EGR對輕型柴油機超細顆粒排放的影響

樓狄明， 徐寧， 譚丕強， 胡志遠

(同濟大學， 上海 201804)

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·性能研究·

EGR對輕型柴油機超細顆粒排放的影響

樓狄明， 徐寧， 譚丕強， 胡志遠

(同濟大學， 上海 201804)

基于1臺匹配廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)的輕型柴油機，在中低負荷下研究了EGR對發(fā)動機超細顆粒排放的影響。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，且在最大扭矩轉速的低負荷工況更加明顯；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，且中負荷時更加明顯，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，總的超細顆粒排放數(shù)量速率在最大扭矩轉速的低負荷工況減小，而其他工況都明顯增加。由于積聚態(tài)顆?？傎|(zhì)量濃度占超細顆粒總質(zhì)量濃度比例達99%，所以超細顆粒排放質(zhì)量速率也都增加，幾何平均粒徑也都明顯增大。在低負荷較低EGR率和中負荷較大EGR率時，過高的噴油壓力都將使超細顆粒排放數(shù)量速率增加。

廢氣再循環(huán)； 噴油壓力； 顆粒； 柴油機

輕型車柴油機由于熱效率高，在歐洲已經(jīng)成功推廣，在中國也逐漸成為一種發(fā)展趨勢[1]。目前，中國和歐洲關于輕型車排放試驗主要采用整車排放試驗，試驗工況為NEDC(New European Driving Cycle)，與之對應的發(fā)動機工況中，中低負荷工況所占比例較大。為此，現(xiàn)階段輕型柴油機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)實現(xiàn)對NOx排放的控制。當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，將同時對炭煙顆粒和CO，HC等排放進行有效控制，但對納米級超細顆粒排放凈化能力有限[2]。而超細顆粒更易在人體肺部沉積[3]，對人類健康危害更大[4]，且其排放數(shù)量濃度以及粒徑分布相對質(zhì)量濃度與危害程度的相關性更大，因此，新的機動車排放標準也都開始對汽車顆粒物粒子排放數(shù)量進行限制。國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些關于EGR對顆粒排放影響的研究，但大多是基于中重型柴油機較低燃油噴射壓力下開展的[5-8]。因此，需要開展EGR對較高噴射壓力的輕型柴油機的超細顆粒排放特性影響的研究。

在高負荷時，過大的EGR率(ηEGR)將導致柴油機動力性、經(jīng)濟性明顯變差，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，本研究重點針對在中低負荷工況下EGR對輕型柴油機超細顆粒排放的影響。

1 試驗設備及方案

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

表1 柴油機主要參數(shù)

排放測試采用EEPS 3090發(fā)動機廢氣顆粒粒徑分析儀，其利用一個特殊充電系統(tǒng)和多級靜電計同時獲得所有粒子粒徑的信號，測試粒徑范圍為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?。積聚態(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]。試驗工況點分布及特性見表2。

表2 試驗工況點分布及特性

2 試驗結果及分析

2.1 EGR對發(fā)動機進排氣特性的影響

圖1示出了不同EGR率對進氣溫度和空燃比的影響。從圖中可以看出，隨著EGR率的增加，進氣溫度明顯上升，而空燃比呈下降趨勢，且與EGR率有很強的線性相關性。

圖2示出了不同EGR率對柴油機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。

2.2 超細顆粒數(shù)量濃度粒徑分布

圖3示出了EGR率對柴油機超細顆粒數(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，且在較高轉速2 200 r/min時的低負荷更加明顯；積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度在各粒徑下都有所增加，且在中等負荷時都比較明顯，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的中負荷，對應ηEGR為6%，12%，18%時，積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值相對ηEGR為0時分別增加了123.5%,186.3%,451.1%；而在2 200 r/min中等負荷時，對應ηEGR為18%，23%，28%，積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度峰值相對于ηEGR為12%時分別增加了76.3%，121.3%，237.3%。這主要是因為再循環(huán)廢氣增加后，空燃比減小，進氣溫度增加，滯燃期變短，擴散燃燒比例增大，化學反應向生成炭煙顆粒的正向進行，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物之一氧分子濃度降低，生成物濃度增大，使得反應向相反方向進行，從而減少炭煙顆粒氧化，最終導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為排氣溫度增加，使得大分子有機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與超細顆粒數(shù)量濃度粒徑分布相關性影響分析的結果。從圖中可以看出，超細顆粒排放數(shù)量濃度在一定粒徑范圍內(nèi)跟EGR率有很強的相關性。其中積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度在大部分粒徑范圍都與EGR率有很強的正相關性，在中負荷強正相關性粒徑范圍向著較大粒徑方向拓展，這主要是因為中負荷時，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，同時氧氣濃度更低，炭煙顆粒的氧化過程也將減弱，導致較大積聚態(tài)顆粒數(shù)量的變化更加明顯。

2.3 超細顆粒排放總數(shù)量與總質(zhì)量速率

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

由圖5可見，中負荷相對低負荷，超細顆粒排放數(shù)量速率明顯增加。而相同負荷時，轉速增大后，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，且在中負荷時更加明顯；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低負荷才明顯減小；超細顆粒排放總數(shù)量速率在2 200 r/min低負荷時，受核模態(tài)顆粒總數(shù)量濃度明顯減少和積聚態(tài)顆?？倲?shù)量濃度增加的相互作用呈先減少后增加趨勢，其中ηEGR為14%，20%，26%和33%時分別為1.02×1011個/s，7.41×1010個/s，6.41×1010個/s和6.81×1010個/s，相對于EGR率為8%時的1.41×1011個/s，分別減少了27.8%，47.4%，54.5%和51.6%?？梢娫诟咚俚拓摵蓵r，較大的EGR率對于控制超細顆粒排放是有意義的。而在其他工況排放明顯增加，在中負荷時更加明顯。

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

2.4 超細顆粒幾何平均粒徑

圖7示出了不同EGR率對柴油機超細顆粒數(shù)量濃度幾何平均粒徑[13]的影響。由圖7可見，相同轉速下，中負荷時超細顆粒幾何平均粒徑相對低負荷明顯增大。隨著EGR率增加，超細顆粒的幾何平均粒徑呈增大趨勢。這是因為積聚態(tài)顆粒數(shù)量所占總超細顆粒數(shù)量比例逐漸增大。

2.5 不同EGR率下噴油壓力對超細顆粒數(shù)量濃度粒徑分布的影響

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

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，且在低負荷較低EGR率時更加明顯。這主要是因為低負荷時，缸內(nèi)富氧，噴油壓力增大后，柴油霧化效果增強，燃燒改善，富氧條件下炭煙顆粒生成減少，進而其對半揮發(fā)性物質(zhì)的吸附減少，核態(tài)顆粒成核作用增強，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，在低負荷和中負荷的小EGR率工況時略有減少，而在高負荷或者高EGR率下卻呈增加趨勢，且在更高轉速下愈加明顯。這主要是因為空燃比較小時，噴油壓力的改善導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，而中負荷時在較大EGR率下，缸內(nèi)缺氧，空燃比成為炭煙顆粒生成的主導因素，這時柴油霧化更好將導致更多炭煙顆粒的生成，且在高速時，燃燒反應時間變短，更易生成較多的炭煙顆粒?？梢姷拓摵奢^低EGR率時和中負荷較大EGR率時[14]，過高的噴油壓力都將使得超細顆粒排放數(shù)量速率增加。

3 結論

a) EGR率增大后，進氣溫度增加，空燃比減小，且相關性很強，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，且在高轉速低負荷下更加明顯；積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度在各粒徑下都有所增加，且中負荷時更明顯，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率有很強的正相關性，在中負荷時，強正相關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，且在中負荷時更明顯，核模態(tài)顆粒排放總數(shù)量和總質(zhì)量速率有減少趨勢，總的超細顆粒排放數(shù)量速率在最大扭矩轉速的低負荷時先減小后增加，其他工況下都呈增加趨勢；積聚態(tài)顆粒排放總質(zhì)量在各工況下占超細顆?？傎|(zhì)量的比例達99%，所以超細顆粒排放總的質(zhì)量速率也都呈增加趨勢；隨EGR率的增大，幾何平均粒徑也都明顯增大；

d) 在低負荷較低EGR率時和中負荷較大EGR率時，過高的噴油壓力都將使超細顆粒排放數(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

國家“863”高科技研究發(fā)展計劃(2012AA111720)

樓狄明(1963—)，男，教授，博士生導師，博士，主要研究方向為柴油機的結構設計與性能優(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