时刻推迟核态数量浓度减小,凝聚态数量浓度增加,颗粒物质量浓度增大,凝聚态质量浓度和几何平均粒径增大;进气氧体积分数增加,核态数量浓度增大,凝聚态数量浓度减少,颗粒物质量浓度下降,几何平均粒径减小.     

声波团聚脱除柴油机尾气中超细颗粒物的试验研究

利用低频率高强度声场试验装置,进行了脱除柴油机尾气中超细颗粒物的试验研究.由电称低压冲击器ELPI实时在线测量烟气中颗粒浓度在声波作用前后的变化,系统研究了声场强度、停留时间和颗粒数目浓度对细颗粒脱除效率的影响.结果表明,低频高强声场对柴油机尾气中的超细颗粒具有较高的团聚清除效果,提高声场强度、适当延长停留时间和增大初始颗粒数目浓度均有利于颗粒物的声波团聚脱除.当声波频率为1 kHz、团聚窜内声场强度达到161.5 dB时,0.023～10 μm粒径的颗粒数目浓度可减少55.7%.试验结果表明低频高强声波场是一种控制柴油机尾气中超细颗粒排放的有效方法.     

水平布置水下排气管倒流界限试验及分析

为防止水下排气柴油机发生海水倒灌事故,对水下排气管内发生水倒流的条件及影响因素进行了试验和分析。由水平管内气液逆向流动特性研究现状分析,指出气相惯性力与液相重力的相对大小是排气管内水倒流发生的主要物理机制。由内径90mm水平管在3m水深下排气的试验结果发现:防止水下排气管内水倒流发生的界限气速存在一个与管内滞留水长相关的范围,随管内滞留水长由0.3m增至1.8m,界限表观气速由13.0m/s降至7.8m/s,界限气相Wallis数由0.72降至0.55。最后以某柴油机排气参数为基础,按界限气相Wallis数等于0.60计算分析了排气管管径、排气口水位深度及排气温度等因素对管内倒流界限气速的影响,结果表明:水平管的倒流界限气速随管径增大而增大;排气口水位深度和排气温度的变化影响排气密度大小,也对排气管倒流界限气速有影响。     

柴油机SCR系统排气管壁沉积物影响因素仿真

携带选择性催化还原(SCR)系统的柴油机排气管壁易生成沉积物,导致尿素经济性下降,NOx转化效率降低;情况严重时,大量积累的沉积物会减小排气管道流通面积,导致排气背压升高.以某国Ⅳ柴油机为例,通过耦合AVL Fire和Boost仿真软件建立了定量计算排气管壁面沉积物生成率的仿真模型;并基于该模型对沉积物的影响因素开展了全面系统的仿真,包括柴油机工况参数、排气管参数、添蓝喷射系统参数和环境参数等.首先,通过单因素仿真揭示了各因素对沉积物生成率的影响,然后,通过试验设计综合研究了各因素的影响权重.结果表明:对于该柴油机,沉积物生成率影响权重较大的5个因素分别为添蓝流量、空速、排气温度、管壁导热系数和喷孔数.该研究可提高人们对SCR系统沉积物的认知水平,也可为减少或避免沉积物提供指导.     

低温等离子体对柴油机排气微粒数量和质量影响的试验研究

基于电晕放电理论设计了低温等离子体(non-thermal plasma,NTP)发生器,由柴油机、低温等离子体处理器和静电低压冲击仪组成试验系统和测试系统,测试低温等离子体对柴油机排气微粒粒径、数量及其分布的影响。以试验为基础,对柴油机排气微粒经过低温等离子体后的物理性质进行了研究和分析,为聚集体的清除提供了理论基础。试验结果表明:低温等离子体通过氧化和捕集的方式降低柴油机排气微粒的数量浓度和质量浓度,排气微粒总数量下降了40%,排气微粒总质量减小了76.9%,随着低温等离子体强度的增大降低作用增强。     

共轨柴油机燃用乳化柴油的颗粒排放特性

以一台电控高压共轨柴油机为试验样机,采用发动机排气颗粒数量和粒径分析仪EEPS,研究了该机分别燃用柴油和乳化柴油在不同转速和负荷下的排气颗粒数量和粒径分布特征。研究结果表明:燃用柴油的排气颗粒数量和粒径分布呈明显的单峰对数分布,燃用乳化柴油的排气颗粒数量和粒径分布呈单峰或双峰对数分布。与燃用柴油相比,燃用乳化柴油后的排气颗粒数量峰值对应的颗粒粒径向小粒径方向移动,几何平均粒径变小,质量浓度平均降低约20%。     

携带SCR系统的柴油机排气管中生成沉积物的影响因素研究

以一台排量11.12L的柴油机为平台,研究了排气管中沉积物的生成过程,并对沉积物进行了热重试验。定量分析了排气温度、空速及尿素喷射速率对沉积物生成量的影响,应用正交设计方法确定各影响因素的权重系数。研究结果表明:在排气温度为330℃、空速为3×10 4h-1的情况下,以2600mL/h的速率持续喷射尿素水溶液5h后,柴油机排气管中形成的沉积物导致排气背压升高了1.4kPa,NOx转化效率降低了3%,且沉积物在700℃高温下才能完全分解。排气温度越低,空速越小,尿素喷射速率越高,越易生成沉积物。各影响因素的权重从大到小依次为:尿素喷射速率(0.39)空速(0.37)排气温度(0.24)。针对实车沉积物问题,在满足国-Ⅳ排放法规的前提下,通过二次标定降低经济运行工况的尿素喷射速率,将喷嘴前移2600mm,并用保温材料包裹排气管,运行车辆排气管中再未发现沉积物。     

驻波声场中直链颗粒团聚体运动的数值模拟

建立水平驻波声场中直链颗粒团聚体的动力学模型,利用数值模拟方法研究单分散颗粒凝并生成的直链颗粒团聚体的运动特性.结果表明:直链颗粒团聚体除发生周期性往复振动外,还在一定角度范围内来回转动,其振动不受所含原始颗粒个数的影响,转动频率随原始颗粒个数的增加而增大,与等体积球形颗粒差别显著;团聚体的平动不受初始夹角θ0的影响,而其转动范围由θ0决定,当0θ0π/2时,团聚体的转动范围为[-θ0,θ0];在团聚体初始位置由速度波节向波腹移动的过程中,其平动位移振幅和转动频率均增大;随着原始颗粒粒径的增大,团聚体平动位移振幅和转动频率均减小.     

柴油机运行工况对排气管内碳烟尺寸的影响

改变柴油机运行工况,采集排气管内碳烟颗粒,通过透射电镜对碳烟颗粒进行观测,拍摄碳烟颗粒形貌图片,采用Image-ProPlus软件统计分析碳烟颗粒的平均投影面积(A)、平均回转半径(R_g)、包含基本碳粒子的平均数(N_p)以及基本碳粒子的平均粒径(d_p)等特征参数,得到碳烟颗粒的分形维数.研究发现:改变柴油机负荷对排气管内的碳烟颗粒尺寸的影响要远大于改变转速带来的影响.转速不变时,随着负荷的增大,A、Rg、N_p和d_p均呈"v"型变化趋势,分形维数呈上升趋势;负荷不变时,随着转速的增大,A、R_g、N_p、d_p小幅度上升,分形维数基本不变.     

柴油机颗粒捕集器内颗粒沉积结构的实验研究

基于可视化单通道实验系统,采用激光位移测量方法,对柴油机颗粒在陶瓷捕集器内的沉积过程进行了在线测量.研究结果发现,颗粒沉积过程分为4个阶段:深床期、长树期、搭桥期和颗粒层期;颗粒层厚度的增加在长树期迅速增长,而后在颗粒层期呈缓慢增加的趋势.颗粒层过滤期颗粒层的孔隙结构受过滤速度的影响,过滤速度增大,颗粒层的渗透系数和孔隙率减小,形成的颗粒层致密.实验结果证实了当Pe<1时,渗透系数和孔隙率随Pe的增大而减小,且变化显著;当Pe>1时,渗透系数和孔隙率随Pe数的变化趋于平坦.     

直喷式二冲程柴油机超细颗粒物排放特性的试验研究

研究了直喷式二冲程柴油机的超细颗粒物排放特性,考察了负荷、转速、喷油嘴孔径以及燃料对排气中超细颗粒物数量浓度以及质量浓度的影响。研究结果表明:在不同的工况下,超细颗粒物的数量浓度和质量浓度没有明显的相关性;随着负荷的增大,排气中超细颗粒物的质量浓度增大,而数量浓度不一定增大;在低负荷时,排气中颗粒物数量浓度在450r/min时明显高于750 r/min,高负荷时则相反;在选择喷油嘴时,喷孔小的超细颗粒物排放水平不一定好;柴油中加入一定量的DMC,则排气中颗粒物数量浓度在低负荷时明显高于柴油,高负荷时低于柴油;而质量浓度明显低于柴油。     

基于流固多相耦合的排气管垫片密封性能研究

对一台发动机而言,其排气系统的密封性能对发动机可靠性以及对环境会产生较大影响。我们以一台六缸柴油机的进排气系统为原型,通过对发动机一维计算、发动机单缸燃烧计算以及排气系统流动计算获得排气壁面温度和换热系数,进而获得排气系统的温度场。随后结合螺栓预紧力、振动等机械负荷边界条件及排气系统温度场,进行热-机械耦合计算,并从垫片接触压强以及排气管法兰变形两方面入手分析该型机排气管垫片的密封状况。计算结果表明,该型机排气管垫片密封问题主要是由排气管法兰变形较严重导致的。     

非道路车用柴油机排放颗粒粒径分布特性研究

通过非道路车用柴油机台架试验,利用静电低压撞击器(ELPI)对其排气颗粒粒径分析后发现:非道路车用柴油机排气颗粒物主要集中在粒径为0.05～1μm的累积模式;高负荷、中高转速下颗粒浓度最大,低负荷低转速时粒径尺寸最小;一定转速下,较低负荷时颗粒浓度及粒径都比较小,随着负荷的增加粒径增大.对于非道路车用柴油机,控制微小颗粒生成是控制颗粒物排放的主要研究方向.     

湿污泥热解残渣微观孔隙结构及吸附性能

采用管式炉热解反应器对不同含水率污泥开展高温热解制备残渣样品,采用氮气等温吸附/脱附法分析了含水率对残渣孔隙结构和表面形貌演变的影响规律,探讨了热解残渣作为废液中重金属和染料吸附剂的可行性.研究发现:与干污泥热解残渣相比,湿污泥热解残渣孔隙结构得到更充分发展,孔径2~10,nm的中孔数量明显增加,且在孔径3.75,nm出现单峰值.随着含水率增加至84%,,残渣BET比表面积、累积总孔容积、微孔孔容等呈现减小、增大再减小的趋势;热解残渣对废液中Cu2+、Cr6+以及亚甲基蓝、孔雀石绿染料均有一定的吸附能力.