EGR率對生物柴油燃燒顆粒的影響

王 忠，何利娜，趙 洋，劉 帥，李瑞娜

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

柴油機(jī)排出的顆粒(PM)已成為大氣環(huán)境污染物的主要來源之一.顆粒中的可溶有機(jī)組分(SOF)中含有多種聚合多環(huán)碳?xì)浠衔?，其中多環(huán)芳香烴的硝基化合物具有較強(qiáng)的致癌性［1-2］.顆粒對人體健康的危害不僅取決于顆粒量的多少，還取決于其粒徑分布和形態(tài)［3］.隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格，不僅對柴油機(jī)排放顆粒質(zhì)量限制外，還增加了對顆粒個數(shù) PN(particular number)的限制要求［4］，“歐 V”第2階段標(biāo)準(zhǔn)就提出了汽車的顆粒物PN限值為6.0×1011［5-6］.廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)是降低柴油機(jī)NOx排放的有效方法之一，采用EGR的同時會導(dǎo)致缸內(nèi)的氧濃度降低，抑制對顆粒具有氧化作用的OH基生成，對顆粒排放產(chǎn)生不利影響［7］.

生物柴油(脂肪酸單酯)是甘油三酸酯與甲醇或乙醇進(jìn)行酯化反應(yīng)后的產(chǎn)物之一，在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，生物柴油可以獲得與柴油接近的動力性能，并且由于生物柴油含有約10%的氧，具有比柴油更好的耐EGR特性，燃燒時氧原子化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，形成活性含氧中間體，促進(jìn)化學(xué)基元反應(yīng)，減少了形成顆粒的前驅(qū)體物質(zhì)，能夠有效地降低柴油機(jī)的顆粒污染物.V.K.Shahir等［8］對生物柴油排放過程進(jìn)行了研究，提出了生物柴油可以導(dǎo)致顆粒物大量減少.A.Maiboom等［9-10］研究了EGR對顆粒SOF組分和粒徑的影響，結(jié)果表明:顆粒中的SOF占35% ～66%，EGR對SOF中的多環(huán)芳香烴(PAHs)有很大影響.

筆者在試驗研究的基礎(chǔ)上，考慮OH基對顆粒的氧化作用，將修正后的顆粒模型嵌入到FIRE程序內(nèi)，完善柴油機(jī)排放模型.通過改變進(jìn)氣成分，探討不同EGR率對柴油機(jī)燃用不同摻混比例生物柴油的顆粒排放、顆粒粒徑以及顆粒數(shù)的影響，為進(jìn)一步降低柴油機(jī)顆粒排放提供理論依據(jù).

1 顆粒排放模型

在顆粒排放模型中，目前應(yīng)用廣泛的是修正的廣安博之模型，它由廣安的生成模型和Nagel的氧化模型組成.在Nagel氧化模型中僅考慮氧氣的氧化作用，沒有考慮OH基對顆粒的氧化作用.因此在構(gòu)建新的顆粒模型時，保留原廣安顆粒生成模型，采用Tao Feng等［11］的氧化模型對Nagel的氧化模型進(jìn)行修正，即:

式中:ms為凈顆粒質(zhì)量;msf為生成的顆粒質(zhì)量;msO為由氧氣氧化的顆粒質(zhì)量;msOH為由OH基氧化的顆粒質(zhì)量;t為時間.

顆粒生成質(zhì)量速率為

式中:Af為前置系數(shù);p為缸內(nèi)壓力;T為缸內(nèi)溫度;Ef為顆粒形成的活化能;R為氣體常數(shù);mfv為燃油蒸汽質(zhì)量.

氧氣作用下的顆粒質(zhì)量氧化速率為

式中:Mwc為顆粒粒子的摩爾質(zhì)量;v1為反應(yīng)速率;ρs和Ds分別為顆粒密度和直徑.

類似氧氣對顆粒的氧化，用1個總包反應(yīng)來描述OH基對顆粒的氧化，OH基作用下的顆粒質(zhì)量氧化速率為

OH基作用下的氧化反應(yīng)速率為

式中:nOH和MOH分別為OH基的數(shù)密度和摩爾質(zhì)量;NA為Avogadro常數(shù);γOH為OH基與碳粒表面的碰撞效率，取值為 0.13［12］.

為敘述方便，將原顆粒模型簡稱為HNS模型，修正后的模型為HNSN模型.

2 模型驗證與邊界條件的確定

2.1 模型建立與邊界條件確立

在ESE-Diesel模塊中，設(shè)定網(wǎng)格尺寸，將周向劃分為25份.上止點時計算網(wǎng)格如圖1所示，所生成的網(wǎng)格模型包含網(wǎng)格單元為22 225個，網(wǎng)格節(jié)點為25 012個.計算從進(jìn)氣門關(guān)閉(上止點前135.5°，文中角度指曲軸轉(zhuǎn)角)開始到排氣門打開(上止點后124.5°)結(jié)束.噴霧燃燒階段的模擬步長設(shè)置為0.2°，其他階段步長設(shè)為1°或2°.初始?xì)飧讐毫蜏囟扔蓪崪y值確定.設(shè)置活塞頂面溫度為575 K，氣缸蓋下底面溫度為550 K，氣缸壁面溫度為475 K.

圖1 計算網(wǎng)格(上止點)

2.2 計算模型的驗證

2.2.1 燃燒過程的驗證

選擇最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速1 800 r·min-1，負(fù)荷100%計算工況.柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力、放熱率試驗值與模擬值的對比如圖2所示，試驗值與模擬值對比最大誤差不超過5%，該模型能較為準(zhǔn)確地模擬柴油機(jī)各個階段燃燒過程.

圖2 柴油機(jī)缸內(nèi)壓力及放熱率驗證

2.2.2 顆粒氧化模型及粒徑的驗證

試驗采用單缸直噴柴油機(jī)，缸徑為86 mm，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1，標(biāo)定功率為5.7 kW.在柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和供油提前角不做改動的條件下，選擇在最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速1 800 r·min-1，負(fù)荷為100%工況下，采用MOUDI(models 100 micro-orifice uniform deposit impactor)分級采樣裝置對顆粒進(jìn)行采集，MOUDI是基于空氣動力學(xué)直徑的微粒采集裝置，空氣動力學(xué)直徑是指單位密度的球體，在靜止空氣中作低雷諾數(shù)運動時，達(dá)到與實際粒子相同的最終沉降速度時直徑.其利用慣性將粒子分離.選擇單次采樣時間為30 min，共采集5次，采樣濾紙為MSP公司的φ=47 nm鋁箔濾紙，顆粒分級采樣裝置主要由沖擊器、壓差計和真空抽氣泵組成，柴油機(jī)排氣經(jīng)冷卻水箱冷卻后進(jìn)入沖擊器，依次撞擊沖擊器各個階層，通過沖擊器后，顆粒被分別捕捉到?jīng)_擊器不同階層的鋁箔上，分級采樣系統(tǒng)如圖3所示.顆粒排放驗證如圖4所示，與HNS模型相比(在 HNS模型和HNSN模型中，使用相同網(wǎng)格，計算條件相同)，由于HNSN模型考慮到OH基的氧化作用，對顆粒氧化模型進(jìn)行了修正，采用HNSN模型計算得到的顆粒排放量要低，在上止點后20°～25°范圍內(nèi)變化更明顯.試驗采集得到的柴油B0與生物柴油/柴油B50燃燒顆粒的電鏡掃描圖如圖5所示.

圖3 微粒分級采樣系統(tǒng)示意圖和裝置實物圖

圖4 顆粒排放驗證

圖5 實測顆粒形貌

將粒徑分為 40，60，80，100，120 nm 這 5 個級別，定義顆粒的平均粒徑為

式中:DM為顆粒平均粒徑;Di為第i級顆粒的粒徑;Ni為第i級顆粒個數(shù);N為顆?？倐€數(shù).

3 結(jié)果分析

3.1 EGR率對顆粒質(zhì)量濃度和粒徑的影響

計算了3種不同燃料(B0，B50，B100)在5種不同EGR 率(0，10%，20%，30%，40%)下的顆粒比排放和粒徑.EGR率對顆粒比排放和顆粒粒徑的影響如圖6所示.

圖6 EGR率對顆粒比排放和顆粒粒徑的影響

從圖6可以看出:生物柴油B100燃燒的顆粒比排放要低于柴油B0和B50，隨著EGR率升高，顆粒比排放呈迅速升高后降低的趨勢，在 EGR率為20%時達(dá)到峰值，EGR率從0到20%時，B0，B50，B100的顆粒比排放分別升高約53%，49%，47%;隨著EGR率的升高，3種燃料燃燒的顆粒平均粒徑均呈先升高后降低的趨勢，隨著EGR率和生物柴油摻混比的增大，燃燒顆粒粒徑分布發(fā)生由核態(tài)向聚集態(tài)再向核態(tài)的轉(zhuǎn)變，核態(tài)顆粒所占比重先減少后增加，聚集態(tài)顆粒先增加后減少.分析其原因:①柴油機(jī)復(fù)雜的非均質(zhì)燃燒特性，每個基本碳粒子的生成和氧化速率并非相同，在高溫富氧區(qū)微粒的氧化速率非常高，在低溫貧氧區(qū)相對較低，隨著EGR廢氣中的NO，HC，N2O和CO等組分與新鮮空氣一起進(jìn)入氣缸，加速了顆粒之間的碰撞、凝結(jié);②由于所用生物柴油的主要成分是油酸甲酯、亞油酸甲酯和棕櫚酸甲酯，而前2種分別含有1個和2個雙鍵，反應(yīng)時需要更高的活化能，可能會使初始的化學(xué)反應(yīng)速率降低，在燃燒過程中，需要較長時間完成氧化裂解及脫氫的過程，導(dǎo)致燃料在缸內(nèi)無法充分燃燒，排出的顆粒中含有較多的未燃有機(jī)物，黏性較大，基本粒子堆積嚴(yán)重，顆粒粒徑增大.

采用圖像統(tǒng)計法，由圖5得到B0和B50燃燒顆粒的平均粒徑為64，57 nm，與圖6中EGR率為25%時，平均粒徑59，55 nm較為接近，說明上述模型能夠較準(zhǔn)確地模擬顆粒的粒徑分布.

EGR率分別為0，20%，40%，上止點后60°時缸內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度分布分別如圖7-9所示，EGR率從0增加到20%，不僅顆粒的最高質(zhì)量濃度增加，而且顆粒的分布區(qū)域增加.這主要是因為引入廢氣，燃燒惡化，顆粒排放急速增加，又由于生物柴油具有自供氧能力，且不含芳香烴，能夠較好地抑制顆粒前驅(qū)體多環(huán)芳香烴的生成，從而使B100的顆粒排放較柴油和B50有所降低.隨著EGR率進(jìn)一步變大，著火滯燃期延長，燃油與空氣混合充分，缸內(nèi)燃燒溫度降低，達(dá)不到顆粒的生成條件，顆粒排放降低.另一方面，在顆粒形成之前，會生成大量的單質(zhì)碳粒，隨著EGR率的進(jìn)一步增大，CO2的含量也進(jìn)一步增加，這會導(dǎo)致CO2直接參與了與C的反應(yīng)，即CO2+C→2CO，從而使這些碳粒直接消耗掉，使顆粒排放降低.

圖7 EGR率為0，上止點后60°時缸內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度分布

圖8 EGR率為20%，上止點后60°時缸內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度分布

圖9 EGR率為40%，上止點后60°時缸內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度分布

3.2 EGR率對顆粒數(shù)的影響

計算模擬了3種不同燃料(B0，B50，B100)在5種不同EGR率(0，10%，20%，30%，40%)下的顆粒數(shù).B0，B50，B100燃料燃燒的總顆粒數(shù)、核態(tài)顆粒數(shù)和聚集態(tài)顆粒數(shù)隨EGR率的變化如圖10所示.

圖10 不同EGR下顆?？倲?shù)量分布

以50 nm為界限將顆粒分為核態(tài)和聚集態(tài)顆粒，燃料燃燒的核態(tài)顆粒數(shù)隨EGR率升高均呈先減少后增加的趨勢，在EGR率為20%時達(dá)到最大值.相同EGR率下，總體上核態(tài)顆粒數(shù)在顆粒總數(shù)中所占比例隨生物柴油摻混比的增加而增加.聚集態(tài)顆粒數(shù)隨EGR率升高呈先增加后減小的趨勢，相同EGR率下，與核態(tài)顆粒數(shù)的變化規(guī)律相反，總體上生物柴油摻混比越大，聚集態(tài)顆粒數(shù)越少.這主要是由于在較低的EGR率下，缸內(nèi)溫度較高，分子活性較強(qiáng)，增加了小顆粒的碰撞、凝結(jié)的機(jī)會，使聚集態(tài)的顆粒數(shù)增加.在相同EGR率下，由于該生物柴油的硫含量遠(yuǎn)低于試驗柴油的硫含量，因此，由硫化物導(dǎo)致的核態(tài)顆粒數(shù)變化未起到主導(dǎo)作用.由于生物柴油的黏度較高，生物柴油摻混比增加后，實際進(jìn)入缸內(nèi)的生物柴油增加，燃料的低揮發(fā)性、較高的黏度影響燃油霧化混合及燃燒過程，導(dǎo)致缸內(nèi)未燃或者未完全燃燒的燃油即未燃碳?xì)湓黾樱钥扇苡袡C(jī)組分SOF為主要成分的核態(tài)顆粒數(shù)上升.同時在生物柴油分子內(nèi)的氧作用下，有利于局部過濃混合區(qū)域的擴(kuò)散燃燒，可促進(jìn)己形成顆粒的氧化，降低了聚集態(tài)顆粒的數(shù)量，使部分大粒徑顆粒向小粒徑顆粒轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致核態(tài)顆粒數(shù)上升，與此同時，聚集態(tài)顆粒數(shù)減少后，其對揮發(fā)及半揮發(fā)性組分的吸附能力減弱，導(dǎo)致顆粒成核作用增強(qiáng)，也促使核態(tài)顆粒數(shù)目上升.

4 結(jié)論

1)建立了基于氧氣和OH基共同氧化的顆粒模型，計算結(jié)果與試驗結(jié)果較吻合.隨著EGR率的升高，B0，B50，B100燃料燃燒的顆粒排放呈迅速升高后降低的趨勢，缸內(nèi)顆粒的最高質(zhì)量濃度增加，顆粒分布區(qū)域增加.

2)隨著EGR率和生物柴油摻混比的增大，燃燒顆粒粒徑分布由核態(tài)向聚集態(tài)再向核態(tài)的轉(zhuǎn)變，核態(tài)顆粒數(shù)隨著EGR率升高先減小后增加.相同EGR率下，核態(tài)顆粒數(shù)在顆?？倲?shù)量中所占比例隨生物柴油摻混比的增加而增加，聚集態(tài)顆粒與核態(tài)顆粒的變化規(guī)律相反.

3)隨著EGR率增加，B0的顆粒比排放上升幅度較大，B50和B100的顆粒比排放曲線較為平坦，上升幅度較小，生物柴油結(jié)合EGR率可以較好地抑制顆粒的生成.

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