車用高壓共軌柴油機瞬態工況微粒排放粒度分布的分析*

杜家坤，孫萬臣，李 強，王曉丹，李國良,賴春杰

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；2.一汽大眾汽車有限公司，成都 611230)

前言

隨著世界汽車保有量的迅速增加，柴油機以其較高的熱效率、良好的燃油經濟性、輸出功率大等優點而得到迅速發展。與同排量汽油機相比，柴油機最高可節油30%，同時其氮氧化物(NOx)和微粒(PM)排放也受到人們的廣泛關注。柴油機PM成分極其復雜，含有多種致癌物質，對大氣環境和人類健康危害極大[1-2]。一般情況下，將PM分為普通微粒(粒徑>100nm)和超細微粒(粒徑<100nm)兩大類。超細微粒又分兩種形態：核態和積聚態。其中，核態微粒是指在柴油機的缸內燃燒過程中，以硫化物和燃燒過程中形成的固態碳顆粒為中心，吸附揮發性有機物凝聚形成的粒徑小于50nm的超細微粒；而積聚態微粒則是在PM凝聚階段，揮發性有機物進一步吸附、凝聚形成粒徑為50～100nm的超細微粒[3-5]。隨著排放法規的更加嚴格，越來越多的新技術逐漸在柴油機上得到應用。新技術的應用使微粒的生成與演化歷程、高溫反應熱力學和動力學及理化性質發生變化，燃燒生成的微粒粒徑更小，成分更為復雜，超細化程度更高，對環境及人體的危害更大。歐洲從EU-5b排放標準開始在對微粒質量排放量進行規定的同時對微粒排放的數量也進行了限制。因此，新一代高壓共軌柴油機超細微粒排放特性研究具有重要的現實意義。本文中基于自行設計的兩級排氣稀釋取樣系統對國IV標準高壓共軌柴油機穩態、瞬態工況下的微粒排放粒度分布特征進行了試驗研究，揭示了穩態及瞬態工況微粒排放粒度分布的特征及其差異性。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗發動機及試驗燃料

本文中采用高壓共軌、增壓中冷4缸直噴式車用柴油機進行試驗，排放指標達到國IV水平，該發動機燃燒室為縮口ω型，具有較好的動力性、經濟性和排放性，發動機的主要技術參數見表1。

表1 試驗柴油機主要參數

1.2 試驗主要儀器設備

1.2.1 瞬態工況測控系統

本文中基于普通電渦流測功機開發了瞬態工況測控系統，能夠滿足瞬態工況性能及排放數據實時、同步采集和存儲的要求，具有較高的控制和測量精度。試驗控制系統主要由高壓共軌柴油機、洛陽南峰CW160型測功機、發動機進氣中冷控制系統、AVL 439消光式煙度計和Horiba 7100DEGR排氣分析儀等組成。圖1為發動機測控系統結構簡圖。

試驗研究中，利用RBH8346高速A/D采集卡的多通道并行數據采集功能對發動機瞬態工況的轉速、轉矩、進氣量、燃料消耗量、消光煙度、進排氣壓力和溫度等數據進行實時采集、存儲；PM粒度分布測量采用美國TSI公司基于電荷遷移技術而設計的3090 EEPSTM發動機排氣粒徑儀進行；尾氣排放通過Horiba MEXA7100DEGR排氣分析儀進行測量，煙度測量采用AVL 439消光式煙度計。該系統可實現發動機單自由度參數變化瞬態工況的試驗研究，如恒轉速增轉矩(constant speed and increasing torque,CSIT)瞬態工況。

1.2.2 排氣微粒二級稀釋系統設計

試驗中，采用二級稀釋采樣系統對發動機排氣進行分流稀釋，可滿足粒度儀采樣條件及測量要求，圖2為稀釋系統結構簡圖。利用風泵向稀釋管道提供穩定流動的空氣，利用帶閥絕熱管將部分排氣引入第一級稀釋管道中，通過調節閥門開度，控制排氣量，將第一級稀釋比控制在20左右。第二級稀釋采用全流稀釋，初步稀釋后的排氣被全部引入二級稀釋管道中。在二級風后添加空氣閥，通過調節二級管道的空氣量控制第二級稀釋比，試驗中通過測量排氣管及稀釋風洞的CO2濃度確定風洞稀釋比，可實現風洞稀釋比的同步記錄。試驗測量表明，稀釋比控制在200～300之間均可滿足粒度儀的測量要求，對粒徑分布的測量結果幾乎沒有影響。

1.2.3 試驗方案

選取發動機最大轉矩點轉速1 800r/min下，不同負荷穩態及不同瞬變率瞬態工況進行試驗研究。試驗燃料采用含硫量為50×10-6的國IV柴油，探索高壓共軌柴油機微粒排放粒度分布的基本規律。表2和表3分別為穩態和瞬態工況試驗方案。

表2 穩態測試工況

表3 瞬態測試工況

2 試驗結果與分析

2.1 穩態工況下微粒排放粒度分布的特征

圖3為燃用國IV柴油發動機微粒排放的粒度分布，圖3(a)～圖3(d)分別為相同轉速不同當量比工況下微粒的數量濃度、表面積濃度、體積濃度和不同模態微粒數量濃度及比例。本文中定義核態微粒(<50nm)數量排放占總微粒數量排放的比例為核態微粒比例，超細微粒(<100nm)數量排放占總微粒數量排放的比例為超細微粒比例。由圖可見，排氣微粒大部分處于250nm以內，其中小于100nm的超細微粒占92%以上。對于穩態工況，隨負荷增加微粒平均數量濃度分布曲線峰值逐漸向大粒徑方向移動，中等負荷(當量比為0.4)預混合燃燒階段形成大量的核態微粒，同時由于氧濃度尚不至于造成擴散燃燒階段缸內整體缺氧，核態微粒向積聚態微粒的轉化率較低， 曲線峰值仍位于核態區域。大負荷工況(當量比分別為0.5和0.6)下，缸內氧濃度進一步降低，曲線峰值位于積聚態區域。表面積濃度和體積濃度分布變化趨勢與微粒數量濃度基本一致。從圖3(d)中看出，在中等負荷工況下(當量比為0.4)， 核態微粒較當量比為0.2的小負荷工況大幅度上升，數量濃度增加了1.25倍左右，核態微粒比例上升了約8.3個百分點。其主要原因是與小負荷工況相比，中等負荷工況下發動機缸內燃燒溫度高，氧濃度低，在預混合燃燒階段生成大量的核態微粒。大負荷工況(當量比分別為0.5和0.6)下，缸內氧濃度進一步降低，預混合燃燒階段生成的核態微粒在擴散燃燒階段大量向積聚態轉化，導致核態微粒數量減少，當量比為0.5和0.6大負荷工況的核態微粒比例均較當量比為0.4的工況顯著降低。

2.2 瞬態工況下微粒排放粒度分布的特征

圖4為燃用國IV柴油發動機瞬態工況下微粒粒度分布。本文中采用平均濃度對瞬態工況微粒數量排放進行評價，測試循環中單位時間內微粒排放的數量濃度即為平均濃度[6]。圖4(a)～圖4(d)分別為不同瞬變率工況下微粒的平均數量濃度、平均表面積濃度、平均體積濃度和各模態微粒平均數量濃度及比例。從圖中可見，瞬態工況下微粒粒度分布曲線呈單峰結構，平均數量濃度分布峰值位于核態區域，峰值區間為15～25nm；表面積濃度分布峰值向大粒徑方向移動，峰值區間為35～50nm；體積濃度分布峰值較表面積濃度更向大粒徑方向移動進入積聚態區域，峰值區間為50～100nm。但不同瞬變率的微粒平均數量、表面積和體積濃度分布沒有明顯的差別。5s、10s瞬態工況各模態微粒平均數量濃度及所占比例基本相同，核態微粒平均數量濃度及比例均較15s瞬態工況有較大幅度的上升，積聚態微粒濃度基本不變。其主要原因是發動機微粒生成條件為高溫、缺氧，瞬態工況的瞬變率越大，缸內各循環形成的混合氣越濃空燃比越小，燃燒溫度越低，兩者共同決定微粒的生成和粒度的分布。10s瞬態工況空燃比起主要作用，因此其微粒平均數量濃度較15s有較大幅度上升；5s瞬態工況由于燃燒溫度低，因此其各模態微粒平均數量濃度及所占比例與10s瞬態工況基本相同。

2.3 瞬態工況與穩態工況微粒排放粒度分布的差異

圖5為瞬態過程中當量比為0.5的循環工況與當量比為0.5的穩態工況微粒排放粒度分布對比。由圖可見，不同瞬態循環工況的微粒粒度分布曲線均為單峰結構，其微粒數量、表面積、體積濃度的核態部分均較穩態大幅度上升。瞬態循環的各模態微粒數量排放均高于穩態工況，但不同瞬變率下微粒濃度分布狀況的差別不大。只是，隨著瞬變率的增大，核態微粒數量濃度逐漸增加，積聚態微粒數量濃度逐漸下降。其主要原因是對于瞬變工況，上一小負荷循環所產生的排氣能量較小致使下一循環進氣滯后，導致進氣量不足，致使微粒數量濃度明顯上升。且瞬變率越大，缸內氧氣濃度越低，各瞬態循環內的滯燃期越長，期間形成的混合氣越多，在預混合燃燒階段生成的核態微粒越多；同時循環內的滯燃期越長其后期擴散燃燒期越短，微粒的凝聚時間越短，核態微粒向積聚態微粒的轉化率越低。

3 結論

(1) 國IV高壓共軌柴油機排氣微粒大部分處于250nm以內，超細微粒占絕大多數。對于穩態工況，隨負荷增加微粒平均數量濃度分布曲線峰值逐漸向大粒徑方向移動，大負荷工況下峰值位于積聚態區域。

(2) 在恒轉速增轉矩瞬態工況下，微粒粒度分布曲線呈單峰結構，平均數量濃度分布峰值位于核態區域，峰值區間為15～25nm；表面積濃度分布峰值區間為35～50nm；體積濃度分布峰值區間為50～100nm。

(3) 對于與穩態工況相同當量比的瞬態循環工況，其核態微粒的數量、表面積和體積濃度均較穩態工況大幅度上升；隨著瞬變率的增大核態微粒數量濃度逐漸增加，積聚態微粒數量濃度逐漸下降。

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