生物柴油的原料多元化，制备出的生物柴油理化特性也大不相同，因此其污染物排放特性需进一步研究。本文利用基于消光法标定的激光诱导炽光技术来测量一系列生物柴油的碳烟体积分数，以探究含氧生物燃料与传统柴油掺混后的基础碳烟排放特性。结果表明，纯含氧生物燃料的碳烟体积分数峰值较低，仅为传统柴油的7.1%~30.5%。碳烟的形成随着生物柴油掺混比例增加而呈下降趋势，与含氧燃料掺混传统柴油的碳烟排放特性一致，而不饱和度较高的生物燃料更倾向于更多的碳烟排放。生物柴油产生的粒径颗粒相对较小，比传统柴油小了大约9.5%~41.3%。碳烟颗粒物形貌方面，生物柴油与传统柴油均呈现出团簇结构，而高饱和度的生物柴油产生的碳烟颗粒粒径相对较大，但数量密度较低。

碳烟主要是烃类燃料不完全燃烧生成的产物, 其对人类健康、 空气质量以及燃烧装置的使用寿命都会产生有害影响。 碳烟生成是一个复杂的物理化学过程, 控制碳烟排放, 需要克服碳烟生成和燃烧过程中物理和化学演化的巨大差异, 这些差异表现为对碳烟纳观结构和表面官能团随碳烟氧化活性反应变化的深入探索研究。 近些年, 研究人员对碳烟的生成机理开展了系列研究, 对碳烟生成各个物理化学反应阶段有了一定认识。 结合光谱诊断技术可深入了解燃烧系统碳烟形成过程, 确定碳烟颗粒分子组成、 精细结构、 浓度分布等特征, 也可从碳烟结构变化、 黑体辐射强度等方面详细了解碳烟形成过程。 该文旨在阐述光谱诊断技术对烃类火焰碳烟表征的研究进展和发展趋势, 探讨LIBS, LII和LIF等作为诊断工具在包含背景辐射的火焰中检测碳烟生成过程产生辐射强度准确性等问题。 主要介绍了烃类火焰碳烟的形成机理(从前驱体产生、 生长到颗粒生成、 凝聚, 最后进行颗粒氧化)。 总结了探测碳烟性质光谱诊断方法的应用以及光谱诊断技术对燃烧过程中碳烟表征的研究现状, 包括对碳烟体积分数、 温度和基于图像处理的碳烟结构表征, 反应碳烟前驱体(多环芳烃)、 反应气氛、 温度等对碳烟颗粒物生成的影响。 最后, 对光谱诊断方法在碳烟中的应用进行展望。 未来光谱诊断方法将会呈现对碳烟生成化学反应机理进行更细致准确的研究、 降低不均匀碳烟对火焰图像造成影响、 优化光谱诊断测量方法对火焰中多种气体组分及生成碳烟浓度进行同时采集和实时在线监测等发展趋势。 光谱诊断方法和图像分析在均相燃烧火焰碳烟中的分析将为推动清洁燃烧和为非均相流动领域研究提供思路并具有重要的科学指导意义。

为构筑高效纸型催化剂用于碳烟消除, 如何设计不同活性基元并实现与基体纤维的协同效应非常重要。通过静电纺丝法制备了一系列La1-xKxMnO3(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)纳米纤维催化剂, 并以其为基元制备了纸型催化剂用于碳烟催化消除。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱以及程序升温还原等表征手段分析了纳米纤维催化剂中离子掺杂导致活性变化的原因, 并进行了碳烟氧化性能评价。结果表明: 所有的纳米纤维催化剂均呈现单一的钙钛矿结构, 当x≥0.3时, 样品中出现新相K2Mn4O8。样品中活性氧的数量是由K+置换La3+和Mn3+→Mn4+ 2个方面因素造成的。A位离子的置换增加了体系中氧缺陷程度, 但是高含量K的引入引发新相的形成, 使得体系中Mn3+→Mn4+开始占据主导地位, 氧空位数量逐渐增加。样品La0.6K0.4MnO3具有最佳的催化活性, 其T50为347 ℃。将纳米纤维与莫来石纤维按1:1比例制备的纸型催化剂活性最佳, T50为478 ℃。

采用激光诱导炽光和激光诱导荧光技术研究了燃料种类对碳烟演变过程的影响。以CH₄、C₂H₄、C₃H₈的扩散火焰为研究对象,测量了碳烟的体积分数、粒径、颗粒数浓度以及多环芳烃相对浓度的二维分布。结果表明: CH₄、C₂H₄、C₃H₈火焰的碳转化因子分别为0.0058、0.144、0.043;碳烟颗粒的平均粒径为9.2,20.8,14.7 nm,对应的颗粒数浓度分别为6.9×10 ²¹,8.7×10 ²¹,7.8×10 ²¹ m ^-3;对于含有较多碳原子或不饱和键的燃料,碳烟和环芳烃的生成演变过程更为迅速;比表面增长速率和生长时间的综合变化导致C₂H₄火焰中碳烟颗粒的粒径最大,C₃H₈次之,CH₄最小。

基于激光诱导炽光(LII)法和光腔衰荡光谱(CRDS)技术,搭建了用于研究火焰碳烟颗粒的测量平台,并对其性能参数进行了表征。碳烟颗粒路径积分衰减系数测量结果表明,双色LII测试系统和CRDS系统相互独立。同时运行双色LII和CRDS系统,测量得到的路径积分衰减系数随着火焰高度的增加先增大后减小,两个系统的测量结果具有较好的相关性。通过优化拟合模型及去除系统噪音,获得了较好的光腔衰荡信号拟合结果。

提出了一种考虑碳烟颗粒的气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性计算方法, 首先对气氧煤油发动机纯气相内流场进行计算, 然后以喷管喉部作为气体和固体碳烟颗粒的入口边界计算发动机尾焰流场, 最后以发动机流场参数分布为基础, 采用有限体积法和伪气体理论对发动机尾焰红外辐射特性进行计算。 进行了气氧煤油发动机点火实验, 并将计算结果与实验结果进行对比分析。 结果表明, 燃烧室内两个压力测量点的测量与计算误差分别为1.4%和3.4%, 燃烧室内计算温度与热力学计算误差为2.16%, 证明了燃烧室流场计算模型的准确性。 含有碳烟颗粒的尾焰流场计算结果与热像仪测量结果比较吻合, 证明了尾焰流场计算方法和模型的准确性。 4.3 μm波段尾焰红外成像计算结果与工作在4.3 μm波段的红外热像仪测量结果吻合比较一致, 证明了尾焰红外辐射特性计算方法和模型的准确性。

建立了碳氢燃料在反射激波作用下高温裂解碳烟生成的检测系统, 利用激光消光法测量了甲苯/氩气在高温条件下裂解生成碳烟的产率。 实验条件: 甲苯摩尔浓度0.25%和0.5%, 压力约2和4 atm, 温度1 630～2 273 K。 获得了碳烟产率随温度、 压力和燃料浓度的变化规律。 碳烟产率随温度变化呈高斯分布, 随着压力或浓度的增大, 碳烟产率增大, 碳烟产率最大达55%。 产率的峰值温度随压力变化不大, 但甲苯摩尔浓度从0.25%增大到0.5%时, 峰值温度从1 852变为1 921 K。 对比了压力为4 atm, 燃料摩尔浓度为0.5%的甲基环己烷和甲苯的碳烟产率, 甲基环己烷裂解碳烟产率峰值对应的温度为2 045 K, 比甲苯约高135 K, 但其最大碳烟产率仅有甲苯的1/8。 结果为研究发动机内碳烟颗粒物排放及碳烟形成机理提供了实验依据。

碳烟的消光表征方法有很多种，但对于评价不稳定分布的碳烟体系，需要花费较大的代价。基于RDG-FA理论提出了一种相对简便易行的适用于不稳定分布碳烟的消光表征方法，即以碳烟的质量浓度权重的平均质量消光系数来评价碳烟的消光特性。根据理论推导，碳烟的消光系数为平均质量消光系数和总质量浓度之积，而平均质量消光系数表达式中的各项均可通过理论分析、计算和实验方法得到。另外，对平均质量消光系数随碳烟粒径和聚合粒子尺寸的变化规律进行了理论分析，预测随着碳烟粒径和聚合粒子尺寸减小，碳烟的平均质量消光系数先快速减小，然后进入缓变区，慢慢减小。