EGR废气组分和温度对柴油机颗粒力学特征的影响*

赵 洋，李铭迪，王志浩，许广举，袁银男，吴 斌

（1.常熟理工学院汽车工程学院，常熟 215500； 2.苏州大学计算机科学与技术学院，苏州 215006；3.苏州东菱振动试验仪器有限公司，苏州 215006）

前言

废气再循环（EGR）技术是降低柴油机NOx排放的重要措施之一，但采用EGR后，缸内空燃比和混合气氧浓度降低，促进了碳核颗粒的大量生成，会对柴油机的颗粒排放产生不利影响［1-2］。随着排放法规的日益严格，有必要进一步开展降低柴油机颗粒排放的研究。

柴油机采用EGR后，一方面燃烧产生的废气（主要包括N2，CO2等）进入气缸，对进入气缸的气体组分产生影响，改变了进气的热容值、稀释了混合气中的氧浓度并减缓了燃烧过程中的化学反应速率［3-4］；另一方面，由于引入气缸的废气温度不同，导致进气温度产生差异，在进气压力保持不变的情况下，随着EGR率增加，进气温度不断增加，受热节流作用的影响，进气量会有所减少，对柴油机的整个燃烧过程产生影响［5-6］。这些对燃烧过程的影响也改变了颗粒的生成环境，使颗粒受到周围环境中流场、电场、温度场等各种场中范德华力和液桥力等各种力的作用发生变化，导致颗粒的成核、生长、团聚、氧化等衍生过程进一步复杂化，形成具有不同微观力学性能的颗粒，并进一步对其在缸内的流动性、沉降速度、布朗运动、氧化过程等固体动力学特性和化学反应特性产生影响［7-10］。

围绕柴油机颗粒的微观力学性能，针对不同EGR废气组分和温度条件下产生的颗粒，采用颗粒粒径分析仪和原子力显微镜等分析手段，研究了颗粒粒径、数量和质量浓度的变化规律，探讨了EGR废气组分和温度对颗粒弹性模量、团聚力大小和主要作用形式等微观力学性能的影响，以期为进一步降低柴油机的颗粒排放、拓宽EGR的工况使用范围提供理论依据和相关基础数据。

1 试验设备与方案

1.1 颗粒采集与粒径测量

试验采用一台经过改装的单缸试验机，压缩比为19，标定转速为3 000 r／min，标定功率为6.3 kW。采用颗粒分级采样装置MOUDI（孔径为0.1～17.1 mm）对柴油机的排气颗粒进行采集，图1为试验系统示意图。

图1 试验系统示意图

颗粒采集过程中，柴油机转速稳定在2 000 r／min，功率为2.6 kW。在转速和功率固定的条件下，控制EGR冷却器中冷却水流量，调节EGR阀和惰性气罐阀门开度，控制进入气缸中N2和CO2的流量，利用稳压箱减少从惰性气罐中出来的高速、高压气体对管路内压力的影响。采用气体分析仪分别测量进气和排气中的CO2浓度，依照式（1）对EGR率进行控制。引入N2和CO2时，引入气体的控制依据与引入废气时相同。在相同EGR率（30%）下，分别对引入CO2，N2和EGR废气温度为298，373和423 K时的颗粒进行采集。采集开始前，需要调整进入冲击器的上下压差，对流量进行标定，采集过程中，在真空抽气泵的作用下，稀释后的柴油机排气以30 L／min的恒体积流量进入冲击器，每个工况的采样时间为20 min，采样滤纸为MSP公司的Φ=47 nm铝箔滤纸。

式中：Z为EGR率；X为进气CO2浓度；Y为排气CO2浓度。

颗粒粒径测量过程中，试验前需要使用经过滤的洁净空气进行稀释，本试验中采用两级稀释，第1级稀释系统采用TSI公司的旋转盘稀释器，对部分采集到的柴油机排气进行稀释，控制初级稀释系统的加热温度为120℃，稀释比为200∶1，该稀释比是通过改变旋转盘的旋转频率、两个旋转盘的空腔容积、调节稀释空气流量来实现；第2级稀释采用流量计对进气流量进行补偿，并同时进行稀释，稀释比为2.5∶1。

1.2 原子力显微镜

原子力显微镜（AFM）的主要原理是利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的微弱作用力（10-6～10-10N），即通过对微悬臂的弯曲变形进行测量，再将弯曲形变信号转换成光电信号并进行放大，从而获得样品表面形貌的信息，分辨率达到原子量级。

试验采用美国Bruker公司的Dimension Icon原子力显微镜，试验现场如图2所示。探针类型为NSG-10型单晶硅探针，针尖曲率半径约为10 nm，弹性系数（K c）范围为3.1～37.6 N／m。在Peak Force Tapping模式下测定样品的形貌，并记录力 位移曲线。为避免因制样过程操作不当，导致样品表面状态产生差异，影响数据的准确性，试验过程中，在每种颗粒样品上均随机选取10个点，每点重复测量3次力曲线，对分散性较大的试验结果，取所有数据的平均值；若仅有少数结果偏差较大，则将该数据点剔除，其余数据取平均值。

图2 原子力显微镜试验现场

2 结果分析

2.1 废气组分和温度对颗粒排放的影响

图3为IMEP为0.73 MPa，30%EGR时，废气组分对颗粒粒径、数量和质量浓度的影响。从图3（a）中可以看出，与引入废气时相比，只通入N2时的颗粒数量浓度峰值粒径向右偏移，粒径大于100 nm的颗粒数量逐渐增加，粒径小于100 nm的超细颗粒数量逐渐减少，只通入CO2时的颗粒数量浓度峰值向左偏移，粒径小于100 nm的超细颗粒数量增加明显，粒径大于100 nm的颗粒数量有较大幅度降低。

图3 EGR废气成分对颗粒粒径分布、数量和质量浓度的影响

核膜态颗粒物主要是指粒径小于50 nm的颗粒物，积聚态颗粒物是指粒径大于50 nm的颗粒物［11］。对比核模态（10～50 nm）和积聚态颗粒（50～500 nm）总数量和质量浓度，如图3（b）和图3（c）所示。可以看出，与引入废气时相比，通入N2时的核模态颗粒总数量和质量浓度有所降低，积聚态颗粒总数量和质量浓度有所增加，通入CO2时的核模态颗粒总数量和质量浓度增加明显，积聚态颗粒总数量和质量浓度有较大幅度降低。说明导致引入EGR后积聚态颗粒粒径增加，数量和质量浓度升高的主要气体成分为N2，CO2可以降低颗粒排放数量和质量浓度，主要是起到降低积聚态颗粒数量和质量浓度的作用。这主要是由于，虽然通入N2时的滞燃期与引入废气时相近，但由于N2的热容值较低，缸内最高燃烧温度较引入废气时高，在缸内氧浓度较低时，促进了碳核颗粒的生成和长大，导致颗粒粒径增大、数量和质量浓度升高。通入CO2时，一方面由于与废气相比，CO2的热容值较高，导致喷油时刻缸内混合气温度较低，对混合气的氧浓度起到一定稀释作用，使柴油的裂解氧化反应受阻，减缓了焰前反应、阻碍了着火的发生，着火后火焰扩展速率变慢，滞燃期延长，具有抑制颗粒生成的作用；另一方面Chu［12］和张全长等人［13］认为，高温情况下，在CO2化学效应作用下，可直接与C发生反应，对碳核颗粒具有较为强烈的氧化作用。在两方面因素综合影响下，降低了颗粒间发生碰撞凝并的概率，抑制了积聚态颗粒的形成。

图4为废气温度对颗粒粒径、数量和质量浓度的影响。从图4（a）中可以看出，随着废气温度升高，颗粒数量浓度峰值粒径向右偏移，粒径呈增加趋势。对比核模态和积聚态颗粒总数量浓度图4（b）可以看出，随着废气温度增加，核模态颗粒总数量浓度变化不大，积聚态颗粒总数量浓度有较大幅度增加，不同废气温度下颗粒的总质量分布也具有相同规律，如图4（c）所示。这主要是由于废气温度较高时，滞燃期较短，着火时刻局部当量比相对较高，缸内混合较差，为碳核的形成创造了条件，促进了碳核颗粒的大量生成，同时张军等［14］研究表明，在较高废气温度时，颗粒具有较高的生成速率，并且可以维持较长时间，从而增加了颗粒间发生碰撞凝并的概率。

图4 EGR废气温度对颗粒粒径分布、数量和质量浓度的影响

2.2 颗粒的弹性模量分析

弹性模量是反映物体力学性能的重要参数，仅取决于物体本身的物理性质。从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来看，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映［15］。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为物体的弹性模量。弹性模量越大，物体的结构刚性越强，越不容易发生形变。

为考察EGR废气组分和温度对颗粒结构刚性的影响，采用原子力显微镜对颗粒的纳米力学性能进行分析。在用AFM测定颗粒纳米力学性能的过程中，AFM针尖与颗粒样品顶端的接触示意图如图5所示，通过悬臂的偏转，针尖将力F施加到被测样品上。在颗粒纳米力学性能分析过程中，通常可采用Hertz理论、Johnson-Kendall-Roberts（JKR）理论和Derjaguin-Muller-Toporov（DMT）理论3种接触模型。Chizhik等［16］对比分析了采用Hertz和JKR等接触模型对聚合物样品模量计算结果的影响，指出当压痕深度小于200 nm时，Hertz接触模型能够得到较为稳定、准确的弹性模量计算值。

本文中计算过程选用Hertz模型对颗粒样品的弹性模量进行计算。计算过程中假设载荷F作用在颗粒样品的顶端（即样品仅受单向压力而发生压缩形变），忽略针尖与样品之间的粘附力和摩擦力，计算结果如表1所示。可以看出，随着EGR废气温度升高，颗粒的弹性模量值逐渐增大，说明分子之间键合强度增加，颗粒的结构刚性逐渐增强，不容易发生形变。与通入废气时相比，只通入CO2时的颗粒弹性模量值有较大幅度降低，只通入N2时的颗粒弹性模量值有所升高，说明废气中的CO2能够降低颗粒的结构刚性，废气温度增加和废气中的N2是导致采用EGR后，燃烧产生颗粒结构刚性增强的主要因素。

表1 柴油机颗粒样品的弹性模量计算

2.3 颗粒团聚力分析

柴油裂解燃烧形成的颗粒，在碰撞凝并作用下，颗粒与颗粒、颗粒与颗粒群或颗粒群与颗粒群之间逐渐团聚在一起，形成体积较大的颗粒群。颗粒的团聚过程是一个复杂的过程，该过程除了与颗粒的表面特性、粗糙度、颗粒形状、粒径以及环境温度和湿度等因素有关，还与颗粒之间的团聚力有较大影响。当颗粒间的距离缩短到一定程度时，对于超细颗粒或纳米级颗粒，颗粒之间会表现出远大于其自身重力的吸附力，如分子间作用力（范德华力）、静电力、毛细力（液桥力）等，通常将这些力称为团聚力。除此之外，在一些特殊条件下，如超高纯度或温度等，颗粒间还会出现一些其他界面现象作用，如接触融化、机械联锁、烧结效应等［17-18］。在不同条件下，颗粒间的团聚力均有各自的适用范围，范德华力主要出现在颗粒间距离小于100 nm时；静电力主要在颗粒接触前的数μm距离内起主要作用；由于颗粒表面含有较多的可溶有机物，当颗粒与颗粒发生接触后，可溶有机物会在颗粒之间形成液桥，此时，毛细力出现，并随着颗粒表面的可溶有机物含量增加而逐渐增大。

为进一步考察EGR废气组分和温度对颗粒微观力学性能的影响，分别对通入实际废气、N2和CO2时，燃烧产生的颗粒进行了AFM力曲线测量，如图5所示，探讨了颗粒间团聚力的变化规律。可以看出，通入N2时的颗粒团聚力约为21.2 nN，与通入实际废气时的颗粒团聚力相比变化不大；通入CO2时的颗粒团聚力约为8.2 nN，有较大幅度降低。Rong［19］和Jones［20］等人研究表明，纳米颗粒链聚集物之间的范德华力和液桥力预测值分别约为0.21～21.08 nN和4.5～9 nN。说明引入废气和N2时，颗粒间的团聚力主要以范德华力形成存在，引入CO2时，颗粒间的团聚力主要以液桥力形式存在，废气中的N2是导致颗粒团聚力增加的主要气体成分，引入EGR后，颗粒结构刚性增加主要是由于N2所占比例增加导致的，废气中的CO2可以显著降低颗粒间的团聚力。

图5 废气组分对颗粒团聚力的影响

引入EGR后，进气温度的改变会对柴油机燃烧过程产生影响，进而使燃烧产生的颗粒结构发生改变，通过对不同废气温度条件下产生颗粒的团聚力进行分析（如图6所示），有助于进一步解释引入EGR后，颗粒结构变化的原因。从图中可以看出，随着EGR废气温度升高，颗粒间的团聚力逐渐增加，分别约为6.2，12.4和18.3 nN，并且团聚力作用的主要形势由液桥力逐渐向范德华引力转变，但液桥力和范德华引力的变化较不同废气组分时的变化较小。这说明废气温度增加也是导致颗粒结构刚性增加的原因之一，但与废气组分相比，废气温度改变的作用较小。

图6 废气温度对颗粒团聚力的影响

3 结论

（1）随着EGR废气温度升高，核模态颗粒总数量浓度变化不大，积聚态颗粒总数量浓度有较大幅度增加，颗粒的总质量分布也具有相同规律。废气中的N2是导致采用EGR后积聚态颗粒粒径增加、数量和质量浓度升高的主要气体成分，废气中的CO2可以降低颗粒排放数量和质量浓度，主要是起到降低积聚态颗粒的作用。

（2）随着EGR废气温度升高，颗粒的弹性模量逐渐增大，说明分子之间键合强度增加，颗粒的结构刚性逐渐增强，不容易发生形变。与通入废气时相比，只通入CO2时的颗粒弹性模量有较大幅度降低，只通入N2时的颗粒弹性模量有所升高，说明废气中的CO2能够降低颗粒的结构刚性，废气温度增加和废气中的N2是导致采用EGR后，燃烧产生颗粒结构刚性增强的主要因素。

（3）引入废气和N2时，颗粒间的团聚力主要以范德华力形式存在，引入CO2时，颗粒间的团聚力主要以液桥力形式存在，引入EGR后，颗粒结构刚性增加主要是由于N2所占比例增加导致的，废气中的CO2可以显著降低颗粒间的团聚力。随着EGR废气温度升高，颗粒间的团聚力逐渐增加，团聚力作用的主要形势由液桥力逐渐向范德华引力转变。

（4）通过采用增压中冷技术以及适当增加EGR废气中的CO2组分含量，能够在一定程度上降低柴油机的颗粒物排放，拓宽EGR的工况使用范围。