现代柴油机燃烧过程中形成微粒的形态特性研讨.pdf

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：074028 现代柴油机燃烧过程中形成微粒 的形态特性研究1 董素荣1，2，宋崇林1，裴毅强1，崔兰1，王林1 (1．天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072； 2．军事交通学院汽车工程系，天津300161) 联系电话：022021E—mail：dongsr@126．com 摘要：利用自行研制的基于电控高压共轨燃油喷射技术的全气缸取样试验平台，时实采集柴油机 缸内瞬态燃烧过程中形成的微粒。通过透射电镜观察与分析发现，柴油机燃烧过程中形成的微粒呈现 两种独立的结构形态，一种是由球状基本碳粒子凝聚(结)而成的典型微粒，具有链状、枝状等多种 不规则的复杂形状；另一种是富含金属和非金属元素的非典型微粒。此外，采用Image．PmPluS和Image J两种图像处理软件对典型微粒二维投影图像的基本参数进行了测量，运用分形理论计算统计出微粒二 维投影的分形维数介于1．2～1．74之间，且在扩散燃烧初期有降低的趋势。 关键字：现代柴油机，缸内微粒，形态特性，分形维数 引言 迄今的研究结果表明，柴油机燃烧形成的碳烟微粒就形成机理而言可分为气相反应 动力学和固体颗粒动力学两大部分，它们分别对应于前驱物形成及粒子成核与生长两个 阶段。在高温缺氧环境一卜，烃燃料的分子首先发生热裂解，形成碳粒的气相前驱物(主要 是多环芳香烃PAH)及其他一些有助于碳粒生长的气相成分。PAH继续生长导致自由基的 成核，形成最终能辨认出来的碳烟粒子。随后，粒子通过表面生长和凝结生长两种机理 长火。相对而言，凝结生长占重要地位，对粒子生长起决定性作用【lJ。网此，了解微粒 尺寸的时空分布规律及其形态特性的信息，对于深入探讨微粒的生成机理和控制技术是 十分重要的。 Business 美国lBM(IntemationalMac矗ine)公司研究中心物理部研究院暨哈佛大学 数学系教授曼德勃罗特(Benoit and 不规则、处处不可微、具有自相似的几何形体。分形维数反映了由包含分数在内整个维 数所覆盖的空间体系的粗糙程度或充满空间的程度，是物体复杂结构的有用描述。加拿 大著名学者、劳伦廷大学(Lanrentian 年首次提出柴油机排气微粒的形状具有分形特性，其复杂程度可以用分形维数来描述【2】。 目前，分形理论已被一些学者用来描述柴油机排气微粒的结构特性f3。】。分形维数的确定 綦会项日：困家重点撼础研究发展规划(973)资助项目(2002CB21603)： 国家自然科学基金项目 553 Ook Lee等人采 方法有图像分析法、当量直径测量法、光散射方法以及迭代法。Kyeong 用图像分析法对某涡轮增压共轨柴油机排气微粒进行测量的结果表明，微粒的分形维数 为1．5～1．7：M．Wentzel等人对某柴油机测量的结果为1．70士O．13；C．VanGul．ik等人采Hj当 量直径测量法推测某柴油机排气微粒的分形维数介于1．33～1．78之间，平均分形维数为 1．68士O．048。 具有统计意义的分形维数首先代表着分形体的复杂程度和微粒之间的相互作州；其 次，可JH』米推测其动力学特性和化学反应特性，即它会影响微粒在流体中的流动性、沉 降速度、布朗运动等动力学特性和其化学反应特性。鉴于目前对柴油机排气微粒的形态 特性研究得较多，而对缸内微粒形态的研究几乎还没有开展，本文采用全气缸取样技术、 透射电子显微