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電控參數(shù)對柴油機顆粒物數(shù)量生成的影響規(guī)律研究

尹寶智，任尚峰，秦克印
（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春，130011）

摘 要：主要介紹了柴油機顆粒物排放的主要成分、生成機理以及顆粒數(shù)測量系統(tǒng)的工作原理。通過調(diào)整電控參數(shù)進行柴油機顆粒物數(shù)量(PN)排放試驗,并對試驗結果進行分析，探索軌壓、噴油提前角、預噴油量及預噴間隔等參數(shù)對柴油機顆粒物數(shù)量生成的影響規(guī)律。

關鍵詞：軌壓；提前角；預噴；顆粒物數(shù)量；PM2.5

尹寶智現(xiàn)任中國第一汽車股份有限公司技術中心工程師，主要研究方向為柴油發(fā)動機試驗。

PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比，細顆粒物粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境的影響更大，因為直徑越小，進入呼吸道的部位就越深，容易引發(fā)心血管病和呼吸道疾病以及肺癌。柴油汽車尾氣排放是細顆粒物的來源之一，其排出的顆粒物粒徑絕大部分屬于PM2.5，控制汽車發(fā)動機排氣中的細顆粒數(shù)量是非常有必要的。近幾年國家一直很重視PM2.5的治理工作，頒布了一些關于PM2.5的法律法規(guī)。其中，北京市地方標準《重型車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法》（征求意見稿）中規(guī)定了顆粒物數(shù)量測量和限值要求，規(guī)定WHSC（穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)）、WHTC（瞬態(tài)測試循環(huán)）顆粒物數(shù)量（PN）限值分別為8.0 E+11#/kWh、6.0 E+11# /kWh。本文主要研究軌壓、提前角、預噴油量、預噴間隔控制參數(shù)對柴油機顆粒物數(shù)量生成的影響規(guī)律。

1　柴油機顆粒物排放的主要成分及生成機理

柴油機顆粒成分主要有以碳元素為主的碳煙（Soot），以及其表面吸附有未氧化和未完全氧化的碳氫化合物（即可溶性有機成分SOF），硫酸鹽，水和金屬雜質(zhì)等。碳煙生成的條件是高溫缺氧，由于柴油機混合氣極不均勻，盡管總體是富氧燃燒，但油氣混合不可能在氣缸中處處均勻，這就導致在氣缸中油氣混合不充分的區(qū)域產(chǎn)生碳煙。一般認為碳煙形成過程如下：燃油中烴分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類。它們不斷脫氫、聚合成以碳為主的直徑2 nm左右的碳煙核心。氣相的烴和其他物質(zhì)在這個碳煙核心表面凝聚，以及碳煙核心互相碰撞發(fā)生凝聚，使碳煙核心增大，成為直徑20～30 nm的碳煙基元。最后，碳煙基元經(jīng)過聚集作用堆積成直徑1 μm以下的球團狀或鏈狀的聚合物。柴油機生成的碳煙在排氣管中有一部分被氧化，但仍有相當多的碳煙未被氧化以顆粒的形式排出。硫酸鹽的形成主要是來自含硫燃油在燃燒過程中，95%~98%的硫都被氧化成SO2，在高溫富氧的條件下，能氧化成SO3，然后與水結合成硫酸煙霧，此外，某些硫化物與碳氫化合物或金屬反應生成硫酸鹽。

2　顆粒數(shù)測量系統(tǒng)的工作原理

HORIBA MEXA-2100SPCS型顆粒數(shù)測量系統(tǒng)是國際最先進的顆粒計數(shù)設備，它由分級器、加熱稀釋器、蒸發(fā)管、稀釋冷卻器及顆粒數(shù)計數(shù)器組成。該系統(tǒng)中顆粒計數(shù)器的測量原理是激光散射式凝結粒子計數(shù)。在CVS稀釋通道中取一定流量的樣氣進入到顆粒計數(shù)系統(tǒng)，經(jīng)分離器去除顆粒粒徑大于2.5μm的顆粒后進入到加熱稀釋器，再通過蒸發(fā)管路蒸發(fā)處理揮發(fā)性顆粒，經(jīng)稀釋冷凝器冷卻到25℃，最后用顆粒數(shù)計數(shù)器測量固體顆粒的濃度。該顆粒數(shù)測量系統(tǒng)測量的顆粒物最小粒徑為23nm。

3　電控參數(shù)對柴油機顆粒物數(shù)量生成的影響試驗分析

目前電控共軌柴油機都能實現(xiàn)5次噴射，分別是主噴，兩次預噴，兩次后噴，但目前國Ⅳ、國Ⅴ電控共軌柴油機常用的噴射次數(shù)是2次，即主噴加預噴的控制策略。對于電控柴油機，軌壓、噴油提前角、預噴油量及預噴間隔（預噴開始時刻與主噴開始時刻的間隔曲軸轉(zhuǎn)角）是非常重要控制參數(shù)，對柴油機燃燒過程和排放的生成有很大的影響。下文從主噴、預噴方面著手研究柴油機電控參數(shù)對柴油機顆粒物數(shù)量生成的影響規(guī)律。試驗對象為一臺8.6L國Ⅴ發(fā)動機，主要參數(shù)見表1：

表1　試驗對象主要參數(shù)

3.1 主噴參數(shù)對柴油機顆粒物數(shù)量生成的影響試驗分析

試驗工況為不噴射尿素的情況下，工況點為1 300Nm@1640r/min，分別調(diào)整軌壓為1000、1150 、1300、1450 bar，噴油提前角為1、2.5、4、5.5CA進行試驗。

為了探索軌壓和噴油提前角對柴油機顆粒物生成數(shù)量、煙度、NOx的變化規(guī)律情況，對上述4個軌壓、4個噴油提前角參數(shù)進行全因子組合調(diào)整，分別通過顆粒數(shù)測量系統(tǒng)測量柴油機尾氣中的顆粒物數(shù)量濃度,通過AVL415煙度計測量排氣煙度。對所測的數(shù)據(jù)進行整理分析得到顆粒物數(shù)量、煙度及NOx排 放隨軌壓及噴油提前角變化曲線，見圖1、圖2及圖3：

圖1　顆粒物數(shù)量隨軌壓、提前角變化曲線

圖2　煙度隨軌壓、提前角變化曲線

圖3　Nox隨軌壓、噴油提前角變化曲線

對于柴油機，噴油壓力越高，噴油速率越大，油束的貫穿距離越大,噴油持續(xù)期越短。隨著噴油壓力的提高燃油霧化增強，油束穿透缸內(nèi)氣體的力度加大，混合氣形成更均勻，從而燃燒過程更充分，這使得煙度降低、NOx增多。從圖1中可以看出柴油機顆粒物數(shù)量隨軌壓增大而減少，顆粒物的減少程度隨軌壓增大而降低。從圖2中可知煙度隨軌壓的增大而降低。從圖3中可知NOx隨著軌壓的增大而增大。

對于柴油機，噴油壓力不變，增大噴油提前角，可導致燃燒重心前移，燃燒過程更靠近上止點，燃燒持續(xù)時間縮短，氣缸內(nèi)的最大爆壓和最高燃燒溫度提高。燃燒重心前移，有助于碳煙的后期氧化，但最高燃燒溫度的提高卻導致NOx的大量生成。從圖1中可知顆粒物數(shù)量隨噴油提前角的提前而降低，但隨著噴油壓力的提高，噴油提前角對柴油機顆粒物數(shù)量的影響逐漸變小。從圖2可知，在噴油提前角1～4CA變化時排氣煙度降低趨勢變化,但當調(diào)整到5.5CA時排氣煙度反而增大，由于AVL415煙度計只能測量排氣中的黑碳煙并不能完全反映出柴油機的顆粒物，因此排氣煙度的升高并未導致顆粒物數(shù)量的增多。從圖3可看出NOx隨 著噴油提前角的提前而增大。

可見，顆粒物數(shù)量隨軌壓、噴油提前角的增大而減少，與NOx排 放變化趨勢相反。煙度大小只能反應柴油機顆粒物排放中黑碳煙的多少，并不能反應出顆粒物數(shù)量的變化趨勢。

3.2 預噴參數(shù)對柴油機顆粒物數(shù)量生成的影響試驗分析

試驗工況點為800Nm@1640 r/min，主噴提前角固定為0CA不變，不噴射尿素，調(diào)整預噴油量分別為3、6、9、10 mg/str，預噴間隔分別為13.8、16.8、19.8CA進行試驗。對所測的試驗結果進行整理分析得到試驗結果曲線見圖4、圖5和圖6：

圖4　預噴參數(shù)對顆粒物數(shù)量影響變化曲線

圖5　預噴參數(shù)對顆粒物數(shù)量影響變化曲線

圖6　預噴參數(shù)對NOx排放影響變化曲線

從圖4看出在預噴間隔為13.8CA時，顆粒物數(shù)量隨預噴油量變化不明顯，但當逐漸增大預噴間隔角度時，顆粒物數(shù)量隨預噴油量逐漸變化明顯，其規(guī)律是隨著預噴油量的增加而減少。從圖5中看出相同預噴油量，隨著預噴間隔的增大而減少。從圖6可以看出預噴油量在3 mg/str時NOx變 化并不明顯，但預噴油量為6 mg/str以上時，NOx隨預噴油量與預噴間隔的增大而增大。

可見柴油機主噴加預噴的控制策略，通過合理地調(diào)整預噴間隔和預噴油量可以降低柴油機顆粒物的生成，其規(guī)律是當預噴間隔角度大于一定的數(shù)值后，隨著預噴油量和預噴間隔的增加而減少。但顆粒物數(shù)量減少的同時會伴隨NOx排放的增多。

4　結論

通過調(diào)整電控參數(shù)，對一臺國Ⅴ柴油機進行顆粒物數(shù)量的測量試驗，并對試驗結果進行了上述研究分析，結果表明:

1)柴油機顆粒物數(shù)量排放隨軌壓增大、噴油提前角的提前而減少，但當軌壓增大到一定程度時，噴油提前角的改變對顆粒物數(shù)量的影響趨勢不明顯。

2)當預噴間隔角度大于一定的數(shù)值后,柴油機顆粒物數(shù)量排放隨著預噴油量和預噴間隔的增大而減少。

3)柴油機顆粒物生成數(shù)量的減少通常會伴隨NOx排放增加。

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中圖分類號：U467.2+1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2016）02-0070-04

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.011

收稿日期：2016-01-04

Influence Rule of Electric Control Parameters on the Particle Number of Diesel Engine

YIN Bao-zhi, REN Shang-feng, QIN Ke-yin
( FAW R&D, Changchun, 130011, China )

Abstract:The main components of particle in diesel engine emission and formation mechanism, and the principle of particle number measurement system are introduced in this paper. By adjusting electric control parameters for particle number emission testing and analysis of results, diesel engine exhaust particle number influence rule was explored by the common rail pressure, injection timing ,preinjection fuel quantity, pre-injection intervals.

Key Words:rail pressure; injection timing; pre-injection; particle number; PM2.5