姚佳巖，劉浩業(yè)，肖建華，朱榮福，林　明

(1.黑龍江工程學(xué)院　汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150050；2.清華大學(xué)　汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100084)

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柴油機(jī)富氧燃燒粒徑分布和顆粒物排放特性研究

姚佳巖1，劉浩業(yè)2，肖建華2，朱榮福1，林明1

(1.黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

為了研究柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放特性，在柴油機(jī)上利用不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒。試驗(yàn)中進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)分別為21%，23%，25%，27%和29%，采用DMS500型快速顆粒光譜儀測試分析了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷時(shí)的顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度及粒徑分布。研究結(jié)果表明：隨進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的增加，顆粒物質(zhì)量濃度降低;富氧燃燒的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物的數(shù)量濃度在大、中負(fù)荷明顯降低，小負(fù)荷呈升高趨勢;富氧燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的排放顆粒物呈核態(tài)和凝聚態(tài)的雙峰分布特征，富氧燃燒核態(tài)數(shù)量濃度所占比例高于氧體積分?jǐn)?shù)為21%的核態(tài)數(shù)量濃度，凝聚態(tài)的質(zhì)量濃度所占比例低于氧體積分?jǐn)?shù)為21%的質(zhì)量濃度;富氧燃燒顆粒物的幾何平均直徑小于氧體積分?jǐn)?shù)為21%顆粒物的幾何平均直徑。

汽車工程；顆粒物排放；富氧燃燒；柴油機(jī)；粒徑分布

0　引言

與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)具有熱效率高、低速轉(zhuǎn)矩大以及功率覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn)，因而在車用動(dòng)力中得到廣泛的應(yīng)用[1]。柴油車的尾氣排放,是顆粒物排放的最重要來源，顆粒物是引起灰霾天氣和大氣能見度降低的主要因素,對人體健康有重大危害。顆粒物的粒徑尺寸小于1 000 nm吸入人體肺部，可增大呼吸系統(tǒng)、心臟病、肺氣腫等各種疾病的發(fā)病率[2-3]。

研究柴油機(jī)細(xì)微顆粒物的理化特性,探索其生成機(jī)理,是控制大氣污染、改善大氣質(zhì)量的基礎(chǔ)。特別是當(dāng)前全球機(jī)動(dòng)車的排放法規(guī)日益嚴(yán)格,新的歐五法規(guī)將開始限制排放顆粒物的數(shù)量,引起了國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的生成規(guī)律和數(shù)量測試方法的日益重視。

富氧燃燒是增加進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)，使新鮮充氣量增大，殘余廢氣量減少，改善燃燒、降低THC和CO的排放[4]。研究證實(shí)富氧燃燒作為具有發(fā)展前景的進(jìn)氣富氧技術(shù)，可以使PM、THC和CO排放降低，對此受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Byun等[5]研究表明富氧燃燒能有效地降低PM、THC和CO的排放，但NOx排放增加。國內(nèi)學(xué)者針對不同乳化柴油、EGR與進(jìn)氣富氧、柴油機(jī)富氧燃燒的粒徑分布等都是在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)21%～24%范圍內(nèi)進(jìn)行分析[6-7]。研究表明:缸內(nèi)富氧環(huán)境能抑制碳煙表面生長，使較大尺寸的碳煙顆粒數(shù)減少，但10 nm左右的小顆粒數(shù)增多。而不同的發(fā)動(dòng)機(jī)類型、運(yùn)行工況、燃燒特性和氧體積分?jǐn)?shù)等都會(huì)對柴油機(jī)顆粒物的排放特性有較大影響。

總體來說,對富氧燃燒顆粒物的排放特性研究尚缺乏氧體積分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)積累,如21%～29%，尤其是面向最新排放法規(guī)的國Ⅳ及以上柴油機(jī)的試驗(yàn)研究。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)四缸輕型柴油機(jī)改造而成的單缸機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。對發(fā)動(dòng)機(jī)的第1缸設(shè)計(jì)了獨(dú)立的進(jìn)排氣系統(tǒng)，獨(dú)立的供油系統(tǒng)，而對其他3缸不供油。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試系統(tǒng)如圖1所示。

1.2顆粒物采集測量裝置

顆粒物排放特性測量采用的是英國Combustion 公司生產(chǎn)的DMS500 型快速顆粒分析儀。該儀器通過柴油機(jī)排氣首先由導(dǎo)電橡膠取樣管引入旋風(fēng)分離器，去除粒子直徑大于1 000 nm的大顆粒，避免大顆粒堵塞儀器，在進(jìn)入稀釋器對排氣進(jìn)行稀釋，稀釋后的取樣氣體進(jìn)入分級器中，并根據(jù)電子遷移率對帶電的顆粒物進(jìn)行分級，分級后的顆粒物將在靜電計(jì)內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電流，從而確定不同粒徑顆粒物的數(shù)密度，可測量粒徑范圍在5～1 000 nm 內(nèi)的微粒，能夠?qū)?shí)測顆粒的核態(tài)和凝聚態(tài)顆粒數(shù)進(jìn)行對數(shù)正態(tài)擬合，從而得到顆粒物的數(shù)量濃度和粒徑分布[8]。該設(shè)備還能夠測量顆粒的體積分?jǐn)?shù)，與Combustion公司提供的顆粒物的經(jīng)驗(yàn)密度相乘可得到顆粒物的質(zhì)量濃度。在本試驗(yàn)中,該經(jīng)驗(yàn)密度的取值為0.524 kg/m3。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.Combustion DMS500顆粒物分析儀;2.測控柜；3.進(jìn)氣管；4.氣體混合室；5.浮子流量計(jì)；6.控制閥；7.減壓閥；8.氧氣瓶；9.缸壓傳感器；10.轉(zhuǎn)角傳感器；11.控氧儀；12.空氣流量計(jì)；13.進(jìn)氣溫度傳感器；14.油箱；15.油管；16.發(fā)動(dòng)機(jī)；17.聯(lián)軸器；18.測功機(jī)；19.排氣管；20.排氣溫度傳感器圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架裝置Fig.1　Technical parameters of engine

1.3燃料

試驗(yàn)采用燃料為北京市場出售0#柴油，該0#柴油的詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2　燃料主要特性

注：ωC,ωH,ωO分別為氣體C，H，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4進(jìn)氣氧測量裝置

試驗(yàn)采用不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)使燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒。Poola等[9]根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣富氧特點(diǎn),開發(fā)了中選擇性、高滲透性系列的富氧膜。Poola和Virk等[10-13]對富氧膜法技術(shù)在柴油機(jī)上應(yīng)用進(jìn)行了許多研究，使富氧技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上成為可能。利用膜分離技術(shù)得到的空氣中氧濃度最高可達(dá)35%，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒的需要。但是氧滲透膜還存在分離效率偏低、氣體通過阻力大、成本相對較高等缺點(diǎn)。目前在內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒的研究中大部分采取富氧進(jìn)氣的供氧方式[5-7]，其原理是利用高壓氧氣瓶并聯(lián)供氧以實(shí)現(xiàn)靈活且穩(wěn)定的氧氣供給，便于試驗(yàn)過程中準(zhǔn)確控制摻氧量。本文采用浮子流量計(jì)控制高壓氧氣瓶的流量，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中氧氣和空氣同時(shí)進(jìn)入氣體混合室，均勻混合后，再由KY-2F控氧儀測定不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)，形成預(yù)定比例的富氧空氣經(jīng)空氣流量計(jì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。

1.5試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用高壓氧氣瓶并聯(lián)供氧，對發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)。隨著進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)逐漸提高，火焰溫度增加幅度逐漸減緩，在絕熱狀態(tài)下，氧體積分?jǐn)?shù)從23%增加到25%時(shí)，火焰溫度增加大約100 K；而氧體積分?jǐn)?shù)從25%增加到27%時(shí)，火焰溫度僅增加30 K[14]。由于氧體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，火焰溫度增加較少，而制氧投資等費(fèi)用猛增，氧體積分?jǐn)?shù)最好不超過30%[15]。所以本文選取5種不同氧體積分?jǐn)?shù)為21%，23%，25%，27%，29%進(jìn)行試驗(yàn)研究。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況的選擇：轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、噴油時(shí)刻為-6 CAD BTDC、4種不同負(fù)荷(IMEP)分別為200，400，600，800 kPa和5種不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中冷卻水和機(jī)油溫度都維持在(80±2)℃，進(jìn)氣溫度為(20±2)℃。

2　結(jié)果分析

2.1顆粒物數(shù)量濃度和粒徑分布

圖2給出了轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、不同負(fù)荷顆粒物數(shù)量濃度的粒徑分布規(guī)律。從圖2中可以看出，從不同負(fù)荷和富氧濃度分布特征上來看，呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，分別對應(yīng)核態(tài)和凝聚態(tài)，核態(tài)微粒的峰值范圍為3～30 nm,凝聚態(tài)微粒的峰值范圍為30～100 nm；且隨著負(fù)荷的增大，顆粒物數(shù)量濃度峰值從粒徑較小的核態(tài)移向粒徑較大的凝聚態(tài)，顆粒物數(shù)量濃度減少。

圖2　不同負(fù)荷顆粒物數(shù)量濃度的粒徑分布規(guī)律Fig.2　Particle size distribution patterns of particle number concentration under different loads

在氧體積分?jǐn)?shù)變化方面比較，隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加，核態(tài)微粒數(shù)量增大，凝聚態(tài)微粒數(shù)量減少。在平均指示壓力為600 kPa和800 kPa時(shí)，核態(tài)微粒數(shù)量隨氧體積分?jǐn)?shù)的增大而增加，凝聚態(tài)微粒數(shù)量隨氧體積分?jǐn)?shù)的增大而減少；5種氧體積分?jǐn)?shù)的核態(tài)顆粒物數(shù)量逐漸減少，而凝聚態(tài)的數(shù)量逐漸增多，峰值粒徑逐漸增大。在平均指示壓力較小(IMEP=200 kPa)時(shí)，顆粒物數(shù)量濃度主要以核態(tài)顆粒物為主，且隨氧體積濃度增大而增大；大負(fù)荷時(shí)，各種氧體積分?jǐn)?shù)PM的數(shù)量排放整體降低，較大氧體積分?jǐn)?shù)(25%，27%，29%)的顆粒物數(shù)量濃度主要以核態(tài)顆粒物為主，較小氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物數(shù)量濃度主要是凝聚態(tài)顆粒物為主。

圖3為1 600 r/min轉(zhuǎn)速、5種氧體積分?jǐn)?shù)下不同負(fù)荷的總顆粒物數(shù)量濃度。每種氧體積分?jǐn)?shù)的總顆粒物數(shù)量濃度由核態(tài)顆粒數(shù)(柱狀圖的下半部分)和凝聚態(tài)顆粒數(shù)(柱狀圖的上半部)組成。如圖3所示，負(fù)荷一定時(shí)，隨氧體積分?jǐn)?shù)增加，核態(tài)顆粒物數(shù)量呈增加趨勢，凝聚態(tài)顆粒物數(shù)量呈減少趨勢，這與參考文獻(xiàn)[9]的試驗(yàn)結(jié)論一致。由于氧含量增加，對柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒階段中炭煙顆粒的生成有明顯的抑制作用，減少了凝聚態(tài)的顆粒物數(shù)量濃度比例。同時(shí)由于氧體積分?jǐn)?shù)增加，改善了燃燒室中的局部空燃比，減少了凝聚態(tài)顆粒物的生成，導(dǎo)致由可揮發(fā)性成分組成的核態(tài)顆粒物數(shù)量增加。

圖3　不同負(fù)荷總顆粒物數(shù)量濃度和核態(tài)比例Fig.3　Total particle number concentrations and nucleation mode proportions under different loads

在氧體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物數(shù)量濃度的最大值都出現(xiàn)在IMEP為200 kPa負(fù)荷工況，主要是因?yàn)樾∝?fù)荷時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度相對較低，不利于顆粒物的后期氧化。在21%氧體積分?jǐn)?shù)下，顆粒物數(shù)量濃度隨負(fù)荷增加，核態(tài)顆粒物數(shù)量減小，凝聚態(tài)顆粒物數(shù)量增加；其他4種氧體積分?jǐn)?shù)，都是隨負(fù)荷增加，核態(tài)顆粒物數(shù)量先減小到負(fù)荷IMEP為800 kPa 時(shí)又增大。

2.2顆粒物質(zhì)量濃度

圖4　不同負(fù)荷顆粒物質(zhì)量濃度和凝聚態(tài)比例Fig.4　Particle mass concentrations and accumulation mode proportions under different loads

圖4分別為1 600 r/min轉(zhuǎn)速、5種氧體積分?jǐn)?shù)下不同負(fù)荷的總顆粒物質(zhì)量濃度。由圖4所示，小負(fù)荷(a)時(shí)，5種氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物質(zhì)量濃度都較低，23%氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物質(zhì)量濃度最高為0.001 6 μg/cm3，29%氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物質(zhì)量濃度最低為0.001 0 μg/cm3。在其他負(fù)荷時(shí)，隨氧體積分?jǐn)?shù)增加，顆粒物質(zhì)量濃度呈明顯下降趨勢；在不同負(fù)荷下，氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物質(zhì)量濃度最高出現(xiàn)在圖(d)中21%氧體積分?jǐn)?shù)其值為0.018 μg/cm3，在圖(a)中21%氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物質(zhì)量濃度最低為 0.001 2 μg/cm3，小負(fù)荷(a)氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物質(zhì)量濃度相比于大負(fù)荷(d)降低了9.1%～92.8%。

以上結(jié)果主要是由于試驗(yàn)用柴油機(jī)噴油壓力較高，霧化和燃燒更充分，小負(fù)荷下原機(jī)顆粒物質(zhì)量濃度排放較少，故燃用富氧氣體后顆粒物的質(zhì)量濃度變化不明顯，但高負(fù)荷時(shí)，由于缸內(nèi)燃燒溫度高、局部的空燃比降低，造成PM排放增大，此時(shí)氧體積分?jǐn)?shù)增加，高溫缺氧的區(qū)域降低，使柴油分子和氧分子接觸的概率提高，缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的改善起到了降低顆粒物質(zhì)量濃度的明顯效果。

由圖4不同負(fù)荷的顆粒物質(zhì)量濃度中凝聚態(tài)組分比例可見，5種氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物質(zhì)量排放的主體都集中在凝聚態(tài)微粒，而顆粒物質(zhì)量濃度排放主體在低負(fù)荷時(shí)集中在核態(tài)微粒。核態(tài)微粒主要由可揮發(fā)性成分THC、硫酸組成，尺寸范圍主要在3～30 nm 之間，富氧燃燒的核態(tài)顆粒物只占總顆粒物質(zhì)量的0.03%～3.7%，但數(shù)量比例在11%～97%。對于凝聚態(tài)微粒由炭煙、可溶性有機(jī)成分和硫酸鹽組成，尺寸范圍為30～500 nm,富氧燃燒的凝聚態(tài)顆粒物占總顆粒物質(zhì)量濃度的95%以上，但排放的數(shù)量比例在3%～88%。

2.3顆粒物的幾何平均直徑

圖5為1 600 r/min轉(zhuǎn)速、5種氧體積分?jǐn)?shù)下不同負(fù)荷的顆粒物的幾何平均直徑。由圖5可見，指示平均壓力為200 kPa，顆粒物幾何平均直徑在8～10 nm之間；指示平均壓力為400 kPa，顆粒物幾何平均直徑在8～45 nm之間；指示平均壓力為600 kPa，顆粒物幾何平均直徑在11～55 nm之間；指示平均壓力為800 kPa，顆粒物幾何平均直徑在8～60 nm之間。隨著平均指示壓力的增加，幾何平均粒徑增大，21%氧體積分?jǐn)?shù)的幾何平均粒徑總體呈明顯增大趨勢。在同一指示平均壓力時(shí)隨氧體積分?jǐn)?shù)增加，幾何平均粒徑呈下降趨勢，且29%氧體積分?jǐn)?shù)的幾何平均粒徑變化很小，在8～11 nm之間。從圖中各個(gè)負(fù)荷下顯示，柴油機(jī)的富氧燃燒能對顆粒物的生長(表面增長)起到較為明顯的抑制作用。

圖5　不同負(fù)荷顆粒物的幾何平均直徑Fig.5　Particle mean diameters under different loads

3　結(jié)論

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒的顆粒物排放呈現(xiàn)雙峰形態(tài)的分布特征，分別對應(yīng)核態(tài)和凝聚態(tài)。低負(fù)荷時(shí)，顆粒物數(shù)量濃度峰值主要集中在核態(tài)顆粒物的4～10 nm 的范圍內(nèi)，高負(fù)荷、低氧體積分?jǐn)?shù)(21%，23%)時(shí)顆粒物數(shù)量濃度峰值主要集中在凝聚態(tài)顆粒物的60～80 nm的范圍內(nèi)，高負(fù)荷、高氧體積分?jǐn)?shù)(25%，27%，29%)時(shí)主要集中在核態(tài)顆粒物的4～20 nm范圍內(nèi)。這說明隨著負(fù)荷增大，基于低氧體積分?jǐn)?shù)數(shù)量濃度的顆粒物粒徑分布的峰值由核態(tài)向凝聚態(tài)轉(zhuǎn)移，高氧體積分?jǐn)?shù)粒徑分布的峰值保持核態(tài)不變。

(2)對于質(zhì)量濃度而言，隨氧體積分?jǐn)?shù)增加顆粒物的質(zhì)量濃度逐漸降低，氧體積分?jǐn)?shù)29%顆粒物質(zhì)量濃度比氧體積分?jǐn)?shù)21%降低了15.4%～93.9%。不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的顆粒物質(zhì)量排放的主體都是凝聚態(tài)微粒(>95%)。小負(fù)荷(IMEP=200 kPa)時(shí)顆粒物核態(tài)比例高于大、中負(fù)荷；大、中負(fù)荷時(shí)顆粒物的核態(tài)比例都較低(<1%)，差異不大。

(3)對于數(shù)量濃度而言，隨氧體積分?jǐn)?shù)增加，顆粒物中核態(tài)比例增大，凝聚態(tài)的比例減小。富氧燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物的變化規(guī)律和發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷參數(shù)相關(guān)，小負(fù)荷(IMEP=200 kPa)總顆粒物的數(shù)量濃度高于大、中負(fù)荷，且小負(fù)荷(IMEP=200 kPa)數(shù)量排放的主體都集中在核態(tài)顆粒物(>90%)。

(4)原機(jī)排放顆粒物的幾何平均直徑總體大于富氧燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，且隨負(fù)荷的增加，氧體積分?jǐn)?shù)21%的幾何平均直徑增大；同時(shí)排放中顆粒物的幾何平均直徑隨氧體積分?jǐn)?shù)的升高呈下降趨勢。

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Study on Particle Size Distribution and Particulate Matter Emission Characteristics in Oxygen-enriched Combustion of Diesel Engine

YAO Jia-yan1,LIU Hao-ye2,XIAO Jian-hua2,ZHU Rong-fu1,LIN Ming1

(1.School of Automobile and Traffic Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150050，China；2.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy Conservation,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

To study the characteristics of particulate matter emission of diesel engine,oxygen-enriched combustion is realized in a diesel engine by controlling different intake oxygen volume fraction.21%,23%,25%,27% and 29% intake oxygen volume fractions are used in the test,the particle number (PN) concentration,particle mass (PM) concentration,and particle size distribution are measured by DMS500 particulate spectrometer.The result shows that (1) PM concentration decreased with the increase of intake oxygen volume fraction;(2) the PN concentration decreased significantly under high and medium loads,while it increased under low loads;(3) bimodal distribution is observed corresponding to nucleation mode and accumulation mode of the particles,comparing with 21% intake oxygen volume fraction,oxygen-enriched combustion exhibited higher percentage of nucleation mode PN emissions and lower percentage of accumulation mode PM emission.Also,oxygen-enriched combustion exhibited smaller particulate mean diameter than that of 21% intake oxygen volume fraction.

automobile engineering;particulate matter emission;oxygen-enriched combustion;diesel engine;particle size distribution

2015-07-09

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201457)

姚佳巖(1963-)，女，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士.(yaojiayan777@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.01.024

TK464

A

1002-0268(2016)01-0153-06