噴油時刻對柴油機顆粒物排放特性的影響

杜宏飛　劉江唯　李佳星　竇慧莉　張程（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

?

噴油時刻對柴油機顆粒物排放特性的影響

杜宏飛劉江唯李佳星竇慧莉張程
（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

【摘要】在兩種噴射壓力、不同噴射角度下利用TSI 3090 EEPS發(fā)動機排氣粒徑分析儀對一臺單缸柴油機排氣顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、表面積濃度、體積濃度的粒徑分布特性進行研究。試驗結(jié)果表明，隨著噴油角度提前，顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、表面積濃度、體積濃度降低，粒徑分布曲線峰值向小直徑粒子方向偏移，核態(tài)粒子所占比例增加，積聚態(tài)粒子所占比例減少。并且隨著噴射壓力降低，顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、表面積濃度、體積濃度顯著升高。

主題詞：柴油機噴油時刻顆粒物排放特性

1　　前言

柴油機因動力大、效率高、燃油經(jīng)濟性好、適應(yīng)性強和功率范圍廣等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于交通運輸、工程機械等領(lǐng)域。目前，越來越多的乘用車也廣泛以柴油機作動力源，小型客車也面臨柴油機化趨勢。但柴油機排出的大量有害物質(zhì)也給環(huán)境帶來嚴重污染，危害人類的健康［1］。

柴油機顆粒物排放為汽油機的30～100倍。顆粒物中的可溶性有機成分具有誘變作用，多環(huán)芳香性化合物更是具有致癌和促癌作用。并且柴油機排放微粒的粒徑極小，大都屬于亞微米級粒子和納米級粒子［2］，排放后能長時間懸浮于大氣中人類的呼吸高度范圍內(nèi)，危害極大，其中可吸入顆粒物（粒子直徑＜100 nm）更嚴重影響呼吸系統(tǒng)［3］。柴油機顆粒物粒徑通常分布在10～500 nm之間，其中包括核態(tài)（5～50 nm）、積聚態(tài)（50～1 000 nm）和粗粒態(tài)（大于1 000 nm）。越細小的顆粒物對人體的危害越嚴重［4、5］。

隨著環(huán)境問題的日益突出以及法規(guī)加嚴，柴油機排放顆粒物的研究越來越受到廣泛重視，顆粒物的粒徑大小、粒徑分布區(qū)間以及顆粒物數(shù)量成為學(xué)者關(guān)注的焦點，相關(guān)測量儀器也隨之出現(xiàn)。常用的檢測手段有亞微米氣溶膠粒子電子分析儀（EAA）、冷凝核計數(shù)儀（CNC）、電子顯微鏡（TEM）等［6、7］。

本文基于發(fā)動機排氣粒徑分析儀對柴油機排氣顆粒物的粒徑分布特性進行研究，分析在不同噴油時刻顆粒物的數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、表面積濃度和體積濃度的粒徑分布。

2　　試驗設(shè)備

2.1試驗發(fā)動機及條件控制

試驗發(fā)動機為一臺單缸柴油機，是在6缸柴油機上改制而成，型號為CA6DL，具體參數(shù)如表1所列。為保證試驗邊界條件的一致性，分別采用冷卻水外循環(huán)控制系統(tǒng)、機油外循環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)冷卻液及潤滑油溫度的穩(wěn)定，試驗時控制冷卻液溫度為85±3℃，機油溫度為85±5℃。為了滿足進氣增壓的要求，采用空氣壓縮機模擬進氣增壓系統(tǒng)，利用進氣穩(wěn)壓罐保持進氣壓力穩(wěn)定，并結(jié)合溫度控制系統(tǒng)控制進氣溫度在30±3℃。試驗臺架裝有電裝公司高壓共軌噴射系統(tǒng)，最大燃油噴射壓力達200 MPa。由發(fā)動機電控單元控制燃油噴射壓力和噴油角度。為保證各個工況噴油時刻的一致性，利用電流鉗測量噴油器驅(qū)動信號，并將信號接入AVL公司生產(chǎn)的燃燒分析儀中，實現(xiàn)噴油角度在線同步監(jiān)測。

表1　　試驗用發(fā)動機參數(shù)

2.2微粒分析儀

試驗采用美國TSI公司生產(chǎn)的3090 EEPS發(fā)動機排氣粒徑分析儀測量粒徑分布、數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、表面積濃度、體積濃度。柴油機排氣經(jīng)過1級稀釋裝置加熱到設(shè)定溫度，可根據(jù)需要選擇80℃、120℃、150℃，本研究基于試驗工況點，選擇設(shè)定溫度80℃。1級稀釋系數(shù)可選擇范圍為6%～100%，在試驗中設(shè)定為8%。然后經(jīng)過2級稀釋，稀釋系數(shù)可選范圍為1%～11%，在2級稀釋過程中需要外界環(huán)境補充大氣流量5 L∕min，系統(tǒng)采樣流量10 L∕min，2級稀釋系數(shù)為2%。最終由稀釋系數(shù)和溫度帶入計算公式計算得出總稀釋比為1 500。

試驗前首先連接清潔過濾器對設(shè)備進行零點標定，在采樣過程中稀釋后的排氣首先進入旋風(fēng)分離器，去除較大的顆粒，然后進入測量單元進行分級計算。為保證結(jié)果的穩(wěn)定性，試驗過程中每個工況點設(shè)定采樣時間為120 s，結(jié)果取平均值。

3　試驗結(jié)果與分析

為了考察噴油時刻單一因素對顆粒物排放的影響，保持進氣量和油耗量不變，在此基礎(chǔ)上通過改變噴油時刻，得到不同試驗規(guī)律。通過改變噴射壓力，并保持相同油耗量和進氣量，進一步分析在不同噴射壓力下的規(guī)律性。

3.1數(shù)量濃度分布

圖1為在噴油壓力為200 MPa和160 MPa條件下不同噴油時刻排氣顆粒物的數(shù)量濃度分布。

由圖1a可知，粒子的數(shù)量濃度分布曲線呈雙峰形態(tài)，且粒子主要分布在直徑小于50 nm的核態(tài)范圍內(nèi)，只有小部分分布在積聚態(tài)范圍。第1個數(shù)量濃度峰值出現(xiàn)在10 nm，第2個峰值出現(xiàn)在34 nm。隨著噴油時刻提前，數(shù)量濃度降低，積聚態(tài)粒子數(shù)量減少，曲線整體分布向小直徑粒子方向偏移。在噴油角度為上止點前0° 和2°時依然有雙峰出現(xiàn)，隨著噴油提前到上止點前6°，數(shù)量濃度曲線接近單峰分布，此時所有粒子均屬于核態(tài)粒子，即粒子直徑小于50 nm。

由圖1b可以看出，噴油壓力降低為160 MPa后，數(shù)量濃度曲線依然呈雙峰分布，第1個濃度峰值依然出現(xiàn)在10 nm左右，第2個濃度峰值出現(xiàn)在45 nm左右。隨著噴油角度提前，粒徑分布向小粒子方向偏移。

對比圖1a和圖1b可知，隨著噴油壓力降低，粒子數(shù)量濃度顯著增加，6～15 nm區(qū)間的粒子數(shù)量沒有明顯變化，15～80 nm之間的粒子數(shù)量顯著增加。噴油角度提前到上止點前6°時，曲線接近單峰分布，并且向大粒子方向偏移。其原因為燃油燃燒生成大量的核態(tài)粒子，此時粒子的直徑較小，隨著燃燒反應(yīng)的進行，這些核態(tài)粒子具有一定的吸附作用，燃燒過程中的多種中間產(chǎn)物會被吸附，從而形成積聚態(tài)粒子［8］。隨著噴油角度提前，粒子在缸內(nèi)的氧化時間增長，大量的核態(tài)粒子被氧化掉，由于吸附作用而形成的積聚態(tài)粒子也被氧化成較小的粒子。當噴油角度提前到上止點前6°時，接近所有的積聚態(tài)粒子都被氧化成核態(tài)粒子，粒徑整體分布向著小粒子方向偏移。隨著噴油壓力降低，燃油的霧化效果減弱，缸內(nèi)燃燒溫度降低，粒子的氧化作用減弱，導(dǎo)致粒子數(shù)量大幅度增加［9］。

3.2質(zhì)量濃度分布

圖2為不同噴油時刻下顆粒物的質(zhì)量濃度粒徑分布。可以看出，顆粒物質(zhì)量濃度粒徑分布呈單峰形態(tài)，不同于數(shù)量濃度曲線的雙峰分布。

從圖2a可以看出，粒子質(zhì)量濃度分布在20～100 nm之間。顆粒物的質(zhì)量濃度隨著噴油角度提前而降低，尤其在上止點前6°時質(zhì)量濃度大幅度降低，隨著噴油時刻提前，曲線峰值向小粒子方向偏移，小直徑粒子質(zhì)量濃度增加。

由圖2b可以看出，隨著噴油壓力降低，顆粒物質(zhì)量濃度大幅度增大，單峰分布形態(tài)沒有改變。噴油時刻為上止點前6°時的顆粒物質(zhì)量濃度與噴油壓力200 MPa時的差別較小，其它噴油時刻下的濃度峰值差別明顯。

隨著噴油時刻提前，燃燒產(chǎn)生的顆粒物在缸內(nèi)的時間延長，質(zhì)量較大的粒子能夠有充足的時間氧化成質(zhì)量較小的粒子。顆粒物的質(zhì)量濃度分布反映的是核態(tài)粒子與積聚態(tài)粒子質(zhì)量變化的總和，從質(zhì)量濃度分布曲線可以看出，在噴油壓力為200 MPa時，核態(tài)粒子質(zhì)量占有很大比例，噴油壓力降低為160 MPa后，油束的霧化效果較弱，燃燒溫度降低，導(dǎo)致顆粒物氧化作用減弱，質(zhì)量濃度有大幅度增加，同時積聚態(tài)粒子比例增大［10］。

3.3表面積濃度分布

燃燒產(chǎn)生的顆粒具有一定的吸附作用，表面積越大，吸附作用越強，顆粒物的表面積濃度分布將影響質(zhì)量濃度分布和體積濃度分布［11］。

圖3所示為顆粒物表面積濃度粒徑分布?？梢钥闯?，表面積濃度分布曲線依然呈現(xiàn)單峰形態(tài)，濃度峰值分布在60 nm左右。圖3a為噴油壓力為200 MPa時的分布曲線，粒子表面積濃度分布在10～100 nm之間；圖3b為噴油壓力160 MPa時的分布曲線，粒子表面積濃度分布在20～100 nm之間，粒子直徑在10～20 nm之間的質(zhì)量濃度有所增加。隨著噴油時刻提前，峰值向左移動，峰值濃度顯著降低。隨著噴油壓力降低，粒子的表面積濃度顯著增加，只有在噴時刻度為上止點前6°時噴油壓力對粒子表面積濃度影響較小。噴油提前角超過上止點前6°以后，噴油壓力對粒子濃度分布影響較小，但是在噴油角度小于上止點前6°時，降低噴油壓力直接影響霧化質(zhì)量，進而影響燃燒過程，導(dǎo)致燃燒溫度降低，燃燒過程中凝聚和吸附的硫酸或HC氧化效果減弱，導(dǎo)致顆粒物表面積濃度增加［12］。

3.4體積濃度分布

圖4所示為在不同噴射壓力下顆粒物的體積濃度分布曲線。對比圖4a和圖4b可知，兩種條件下存在共同的規(guī)律，即隨著噴油時刻提前，曲線向小粒子方向偏移，濃度峰值出現(xiàn)在60 nm左右，上止點前6°時的體積濃度相對于其它角度時有明顯降低；隨著噴油壓力降低，粒子體積濃度顯著升高；粒徑分布區(qū)間無明顯變化，兩種條件下粒徑分布在20～110 nm之間；噴油壓力對于粒徑體積濃度分布的影響規(guī)律與前述一致，即隨著噴油壓力降低，濃度峰值顯著升高，曲線向大粒子方向偏移，積聚態(tài)粒子比例有所增加。

4　　結(jié)束語

a.在噴油壓力為200 MPa、160 MPa條件下，柴油機顆粒物數(shù)量濃度粒徑分布呈雙峰分布，第1個峰值出現(xiàn)在10 nm，第2個峰值出現(xiàn)在34～45 nm；質(zhì)量濃度、表面積濃度、體積濃度粒徑分布都呈現(xiàn)單峰分布，峰值出現(xiàn)在60 nm左右。

b.在兩種噴油壓力下，隨著噴油時刻提前，粒子數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、表面積濃度、體積濃度降低，尤其在噴油時刻為上止點前6°時，顆粒物的這4種濃度降低明顯。

c.在相同噴油時刻下，隨著噴油壓力降低，粒子數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、表面積濃度、體積濃度顯著升高；但是當噴時刻度為上止點前6°時，噴油壓力對于粒子數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、表面積濃度、體積濃度的影響不明顯。

d.隨著噴油時刻的提前，各濃度曲線向小直徑粒子方向偏移，核態(tài)粒子比例增加，積聚態(tài)粒子比例減少。

參考文獻

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.

2Burtscher H.Physical characterization of particulate emission from diesel engines：A review.Aerosol Science，2005，36（7）：896～932.

3Richards P，Rogers T.Preliminary Results from a Six Vehicle，Heavy-duty Truck Trial，using Additive Regenerated DPFs.SAE Paper 2002-01-0431.

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.

5成曉北，黃榮華，陳德良.直噴式柴油機排放微粒尺寸分布特性.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2006，12（4）：335～339.

6寧智，劉雙喜，資新運.柴油機排氣微粒特性的試驗研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，23（6）：765～769.

7彭美春，季雨，劉巽俊.柴油機排氣微粒物理特性的研究.內(nèi)燃機學(xué)報，1987，5（1）：23～32.

8李新令，黃震，王嘉松.柴油機排氣顆粒濃度和粒徑分布特性試驗研究.內(nèi)燃機學(xué)報，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，F(xiàn)oster 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.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年12月1日。

中圖分類號：U464.11

文獻標識碼：A

文章編號：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