柴油機(jī)燃燒過程中的顆粒物氧化和破碎行為

前 言

發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量濃度排放是現(xiàn)行和未來輕重型車輛和非道路移動(dòng)機(jī)械排放法規(guī)的管控重點(diǎn)。對(duì)柴油機(jī)而言，改善發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒過程中顆粒物的氧化過程是降低柴油機(jī)顆粒物排放的有效手段之一。因此，深入研究燃燒過程中顆粒物的氧化機(jī)理對(duì)控制柴油機(jī)顆粒物排放具有十分重要的意義。

柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒狀態(tài)是影響顆粒物高溫氧化行為的關(guān)鍵因素之一。除此之外，顆粒物本身的固有特性，如微觀結(jié)構(gòu)、石墨化程度、表面官能團(tuán)等決定了其氧化活性，在研究顆粒物的氧化行為時(shí)也應(yīng)進(jìn)行全面分析。尤其是現(xiàn)行排放階段的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其排氣顆粒的反應(yīng)活性較低，顆粒物的氧化脫除難度大幅升高。在此背景下，顆粒物反應(yīng)活性對(duì)其氧化行為的影響就顯得尤為重要。

顆粒物的氧化反應(yīng)導(dǎo)致其總質(zhì)量濃度排放降低。其中，在顆粒物內(nèi)部基本粒子連接頸部發(fā)生的氧化反應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致連接鍵的弱化和斷裂，使較大尺寸的顆粒團(tuán)聚體破碎成為多個(gè)小尺寸顆粒，最終引起顆粒物的總數(shù)量濃度排放顯著升高。此外，顆粒基本粒子內(nèi)部氧化導(dǎo)致的整體結(jié)構(gòu)坍塌也會(huì)導(dǎo)致小尺寸顆粒數(shù)量濃度的升高。因此，針對(duì)顆粒物的破碎特性進(jìn)行研究對(duì)深入分析顆粒物的數(shù)量濃度排放特性具有重要意義。

本書共分為6章，主要內(nèi)容包括柴油機(jī)顆粒物的缸內(nèi)生成和氧化行為、顆粒物氧化模式、燃燒邊界條件對(duì)顆粒物氧化行為的影響、顆粒物微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性對(duì)其氧化行為的影響、顆粒物的破碎行為。

本書主要依托國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目“化石燃料燃燒排放PM2.5源頭控制技術(shù)的基礎(chǔ)研究”（2013CB228502）、“面向發(fā)動(dòng)機(jī)的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目“封閉空間內(nèi)湍流燃燒過程中碳煙顆粒破碎機(jī)理的研究”（9174110051）和國(guó)家自然科學(xué)基金“柴油機(jī)排氣顆粒物的微尺度氧化反應(yīng)模式及其形成機(jī)制研究”（52006054），并結(jié)合作者在發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放控制領(lǐng)域的科學(xué)研究成果而成。盡管作者幾易其稿，但不妥之處仍在所難免，懇請(qǐng)讀者和同行專家批評(píng)指正。

作 者

2023年2月

前言
第1章 緒論 1
1.1 柴油機(jī)顆粒物的特征 2
1.2 柴油機(jī)顆粒物的生成和氧化機(jī)理 3
1.2.1 碳煙顆粒的生成機(jī)理 5
1.2.2 碳煙顆粒的氧化機(jī)理 6
1.3 碳煙顆粒氧化機(jī)理與柴油機(jī)顆粒物排放之間的關(guān)系 7
第2章 柴油機(jī)燃燒過程中的顆粒物氧化行為 10
2.1 基于缸內(nèi)碳煙質(zhì)量變化的氧化行為分析方法MOA 11
2.2 質(zhì)量-氧化速率分析法MOA的應(yīng)用可行性 13
2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì) 14
2.2.2 柴油機(jī)單次燃燒過程中的碳煙氧化行為 20
2.2.3 柴油機(jī)多次燃燒過程中的碳煙氧化行為 22
第3章 柴油機(jī)燃燒過程中的顆粒物氧化模式 29
3.1 碳煙顆粒的氧化模式 30
3.1.1 等密度氧化/表面氧化（縮殼氧化） 31
3.1.2 等粒徑氧化/內(nèi)部氧化 32
3.2 柴油機(jī)燃燒過程中的碳煙顆粒氧化模式 34
3.2.1 碳煙顆粒的基本粒子直徑變化率 35
3.2.2 碳煙的表面氧化反應(yīng)時(shí)間尺度和擴(kuò)散時(shí)間尺度 38
3.3 柴油機(jī)燃燒過程中碳煙顆粒氧化模式對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響 45
3.4 本章涉及的碳煙顆粒樣品分析方法 50
第4章 柴油機(jī)燃燒過程中顆粒物氧化行為的關(guān)鍵影響因素 54
4.1 燃燒邊界條件的影響 54
4.1.1 熱力學(xué)條件的影響 57
4.1.2 缸內(nèi)混合狀態(tài)的影響 63
4.2 碳煙顆粒的氧化活性和物理化學(xué)性質(zhì)的影響 69
4.2.1 碳煙顆粒的氧化活性 69
4.2.2 碳煙顆粒的物理特性 77
4.2.3 碳煙顆粒的化學(xué)特性 120
4.2.4 碳煙顆粒的理化特性與氧化活性的相關(guān)性 129
4.3 本章涉及的分析方法 132
4.3.1 缸內(nèi)燃燒條件的計(jì)算 132
4.3.2 碳煙顆粒的物理特性表征 134
4.3.3 碳煙顆粒的化學(xué)特性表征 138
4.3.4 碳煙顆粒的氧化活性表征 143
第5章 柴油機(jī)燃燒過程中的顆粒物破碎行為 145
5.1 碳煙顆粒的破碎特性 145
5.1.1 團(tuán)聚體破碎 145
5.1.2 基本粒子破碎 147
5.1.3 顆粒破碎行為的影響因素 149
5.2 碳煙顆粒破碎對(duì)顆粒數(shù)量濃度的影響 152
5.3 本章涉及的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方法 155
第6章 總結(jié)和展望 157
6.1 碳煙顆粒氧化模式分析 157
6.2 碳煙顆粒氧化行為分析在發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放中的應(yīng)用 158
附錄 159
參考文獻(xiàn) 164