EGR率对生物柴油调合燃料排放颗粒微观结构的影响分析

冯伟杰　瞿磊　谢纬安　李守娟

摘 要：为深入探究燃料性质与燃烧环境改变对柴油机颗粒微观结构的影响，以不同EGR率条件下分别燃用柴油（B0）、生物柴油调合燃料（B50）的排放颗粒为研究对象，运用透射电镜测试技术结合分形理论，对颗粒基本碳粒子的微观结构参数、颗粒团聚体的形貌特征、团簇程度等进行测量与分析，结果表明，柴油中掺混生物柴油，导致基本碳粒子的层面间距、弯曲度减小，微晶尺寸略有增加;而引入EGR后，基本碳粒子的层面间距、弯曲度随EGR率的增加而增大，微晶尺寸逐渐减小。柴油中掺混生物柴油，颗粒间的团簇程度更加紧密;而EGR的引入会导致颗粒间的团簇程度减弱，使颗粒团聚体结构变得松散。

关键词：柴油机 生物柴油调合燃料 废气再循环 颗粒 微观结构

Effect of EGR Rate on Microstructure of PM Emitted from Biodiesel Blended Fuel

Feng Weijie Qu Lei Xie Weian Li Shoujuan

Abstract：To further explore the influence of fuel properties and combustion environment on the Microstructure of PM for diesel engine， PM of diesel and biodiesel blended fuel under different EGR rates were studied. By using TEM technology， combined with fractal theory， the microstructure parameters of basic carbon particles， the morphology characteristics of particle aggregates and the degree of clusters were measured and analyzed. The results showed that when biodiesel was blended into diesel， the fringe separation distance and tortuosity of basic carbon particles decreased， and the fringe length increased slightly. However， with the increase of EGR rate， the fringe separation distance and tortuosity of basic carbon particles increased， and the fringe length decreased. When biodiesel was blended into diesel， the degree of clusters between PM was closer， while the introduction of EGR would weaken the degree of clusters between PM and made the structure of PM become looser.

Key words：diesel engine， biodiesel blend fuels， exhaust gas recirculation， particulate matter， microstructure

1 引言

柴油機作为汽车、农业机械、工程机械的主要动力机构，消耗了大量的石油资源，排出的氮氧化合物（NO_x）、颗粒（PM，Particulate matter）等污染物是形成雾霾的主要原因之一，尤其是排放的颗粒，我国汽车第五阶段排放标准，除了限制柴油机排放颗粒的质量外，对排放颗粒的个数（PN，particulate number）也提出了限制要求^[1]。生物柴油作为一种优质的柴油替代燃料，能有效降低排放颗粒的质量，但有研究发现，在柴油中掺混生物柴油，会导致柴油机NO_x排放有所升高，而废气再循环技术（EGR，Exhaust gas recirculation）能够很好地抑制柴油机NO_x排放，但同时会引起排放颗粒质量的增加，且大EGR率条件下的聚积态颗粒数量明显增多^[2]。柴油机排放颗粒的微观结构特征与燃料性质、燃烧环境密切相关。在柴油中添加生物柴油形成生物柴油调合燃料，改变了燃料的成分与理化性质;采用EGR技术，将部分废气重新引入气缸参与燃烧，改变了燃烧环境，这些改变都会影响颗粒的形成，对颗粒的几何特征及微观结构产生较大影响。

颗粒的形貌与微观结构可以借助于透射电镜等试验仪器进行研究。美国Wall等学者^[3]采用透射电镜研究了不同燃料燃烧形成的颗粒纳观结构，结果表明，燃烧乙炔形成的颗粒主要由相互平行的碳微晶组成，燃烧苯形成的颗粒主要由长度较短的碳微晶组成，燃烧乙醇形成的颗粒主要由弯曲的碳微晶组成。上海交通大学李铁等学者[4]借助于透射电镜，研究了柴油喷雾燃烧时形成的颗粒形貌与纳观结构特征，结果表明，当环境氧体积分数由21%降低至15%，颗粒团聚物紧密程度降低，颗粒的平均直径和团聚物的回转半径增加，平均微晶尺寸减小，弯曲度增加，颗粒的石墨化程度降低。

为深入研究EGR率对生物柴油调合燃料排放颗粒微观结构的影响，运用透射电镜测试技术结合分形理论，对颗粒基本碳粒子的微观结构参数、颗粒团聚体的形貌特征、团聚程度等进行测量与分析，探讨EGR率对生物柴油调合燃料排放颗粒的结构特征演变规律，以期为提出进一步降低柴油机排放颗粒质量和数量的方法和措施提供参考依据。

2 柴油机颗粒采样与测试设备

2.1 颗粒采样

试验是在一台改造的单缸试验柴油机上进行，其技术参数：缸径为86mm，行程为70mm，压缩比为19。试验燃料为常规0#柴油和生物柴油，将0#柴油命名为B0，以B0为基础油，添加体积百分比为50%的生物柴油，配制成生物柴油调合燃料B50。在柴油机转速为2000r/min、50%负荷时，分别燃用B0、B50，在EGR率为0、15%、30%条件下稳定运行30min。在柴油机排气管某一固定位置，采用颗粒分级采样装置收集上述工况下的柴油机颗粒并密封保存。台架试验装置如图1所示。依据生物柴油掺混比与EGR率的不同，将采集的颗粒分别命名为B0EGR0、B0EGR15%、B0EGR30%、B50EGR0、B50EGR15%、B50EGR30%。

2.2 颗粒微观结构测试设备

采用场发射透射电子显微镜对颗粒团聚体及基本碳粒子的形貌及纳观结构进行拍摄。所用透射电镜的点分辨率为0.24nm，晶格分辨率为0.14nm，倾斜角为±35°，高倍模式下的放大倍数范围为2～1.5×103k。试验时，利用乙醇溶液溶解颗粒表面的可溶有机物，从制备好的颗粒乙醇溶液中提取一滴溶液置于铜网上，并在烤灯下烘干后进行TEM测试。测试设备实物如图2所示。

3 试验结果与分析

3.1 基本碳粒子形貌及结构特征

采用场发射透射电子显微镜对颗粒团聚体进行局部高倍放大，获得基本碳粒子的纳观形貌。通过对所获得图像进行处理与计算，得到反映基本碳粒子结构的层面间距（d）、微晶尺寸（L_a）、弯曲度（k）三个特征参数，其中弯曲度（k）为微晶尺寸（La）与微晶碳层中两端像素点间直线距离（L_b）之商，d、La、k在基本碳粒子纳观结构层的表示方法如图3所示。

3.1.1 基本碳粒子形貌

基本碳粒子放大150万倍的TEM图像如表1所示，可以看出，不同EGR率条件下分别燃用B0、B50颗粒基本碳粒子的纳观结构基本相似，整体呈现指纹状球形结构，主要包含内核与外核两个部分，内核为无定形的微晶碳层结构，属于非晶态结构，中心区域表现为不规则排列的碳层结构;外壳为规则的、层次清晰的石墨微晶结构^[5]。对比同一工况下分别燃用B0、B50的颗粒基本碳粒子，可以看出，掺混生物柴油后，形成的内核尺寸减小且数量逐渐增多。燃用同一燃料时，随EGR率的增加，形成的内核微晶碳层结构更加无序，内核与外壳的边界层逐渐模糊。

3.1.2 基本碳粒子结构参数

（1）层面间距

不同EGR率条件下分别燃用B0、B50的颗粒基本碳粒子層面间距分布及平均层面间距如图4所示，可以看出，基本碳粒子的层面间距主要集中在0.37～0.44nm范围内。对比相同EGR率条件下分别燃用B0、B50的基本碳粒子层面间距分布情况，掺混生物柴油后，基本碳粒子层面间距向较小方向移动;EGR率为0时，与燃用B0相比，燃用B50生成的颗粒基本碳粒子的平均层面间距减小了8.0%。燃用同一燃料，随EGR率的增加，层面间距向较大方向移动，平均层面间距有所增大;燃用B0时，与EGR率为0相比，EGR率为30%形成的基本碳粒子平均层面间距增加了6%;燃用B50时增加了7.3%。

（2）微晶尺寸

不同条件下形成的基本碳粒子微晶尺寸分布及平均微晶尺寸如图5所示。基本碳粒子的微晶尺寸集中分布在2nm以内，并在1.25nm附近所占比例最高。对比同一EGR率条件下分别燃用B0、B50的颗粒基本碳粒子，平均微晶尺寸略有增加，与B0EGR0相比，B50EGR0颗粒基本碳粒子的平均微晶尺寸增加了5.4%，表明柴油中掺混生物柴油，微晶碳层的有序化程度提高，形成的基本碳粒子石墨化程度增加。燃用同一燃料，随EGR率的增加，基本碳粒子的平均微晶尺寸有所减小，燃用B50，与EGR率为0相比，EGR率为15%、30%的基本碳粒子平均微晶尺寸分别减小了1.3%、7.5%，表明将废气重新引入气缸参与燃烧，形成的基本碳粒子微晶碳层的有序化程度降低，石墨化程度逐渐减小。

（3）弯曲度

不同条件下的柴油机颗粒基本碳粒子的弯曲度分布及平均弯曲度如图6所示。可以看出，基本碳粒子的弯曲度范围在1.2～1.4之间出现峰值，与B0EGR0相比，B50EGR0颗粒基本碳粒子的平均弯曲度减小了6.9%，表明掺混生物柴油，燃烧形成的基本碳粒子平均弯曲度有所减小。燃用同一燃料时，随EGR率的增加，基本碳粒子的弯曲度分布向大方向移动，平均弯曲度有所增加，表明采用EGR技术，会加大形成的基本碳粒子碳层晶面弯曲程度。

3.2 颗粒团聚体形貌及疏密程度

3.2.1 颗粒团聚体形貌

基本碳粒子作为构成颗粒团聚体的最小单元，不同EGR率条件下分别燃用B0、B50的颗粒团聚体放大19.5万倍的TEM图像如表2所示，可以看出，每个TEM图像上都包含了若干个粒径不等的圆形基本碳粒子，经过碰撞凝并聚积在一起，形成链状、簇状等形态和尺寸各异的颗粒团聚体[6]。在图像中存在颜色深浅不一的区域，主要是由于基本碳粒子发生了堆积现象，在基本碳粒子的交界处呈现出不同的致密性，致使基本碳粒子重叠区域的颜色较深。对比B0EGR0与B50EGR0颗粒团聚体，主要以链状形式存在，掺混生物柴油后，链状颗粒的支链变得更长，形成的基本碳粒子粒径有所减小;燃用同一燃料，随EGR率的增加，颗粒团聚体形态由链状逐渐转变为簇状，且基本碳粒子的平均粒径有所增大。

3.2.2 颗粒团聚体疏密程度

柴油机排放颗粒在纳米级尺度范围内呈现自相似分形结构，颗粒的形成过程决定其分形结构特点。采用计盒维数对不同条件下的颗粒团聚体进行分形表征，定量分析颗粒团聚体的疏密程度，计盒维数越大，基本碳粒子之间的重叠程度越高，组成的颗粒团聚体结构越为紧密[7]，反之亦然。计盒维数的表达公式为[8]：

式中，D_B为计盒维数;N（r）为覆盖颗粒团聚体所需边长为r的盒子的最小数目。

以B0EGR0颗粒为例，对颗粒TEM图像进行处理，运用最小二乘法拟合数据点（lgr，lgN（r）），得到B0EGR0颗粒lgN（r）-lgr的线性关系，获得拟合直线方程：

拟合结果如图7所示，拟合过程中存在一个线性拟合回归系数R2（0≤R2≤1），系数R2越接近于1，回归直线的拟合程度越高。B0EGR0颗粒的线性回归系数为0.99972，表明数据点与直线拟合程度较高。

不同EGR率条件下分别燃用B0、B50的颗粒团聚体的计盒维数计算结果如表2所示。可以看出，柴油机颗粒团聚体拟合直线的线性回归系数均大于0.99，拟合结果良好。对比同一工况下分别燃用B0、B50的颗粒计盒维数，可以发现，掺混生物柴油后，颗粒的计盒维数增大，表明颗粒间的团簇更加紧密;生物柴油的贯穿距离与柴油相比有所增大，在柴油机结构不发生改变的情况下会导致喷射到缸内壁面的燃油增多，造成未燃HC增加[9]，另一方面，掺混生物柴油后，核态颗粒排放数量增加，未燃HC会加速颗粒间的团聚，使颗粒间的堆叠更加紧密。燃用同一燃料时，随EGR率的增加，颗粒的计盒维数逐渐减小，与B50EGR0相比，B50EGR30%颗粒计盒维数减小了10.1%，表明采用EGR技术会导致颗粒间的团簇程度逐渐减弱，主要是由于废气中含有大量燃烧形成的CO2，在高温环境条件下，CO2会与形成的基本碳粒子发生氧化反应形成CO[10];同时，EGR的引入会加速颗粒表面生长，促进颗粒表面脂肪族C-H 的脱氢和碳化反应[11]，降低了颗粒间的粘附力，团簇程度逐渐减弱。

4 结论

为研究EGR率对生物柴油调合燃料排放颗粒微观结构的影响，采用透射电镜测试技术，结合分形理论，研究了颗粒基本碳粒子的纳观结构参数、颗粒团聚体的形貌特征、团簇程度等微观结构参数等变化规律，获得的主要结论如下：

（1）颗粒基本碳粒子呈指纹状的球形碳层结构;柴油中掺混生物柴油，导致基本碳粒子的层面间距、弯曲度减小，微晶尺寸略有增加;而引入EGR后，基本碳粒子的层面间距、弯曲度随着EGR率的增加而增大，微晶尺寸逐渐减小。

（2）采用生物柴油调合燃料，基本碳粒子粒径有所减小，形成的颗粒团聚体主要以链状为主;燃用同一燃料，随EGR率的增加，基本碳粒子的平均粒径有所增大，颗粒团聚体形态由链状逐渐转变为簇状。

（3）采用生物柴油调合燃料，颗粒的计盒维数增大，表明柴油中掺混生物柴油，颗粒间的团簇程度更加紧密;随EGR率的增加，颗粒的计盒维数逐渐减小，表明引入EGR会导致颗粒间的团簇程度有所减弱，结构变得松散。

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