杜家坤，孫萬臣，李 強，王曉丹，李國良,賴春杰

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；2.一汽大眾汽車有限公司，成都 611230)

前言

隨著世界汽車保有量的迅速增加，柴油機以其較高的熱效率、良好的燃油經(jīng)濟性、輸出功率大等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展。與同排量汽油機相比，柴油機最高可節(jié)油30%，同時其氮氧化物(NOx)和微粒(PM)排放也受到人們的廣泛關(guān)注。柴油機PM成分極其復(fù)雜，含有多種致癌物質(zhì)，對大氣環(huán)境和人類健康危害極大[1-2]。一般情況下，將PM分為普通微粒(粒徑>100nm)和超細微粒(粒徑<100nm)兩大類。超細微粒又分兩種形態(tài)：核態(tài)和積聚態(tài)。其中，核態(tài)微粒是指在柴油機的缸內(nèi)燃燒過程中，以硫化物和燃燒過程中形成的固態(tài)碳顆粒為中心，吸附揮發(fā)性有機物凝聚形成的粒徑小于50nm的超細微粒；而積聚態(tài)微粒則是在PM凝聚階段，揮發(fā)性有機物進一步吸附、凝聚形成粒徑為50～100nm的超細微粒[3-5]。隨著排放法規(guī)的更加嚴(yán)格，越來越多的新技術(shù)逐漸在柴油機上得到應(yīng)用。新技術(shù)的應(yīng)用使微粒的生成與演化歷程、高溫反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)及理化性質(zhì)發(fā)生變化，燃燒生成的微粒粒徑更小，成分更為復(fù)雜，超細化程度更高，對環(huán)境及人體的危害更大。歐洲從EU-5b排放標(biāo)準(zhǔn)開始在對微粒質(zhì)量排放量進行規(guī)定的同時對微粒排放的數(shù)量也進行了限制。因此，新一代高壓共軌柴油機超細微粒排放特性研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文中基于自行設(shè)計的兩級排氣稀釋取樣系統(tǒng)對國IV標(biāo)準(zhǔn)高壓共軌柴油機穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)工況下的微粒排放粒度分布特征進行了試驗研究，揭示了穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況微粒排放粒度分布的特征及其差異性。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗發(fā)動機及試驗燃料

本文中采用高壓共軌、增壓中冷4缸直噴式車用柴油機進行試驗，排放指標(biāo)達到國IV水平，該發(fā)動機燃燒室為縮口ω型，具有較好的動力性、經(jīng)濟性和排放性，發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗柴油機主要參數(shù)

1.2 試驗主要儀器設(shè)備

1.2.1 瞬態(tài)工況測控系統(tǒng)

本文中基于普通電渦流測功機開發(fā)了瞬態(tài)工況測控系統(tǒng)，能夠滿足瞬態(tài)工況性能及排放數(shù)據(jù)實時、同步采集和存儲的要求，具有較高的控制和測量精度。試驗控制系統(tǒng)主要由高壓共軌柴油機、洛陽南峰CW160型測功機、發(fā)動機進氣中冷控制系統(tǒng)、AVL 439消光式煙度計和Horiba 7100DEGR排氣分析儀等組成。圖1為發(fā)動機測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

試驗研究中，利用RBH8346高速A/D采集卡的多通道并行數(shù)據(jù)采集功能對發(fā)動機瞬態(tài)工況的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、進氣量、燃料消耗量、消光煙度、進排氣壓力和溫度等數(shù)據(jù)進行實時采集、存儲；PM粒度分布測量采用美國TSI公司基于電荷遷移技術(shù)而設(shè)計的3090 EEPSTM發(fā)動機排氣粒徑儀進行；尾氣排放通過Horiba MEXA7100DEGR排氣分析儀進行測量，煙度測量采用AVL 439消光式煙度計。該系統(tǒng)可實現(xiàn)發(fā)動機單自由度參數(shù)變化瞬態(tài)工況的試驗研究，如恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩(constant speed and increasing torque,CSIT)瞬態(tài)工況。

1.2.2 排氣微粒二級稀釋系統(tǒng)設(shè)計

試驗中，采用二級稀釋采樣系統(tǒng)對發(fā)動機排氣進行分流稀釋，可滿足粒度儀采樣條件及測量要求，圖2為稀釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。利用風(fēng)泵向稀釋管道提供穩(wěn)定流動的空氣，利用帶閥絕熱管將部分排氣引入第一級稀釋管道中，通過調(diào)節(jié)閥門開度，控制排氣量，將第一級稀釋比控制在20左右。第二級稀釋采用全流稀釋，初步稀釋后的排氣被全部引入二級稀釋管道中。在二級風(fēng)后添加空氣閥，通過調(diào)節(jié)二級管道的空氣量控制第二級稀釋比，試驗中通過測量排氣管及稀釋風(fēng)洞的CO2濃度確定風(fēng)洞稀釋比，可實現(xiàn)風(fēng)洞稀釋比的同步記錄。試驗測量表明，稀釋比控制在200～300之間均可滿足粒度儀的測量要求，對粒徑分布的測量結(jié)果幾乎沒有影響。

1.2.3 試驗方案

選取發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩點轉(zhuǎn)速1 800r/min下，不同負(fù)荷穩(wěn)態(tài)及不同瞬變率瞬態(tài)工況進行試驗研究。試驗燃料采用含硫量為50×10-6的國IV柴油，探索高壓共軌柴油機微粒排放粒度分布的基本規(guī)律。表2和表3分別為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況試驗方案。

表2 穩(wěn)態(tài)測試工況

表3 瞬態(tài)測試工況

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下微粒排放粒度分布的特征

圖3為燃用國IV柴油發(fā)動機微粒排放的粒度分布，圖3(a)～圖3(d)分別為相同轉(zhuǎn)速不同當(dāng)量比工況下微粒的數(shù)量濃度、表面積濃度、體積濃度和不同模態(tài)微粒數(shù)量濃度及比例。本文中定義核態(tài)微粒(<50nm)數(shù)量排放占總微粒數(shù)量排放的比例為核態(tài)微粒比例，超細微粒(<100nm)數(shù)量排放占總微粒數(shù)量排放的比例為超細微粒比例。由圖可見，排氣微粒大部分處于250nm以內(nèi)，其中小于100nm的超細微粒占92%以上。對于穩(wěn)態(tài)工況，隨負(fù)荷增加微粒平均數(shù)量濃度分布曲線峰值逐漸向大粒徑方向移動，中等負(fù)荷(當(dāng)量比為0.4)預(yù)混合燃燒階段形成大量的核態(tài)微粒，同時由于氧濃度尚不至于造成擴散燃燒階段缸內(nèi)整體缺氧，核態(tài)微粒向積聚態(tài)微粒的轉(zhuǎn)化率較低， 曲線峰值仍位于核態(tài)區(qū)域。大負(fù)荷工況(當(dāng)量比分別為0.5和0.6)下，缸內(nèi)氧濃度進一步降低，曲線峰值位于積聚態(tài)區(qū)域。表面積濃度和體積濃度分布變化趨勢與微粒數(shù)量濃度基本一致。從圖3(d)中看出，在中等負(fù)荷工況下(當(dāng)量比為0.4)， 核態(tài)微粒較當(dāng)量比為0.2的小負(fù)荷工況大幅度上升，數(shù)量濃度增加了1.25倍左右，核態(tài)微粒比例上升了約8.3個百分點。其主要原因是與小負(fù)荷工況相比，中等負(fù)荷工況下發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度高，氧濃度低，在預(yù)混合燃燒階段生成大量的核態(tài)微粒。大負(fù)荷工況(當(dāng)量比分別為0.5和0.6)下，缸內(nèi)氧濃度進一步降低，預(yù)混合燃燒階段生成的核態(tài)微粒在擴散燃燒階段大量向積聚態(tài)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致核態(tài)微粒數(shù)量減少，當(dāng)量比為0.5和0.6大負(fù)荷工況的核態(tài)微粒比例均較當(dāng)量比為0.4的工況顯著降低。

2.2 瞬態(tài)工況下微粒排放粒度分布的特征

圖4為燃用國IV柴油發(fā)動機瞬態(tài)工況下微粒粒度分布。本文中采用平均濃度對瞬態(tài)工況微粒數(shù)量排放進行評價，測試循環(huán)中單位時間內(nèi)微粒排放的數(shù)量濃度即為平均濃度[6]。圖4(a)～圖4(d)分別為不同瞬變率工況下微粒的平均數(shù)量濃度、平均表面積濃度、平均體積濃度和各模態(tài)微粒平均數(shù)量濃度及比例。從圖中可見，瞬態(tài)工況下微粒粒度分布曲線呈單峰結(jié)構(gòu)，平均數(shù)量濃度分布峰值位于核態(tài)區(qū)域，峰值區(qū)間為15～25nm；表面積濃度分布峰值向大粒徑方向移動，峰值區(qū)間為35～50nm；體積濃度分布峰值較表面積濃度更向大粒徑方向移動進入積聚態(tài)區(qū)域，峰值區(qū)間為50～100nm。但不同瞬變率的微粒平均數(shù)量、表面積和體積濃度分布沒有明顯的差別。5s、10s瞬態(tài)工況各模態(tài)微粒平均數(shù)量濃度及所占比例基本相同，核態(tài)微粒平均數(shù)量濃度及比例均較15s瞬態(tài)工況有較大幅度的上升，積聚態(tài)微粒濃度基本不變。其主要原因是發(fā)動機微粒生成條件為高溫、缺氧，瞬態(tài)工況的瞬變率越大，缸內(nèi)各循環(huán)形成的混合氣越濃空燃比越小，燃燒溫度越低，兩者共同決定微粒的生成和粒度的分布。10s瞬態(tài)工況空燃比起主要作用，因此其微粒平均數(shù)量濃度較15s有較大幅度上升；5s瞬態(tài)工況由于燃燒溫度低，因此其各模態(tài)微粒平均數(shù)量濃度及所占比例與10s瞬態(tài)工況基本相同。

2.3 瞬態(tài)工況與穩(wěn)態(tài)工況微粒排放粒度分布的差異

圖5為瞬態(tài)過程中當(dāng)量比為0.5的循環(huán)工況與當(dāng)量比為0.5的穩(wěn)態(tài)工況微粒排放粒度分布對比。由圖可見，不同瞬態(tài)循環(huán)工況的微粒粒度分布曲線均為單峰結(jié)構(gòu)，其微粒數(shù)量、表面積、體積濃度的核態(tài)部分均較穩(wěn)態(tài)大幅度上升。瞬態(tài)循環(huán)的各模態(tài)微粒數(shù)量排放均高于穩(wěn)態(tài)工況，但不同瞬變率下微粒濃度分布狀況的差別不大。只是，隨著瞬變率的增大，核態(tài)微粒數(shù)量濃度逐漸增加，積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度逐漸下降。其主要原因是對于瞬變工況，上一小負(fù)荷循環(huán)所產(chǎn)生的排氣能量較小致使下一循環(huán)進氣滯后，導(dǎo)致進氣量不足，致使微粒數(shù)量濃度明顯上升。且瞬變率越大，缸內(nèi)氧氣濃度越低，各瞬態(tài)循環(huán)內(nèi)的滯燃期越長，期間形成的混合氣越多，在預(yù)混合燃燒階段生成的核態(tài)微粒越多；同時循環(huán)內(nèi)的滯燃期越長其后期擴散燃燒期越短，微粒的凝聚時間越短，核態(tài)微粒向積聚態(tài)微粒的轉(zhuǎn)化率越低。

3 結(jié)論

(1) 國IV高壓共軌柴油機排氣微粒大部分處于250nm以內(nèi)，超細微粒占絕大多數(shù)。對于穩(wěn)態(tài)工況，隨負(fù)荷增加微粒平均數(shù)量濃度分布曲線峰值逐漸向大粒徑方向移動，大負(fù)荷工況下峰值位于積聚態(tài)區(qū)域。

(2) 在恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)工況下，微粒粒度分布曲線呈單峰結(jié)構(gòu)，平均數(shù)量濃度分布峰值位于核態(tài)區(qū)域，峰值區(qū)間為15～25nm；表面積濃度分布峰值區(qū)間為35～50nm；體積濃度分布峰值區(qū)間為50～100nm。

(3) 對于與穩(wěn)態(tài)工況相同當(dāng)量比的瞬態(tài)循環(huán)工況，其核態(tài)微粒的數(shù)量、表面積和體積濃度均較穩(wěn)態(tài)工況大幅度上升；隨著瞬變率的增大核態(tài)微粒數(shù)量濃度逐漸增加，積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度逐漸下降。

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