某柴油机碳烟颗粒采样与形貌分析开题报告
2020-02-10 10:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
随着时代的发展和社会的进步，人们对于生活环境的要求日渐增加，近些年来空气中的有害成分如颗粒物等环境问题越来越引人注目。研究表明空气中的颗粒污染物的浓度和大小与日常生活中的燃料燃烧排放密切相关[1]。然而在经济和工业高速发展的大环境下，既要保证经济的高速发展，同时还要兼顾环境的问题，这就需要控制燃烧装置的有害物排放。自1860年内燃机被发明起由于其良好的性能不断发展，时至今日发展出的庞大数量带来的巨大污染已经不容小觑，故而国家出台了多项新的排放法规限制排放。而作为柴油机主要排放污染物的碳烟颗粒物，其生成机理及减排已成为国内外研究分析的热点。
在减少碳烟排放方面，过去的许多年的重点一直是优化缸内燃烧 [1]，但是随着国五国六的出台dpf(柴油颗粒过滤器)等后处理技术越来越显得重要。颜方沁[2]探索了高温高压环境下，柴油及掺混含氧燃料燃烧过程中碳烟颗粒微观形貌结构特性、碳烟形貌结构形成过程的基本规律和重要影响因素。对碳烟颗粒样本进行观测，归纳了喷雾火焰内部碳烟颗粒的形貌分布规律。李英[1]基于碳烟图像处理软件 sootfringe、mage pro plus等，对模拟碳烟和发动机尾气的实际碳烟进行参数表征，针对发动机工况和燃料种类等对尾气碳烟颗粒的形貌的影响规律进行探索研究。苏鹏[3]等收集柴油发动机尾气碳烟，分析了碳烟颗粒的形貌、结构及表面官能团，考查了碳烟对柴油机油摩擦学特性的影响。 颜方沁[4]等通过多点同步采样在定容燃烧弹内模拟内燃机喷雾燃烧工作条件并对碳烟样本进行观测和统计及分析。结合对喷雾火焰发展过程的分析，研究碳烟颗粒在整个喷雾火焰中的分布规律和主要影响因素。并对丁醇柴油喷雾火焰碳烟颗粒采样[5]研究掺混丁醇对喷雾火焰和碳烟生成的影响。李浩[6]等测量了缸内碳烟基本粒子粒径分布、纳观结构参数，计算了柴油机燃烧过程中碳烟颗粒氧化速率。分析了碳烟颗粒石墨化程度与纳观结构参数的关系。结得出结论基本粒子纳观结构参数与发动机运行工况有关。rohani[7]等研究碳烟颗粒的物理化学特性对于柴油后处理系统的性能的影响。使用热重分析（tga）等技术检查单缸重型柴油发动机中产生的烟尘颗粒。测试五种不同的喷射策略，结果表明对于在废气再循环条件下产生的烟灰，纳米结构有序。然而，在没有废气再循环的情况下，反应性趋势不能通过结构顺序来解释，并讨论了可能的原因。李中秋[8] 和刘春鹏[9]等都基于层流扩散火焰利用透射电子显微镜tem研究了碳烟颗粒的形貌和纳米结构的演变过程。前者采用正庚烷、正丁醇以及二者的等体积混合物，得出正丁醇火焰中产生的碳烟颗粒尺寸数量最少，其次是正庚烷火焰的结论。后者研究了掺混乙醇对生物柴油参比燃料丁酸甲酯火焰中碳烟颗粒形貌和微观结构的影响。曹文健[10]等针对甲烷同轴射流火焰，利用纤维沉积采样，并结电子显微镜观测和热电偶测温，研究了富氧(o2/n2)气氛对火焰中碳烟沉积物形态演变的影响。得出火焰中碳烟沉积物形态依赖于其在火焰径向、轴向的位置和氧体积分数的变化的结论。王光耀[11]等对于于后喷策略下喷油压力对柴油机缸内颗粒物粒径分布和形貌特征的影响进行了研究，说明后喷的加入使碳烟粒子数和浓度均降低。袁银男[12]等研究了甲醇掺混生物柴油的排放以及颗粒形貌，说明甲醇的添加可以使碳烟粒径和排放降低。吕建燚[13]等研究了生物质燃烧的碳烟的物化特性以及生成机理，说明碳烟生长过程中伴随着颗粒的碰撞和凝并，形成形貌复杂的链状或网状颗粒聚团。wang zhong[14]等以生物柴油作为燃料，对柴油机碳烟进行了纳米结构分析。得出了在高egr率下生物柴油碳烟的纳米结构倾向于具有低石墨化程度和高氧化反应性的结论。rohani,b. [15]等研究了柴油机中活塞运动引起的温度/压力升高时，对喷雾火焰中产生的碳烟颗粒的形态和纳米结构的影响。表明温度对柴油碳烟微晶尺寸的两种可能影响中，一方面由于石墨化增强而导致微晶尺寸增加，另一方面由于氧化增强导致微晶尺寸减小，前者效应占优势，碳烟颗粒变为在活塞运动引起的温升效应下，结构上更有序。
本次研究针对柴油机的碳烟颗粒物进行颗粒采样和透射电子显微镜(tem)高分辨观测，明确了最佳采样位置和最佳tem观测时间间隔等要素。精确地探讨颗粒的形态、结构和特征。
2. 研究的基本内容与方案
（1）基本内容：碳烟颗粒是柴油机的主要排放污染物，本毕业设计的主要工作是针对某柴油机的一种燃料，应用碳烟颗粒采样台架进行取样，并使用高分辨率透射扫描电镜对采样的碳烟颗粒进行形态结构观测确认核壳结构。利用image-pro软件分析碳烟颗粒形貌。明确运行工况对碳烟颗粒物生长、石墨化、分形维数等要素的影响规律。
（2）目标：初步掌握和使用image-pro分析软件对碳烟颗粒的形貌进行分析计算，得出碳烟颗粒的分形维数，找出运行工况对碳烟颗粒分形维数的影响规律。
（3）技术方案及措施：本次毕业设计首先应用碳烟颗粒采样装置进行取样，再采用扫描电镜对采样的碳烟颗进行形态结构观测，利用image-pro 软件对碳烟颗粒进行形貌分析，找出运行工况对碳烟颗粒分形维数的影响规律。
3. 研究计划与安排
| 周次【2019】 | 工作内容 |
|
1~2（2.18-3.1） | 学生提交文献检索摘要。撰写开题报告。并完成网上提交开题报告。整理论文提纲、设计概要。 |
| 3~ 4 （3.4 ~ 3.15） | 进行外文翻译，并提交外文翻译译文。 |
|
5~ 6（3.18~ 3.29） | 设计类，下达绘图任务，开始绘图。 研究类，制定试验方案或下达编程任务，开始试验及编程。 |
| 7~ 8（4.1~ 4.12） | 继续完成绘图、试验或编程任务；撰写毕业设计说明书（设计类）或论文（研究类）。 |
| 9 ~ 11（4.15~ 4.26） | 完成绘图、试验或编程； 完善毕业设计说明书、毕业论文； |
| 12（4.29~ 5.10） | 网上提交毕业设计说明书、毕业论文、绘图等附件材料； 提交答辩申请。 |
| 13~14（5.13~ 5.24） | 教师审阅毕业设计说明书（设计类）或论文（研究类）和（图纸），审查确定学生答辩资格并予以公示。 |
| 15（5.27～5.31） | 根据评阅意见修改毕业设计说明书、毕业论文，并网上提交；准备答辩PPT。 |
| 16（6.3~ 6.7） | 毕业设计答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 李英.柴油机尾气碳烟颗粒的形貌结构及氧化活性分析[d]. 华中科技大学 硕士学位论文 2017.
[2] 颜方沁.柴油及含氧混合燃料燃烧碳烟微观形貌与结构特性研究[d]. 华中科技大学 博士学位论文 2017.
[3] 苏鹏， 熊云， 刘晓等.柴油发动机碳烟的表征及摩擦学特性研究[j]. 摩擦学学报，2017，34（2）：83-89.
