柴油机燃烧后期阶段的碳烟氧化中英文翻译

第一篇：柴油机燃烧后期阶段的碳烟氧化中英文翻译

柴油机燃烧后期阶段的碳烟氧化

Jinou Song, Chonglin Song, Ye Tao, Gang Lv, Surong Dong 摘要

柴油碳烟是从一个运行的柴油机中采用全气缸取样系统的方法提取的。通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对碳烟球体的结构描述和粒度分布进行分析。HRTEM图像分析获得了碳烟组织的半定量信息。在依靠发动机试验条件的基础上，发现不同的纳米结构。随着膨胀行程的发展，更多的石墨层组织产生而形成缸内的碳烟。测量采样角度下的氧气浓度和汽缸压力。在燃烧后期阶，根据两个连续取样角度之间不同的球体大小的分布，计算段缸内碳烟的氧化率。在扣除氧浓度和温度的影响下，展现了碳烟反应性对纳米结构的依赖。氧化阻力的增加和缸内碳烟的结构顺序的增加是相关的。结果得到一个用来测试纳米结构和缸内的柴油碳烟反应性之间的结构性质关系的数据库。

1． 介绍

柴油机排放的微粒导致人们更加关注其对健康可能的影响。便出台了严格的柴油机微粒排放标准，和为了减少温室气体排放的战略研究工作已经做了多年[1]。碳烟及碳氢化合物的微粒氧化是一个降低柴油机微粒排放的解决方案[2]。

在两个温度范围中研究碳烟氧化，高温(大于800℃)和低温(300-700℃)[2]。后者在柴油机排气系统中，使用再生捕获的微粒排放，其氧化控制必须开始在这个区间 [3,4]。在形成碳烟后，高温氧化内在地发生火焰中[5,6]。据估计在燃烧的柴油发动机中，超过90%的碳烟形成在废气离开缸前[7,8]。因此，在对火焰中碳烟形成的建模和减少缸内的柴油碳烟[9,10]，碳烟的高温氧化是非常有用的。

到目前为止，通过使用各种形式的碳粒子的燃烧器[11,12] 和冲击管[13]，在高温条件下的调查一直在进行，如石墨、炭黑的碳质和燃烧产生的碳烟燃料[14]。为了了解再生颗粒与柴油机尾气颗粒物的特点[15]，数量有限的柴油碳烟氧化研究是在低温条件下进行的。然而，柴油碳烟粒子的氧化率明显不同于测量使用的非柴油派生粒子[16]，并且柴油的氧化缸内的碳烟粒子明显不同于其他实验设备的[17]，因为火焰形成的碳烟的光谱特性和化学性质取决于燃料性质和碳烟老化[18,19]。由于这些原因，在本文的工作中，我们测量了柴油的氧化煤烟颗粒，它是以气相分散在燃烧室中。这项工作的目的是为了进一步评估缸内的柴油碳烟的反应性。

2.实验

缸内的碳烟采样是在使用全缸采样系统的单缸与6-缸的转换，缸内直喷柴油机中进行的。总缸取样方法的描述在其他地方并且不会在这里详细讨论[20–23]。方法包括在一个燃烧循环期间选择切削发动机缸盖铝合金隔膜的次数。缸内内容迅速出缸流入取样袋。汽缸压力衰变一半的时间为从排气开始1到2毫秒不等。快速冷却是由于气体的膨胀和N2样品的稀释。当预先准备的大约100 L的N2样本流入样品袋时获得了额外的稀释。这个测量整体稀释比例是120。稀释率被定义为排气的标准体积流量和稀释气体排气的标准体积流量的比例的总和。在示例气缸的内容可以分析煤烟颗粒大小分布和组织参数。

测试发动机的规格在表1中列出。整个气缸总系统示意图如图1。主成分的发动机，采样系统，控制系统，和数据采集系统已显示。发动机配备了气缸压力传感器(Kistler6125b压电压力传感器)和旋转编码器。数字控制系统是与曲轴旋转相同步的，并且控制整个排气和数据采集过程。之前排气的氧浓度稀释是使用Cussons Lamdascan(k-scan)单元(图1)来测量，其准确性±0.04%。

通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)得到了碳烟组织的半定量信息。一个3mm透射电子显微镜(TEM)网格(200 mesh Ni)插入到particle-laden中来吸引粒子沉积到网格(图1)。采样时间的选择限制了电网总粒子覆盖不到15%，从而减少人工聚合和重叠的概率。整个采样序列控制的数字计时器的精度为1毫秒。

TEM图像使用菲利普斯Tecnai G2 F20来拍摄，其分辨率为0.102纳米。仪器在加速电压与最大放大倍数1050000 200千伏的情况下操作。v.3.7.1 Gatan图像软件，在显微镜的操下，作用于测量基本粒子大小。

有限数量的煤烟颗粒被指定为一个随机统计学意义。得到这些碳烟粒子HRTEM图片，然后使用一个图像处理系统对其进行数字化和分析。从量化HRTEM图获得大小分布和结构参数(即边缘长度；分离距离和曲率)的球体的统计数据[24]。考虑不同时间的碳烟在燃烧室，约100个聚合物在每个取样条件下随机获得，从而达到合理的统计数据。每个被选择的球体的数量发现都下降到40至200不等。在每个取样条件下，从不同的总量中对大约120个界限清晰的基元进行了分析。在采样袋中，一些有机化合物从气相可能凝结到碳烟总量中，但是由于高真空和200千伏的电子轰击和没有沉积物形成的晶格条纹，使得浓缩有机化合物会在早期HRTEM检验过程中迅速蒸发。

主要粒子的直径是通过使用ImageJ结合Image-Pro+6.0，选择同一地区的主要粒子投影面积所决定。通过一个沿着边缘像素的数量和使用校准像素大小计算长度的自动化的过程，来计算边缘长度。曲率是端点之间的边缘长度除以直线距离[24]。曲率是联合直线的和比联合的更大的弯曲结构。使用相同的二进制图像边缘长度的算法，但用不同的宏来计算每一对相邻边缘之间分离的距离。为了避免在人工配对的相邻边缘错误，所以每一对边缘为手动选择。程序输出边缘的平均分离距离。所有对距离大于0.5nm或小于0.32nm的边缘会被丢弃。

从测量计算参数得到的误差传播估计在95%的置信水平。小球直径的标准偏差小于10%。石墨的标准样品测量,以确定结构参数误差百分比。用这种方法获得的测量值在前三个有效数字与标准样品的结构参数是相同的。

两种类型的发动机实验已经完成了本研究：稳定的运行和缸内的抽样。稳定运行实验是正常稳态发动机测试；允许汽缸压力和燃烧相比较是必要的。缸内抽样实验测试的发动机只发射一次或两次，然后本质上的将全部缸的内容倾倒，淬火，稀释，收集采样袋进行后续分析。缸内的抽样实验，特殊的活塞燃烧加热过程被用来获得燃烧，为了在第一次或第二次点火与稳定运行尽可能接近。在采样的开始(图2)之前缸内的取样和压力稳定与这些程序运行一致。

汽缸的温度和热释放率可以通过分析气缸压力获得。图3显示了在稳定运行下案例1的进一步燃烧。在膨胀冲程燃烧中分三个阶段：第一阶段(0-7CAD)为预混燃烧阶段，第二(7-20CAD)为混合控制燃烧阶段和第三阶段(20-40CAD)为燃烧后期阶段。粒子主要形成在混合控制燃烧阶段[25,26]。四个例子中热释放率在30CAD接近于零；因此大致认为碳烟的氧化发生在完全燃烧后期阶段。

四个例子测试(表2)。为了促进缸内的碳烟采样，发动机选择低速操作条件和中负载。缸内的抽样分别在曲柄角度30和40 CAD ATDC(图2)。在这项研究中，采样角被称为在排气开始的时候，汽缸压力衰减一半时的曲柄角，实验误差角(95%置信)估计少于±0.1CAD。

3． 结果与讨论

在氧化过程的不同阶段，一个碳烟球体的大小分布的差异是一个碳烟氧化的指标。图4显示了案例1中，在抽样曲柄角度为30和40 CAD时，柴油碳烟球体的大小分布。从图4可以看出氧化引起的峰值大小分布转向成一个更小的粒径，并且粒径的范围变得狭窄。这也反映在累计大小分布移动到更小的尺寸。

假设没有碳烟的形成经过30CAD，图4中的大小分布是用来计算主要粒子直径的衰退。然而，两个平均直径之间的差异可能无法准确显示出平均微粒氧化度的减少，因为很可能一些规模较小的粒子在30CAD氧化完全并在40CAD消失。因此，从粒度分布平均直径在40CAD来计算就不会考虑到粒子在40CAD之前消失。因此，减少平均直径△d在30至40CAD的氧化结果将会被低估。一个估算平均粒径的减少的方法被开发[27,28]，由于在连续两个完全燃烧之间采样的角度，使得允许较小的煤烟颗粒消失。

这种方法，利用实验获得总大小分布F30(d)在30CAD和 F40(d)在40CAD时(图4)，简要描述如下。

可测量的粒子在40CAD幸存的数量、N40，必须等于可衡量的在30CAD粒子的数量，N30。少于这些在30CAD测量的粒子但到完全燃烧的时候到达40CAD。即

使用TEM检测最小的粒子的直径在哪里，类似的

其中在30CAD中 d30是粒径大于dmin但等于d40 40CAD进行氧化，即

然后，可以得到Dd

两个采样之间的角度直径的减少一旦被确定，使用曲柄速度转换成直径减少率和两个连续取样角度之间的区别。氧化缸内的碳烟粒子通常被看作一个表面的现象[24,25]，单位面积质量燃烧率表示g/cm2s。因此，缸内的碳烟的氧化测量，w,可以使用以下表达式[25]：

其中ρ碳烟粒子的密度(2g/cm3[24])；r是碳烟小球体的半径和t是时候。在燃烧后期阶段，大部分的碳烟的属性是成熟的碳烟，因此，碳烟密度不低于非晶碳(2g/cm3[24])。

直径的衰退率dr/dt在 Eq.(5)中独立于粒度根据[25]。由此可见，直径减少，Dd，也会独立于颗粒大小Eq.(4)。

在实验部分所述，氧化是在后火焰气体中进行的，其中温度和种类的浓度燃在料耗尽后大约一致[25,26]。多余的O2和OH的浓度在后火焰气体中浓度是微不足道的[29]。通过水或二氧化碳大大减慢了炭的氧化,多余的O2[30]是主要的氧化剂。因此可以用Nagle和Strickland-Constable(NSC)氧化模型来预测碳烟氧化[31]。

在这项研究中，氧的分压PO2(atm)，计算根据k-scan测量单位;氧化温度、T(K)，认为是在缸中总统平均温度。采样周期，只有缸内的温度抽样提前角对氧化率的评估是必要的。开始前抽样缸内的取样和压力稳定运行吻合较好，然后消失。通过确定精确采样角度，在采样的开始的总统平均温度是从汽缸压力中计算出的。

表3列出了使用在30到40 CAD，NSC模型测量氧化率和氧化率的平均预测值。从NSC模型测量的氧化率是关于4次的平均预测（见最后一列Table 3)。与这些结果一致是在麦肯纳燃烧器中碳烟氧化率的测量[24]，这表明测量的氧化率是NSC预测乙炔碳烟的8倍，苯煤烟的36倍和乙醇碳烟的39倍。这是解释为不同的氧化反应依赖于碳烟纳米结构。

在形成和发展的所有阶段整个缸样可能含有颗粒。图5显示了统计的大多数采样在室中(在燃烧后期阶段30和40 CAD ATDC)和例1的排气管中碳烟的HRTEM的图像。尽管煤烟颗粒出现无序碳烟,但同心多层石墨组织层是可见的。碳烟纳米结构的变化，从碳烟采样在30 CAD到40 CAD、是可以观察的。一个小曲率半径的石墨层是扩展的和在膨胀冲程末一个洋葱状结构是发育的。尽管石墨烯的反应层除碳原子以外是远低于quasi-amorphous内的碳原子[24]，在所有四个例子中没有观察到多孔碳烟粒子，碳烟的氧化主要是由煤烟颗粒表面反应控制的。

表4总结了通过 HRTEM图像分析的结构参数。L相当于石墨烯层平面的平均长度，并通过考虑所有的石墨层面比两个融合芳香环的大小(L>0.49纳米)来评估。Dis对应于两个石墨烯层面间和石墨烯层面对应的平均曲率间分离的距离。表4报告的结构参数代表的是120张最好的结构地区图片的评估值。它可以观察到碳烟结构参数在同一样本的角度和依靠发动机的试验条件下是不同的。随着膨胀冲程的发展，在所有四个例子中L增加和Dis减少和Cur都是可见的(表4)，表明在燃烧后期阶段石墨层组织是增加的。

众所周知，碳烟氧化所得是非均质的，i.e.基底平面碳原子的反应性远低于边缘碳原子[24]。小的不对齐碳烟的石墨烯层转化为相对于那些位于底面的有较高比例的边缘碳原子。相比之下，较长的碳烟石墨烯层意味着相对于底面的原子有较少的边缘碳原子。在其他方面，大曲率增加了对结合的压力，并且一个大的间距使分子轨道与相邻层之间达到最小化重叠，因此氧化阻力减少[24]。在这项研究中测量值支持了这个解释。在表3(最后一列)中预测了氧化率衡量的比率，扣除氧浓度和温度的影响，反映了碳烟反应依赖纳米结构。在表3中更大的氧化率比对应于较小的L和在表4中较大的 Cur和Dis。它是相同的，反之亦然。

Alfe et al报道structure-property在纳米结构和氧化反应的碳烟的关系是在预混层流火焰形成的[19]；人们发现年轻和成熟的碳烟分离的距离几乎是一样的。但是我们的实验表明分离的距离和曲率随着燃烧的进行而降低，虽然差异通常在第三有效数字。这些结果表明发动机试验条件对氧化反应和缸内的碳烟的纳米结构的影响。

4． 结论

在一个正在运行的柴油机中，使用气缸采样系统提取柴油碳烟。通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)描述碳烟球体的结构和粒度分布。HRTEM图像对碳烟的组织进行了半定量信息分析。

发现了缸内碳烟的不同的多尺度组织对发动机测试条件的依赖。这表明不仅等价比率，而且燃油喷射压力可以影响缸内的碳烟的纳米结构。

在膨胀冲程中，检测到碳烟结构参数和洋葱状纳米结构的差异很大。随着膨胀冲程的发展，石墨层架的长度增加，虽然石墨层的分离距离和曲率平面下降，表明石墨层组织在燃烧后期阶段增加。

这证实了在燃烧后期阶段氧化反应发生在碳烟粒子表面。根据连续两个采样之间的球体大小分布的差异角度，在燃烧后期阶段计算了缸内的碳烟的氧化率。扣除氧浓度和温度的影响，显示碳烟反应性对纳米结构的依赖。氧化阻力的增加和缸内的碳烟结构的增加是相关的。

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