EGR率对生物柴油燃烧颗粒的影响

王 忠，何利娜，赵 洋，刘 帅，李瑞娜

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013)

柴油机排出的颗粒(PM)已成为大气环境污染物的主要来源之一.颗粒中的可溶有机组分(SOF)中含有多种聚合多环碳氢化合物，其中多环芳香烃的硝基化合物具有较强的致癌性［1-2］.颗粒对人体健康的危害不仅取决于颗粒量的多少，还取决于其粒径分布和形态［3］.随着排放法规日益严格，不仅对柴油机排放颗粒质量限制外，还增加了对颗粒个数 PN(particular number)的限制要求［4］，“欧 V”第2阶段标准就提出了汽车的颗粒物PN限值为6.0×1011［5-6］.废气再循环(EGR)技术是降低柴油机NOx排放的有效方法之一，采用EGR的同时会导致缸内的氧浓度降低，抑制对颗粒具有氧化作用的OH基生成，对颗粒排放产生不利影响［7］.

生物柴油(脂肪酸单酯)是甘油三酸酯与甲醇或乙醇进行酯化反应后的产物之一，在不改变柴油机结构的前提下，生物柴油可以获得与柴油接近的动力性能，并且由于生物柴油含有约10%的氧，具有比柴油更好的耐EGR特性，燃烧时氧原子化学键发生断裂，形成活性含氧中间体，促进化学基元反应，减少了形成颗粒的前驱体物质，能够有效地降低柴油机的颗粒污染物.V.K.Shahir等［8］对生物柴油排放过程进行了研究，提出了生物柴油可以导致颗粒物大量减少.A.Maiboom等［9-10］研究了EGR对颗粒SOF组分和粒径的影响，结果表明:颗粒中的SOF占35% ～66%，EGR对SOF中的多环芳香烃(PAHs)有很大影响.

笔者在试验研究的基础上，考虑OH基对颗粒的氧化作用，将修正后的颗粒模型嵌入到FIRE程序内，完善柴油机排放模型.通过改变进气成分，探讨不同EGR率对柴油机燃用不同掺混比例生物柴油的颗粒排放、颗粒粒径以及颗粒数的影响，为进一步降低柴油机颗粒排放提供理论依据.

1 颗粒排放模型

在颗粒排放模型中，目前应用广泛的是修正的广安博之模型，它由广安的生成模型和Nagel的氧化模型组成.在Nagel氧化模型中仅考虑氧气的氧化作用，没有考虑OH基对颗粒的氧化作用.因此在构建新的颗粒模型时，保留原广安颗粒生成模型，采用Tao Feng等［11］的氧化模型对Nagel的氧化模型进行修正，即:

式中:ms为净颗粒质量;msf为生成的颗粒质量;msO为由氧气氧化的颗粒质量;msOH为由OH基氧化的颗粒质量;t为时间.

颗粒生成质量速率为

式中:Af为前置系数;p为缸内压力;T为缸内温度;Ef为颗粒形成的活化能;R为气体常数;mfv为燃油蒸汽质量.

氧气作用下的颗粒质量氧化速率为

式中:Mwc为颗粒粒子的摩尔质量;v1为反应速率;ρs和Ds分别为颗粒密度和直径.

类似氧气对颗粒的氧化，用1个总包反应来描述OH基对颗粒的氧化，OH基作用下的颗粒质量氧化速率为

OH基作用下的氧化反应速率为

式中:nOH和MOH分别为OH基的数密度和摩尔质量;NA为Avogadro常数;γOH为OH基与碳粒表面的碰撞效率，取值为 0.13［12］.

为叙述方便，将原颗粒模型简称为HNS模型，修正后的模型为HNSN模型.

2 模型验证与边界条件的确定

2.1 模型建立与边界条件确立

在ESE-Diesel模块中，设定网格尺寸，将周向划分为25份.上止点时计算网格如图1所示，所生成的网格模型包含网格单元为22 225个，网格节点为25 012个.计算从进气门关闭(上止点前135.5°，文中角度指曲轴转角)开始到排气门打开(上止点后124.5°)结束.喷雾燃烧阶段的模拟步长设置为0.2°，其他阶段步长设为1°或2°.初始气缸压力和温度由实测值确定.设置活塞顶面温度为575 K，气缸盖下底面温度为550 K，气缸壁面温度为475 K.

图1 计算网格(上止点)

2.2 计算模型的验证

2.2.1 燃烧过程的验证

选择最大转矩时的转速1 800 r·min-1，负荷100%计算工况.柴油机的缸内压力、放热率试验值与模拟值的对比如图2所示，试验值与模拟值对比最大误差不超过5%，该模型能较为准确地模拟柴油机各个阶段燃烧过程.

图2 柴油机缸内压力及放热率验证

2.2.2 颗粒氧化模型及粒径的验证

试验采用单缸直喷柴油机，缸径为86 mm，标定转速为3 000 r·min-1，标定功率为5.7 kW.在柴油机的结构参数和供油提前角不做改动的条件下，选择在最大转矩时的转速1 800 r·min-1，负荷为100%工况下，采用MOUDI(models 100 micro-orifice uniform deposit impactor)分级采样装置对颗粒进行采集，MOUDI是基于空气动力学直径的微粒采集装置，空气动力学直径是指单位密度的球体，在静止空气中作低雷诺数运动时，达到与实际粒子相同的最终沉降速度时直径.其利用惯性将粒子分离.选择单次采样时间为30 min，共采集5次，采样滤纸为MSP公司的φ=47 nm铝箔滤纸，颗粒分级采样装置主要由冲击器、压差计和真空抽气泵组成，柴油机排气经冷却水箱冷却后进入冲击器，依次撞击冲击器各个阶层，通过冲击器后，颗粒被分别捕捉到冲击器不同阶层的铝箔上，分级采样系统如图3所示.颗粒排放验证如图4所示，与HNS模型相比(在 HNS模型和HNSN模型中，使用相同网格，计算条件相同)，由于HNSN模型考虑到OH基的氧化作用，对颗粒氧化模型进行了修正，采用HNSN模型计算得到的颗粒排放量要低，在上止点后20°～25°范围内变化更明显.试验采集得到的柴油B0与生物柴油/柴油B50燃烧颗粒的电镜扫描图如图5所示.

图3 微粒分级采样系统示意图和装置实物图

图4 颗粒排放验证

图5 实测颗粒形貌

将粒径分为 40，60，80，100，120 nm 这 5 个级别，定义颗粒的平均粒径为

式中:DM为颗粒平均粒径;Di为第i级颗粒的粒径;Ni为第i级颗粒个数;N为颗粒总个数.

3 结果分析

3.1 EGR率对颗粒质量浓度和粒径的影响

计算了3种不同燃料(B0，B50，B100)在5种不同EGR 率(0，10%，20%，30%，40%)下的颗粒比排放和粒径.EGR率对颗粒比排放和颗粒粒径的影响如图6所示.

图6 EGR率对颗粒比排放和颗粒粒径的影响

从图6可以看出:生物柴油B100燃烧的颗粒比排放要低于柴油B0和B50，随着EGR率升高，颗粒比排放呈迅速升高后降低的趋势，在 EGR率为20%时达到峰值，EGR率从0到20%时，B0，B50，B100的颗粒比排放分别升高约53%，49%，47%;随着EGR率的升高，3种燃料燃烧的颗粒平均粒径均呈先升高后降低的趋势，随着EGR率和生物柴油掺混比的增大，燃烧颗粒粒径分布发生由核态向聚集态再向核态的转变，核态颗粒所占比重先减少后增加，聚集态颗粒先增加后减少.分析其原因:①柴油机复杂的非均质燃烧特性，每个基本碳粒子的生成和氧化速率并非相同，在高温富氧区微粒的氧化速率非常高，在低温贫氧区相对较低，随着EGR废气中的NO，HC，N2O和CO等组分与新鲜空气一起进入气缸，加速了颗粒之间的碰撞、凝结;②由于所用生物柴油的主要成分是油酸甲酯、亚油酸甲酯和棕榈酸甲酯，而前2种分别含有1个和2个双键，反应时需要更高的活化能，可能会使初始的化学反应速率降低，在燃烧过程中，需要较长时间完成氧化裂解及脱氢的过程，导致燃料在缸内无法充分燃烧，排出的颗粒中含有较多的未燃有机物，黏性较大，基本粒子堆积严重，颗粒粒径增大.

采用图像统计法，由图5得到B0和B50燃烧颗粒的平均粒径为64，57 nm，与图6中EGR率为25%时，平均粒径59，55 nm较为接近，说明上述模型能够较准确地模拟颗粒的粒径分布.

EGR率分别为0，20%，40%，上止点后60°时缸内颗粒质量浓度分布分别如图7-9所示，EGR率从0增加到20%，不仅颗粒的最高质量浓度增加，而且颗粒的分布区域增加.这主要是因为引入废气，燃烧恶化，颗粒排放急速增加，又由于生物柴油具有自供氧能力，且不含芳香烃，能够较好地抑制颗粒前驱体多环芳香烃的生成，从而使B100的颗粒排放较柴油和B50有所降低.随着EGR率进一步变大，着火滞燃期延长，燃油与空气混合充分，缸内燃烧温度降低，达不到颗粒的生成条件，颗粒排放降低.另一方面，在颗粒形成之前，会生成大量的单质碳粒，随着EGR率的进一步增大，CO2的含量也进一步增加，这会导致CO2直接参与了与C的反应，即CO2+C→2CO，从而使这些碳粒直接消耗掉，使颗粒排放降低.

图7 EGR率为0，上止点后60°时缸内颗粒质量浓度分布

图8 EGR率为20%，上止点后60°时缸内颗粒质量浓度分布

图9 EGR率为40%，上止点后60°时缸内颗粒质量浓度分布

3.2 EGR率对颗粒数的影响

计算模拟了3种不同燃料(B0，B50，B100)在5种不同EGR率(0，10%，20%，30%，40%)下的颗粒数.B0，B50，B100燃料燃烧的总颗粒数、核态颗粒数和聚集态颗粒数随EGR率的变化如图10所示.

图10 不同EGR下颗粒总数量分布

以50 nm为界限将颗粒分为核态和聚集态颗粒，燃料燃烧的核态颗粒数随EGR率升高均呈先减少后增加的趋势，在EGR率为20%时达到最大值.相同EGR率下，总体上核态颗粒数在颗粒总数中所占比例随生物柴油掺混比的增加而增加.聚集态颗粒数随EGR率升高呈先增加后减小的趋势，相同EGR率下，与核态颗粒数的变化规律相反，总体上生物柴油掺混比越大，聚集态颗粒数越少.这主要是由于在较低的EGR率下，缸内温度较高，分子活性较强，增加了小颗粒的碰撞、凝结的机会，使聚集态的颗粒数增加.在相同EGR率下，由于该生物柴油的硫含量远低于试验柴油的硫含量，因此，由硫化物导致的核态颗粒数变化未起到主导作用.由于生物柴油的黏度较高，生物柴油掺混比增加后，实际进入缸内的生物柴油增加，燃料的低挥发性、较高的黏度影响燃油雾化混合及燃烧过程，导致缸内未燃或者未完全燃烧的燃油即未燃碳氢增加，以可溶有机组分SOF为主要成分的核态颗粒数上升.同时在生物柴油分子内的氧作用下，有利于局部过浓混合区域的扩散燃烧，可促进己形成颗粒的氧化，降低了聚集态颗粒的数量，使部分大粒径颗粒向小粒径颗粒转化，导致核态颗粒数上升，与此同时，聚集态颗粒数减少后，其对挥发及半挥发性组分的吸附能力减弱，导致颗粒成核作用增强，也促使核态颗粒数目上升.

4 结论

1)建立了基于氧气和OH基共同氧化的颗粒模型，计算结果与试验结果较吻合.随着EGR率的升高，B0，B50，B100燃料燃烧的颗粒排放呈迅速升高后降低的趋势，缸内颗粒的最高质量浓度增加，颗粒分布区域增加.

2)随着EGR率和生物柴油掺混比的增大，燃烧颗粒粒径分布由核态向聚集态再向核态的转变，核态颗粒数随着EGR率升高先减小后增加.相同EGR率下，核态颗粒数在颗粒总数量中所占比例随生物柴油掺混比的增加而增加，聚集态颗粒与核态颗粒的变化规律相反.

3)随着EGR率增加，B0的颗粒比排放上升幅度较大，B50和B100的颗粒比排放曲线较为平坦，上升幅度较小，生物柴油结合EGR率可以较好地抑制颗粒的生成.

References)

［1］洪 也，马雁军，李潮流，等.沈阳冬季灰霾日大气颗粒物元素粒径分布特征［J］.环境科学研究，2011，24(6):637-644.

Hong Ye，Ma Yanjun，Li Chaoliu，et al.Elemental size distribution characteristics of atmospheric particles on hazy days during winter in Shenyang［J］.Research of En-vironmental Sciences，2011，24(6):637-644.(in Chinese)

［2］朱 江.柴油机可见污染物的排放特点及测量方法［J］.重庆理工大学学报:自然科学，2010，24(12):118-122.

Zhu Jiang.Emission characteristics of diesel engine visible pollutants and their measuring technique［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2010，24(12):118-122.(in Chinese)

［3］鞠洪玲，成晓北，陈 亮，等.柴油机缸内碳烟颗粒形成过程与尺寸分布特性［J］.内燃机工程，2011，32(6):18-24.

Ju Hongling，Cheng Xiaobei，Chen Liang，et al.Soot particle formation process and size distribution characteristics in cylinder of diesel engine［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2011，32(6):18-24.(in Chinese)

［4］陈许冬，李铁柱，严振兴.城市道路轻型汽油机细颗粒物的排放特性［J］.江苏大学学报:自然科学版，2013，34(3):254-260.

Chen Xudong，Li Tiezhu，Yan Zhenxing.Fine particle emission characteristics of light-duty gasoline vehicle on urban streets［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2013，34(3):254-260.(in Chinese)

［5］Blanquart G，Pitsch H.Analyzing the effects of temperature on soot formation with a joint volume-surface-hydrogen model［J］.Combustion and Flame，2009，156:1614-1626.

［6］Neer A，Koylu U O.Effect of operating conditions on the size，morphology，and concentration of submicrometer particulates emitted from a diesel engine［J］.Com-bustion and Flame，2006，146(1):142-154.

［7］于 超，肖建华，王建昕，等.EGR率对燃用生物柴油的重型柴油机排放特性影响［J］.汽车工程，2008，30(10):871-874.

Yu Chao，Xiao Jianhua，Wang Jianxin，et al.The influence of EGR rate on the emission characteristics of heavyduty diesel engine fueled with biodiesel［J］.Automotive Engineering，2008，30(10):871-874.(in Chinese)

［8］Shahir V K，Jawahar C P，Suresh P R.Comparative study of diesel and biodiesel on CI engine with emphasis to emissions:a review ［J］.Renewable and Sustainable Reviews，2015，45:686-697.

［9］Maiboom A，Tauzia X.NOxand PM emissions reduction on an automotive HSDI diesel engine with water-indiesel emulsion and EGR:an experimental study［J］.Fuel，2011，90(11):3179-3192.

［10］Rhead M M，Hardy S A.The sources of polycyclic aromatic compounds in diesel engine emission［J］.Fuel，2003，82:385-393.

［11］Tao Feng，Golovitchev V I，Chomiak J.A phenomenological model for the prediction of soot formation in diesel spray combustion［J］.Combustion and Flame，2004，136(2):270-282.

［12］Tan P Q，Hu Z Y，Deng K Y，et al.Particulate matter emission modeling based on soot and SOF from direct injection diesel engines ［J］.Energy Conversion and Management，2007，48(2):510-518.