摘 要

本文借助柴油发动机台架，调整发动机工况，使用超薄碳支持膜、透射电子显微镜等技术手段对碳烟的形貌和微观结构进行了计算分析。分析不同工况下的分形维数等重要结果，有助于理解碳烟生成和成长机理。

论文主要研究了柴油机不同负荷对尾气碳烟的分形维数等具有重要意义的数据的影响。

试验结果表明：

1.碳烟形貌主要分为链状、球状、枝状等，碳烟分形维数在1.7-2.0之间，并且碳烟的分形维数随柴油机的负荷增大而增大。

2.不同工况下基本颗粒粒径随负荷的增加而先降低然后增加，在2100r/min这个转速下基本碳烟粒径处于20nm-28nm之间。基本粒径分布呈正态分布，颗粒数峰值出现在30nm左右。

3.碳烟回转半径在随发动机负荷的增加先减小在增大，回转半径分布在80-140nm区间，且在0.6-0.7MPa到达最小值。

本文特色：本文实验采用了实验台架模拟柴油机运行尾气排放，使用image-pro对图片进行处理。

关键词：碳烟；分形维数；形貌分析；微观结构

Abstract

In this paper, the diesel engine rig is used to adjust the engine working conditions, and the morphology and microstructure of the soot are calculated and analyzed by using ultra-thin carbon support film and transmission electron microscope. Analysis of important results such as fractal dimension under different working conditions is helpful to understand the mechanism of soot formation and growth.

The paper mainly studies the influence of different loads of diesel engine on the important fractal data such as the fractal dimension of exhaust fumes.

The results showed that:

1.The shape of soot is mainly divided into chain, sphere, branch, etc. The fractal dimension of soot is between 1.7-2.0, and the fractal dimension of soot increases with the load of diesel engine.

2.The particle size of the basic particles decreases first and then increases with the increase of load under different working conditions. The basic soot particle size is between 20nm-28nm at 2100r/min. The basic particle size distribution is normally distributed, and the peak number of particles appears at around 30 nm.

3. The slewing radius of the soot first decreases with the increase of the engine load, and the radius of gyration is distributed in the range of 80-140 nm, and reaches the minimum at 0.6-0.7 MPa.

Features of this paper: This experiment uses a test bench to simulate the exhaust emissions of diesel engines, and uses image-pro to process the images.

Key words: soot; fractal dimension; morphology analysis; microstructure

目 录

第一章 绪论 1

1.1国内控制排放的方法 1

1.2碳烟的形成机理 2

1.3国内外前沿技术及研究现状 3

1.4本文设计研究思路 4

第二章 柴油机台架取样及仪器参数 5

2.1实验台架基本布置 5

2.2碳烟取样设备布置 7

2.3碳烟观测分析设备 9

2.4本章小结 10

第三章 实验过程及图片处理 11

3.1碳烟产生及取样过程 11

3.2高分辨图像的处理 12

3.3本章小结 14

第四章 数据处理及形貌研究 15

4.1直径数据处理 15

4.2分形维数理论的确定 16

4.3分形维数的计算 17

4.4不同工况分形维数的比较 18

4.4不同工况基本碳烟粒径的比较 18

4.5不同工况碳烟回转半径的比较 19

4.6不同工况基本碳粒子粒径分布 20

4.7不同碳烟形貌的比较 20

4.5本章小结 21

第五章 全文总结与展望 23

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

伴随着社会的信息化发展，PM2.5、能源危机、环境污染等词汇出现在人们视野内的频率越来越高。PM2.5能够对人体呼吸道和肺部造成严重伤害，其组成物比较复杂。国家2016年出台的最新PM2.5空气质量标准显示，当24小时（日均值）PM2.5平均值到达35-75μg/m³时空气质量达到良。联合国的空气质量准则显示，当PM2.5小于25μg/m³（日均值）时才达标。在空气污染标准方面我国标准和国际标准还有所差距。

尽管我国2016年所制定的标准落后于联合国标准，但是我国对于产生PM2.5的主要污染源—车辆的尾气排放有着严格的把控标准。最新的国六B标准为PM细颗粒物的排放量应小于3mg/km，PM颗粒物排放标准应小于颗/km。

柴油机作为当前主流的两种发动机之一，因其稳定的动力和良好的经济性一直饱受消费者青睐，但柴油机相较于汽油机产生微粒较多。截至2018年我国柴油机汽车销量为507.42万辆，结合我国存在的庞大机动车基数，可见我国控制柴油机动车排放的重要性。

1.1国内控制排放的方法

考虑到我国严峻的排放现状和空气中PM2.5等污染物的危害性，降低汽车排放污染是必行之策。现有的降低排放方法大致可以分为进气控制、燃烧控制、废气后处理等几个方面。进气控制目的在于调整进气门关闭后混合气体的混合比例，包括上一轮燃烧剩余的废气和新鲜吸入的空气所占的比例。缸内燃烧分为滞燃、急燃、主燃和后燃期，燃烧控制就是通过优化结构等方式控制上述四个过程的时间，实现优化燃烧减少排放的目的。废气后处理技术是指对于排放尾气的排气管安装三相催化装置等技术，对排放的多种化合物进行转化再加以过滤是废气后处理的净化方式。

尽管已经有了各种限制排放的标准和减排设计，但是考虑到排放物的排放基数巨大，研究排放产物的微观特性和产生机理必然是非常重要的方向。如同本次实验通过收集柴油机的碳烟排放物来研究其微观形貌分析一样，观察和研究颗粒物的微观特性和形成机理对于排放控制有重大意义。

1.2碳烟的形成机理

柴油机产生的颗粒物多种多样，其中碳烟（soot）占据了绝大部分。碳烟的定义是一种存在于排放中的碳质微型小球，碳烟在排放中会凝聚和吸收多种有害化合物和少量金属杂质。碳烟因为其颗粒直径较小，可以直接进入人体造成危害而被重点研究控制其排放的方式。

碳烟的形成一直是研究实验的重点，目前的结论是：碳烟由大分子的多环芳香烃聚合形成碳核。碳烟的形成环境是缺氧且高温。在柴油机内边进油边压燃，虽然燃烧是在富氧环境下进行，但是由于其扩散燃烧的燃烧方式形成了部分的缺氧空间，故而使得碳烟的成型条件的以满足。在高温缺氧的缸内空间燃料受热分解形成小的碳链，多个小的碳链进行反应形成大的有机物分子。下式说明其主要机理：

（1-1）

（1-2）

代表环数为i的多环芳香烃（PAHs），为自由基。在碳烟的定义中，碳烟是分子量较大且环数链数较多的大分子有机物，故而其生成过程为广义上的化学反应。碳烟核态粒子的聚集是由多个一定大小的不饱和多环芳香烃碰撞结合在一起，形成聚集态的大分子不饱和多环芳香烃。碰撞不断发生多个不饱和环芳香烃不断聚合，核态粒子在撞击中形成。由于上述形成机理，聚集碰撞影响了碳烟核的形成和演化，演化中的核为一个大分子有机物，其表面的活性基和其他有机物结合增加分子量和分子直径。当分子成长到一定的大小又由于其所处环境的高温效应使其表面的活性基失活，成为一个稳定的碳烟颗粒。

在观测研究中发现微观碳烟形成有四个过程，碳烟成核、表面生长、碳烟成形、完全氧化。最终状态的碳烟颗粒呈现不规则的形状。本实验中研究的排出碳烟为全过程碳烟的燃烧剩余，大部分的碳烟在排出前已经完成氧化。

1.3国内外前沿技术及研究现状

有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这就让碳烟的成型排放成为了研究的重点。国内外常用研究碳烟的实验装置有高压共轨燃油喷射系统、同轴射流燃烧器、定容燃烧弹等多种，采样装置也有热泳探针采样、碳化硅沉积采样、全气缸取样、多点同步采样、定点采样等方式。观测方法基本是采用TEM电镜观测拍照。

例如颜方沁^[1]研究了高温高压环境下，柴油机掺混含氧燃料后燃烧的碳烟颗粒微观形貌结构特性、碳烟形貌结构以及碳烟成型过程的基本规律和重要影响因素。对碳烟颗粒的观测，归纳了喷雾火焰内部碳烟颗粒的形貌和分布规律。李英^[2]运用了碳烟图像处理软件 SootFringe、image Pro等，对实验发生的发动机尾气实际碳烟进行参数表征，针对发动机的各个工况使用不同燃料，对尾气排放碳烟的形貌的形貌进行探索研究。苏鹏^[3]等直接收集了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，研究了碳烟对柴油机机油摩擦学特性的影响。颜方沁 ^[4]等通过多点同步采样法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。对于碳烟的模拟燃烧、取样、观测方法多种多样，观测对象有喷雾火焰碳烟、层流扩散火焰碳烟、尾气碳烟等，本文只针对排放尾气的碳烟结构和形貌进行观测和分析。

1.4本文设计研究思路

本次实验旨在研究柴油机尾气排放中的碳烟颗粒微观形貌和分形维数。实验通过台架试验台调整各个工况进行模拟排放，产生主要观测碳烟样本。对于不同工况稳定后的碳烟排放物，使用丝杆驱动的有杆电缸EPCO和超薄碳烟支持膜进行取样。取样后使用高分辨率TEM电镜分析拍照，研究其微观形貌和形成机理。对拍摄和处理后的图片进行定量分析，得出单个碳烟颗粒的直径、回转半径、分形维数等重要参数。实验通过测量数值的分析计算得出重要参数，并借助计算式得出结论，了解到了碳烟的微观形貌对于排放气体治理的潜力和重要性。

第二章 柴油机台架取样及仪器参数

柴油机的排放已经引起许多科研人员的关注，但因其相对复杂的燃烧和较为不理想的观测条件导致目前的技术依旧不太成熟。本次实验采用较为传统的方法，直接从柴油发动机台架的尾气中取样碳烟颗粒并进行观测研究。本次实验使用的主要仪器有YC4FA115-40型柴油机台架、取样装置（由超薄碳支持膜、丝杆驱动的有杆电缸EPCO组成）。

2.1实验台架基本布置

图2-1 实验仪器基本布置

其中主要包括经过改造的柴油机、进排气系统、油/水恒温系统、燃油供给系统等系统。本实验所用柴油发动机为玉柴生产，型号为YC4FA 115-40，气缸数为四缸且呈直列布置，该型号的柴油发动机主要使用于轻型卡车。其喷油系统采用博世（BOSCH）第二代高压共轨喷油系统，其最大喷油压力可达到150MPa，并且还使用废气涡轮增压系统以增大进气压力。基本性能见下表：

表2-1 柴油机基本参数

除柴油发动机以外本实验台架还包含以下主要设备：

表2-2台架主要设备

本次实验在实验开始前先需要暖机工作，先将发动机设置为比较低的转速待其运转稳定后在进行实验，实验过程中将通过发动机控制台进行发动机的基本参数控制。控制台面板可以自由调整发动机的转速（最大3600r/min）以及扭矩（最大300 N·m），并根据转速和扭矩自动计算显示并修正扭矩和功率。控制面板同时还会显示耗油量、燃油消耗率、机油温度、出水温度、排气温度等参数。实验时我们控制发动机转速为恒定2100rpm/s，分别取样负荷为90 N·m、150 N·m、210 N·m、270 N·m负荷下的台架排放尾气样本，并记录其排气温度、供油量等基本数据。

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