柴油机燃烧过程中的颗粒物氧化和破碎行为

前 言

发动机的颗粒物质量和数量浓度排放是现行和未来轻重型车辆和非道路移动机械排放法规的管控重点。对柴油机而言，改善发动机气缸内燃烧过程中颗粒物的氧化过程是降低柴油机颗粒物排放的有效手段之一。因此，深入研究燃烧过程中颗粒物的氧化机理对控制柴油机颗粒物排放具有十分重要的意义。

柴油机的缸内燃烧状态是影响颗粒物高温氧化行为的关键因素之一。除此之外，颗粒物本身的固有特性，如微观结构、石墨化程度、表面官能团等决定了其氧化活性，在研究颗粒物的氧化行为时也应进行全面分析。尤其是现行排放阶段的柴油发动机，其排气颗粒的反应活性较低，颗粒物的氧化脱除难度大幅升高。在此背景下，颗粒物反应活性对其氧化行为的影响就显得尤为重要。

颗粒物的氧化反应导致其总质量浓度排放降低。其中，在颗粒物内部基本粒子连接颈部发生的氧化反应将会导致连接键的弱化和断裂，使较大尺寸的颗粒团聚体破碎成为多个小尺寸颗粒，最终引起颗粒物的总数量浓度排放显著升高。此外，颗粒基本粒子内部氧化导致的整体结构坍塌也会导致小尺寸颗粒数量浓度的升高。因此，针对颗粒物的破碎特性进行研究对深入分析颗粒物的数量浓度排放特性具有重要意义。

本书共分为6章，主要内容包括柴油机颗粒物的缸内生成和氧化行为、颗粒物氧化模式、燃烧边界条件对颗粒物氧化行为的影响、颗粒物微观结构和化学特性对其氧化行为的影响、颗粒物的破碎行为。

本书主要依托国家重点基础研究发展计划（973）项目“化石燃料燃烧排放PM2.5源头控制技术的基础研究”（2013CB228502）、“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划培育项目“封闭空间内湍流燃烧过程中碳烟颗粒破碎机理的研究”（9174110051）和国家自然科学基金“柴油机排气颗粒物的微尺度氧化反应模式及其形成机制研究”（52006054），并结合作者在发动机颗粒物排放控制领域的科学研究成果而成。尽管作者几易其稿，但不妥之处仍在所难免，恳请读者和同行专家批评指正。

作 者

2023年2月

前言
第1章 绪论 1
1.1 柴油机颗粒物的特征 2
1.2 柴油机颗粒物的生成和氧化机理 3
1.2.1 碳烟颗粒的生成机理 5
1.2.2 碳烟颗粒的氧化机理 6
1.3 碳烟颗粒氧化机理与柴油机颗粒物排放之间的关系 7
第2章 柴油机燃烧过程中的颗粒物氧化行为 10
2.1 基于缸内碳烟质量变化的氧化行为分析方法MOA 11
2.2 质量-氧化速率分析法MOA的应用可行性 13
2.2.1 实验方法设计 14
2.2.2 柴油机单次燃烧过程中的碳烟氧化行为 20
2.2.3 柴油机多次燃烧过程中的碳烟氧化行为 22
第3章 柴油机燃烧过程中的颗粒物氧化模式 29
3.1 碳烟颗粒的氧化模式 30
3.1.1 等密度氧化/表面氧化（缩壳氧化） 31
3.1.2 等粒径氧化/内部氧化 32
3.2 柴油机燃烧过程中的碳烟颗粒氧化模式 34
3.2.1 碳烟颗粒的基本粒子直径变化率 35
3.2.2 碳烟的表面氧化反应时间尺度和扩散时间尺度 38
3.3 柴油机燃烧过程中碳烟颗粒氧化模式对微观结构的影响 45
3.4 本章涉及的碳烟颗粒样品分析方法 50
第4章 柴油机燃烧过程中颗粒物氧化行为的关键影响因素 54
4.1 燃烧边界条件的影响 54
4.1.1 热力学条件的影响 57
4.1.2 缸内混合状态的影响 63
4.2 碳烟颗粒的氧化活性和物理化学性质的影响 69
4.2.1 碳烟颗粒的氧化活性 69
4.2.2 碳烟颗粒的物理特性 77
4.2.3 碳烟颗粒的化学特性 120
4.2.4 碳烟颗粒的理化特性与氧化活性的相关性 129
4.3 本章涉及的分析方法 132
4.3.1 缸内燃烧条件的计算 132
4.3.2 碳烟颗粒的物理特性表征 134
4.3.3 碳烟颗粒的化学特性表征 138
4.3.4 碳烟颗粒的氧化活性表征 143
第5章 柴油机燃烧过程中的颗粒物破碎行为 145
5.1 碳烟颗粒的破碎特性 145
5.1.1 团聚体破碎 145
5.1.2 基本粒子破碎 147
5.1.3 颗粒破碎行为的影响因素 149
5.2 碳烟颗粒破碎对颗粒数量浓度的影响 152
5.3 本章涉及的测试和数据分析方法 155
第6章 总结和展望 157
6.1 碳烟颗粒氧化模式分析 157
6.2 碳烟颗粒氧化行为分析在发动机颗粒物排放中的应用 158
附录 159
参考文献 164