喷油时刻对柴油机颗粒物排放特性的影响

杜宏飞　刘江唯　李佳星　窦慧莉　张程（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）



喷油时刻对柴油机颗粒物排放特性的影响

杜宏飞刘江唯李佳星窦慧莉张程
（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

【摘要】在两种喷射压力、不同喷射角度下利用TSI 3090 EEPS发动机排气粒径分析仪对一台单缸柴油机排气颗粒物数量浓度、质量浓度、表面积浓度、体积浓度的粒径分布特性进行研究。试验结果表明，随着喷油角度提前，颗粒物数量浓度、质量浓度、表面积浓度、体积浓度降低，粒径分布曲线峰值向小直径粒子方向偏移，核态粒子所占比例增加，积聚态粒子所占比例减少。并且随着喷射压力降低，颗粒物数量浓度、质量浓度、表面积浓度、体积浓度显著升高。

主题词：柴油机喷油时刻颗粒物排放特性

1　　前言

柴油机因动力大、效率高、燃油经济性好、适应性强和功率范围广等优点而被广泛应用于交通运输、工程机械等领域。目前，越来越多的乘用车也广泛以柴油机作动力源，小型客车也面临柴油机化趋势。但柴油机排出的大量有害物质也给环境带来严重污染，危害人类的健康［1］。

柴油机颗粒物排放为汽油机的30～100倍。颗粒物中的可溶性有机成分具有诱变作用，多环芳香性化合物更是具有致癌和促癌作用。并且柴油机排放微粒的粒径极小，大都属于亚微米级粒子和纳米级粒子［2］，排放后能长时间悬浮于大气中人类的呼吸高度范围内，危害极大，其中可吸入颗粒物（粒子直径＜100 nm）更严重影响呼吸系统［3］。柴油机颗粒物粒径通常分布在10～500 nm之间，其中包括核态（5～50 nm）、积聚态（50～1 000 nm）和粗粒态（大于1 000 nm）。越细小的颗粒物对人体的危害越严重［4、5］。

随着环境问题的日益突出以及法规加严，柴油机排放颗粒物的研究越来越受到广泛重视，颗粒物的粒径大小、粒径分布区间以及颗粒物数量成为学者关注的焦点，相关测量仪器也随之出现。常用的检测手段有亚微米气溶胶粒子电子分析仪（EAA）、冷凝核计数仪（CNC）、电子显微镜（TEM）等［6、7］。

本文基于发动机排气粒径分析仪对柴油机排气颗粒物的粒径分布特性进行研究，分析在不同喷油时刻颗粒物的数量浓度、质量浓度、表面积浓度和体积浓度的粒径分布。

2　　试验设备

2.1试验发动机及条件控制

试验发动机为一台单缸柴油机，是在6缸柴油机上改制而成，型号为CA6DL，具体参数如表1所列。为保证试验边界条件的一致性，分别采用冷却水外循环控制系统、机油外循环控制系统来实现冷却液及润滑油温度的稳定，试验时控制冷却液温度为85±3℃，机油温度为85±5℃。为了满足进气增压的要求，采用空气压缩机模拟进气增压系统，利用进气稳压罐保持进气压力稳定，并结合温度控制系统控制进气温度在30±3℃。试验台架装有电装公司高压共轨喷射系统，最大燃油喷射压力达200 MPa。由发动机电控单元控制燃油喷射压力和喷油角度。为保证各个工况喷油时刻的一致性，利用电流钳测量喷油器驱动信号，并将信号接入AVL公司生产的燃烧分析仪中，实现喷油角度在线同步监测。

表1　　试验用发动机参数

2.2微粒分析仪

试验采用美国TSI公司生产的3090 EEPS发动机排气粒径分析仪测量粒径分布、数量浓度、质量浓度、表面积浓度、体积浓度。柴油机排气经过1级稀释装置加热到设定温度，可根据需要选择80℃、120℃、150℃，本研究基于试验工况点，选择设定温度80℃。1级稀释系数可选择范围为6%～100%，在试验中设定为8%。然后经过2级稀释，稀释系数可选范围为1%～11%，在2级稀释过程中需要外界环境补充大气流量5 L∕min，系统采样流量10 L∕min，2级稀释系数为2%。最终由稀释系数和温度带入计算公式计算得出总稀释比为1 500。

试验前首先连接清洁过滤器对设备进行零点标定，在采样过程中稀释后的排气首先进入旋风分离器，去除较大的颗粒，然后进入测量单元进行分级计算。为保证结果的稳定性，试验过程中每个工况点设定采样时间为120 s，结果取平均值。

3　试验结果与分析

为了考察喷油时刻单一因素对颗粒物排放的影响，保持进气量和油耗量不变，在此基础上通过改变喷油时刻，得到不同试验规律。通过改变喷射压力，并保持相同油耗量和进气量，进一步分析在不同喷射压力下的规律性。

3.1数量浓度分布

图1为在喷油压力为200 MPa和160 MPa条件下不同喷油时刻排气颗粒物的数量浓度分布。

由图1a可知，粒子的数量浓度分布曲线呈双峰形态，且粒子主要分布在直径小于50 nm的核态范围内，只有小部分分布在积聚态范围。第1个数量浓度峰值出现在10 nm，第2个峰值出现在34 nm。随着喷油时刻提前，数量浓度降低，积聚态粒子数量减少，曲线整体分布向小直径粒子方向偏移。在喷油角度为上止点前0° 和2°时依然有双峰出现，随着喷油提前到上止点前6°，数量浓度曲线接近单峰分布，此时所有粒子均属于核态粒子，即粒子直径小于50 nm。

由图1b可以看出，喷油压力降低为160 MPa后，数量浓度曲线依然呈双峰分布，第1个浓度峰值依然出现在10 nm左右，第2个浓度峰值出现在45 nm左右。随着喷油角度提前，粒径分布向小粒子方向偏移。

对比图1a和图1b可知，随着喷油压力降低，粒子数量浓度显著增加，6～15 nm区间的粒子数量没有明显变化，15～80 nm之间的粒子数量显著增加。喷油角度提前到上止点前6°时，曲线接近单峰分布，并且向大粒子方向偏移。其原因为燃油燃烧生成大量的核态粒子，此时粒子的直径较小，随着燃烧反应的进行，这些核态粒子具有一定的吸附作用，燃烧过程中的多种中间产物会被吸附，从而形成积聚态粒子［8］。随着喷油角度提前，粒子在缸内的氧化时间增长，大量的核态粒子被氧化掉，由于吸附作用而形成的积聚态粒子也被氧化成较小的粒子。当喷油角度提前到上止点前6°时，接近所有的积聚态粒子都被氧化成核态粒子，粒径整体分布向着小粒子方向偏移。随着喷油压力降低，燃油的雾化效果减弱，缸内燃烧温度降低，粒子的氧化作用减弱，导致粒子数量大幅度增加［9］。

3.2质量浓度分布

图2为不同喷油时刻下颗粒物的质量浓度粒径分布。可以看出，颗粒物质量浓度粒径分布呈单峰形态，不同于数量浓度曲线的双峰分布。

从图2a可以看出，粒子质量浓度分布在20～100 nm之间。颗粒物的质量浓度随着喷油角度提前而降低，尤其在上止点前6°时质量浓度大幅度降低，随着喷油时刻提前，曲线峰值向小粒子方向偏移，小直径粒子质量浓度增加。

由图2b可以看出，随着喷油压力降低，颗粒物质量浓度大幅度增大，单峰分布形态没有改变。喷油时刻为上止点前6°时的颗粒物质量浓度与喷油压力200 MPa时的差别较小，其它喷油时刻下的浓度峰值差别明显。

随着喷油时刻提前，燃烧产生的颗粒物在缸内的时间延长，质量较大的粒子能够有充足的时间氧化成质量较小的粒子。颗粒物的质量浓度分布反映的是核态粒子与积聚态粒子质量变化的总和，从质量浓度分布曲线可以看出，在喷油压力为200 MPa时，核态粒子质量占有很大比例，喷油压力降低为160 MPa后，油束的雾化效果较弱，燃烧温度降低，导致颗粒物氧化作用减弱，质量浓度有大幅度增加，同时积聚态粒子比例增大［10］。

3.3表面积浓度分布

燃烧产生的颗粒具有一定的吸附作用，表面积越大，吸附作用越强，颗粒物的表面积浓度分布将影响质量浓度分布和体积浓度分布［11］。

图3所示为颗粒物表面积浓度粒径分布。可以看出，表面积浓度分布曲线依然呈现单峰形态，浓度峰值分布在60 nm左右。图3a为喷油压力为200 MPa时的分布曲线，粒子表面积浓度分布在10～100 nm之间；图3b为喷油压力160 MPa时的分布曲线，粒子表面积浓度分布在20～100 nm之间，粒子直径在10～20 nm之间的质量浓度有所增加。随着喷油时刻提前，峰值向左移动，峰值浓度显著降低。随着喷油压力降低，粒子的表面积浓度显著增加，只有在喷时刻度为上止点前6°时喷油压力对粒子表面积浓度影响较小。喷油提前角超过上止点前6°以后，喷油压力对粒子浓度分布影响较小，但是在喷油角度小于上止点前6°时，降低喷油压力直接影响雾化质量，进而影响燃烧过程，导致燃烧温度降低，燃烧过程中凝聚和吸附的硫酸或HC氧化效果减弱，导致颗粒物表面积浓度增加［12］。

3.4体积浓度分布

图4所示为在不同喷射压力下颗粒物的体积浓度分布曲线。对比图4a和图4b可知，两种条件下存在共同的规律，即随着喷油时刻提前，曲线向小粒子方向偏移，浓度峰值出现在60 nm左右，上止点前6°时的体积浓度相对于其它角度时有明显降低；随着喷油压力降低，粒子体积浓度显著升高；粒径分布区间无明显变化，两种条件下粒径分布在20～110 nm之间；喷油压力对于粒径体积浓度分布的影响规律与前述一致，即随着喷油压力降低，浓度峰值显著升高，曲线向大粒子方向偏移，积聚态粒子比例有所增加。

4　　结束语

a.在喷油压力为200 MPa、160 MPa条件下，柴油机颗粒物数量浓度粒径分布呈双峰分布，第1个峰值出现在10 nm，第2个峰值出现在34～45 nm；质量浓度、表面积浓度、体积浓度粒径分布都呈现单峰分布，峰值出现在60 nm左右。

b.在两种喷油压力下，随着喷油时刻提前，粒子数量浓度、质量浓度、表面积浓度、体积浓度降低，尤其在喷油时刻为上止点前6°时，颗粒物的这4种浓度降低明显。

c.在相同喷油时刻下，随着喷油压力降低，粒子数量浓度、质量浓度、表面积浓度、体积浓度显著升高；但是当喷时刻度为上止点前6°时，喷油压力对于粒子数量浓度、质量浓度、表面积浓度、体积浓度的影响不明显。

d.随着喷油时刻的提前，各浓度曲线向小直径粒子方向偏移，核态粒子比例增加，积聚态粒子比例减少。

参考文献

1Frank Ziegler，Wolfgang Winkler，Zhan Zhangsong，et al. PM Emissions from Light-Duty Diesel Vehicles Retrofitted with Diesel Particulate Filters.SAE Paper 2010-01-0788.

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4Renlin Zhang，Kevin Szeto，Sanghoon Kook.Size Distribution and Structure of Wall-Deposited Soot Particles in an Automotive-Size Diesel Engine.SAE Paper 2013-01-2534.

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8李新令，黄震，王嘉松.柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特性试验研究.内燃机学报，2007，25（2）：113～117.

9Kavtaradze R，Zelentsov A，Gladyshev S，et al.Heat Insulating Effect of Soot Deposit on Local Transient Heat Transfer in Diesel Engine Combustion Chamber.SAE Paper 2012-01-1217.

10Kolodziej C，Wirojsakunchai E，Foster D，et al.Comprehensive Characterization of Particulate Emissions from Advanced Diesel Combustion.SAE Paper 2007-01-1945.

11Wong C P，Chan T L，Leung C W.Characterisation of diesel exhaust particle number and size distributions using mini-dilution tunnel and ejector-diluter measurement techniques.Atmos Environ，2003，37（31）：4435～4446.

12Tan Piqiang，Lou Diming，Hu Zhiyuan.Nucleation Mode Particle Emissions from a Diesel Engine with Biodiesel and Petroleum Diesel Fuels.SAE Paper 2010-01-0787.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2015年12月1日。

中图分类号：U464.11

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）06-0037-04

Effect of Injection Timing on Diesel Engine Particle Emission Performance

Du Hongfei，Liu Jiangwei，Li Jiaxing，Dou Huili，Zhang Cheng
（China FAW Co.，Ltd.R&D Center，Changchun 130011）

【Abstract】Particle size distribution property of number concentration，mass concentration，surface area concentration，volume concentration of emission particle from a single-cylinder diesel engine is researched with TSI 3090 EEPS（Engine Emission Particle Size）analyzer under two injection pressures and different injection angles.The results indicate that the number concentration，mass concentration，surface area concentration，volume concentration decrease with the increase of injection timing.Peak value of particle size distribution curve shifts to the smaller diameter particle，and the proportion of nuclei mode particle increases，whereas the proportion of accumulation state particle decreases.And with the decrease of injection pressure，number concentration，mass concentration，surface area concentration，volume concentration of emission particle increase dramatically.

Key words:Diesel engine，Injection timing，Particle，Emission performance