车用高压共轨柴油机瞬态工况微粒排放粒度分布的分析*

杜家坤，孙万臣，李 强，王晓丹，李国良,赖春杰

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025；2.一汽大众汽车有限公司，成都 611230)

前言

随着世界汽车保有量的迅速增加，柴油机以其较高的热效率、良好的燃油经济性、输出功率大等优点而得到迅速发展。与同排量汽油机相比，柴油机最高可节油30%，同时其氮氧化物(NOx)和微粒(PM)排放也受到人们的广泛关注。柴油机PM成分极其复杂，含有多种致癌物质，对大气环境和人类健康危害极大[1-2]。一般情况下，将PM分为普通微粒(粒径>100nm)和超细微粒(粒径<100nm)两大类。超细微粒又分两种形态：核态和积聚态。其中，核态微粒是指在柴油机的缸内燃烧过程中，以硫化物和燃烧过程中形成的固态碳颗粒为中心，吸附挥发性有机物凝聚形成的粒径小于50nm的超细微粒；而积聚态微粒则是在PM凝聚阶段，挥发性有机物进一步吸附、凝聚形成粒径为50～100nm的超细微粒[3-5]。随着排放法规的更加严格，越来越多的新技术逐渐在柴油机上得到应用。新技术的应用使微粒的生成与演化历程、高温反应热力学和动力学及理化性质发生变化，燃烧生成的微粒粒径更小，成分更为复杂，超细化程度更高，对环境及人体的危害更大。欧洲从EU-5b排放标准开始在对微粒质量排放量进行规定的同时对微粒排放的数量也进行了限制。因此，新一代高压共轨柴油机超细微粒排放特性研究具有重要的现实意义。本文中基于自行设计的两级排气稀释取样系统对国IV标准高压共轨柴油机稳态、瞬态工况下的微粒排放粒度分布特征进行了试验研究，揭示了稳态及瞬态工况微粒排放粒度分布的特征及其差异性。

1 试验设备及方法

1.1 试验发动机及试验燃料

本文中采用高压共轨、增压中冷4缸直喷式车用柴油机进行试验，排放指标达到国IV水平，该发动机燃烧室为缩口ω型，具有较好的动力性、经济性和排放性，发动机的主要技术参数见表1。

表1 试验柴油机主要参数

1.2 试验主要仪器设备

1.2.1 瞬态工况测控系统

本文中基于普通电涡流测功机开发了瞬态工况测控系统，能够满足瞬态工况性能及排放数据实时、同步采集和存储的要求，具有较高的控制和测量精度。试验控制系统主要由高压共轨柴油机、洛阳南峰CW160型测功机、发动机进气中冷控制系统、AVL 439消光式烟度计和Horiba 7100DEGR排气分析仪等组成。图1为发动机测控系统结构简图。

试验研究中，利用RBH8346高速A/D采集卡的多通道并行数据采集功能对发动机瞬态工况的转速、转矩、进气量、燃料消耗量、消光烟度、进排气压力和温度等数据进行实时采集、存储；PM粒度分布测量采用美国TSI公司基于电荷迁移技术而设计的3090 EEPSTM发动机排气粒径仪进行；尾气排放通过Horiba MEXA7100DEGR排气分析仪进行测量，烟度测量采用AVL 439消光式烟度计。该系统可实现发动机单自由度参数变化瞬态工况的试验研究，如恒转速增转矩(constant speed and increasing torque,CSIT)瞬态工况。

1.2.2 排气微粒二级稀释系统设计

试验中，采用二级稀释采样系统对发动机排气进行分流稀释，可满足粒度仪采样条件及测量要求，图2为稀释系统结构简图。利用风泵向稀释管道提供稳定流动的空气，利用带阀绝热管将部分排气引入第一级稀释管道中，通过调节阀门开度，控制排气量，将第一级稀释比控制在20左右。第二级稀释采用全流稀释，初步稀释后的排气被全部引入二级稀释管道中。在二级风后添加空气阀，通过调节二级管道的空气量控制第二级稀释比，试验中通过测量排气管及稀释风洞的CO2浓度确定风洞稀释比，可实现风洞稀释比的同步记录。试验测量表明，稀释比控制在200～300之间均可满足粒度仪的测量要求，对粒径分布的测量结果几乎没有影响。

1.2.3 试验方案

选取发动机最大转矩点转速1 800r/min下，不同负荷稳态及不同瞬变率瞬态工况进行试验研究。试验燃料采用含硫量为50×10-6的国IV柴油，探索高压共轨柴油机微粒排放粒度分布的基本规律。表2和表3分别为稳态和瞬态工况试验方案。

表2 稳态测试工况

表3 瞬态测试工况

2 试验结果与分析

2.1 稳态工况下微粒排放粒度分布的特征

图3为燃用国IV柴油发动机微粒排放的粒度分布，图3(a)～图3(d)分别为相同转速不同当量比工况下微粒的数量浓度、表面积浓度、体积浓度和不同模态微粒数量浓度及比例。本文中定义核态微粒(<50nm)数量排放占总微粒数量排放的比例为核态微粒比例，超细微粒(<100nm)数量排放占总微粒数量排放的比例为超细微粒比例。由图可见，排气微粒大部分处于250nm以内，其中小于100nm的超细微粒占92%以上。对于稳态工况，随负荷增加微粒平均数量浓度分布曲线峰值逐渐向大粒径方向移动，中等负荷(当量比为0.4)预混合燃烧阶段形成大量的核态微粒，同时由于氧浓度尚不至于造成扩散燃烧阶段缸内整体缺氧，核态微粒向积聚态微粒的转化率较低， 曲线峰值仍位于核态区域。大负荷工况(当量比分别为0.5和0.6)下，缸内氧浓度进一步降低，曲线峰值位于积聚态区域。表面积浓度和体积浓度分布变化趋势与微粒数量浓度基本一致。从图3(d)中看出，在中等负荷工况下(当量比为0.4)， 核态微粒较当量比为0.2的小负荷工况大幅度上升，数量浓度增加了1.25倍左右，核态微粒比例上升了约8.3个百分点。其主要原因是与小负荷工况相比，中等负荷工况下发动机缸内燃烧温度高，氧浓度低，在预混合燃烧阶段生成大量的核态微粒。大负荷工况(当量比分别为0.5和0.6)下，缸内氧浓度进一步降低，预混合燃烧阶段生成的核态微粒在扩散燃烧阶段大量向积聚态转化，导致核态微粒数量减少，当量比为0.5和0.6大负荷工况的核态微粒比例均较当量比为0.4的工况显著降低。

2.2 瞬态工况下微粒排放粒度分布的特征

图4为燃用国IV柴油发动机瞬态工况下微粒粒度分布。本文中采用平均浓度对瞬态工况微粒数量排放进行评价，测试循环中单位时间内微粒排放的数量浓度即为平均浓度[6]。图4(a)～图4(d)分别为不同瞬变率工况下微粒的平均数量浓度、平均表面积浓度、平均体积浓度和各模态微粒平均数量浓度及比例。从图中可见，瞬态工况下微粒粒度分布曲线呈单峰结构，平均数量浓度分布峰值位于核态区域，峰值区间为15～25nm；表面积浓度分布峰值向大粒径方向移动，峰值区间为35～50nm；体积浓度分布峰值较表面积浓度更向大粒径方向移动进入积聚态区域，峰值区间为50～100nm。但不同瞬变率的微粒平均数量、表面积和体积浓度分布没有明显的差别。5s、10s瞬态工况各模态微粒平均数量浓度及所占比例基本相同，核态微粒平均数量浓度及比例均较15s瞬态工况有较大幅度的上升，积聚态微粒浓度基本不变。其主要原因是发动机微粒生成条件为高温、缺氧，瞬态工况的瞬变率越大，缸内各循环形成的混合气越浓空燃比越小，燃烧温度越低，两者共同决定微粒的生成和粒度的分布。10s瞬态工况空燃比起主要作用，因此其微粒平均数量浓度较15s有较大幅度上升；5s瞬态工况由于燃烧温度低，因此其各模态微粒平均数量浓度及所占比例与10s瞬态工况基本相同。

2.3 瞬态工况与稳态工况微粒排放粒度分布的差异

图5为瞬态过程中当量比为0.5的循环工况与当量比为0.5的稳态工况微粒排放粒度分布对比。由图可见，不同瞬态循环工况的微粒粒度分布曲线均为单峰结构，其微粒数量、表面积、体积浓度的核态部分均较稳态大幅度上升。瞬态循环的各模态微粒数量排放均高于稳态工况，但不同瞬变率下微粒浓度分布状况的差别不大。只是，随着瞬变率的增大，核态微粒数量浓度逐渐增加，积聚态微粒数量浓度逐渐下降。其主要原因是对于瞬变工况，上一小负荷循环所产生的排气能量较小致使下一循环进气滞后，导致进气量不足，致使微粒数量浓度明显上升。且瞬变率越大，缸内氧气浓度越低，各瞬态循环内的滞燃期越长，期间形成的混合气越多，在预混合燃烧阶段生成的核态微粒越多；同时循环内的滞燃期越长其后期扩散燃烧期越短，微粒的凝聚时间越短，核态微粒向积聚态微粒的转化率越低。

3 结论

(1) 国IV高压共轨柴油机排气微粒大部分处于250nm以内，超细微粒占绝大多数。对于稳态工况，随负荷增加微粒平均数量浓度分布曲线峰值逐渐向大粒径方向移动，大负荷工况下峰值位于积聚态区域。

(2) 在恒转速增转矩瞬态工况下，微粒粒度分布曲线呈单峰结构，平均数量浓度分布峰值位于核态区域，峰值区间为15～25nm；表面积浓度分布峰值区间为35～50nm；体积浓度分布峰值区间为50～100nm。

(3) 对于与稳态工况相同当量比的瞬态循环工况，其核态微粒的数量、表面积和体积浓度均较稳态工况大幅度上升；随着瞬变率的增大核态微粒数量浓度逐渐增加，积聚态微粒数量浓度逐渐下降。

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