采用同步輻射小角X射線散射（small-angle x-ray scattering,SAXS）技術,研究了柴油機燃用不同甲醇摻混比例（0、5%、15%）的甲醇/柴油混合燃料（分別記為M0、M5和M15）時顆粒的微結構。通過對散射強度和散射矢量進行不同變換和處理,結合分形理論和小角散射理論,得到了顆粒的空間結構、表面形態(tài)及團粒間隙和尺寸等參數(shù)。研究結果表明:與柴油燃燒顆粒相比,隨著燃料中甲醇摻混比例增大,燃燒顆粒中的電子密度差逐漸增大,顆粒的尺寸減小;顆粒表面較為粗糙無序;M0、M5、M15的團粒間隙分別主要分布在5⁷nm、8¹0nm、11¹3nm,團粒間隙的尺寸和數(shù)量呈上升趨勢;團粒間隙分維數(shù)與團粒尺寸呈正相關,摻混甲醇后隨著顆粒團粒尺寸的增大,顆粒的分布越松散,團粒結構越不穩(wěn)定。 

【文章來源】：內燃機工程. 2016,37(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

圖２二維小角散射系統(tǒng)的試驗現(xiàn)場

２θ）轉化成散射矢量ｑ，即：ｑ＝４π（）λｓｉｎθ（２）式中，λ為入射線波長。散射步進或散射角與發(fā)生散射的結構體尺寸Ｌ也存在一定關系，如式（３）所示。Ｌ＝２π／ｑ（３）所以，結構體越小，散射角越大，對應的散射矢量越大。因此，對Ｉ（ｑ）－ｑ進行不同的變換和處理，結合分形理論和小角散射理論，可得到樣品的回旋半徑、團粒間隙數(shù)量和尺寸分布等參數(shù)信息，對柴油機燃燒顆粒的微結構進行描述。團粒間隙數(shù)量和尺寸分布能夠定量描述顆粒的分布狀態(tài)，如圖３所示，計算時不考慮團粒間隙之間的相互作用，并假設團粒間隙近似為球形。根據(jù)小角散射理論，當散射體系是由稠密的粒子組成，并且其團粒間隙可以看成為形狀相似、大小均勻的稀薄體系，則該體系的小角散射強度［８］可以表示為Ｉ（ｑ）＝４π（）３２Ｎ０Δρ２∫∞０ｆ（Ｒ）Ｒ６Ｆ２（ｑ，Ｒ）ｄＲ（４）Ｆ（ｑ，Ｒ）＝ｓｉｎ（ｑＲ）－ｑＲｃｏｓ（ｑＲ）（ｑＲ）３（５）式中，Ｒ為散射粒子半徑；Δρ為散射粒子電子密度差；Ｆ（ｑ，Ｒ）為單粒子形狀因子；ｆ（Ｒ）為散射粒子的尺寸分布；Ｎ０為單位體積內散射粒子總數(shù)量。則半徑為Ｒ的團粒間隙數(shù)量分布Ｎ（Ｒ）＝Ｎ０ｆ（Ｒ）。由小角散射理論［９］推導可得到：ｌｇＩ＝ｌｇＫ０－４π２×Ｒｇ×ｌｇｅ３λ（）２×ε２（６）Ｒｇ＝４．１５９×１０－３ｔａｎθ（７）式中，Ｋ０為散射系數(shù)；λ為波長；ｔａｎθ為ｌ

現(xiàn)，隨著燃料中甲醇摻混比例增加，散射曲線的凸起區(qū)域向高ｑ值偏移，在低ｑ值區(qū)域散射強度增加，Ｍ１５的散射強度最強。這說明隨著燃料中甲醇摻混比例的增大，顆粒中電子密度差逐漸增大，顆粒之間的統(tǒng)計平均距離增大，顆粒尺寸減校這主要是因為：一方面，甲醇在燃燒過程中易裂解生成較多的揮發(fā)性物質，在排氣稀釋過程中揮發(fā)性物質更容易達到飽和狀態(tài)［１１］；另一方面，由于甲醇中含量氧高，含量碳較低，與柴油相比在燃燒過程中Ｃ、Ｈ易與氧發(fā)生反應，使顆粒裂解生成大量幾何尺寸較小的顆粒。圖４小角散射圖像圖５小角散射強度曲線３．２顆粒的表面形態(tài)分析柴油機燃燒顆粒是具有自相似性的堆積結構。對測量得到的小角散射強度Ｉ與散射矢量ｑ分別取自然對數(shù)，得到散射對數(shù)曲線如圖６所示，其斜率為ｄ。如果計算所得的ｄ值滿足１≤－ｄ＜３，則為質量分形（孔分形）；如果３＜－ｄ＜４，則為表面分形，Ｄｓ＝６－ｄ，從而確定散射體的分形維數(shù)。從圖５中可以看出，散射對數(shù)曲線存在線性區(qū)域，在低ｑ值區(qū)域沒有出現(xiàn)直線，說明不存在Ｇｕｉｎｉｅｒ區(qū)，該類型散射體系屬于散射體不均一體系，在某一尺寸上存在分形結構，根據(jù)文獻［１２］的研究，該類型散射體在每個線性區(qū)域內分別對應一個分形結構范圍。根據(jù)曲線的線形關系，將散射曲線分為Ｄ１和Ｄ２兩個區(qū)域，即存在雙分形規(guī)律，這種雙分形規(guī)律也進一步說明了柴油機燃燒顆粒是具有自相似性的堆積結構。Ｍ０、Ｍ５和Ｍ１５的燃燒顆粒的分形維數(shù)與分形特征如表１所示。結果顯示：隨著燃料中甲醇摻混比例的增加，燃燒顆粒的Ｄ１區(qū)域分形維數(shù)小于Ｄ２區(qū)域；從質

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：2984453