樓狄明， 徐寧， 譚丕強(qiáng)， 胡志遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué)， 上海 201804)

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·性能研究·

EGR對(duì)輕型柴油機(jī)超細(xì)顆粒排放的影響

樓狄明， 徐寧， 譚丕強(qiáng)， 胡志遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué)， 上海 201804)

基于1臺(tái)匹配廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)的輕型柴油機(jī)，在中低負(fù)荷下研究了EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)超細(xì)顆粒排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)：各工況下，隨EGR率的增大，顆粒排放中核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度在各粒徑下有所減少，核模態(tài)顆粒排放數(shù)量速率和質(zhì)量速率有減少趨勢(shì)，且在最大扭矩轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷工況更加明顯；積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度在各粒徑下都增加，積聚態(tài)顆粒排放數(shù)量和質(zhì)量速率也都增加，且中負(fù)荷時(shí)更加明顯，而積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值粒徑基本沒有改變。隨EGR率的增大，總的超細(xì)顆粒排放數(shù)量速率在最大扭矩轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷工況減小，而其他工況都明顯增加。由于積聚態(tài)顆?？傎|(zhì)量濃度占超細(xì)顆?？傎|(zhì)量濃度比例達(dá)99%，所以超細(xì)顆粒排放質(zhì)量速率也都增加，幾何平均粒徑也都明顯增大。在低負(fù)荷較低EGR率和中負(fù)荷較大EGR率時(shí)，過高的噴油壓力都將使超細(xì)顆粒排放數(shù)量速率增加。

廢氣再循環(huán)； 噴油壓力； 顆粒； 柴油機(jī)

輕型車柴油機(jī)由于熱效率高，在歐洲已經(jīng)成功推廣，在中國(guó)也逐漸成為一種發(fā)展趨勢(shì)[1]。目前，中國(guó)和歐洲關(guān)于輕型車排放試驗(yàn)主要采用整車排放試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為NEDC(New European Driving Cycle)，與之對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況中，中低負(fù)荷工況所占比例較大。為此，現(xiàn)階段輕型柴油機(jī)一般不匹配低溫效率較低且成本較高的選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)，而多采用廢氣再循環(huán)(EGR)實(shí)現(xiàn)對(duì)NOx排放的控制。當(dāng)EGR組合如柴油氧化催化器(DOC)、柴油顆粒捕集器(DPF)等后處理系統(tǒng)后，將同時(shí)對(duì)炭煙顆粒和CO，HC等排放進(jìn)行有效控制，但對(duì)納米級(jí)超細(xì)顆粒排放凈化能力有限[2]。而超細(xì)顆粒更易在人體肺部沉積[3]，對(duì)人類健康危害更大[4]，且其排放數(shù)量濃度以及粒徑分布相對(duì)質(zhì)量濃度與危害程度的相關(guān)性更大，因此，新的機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)也都開始對(duì)汽車顆粒物粒子排放數(shù)量進(jìn)行限制。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了一些關(guān)于EGR對(duì)顆粒排放影響的研究，但大多是基于中重型柴油機(jī)較低燃油噴射壓力下開展的[5-8]。因此，需要開展EGR對(duì)較高噴射壓力的輕型柴油機(jī)的超細(xì)顆粒排放特性影響的研究。

在高負(fù)荷時(shí)，過大的EGR率(ηEGR)將導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性明顯變差，炭煙顆粒排放急劇增加，一般不使用EGR或者使用較低的EGR率[6,9]。因此，本研究重點(diǎn)針對(duì)在中低負(fù)荷工況下EGR對(duì)輕型柴油機(jī)超細(xì)顆粒排放的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為1臺(tái)2.5 L的高壓共軌廢氣渦輪增壓中冷輕型柴油機(jī)，直列4缸4氣門，其采用一套由一個(gè)氣動(dòng)控制蝶形節(jié)氣門和另一個(gè)氣動(dòng)控制蝶形EGR閥組成的低成本高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)[10]，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。試驗(yàn)燃料為國(guó)Ⅴ柴油。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

排放測(cè)試采用EEPS 3090發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣顆粒粒徑分析儀，其利用一個(gè)特殊充電系統(tǒng)和多級(jí)靜電計(jì)同時(shí)獲得所有粒子粒徑的信號(hào)，測(cè)試粒徑范圍為5.6～560 nm，主要包括兩種類型的顆粒：核模態(tài)和積聚態(tài)顆粒。核模態(tài)顆粒物一般指粒徑在3～30 nm的顆粒物，主要包括在尾氣稀釋和冷卻過程中，揮發(fā)性有機(jī)化合物和硫酸鹽因冷凝成核作用形成的顆粒，形式為固態(tài)顆?；蛘咝∫旱巍７e聚態(tài)顆粒物是粒徑在30～500 nm的顆粒物，主要包括在燃燒過程中形成的碳黑顆粒，也包括其表面吸附的一些揮發(fā)性物質(zhì)[11]。試驗(yàn)工況點(diǎn)分布及特性見表2。

表2 試驗(yàn)工況點(diǎn)分布及特性

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣特性的影響

圖1示出了不同EGR率對(duì)進(jìn)氣溫度和空燃比的影響。從圖中可以看出，隨著EGR率的增加，進(jìn)氣溫度明顯上升，而空燃比呈下降趨勢(shì)，且與EGR率有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。

圖2示出了不同EGR率對(duì)柴油機(jī)渦前排氣溫度的影響。從圖中可以看出，隨著EGR率的增加，排氣溫度呈明顯上升的趨勢(shì)。

2.2 超細(xì)顆粒數(shù)量濃度粒徑分布

圖3示出了EGR率對(duì)柴油機(jī)超細(xì)顆粒數(shù)量濃度粒徑分布的影響。從圖3中可以看出，隨EGR率的增大，各工況下的核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度有所減少，且在較高轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)的低負(fù)荷更加明顯；積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度在各粒徑下都有所增加，且在中等負(fù)荷時(shí)都比較明顯，但積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值粒徑基本沒有改變。在1 800 r/min的中負(fù)荷，對(duì)應(yīng)ηEGR為6%，12%，18%時(shí)，積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值相對(duì)ηEGR為0時(shí)分別增加了123.5%,186.3%,451.1%；而在2 200 r/min中等負(fù)荷時(shí)，對(duì)應(yīng)ηEGR為18%，23%，28%，積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值相對(duì)于ηEGR為12%時(shí)分別增加了76.3%，121.3%，237.3%。這主要是因?yàn)樵傺h(huán)廢氣增加后，空燃比減小，進(jìn)氣溫度增加，滯燃期變短，擴(kuò)散燃燒比例增大，化學(xué)反應(yīng)向生成炭煙顆粒的正向進(jìn)行，而新鮮空氣減小，廢氣量增加，使得炭煙顆粒氧化過程的反應(yīng)物之一氧分子濃度降低，生成物濃度增大，使得反應(yīng)向相反方向進(jìn)行，從而減少炭煙顆粒氧化，最終導(dǎo)致炭煙聚積而成的積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度增大。而核模態(tài)顆粒減少的原因可能是因?yàn)榕艢鉁囟仍黾?，使得大分子有機(jī)物冷凝作用減弱而揮發(fā)[12]，而更多地被吸附到積聚態(tài)炭煙顆粒上或者在燃燒后期在高溫環(huán)境下被氧化。

圖4示出了EGR與超細(xì)顆粒數(shù)量濃度粒徑分布相關(guān)性影響分析的結(jié)果。從圖中可以看出，超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度在一定粒徑范圍內(nèi)跟EGR率有很強(qiáng)的相關(guān)性。其中積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度在大部分粒徑范圍都與EGR率有很強(qiáng)的正相關(guān)性，在中負(fù)荷強(qiáng)正相關(guān)性粒徑范圍向著較大粒徑方向拓展，這主要是因?yàn)橹胸?fù)荷時(shí)，空燃比本身就較小，增大EGR率后，缸內(nèi)高溫富氧區(qū)域較多，更易形成較多的炭煙顆粒，聚積成更大的積聚態(tài)顆粒，同時(shí)氧氣濃度更低，炭煙顆粒的氧化過程也將減弱，導(dǎo)致較大積聚態(tài)顆粒數(shù)量的變化更加明顯。

2.3 超細(xì)顆粒排放總數(shù)量與總質(zhì)量速率

圖5和圖6分別示出了EGR率對(duì)柴油機(jī)超細(xì)顆粒排放數(shù)量速率和質(zhì)量速率的影響。

由圖5可見，中負(fù)荷相對(duì)低負(fù)荷，超細(xì)顆粒排放數(shù)量速率明顯增加。而相同負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速增大后，核模態(tài)顆粒和積聚態(tài)顆粒排放總數(shù)量速率都有所增加，總的超細(xì)顆粒排放數(shù)量速率也增大。

隨EGR率的增大，積聚態(tài)顆粒排放總數(shù)量速率在各工況下都增加，且在中負(fù)荷時(shí)更加明顯；核模態(tài)顆粒排放總數(shù)量速率基本不變，只有在2 200 r/min低負(fù)荷才明顯減?。怀?xì)顆粒排放總數(shù)量速率在2 200 r/min低負(fù)荷時(shí)，受核模態(tài)顆?？倲?shù)量濃度明顯減少和積聚態(tài)顆粒總數(shù)量濃度增加的相互作用呈先減少后增加趨勢(shì)，其中ηEGR為14%，20%，26%和33%時(shí)分別為1.02×1011個(gè)/s，7.41×1010個(gè)/s，6.41×1010個(gè)/s和6.81×1010個(gè)/s，相對(duì)于EGR率為8%時(shí)的1.41×1011個(gè)/s，分別減少了27.8%，47.4%，54.5%和51.6%?？梢娫诟咚俚拓?fù)荷時(shí)，較大的EGR率對(duì)于控制超細(xì)顆粒排放是有意義的。而在其他工況排放明顯增加，在中負(fù)荷時(shí)更加明顯。

從圖6可以看出，積聚態(tài)顆粒總質(zhì)量占超細(xì)顆?？傎|(zhì)量的比例在1 800 r/min和2 200 r/min的中低負(fù)荷分別達(dá)99.1%，99.6%，97.9%和99.4%，因此超細(xì)顆粒排放總質(zhì)量速率主要受積聚態(tài)顆粒排放總質(zhì)量速率的影響。相同轉(zhuǎn)速下，中負(fù)荷相對(duì)低負(fù)荷時(shí)，積聚態(tài)顆粒排放總質(zhì)量速率急劇增加，其中1 800 r/min時(shí)，中負(fù)荷相對(duì)低負(fù)荷時(shí)增加了11.2倍，而在2 200 r/min時(shí)，則增加了3.9倍，因此超細(xì)顆粒排放總質(zhì)量速率也急劇增加。隨著EGR率增大，超細(xì)顆粒排放總質(zhì)量速率在低負(fù)荷時(shí)基本不變或略有增加，而在中負(fù)荷時(shí)增加明顯。

2.4 超細(xì)顆粒幾何平均粒徑

圖7示出了不同EGR率對(duì)柴油機(jī)超細(xì)顆粒數(shù)量濃度幾何平均粒徑[13]的影響。由圖7可見，相同轉(zhuǎn)速下，中負(fù)荷時(shí)超細(xì)顆粒幾何平均粒徑相對(duì)低負(fù)荷明顯增大。隨著EGR率增加，超細(xì)顆粒的幾何平均粒徑呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)榉e聚態(tài)顆粒數(shù)量所占總超細(xì)顆粒數(shù)量比例逐漸增大。

2.5 不同EGR率下噴油壓力對(duì)超細(xì)顆粒數(shù)量濃度粒徑分布的影響

圖8示出了不同EGR率下噴油壓力對(duì)超細(xì)顆粒數(shù)量濃度粒徑分布的影響，噴油壓力分別為原機(jī)壓力和柴油機(jī)能達(dá)到的最高噴油壓力。

從圖8中可以看出，隨著噴油壓力的增大，核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且在低負(fù)荷較低EGR率時(shí)更加明顯。這主要是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)，缸內(nèi)富氧，噴油壓力增大后，柴油霧化效果增強(qiáng)，燃燒改善，富氧條件下炭煙顆粒生成減少，進(jìn)而其對(duì)半揮發(fā)性物質(zhì)的吸附減少，核態(tài)顆粒成核作用增強(qiáng)，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度也增加。而積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度隨著噴油壓力的增大，在低負(fù)荷和中負(fù)荷的小EGR率工況時(shí)略有減少，而在高負(fù)荷或者高EGR率下卻呈增加趨勢(shì)，且在更高轉(zhuǎn)速下愈加明顯。這主要是因?yàn)榭杖急容^小時(shí)，噴油壓力的改善導(dǎo)致柴油霧化成更小的顆粒，在富氧環(huán)境下生成較少的炭煙顆粒，而中負(fù)荷時(shí)在較大EGR率下，缸內(nèi)缺氧，空燃比成為炭煙顆粒生成的主導(dǎo)因素，這時(shí)柴油霧化更好將導(dǎo)致更多炭煙顆粒的生成，且在高速時(shí)，燃燒反應(yīng)時(shí)間變短，更易生成較多的炭煙顆粒。可見低負(fù)荷較低EGR率時(shí)和中負(fù)荷較大EGR率時(shí)[14]，過高的噴油壓力都將使得超細(xì)顆粒排放數(shù)量速率增加。

3 結(jié)論

a) EGR率增大后，進(jìn)氣溫度增加，空燃比減小，且相關(guān)性很強(qiáng)，排氣溫度也有所增加；

b) 各工況下，隨EGR率的增大，核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度有所減少，且在高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷下更加明顯；積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度在各粒徑下都有所增加，且中負(fù)荷時(shí)更明顯，積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值粒徑基本沒有改變；積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度在大部分粒徑范圍都與EGR率有很強(qiáng)的正相關(guān)性，在中負(fù)荷時(shí)，強(qiáng)正相關(guān)性的粒徑范圍向著較大粒徑范圍內(nèi)拓展；

c) 隨EGR率的增大，積聚態(tài)顆粒排放總數(shù)量和總質(zhì)量速率在各工況下都呈增加趨勢(shì)，且在中負(fù)荷時(shí)更明顯，核模態(tài)顆粒排放總數(shù)量和總質(zhì)量速率有減少趨勢(shì)，總的超細(xì)顆粒排放數(shù)量速率在最大扭矩轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷時(shí)先減小后增加，其他工況下都呈增加趨勢(shì)；積聚態(tài)顆粒排放總質(zhì)量在各工況下占超細(xì)顆?？傎|(zhì)量的比例達(dá)99%，所以超細(xì)顆粒排放總的質(zhì)量速率也都呈增加趨勢(shì)；隨EGR率的增大，幾何平均粒徑也都明顯增大；

d) 在低負(fù)荷較低EGR率時(shí)和中負(fù)荷較大EGR率時(shí)，過高的噴油壓力都將使超細(xì)顆粒排放數(shù)量速率增加。

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[編輯： 姜曉博]

Effects of EGR on Ultrafine Particulate Emission of Light-duty Diesel Engine

LOU Diming, XU Ning, TAN Piqiang, HU Zhiyuan

(School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804, China)

The effects of EGR on ultrafine particulate emission were researched at medium and low loads on a light-duty diesel engine with EGR. The results show that the number concentration of nuclear mode particulate in each size decreases, the emission number and mass velocity of nuclear mode particulate have a decrease trend and becomes more obvious at low load of maximum torque with the increase of EGR rate. The number concentration of accumulation mode particulate in each size increases, the emission number and mass velocity of accumulation mode particulate also increase and become more obvious at medium load, but the corresponding size of number concentration peak keeps the same. In addition, the total ultrafine particulate emission number velocity decreases at low load of maximum torque speed and obviously increases under other conditions with the increase of EGR rate. Due to 99% proportion of total mass for accumulation mode particulate in that of ultrafine particulate, the emission mass velocity and geometric mean size of ultrafine particulate increase. At lower EGR rate at low load and larger EGR rate at medium load, the higher injection pressure will lead to the increase of number concentration of ultrafine particulate.

exhaust gas recirculation(EGR); injection pressure; particulate; diesel engine

2016-03-13；

2016-05-23

國(guó)家“863”高科技研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA111720)

樓狄明(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化研究；loudiming@#edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.004

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0021-06