电控参数对柴油机颗粒物数量生成的影响规律研究

尹宝智，任尚峰，秦克印（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春，130011）



电控参数对柴油机颗粒物数量生成的影响规律研究

尹宝智，任尚峰，秦克印
（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春，130011）

摘 要：主要介绍了柴油机颗粒物排放的主要成分、生成机理以及颗粒数测量系统的工作原理。通过调整电控参数进行柴油机颗粒物数量(PN)排放试验,并对试验结果进行分析，探索轨压、喷油提前角、预喷油量及预喷间隔等参数对柴油机颗粒物数量生成的影响规律。

关键词：轨压；提前角；预喷；颗粒物数量；PM2.5

尹宝智现任中国第一汽车股份有限公司技术中心工程师，主要研究方向为柴油发动机试验。

PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5µm的颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比，细颗粒物粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境的影响更大，因为直径越小，进入呼吸道的部位就越深，容易引发心血管病和呼吸道疾病以及肺癌。柴油汽车尾气排放是细颗粒物的来源之一，其排出的颗粒物粒径绝大部分属于PM2.5，控制汽车发动机排气中的细颗粒数量是非常有必要的。近几年国家一直很重视PM2.5的治理工作，颁布了一些关于PM2.5的法律法规。其中，北京市地方标准《重型车用压燃式、气体燃料点燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》（征求意见稿）中规定了颗粒物数量测量和限值要求，规定WHSC（稳态测试循环）、WHTC（瞬态测试循环）颗粒物数量（PN）限值分别为8.0 E+11#/kWh、6.0 E+11# /kWh。本文主要研究轨压、提前角、预喷油量、预喷间隔控制参数对柴油机颗粒物数量生成的影响规律。

1　柴油机颗粒物排放的主要成分及生成机理

柴油机颗粒成分主要有以碳元素为主的碳烟（Soot），以及其表面吸附有未氧化和未完全氧化的碳氢化合物（即可溶性有机成分SOF），硫酸盐，水和金属杂质等。碳烟生成的条件是高温缺氧，由于柴油机混合气极不均匀，尽管总体是富氧燃烧，但油气混合不可能在气缸中处处均匀，这就导致在气缸中油气混合不充分的区域产生碳烟。一般认为碳烟形成过程如下：燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类。它们不断脱氢、聚合成以碳为主的直径2 nm左右的碳烟核心。气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面凝聚，以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大，成为直径20～30 nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1 µm以下的球团状或链状的聚合物。柴油机生成的碳烟在排气管中有一部分被氧化，但仍有相当多的碳烟未被氧化以颗粒的形式排出。硫酸盐的形成主要是来自含硫燃油在燃烧过程中，95%~98%的硫都被氧化成SO2，在高温富氧的条件下，能氧化成SO3，然后与水结合成硫酸烟雾，此外，某些硫化物与碳氢化合物或金属反应生成硫酸盐。

2　颗粒数测量系统的工作原理

HORIBA MEXA-2100SPCS型颗粒数测量系统是国际最先进的颗粒计数设备，它由分级器、加热稀释器、蒸发管、稀释冷却器及颗粒数计数器组成。该系统中颗粒计数器的测量原理是激光散射式凝结粒子计数。在CVS稀释通道中取一定流量的样气进入到颗粒计数系统，经分离器去除颗粒粒径大于2.5µm的颗粒后进入到加热稀释器，再通过蒸发管路蒸发处理挥发性颗粒，经稀释冷凝器冷却到25℃，最后用颗粒数计数器测量固体颗粒的浓度。该颗粒数测量系统测量的颗粒物最小粒径为23nm。

3　电控参数对柴油机颗粒物数量生成的影响试验分析

目前电控共轨柴油机都能实现5次喷射，分别是主喷，两次预喷，两次后喷，但目前国Ⅳ、国Ⅴ电控共轨柴油机常用的喷射次数是2次，即主喷加预喷的控制策略。对于电控柴油机，轨压、喷油提前角、预喷油量及预喷间隔（预喷开始时刻与主喷开始时刻的间隔曲轴转角）是非常重要控制参数，对柴油机燃烧过程和排放的生成有很大的影响。下文从主喷、预喷方面着手研究柴油机电控参数对柴油机颗粒物数量生成的影响规律。试验对象为一台8.6L国Ⅴ发动机，主要参数见表1：

表1　试验对象主要参数

3.1 主喷参数对柴油机颗粒物数量生成的影响试验分析

试验工况为不喷射尿素的情况下，工况点为1 300Nm@1640r/min，分别调整轨压为1000、1150 、1300、1450 bar，喷油提前角为1、2.5、4、5.5CA进行试验。

为了探索轨压和喷油提前角对柴油机颗粒物生成数量、烟度、NOx的变化规律情况，对上述4个轨压、4个喷油提前角参数进行全因子组合调整，分别通过颗粒数测量系统测量柴油机尾气中的颗粒物数量浓度,通过AVL415烟度计测量排气烟度。对所测的数据进行整理分析得到颗粒物数量、烟度及NOx排 放随轨压及喷油提前角变化曲线，见图1、图2及图3：

图1　颗粒物数量随轨压、提前角变化曲线

图2　烟度随轨压、提前角变化曲线

图3　Nox随轨压、喷油提前角变化曲线

对于柴油机，喷油压力越高，喷油速率越大，油束的贯穿距离越大,喷油持续期越短。随着喷油压力的提高燃油雾化增强，油束穿透缸内气体的力度加大，混合气形成更均匀，从而燃烧过程更充分，这使得烟度降低、NOx增多。从图1中可以看出柴油机颗粒物数量随轨压增大而减少，颗粒物的减少程度随轨压增大而降低。从图2中可知烟度随轨压的增大而降低。从图3中可知NOx随着轨压的增大而增大。

对于柴油机，喷油压力不变，增大喷油提前角，可导致燃烧重心前移，燃烧过程更靠近上止点，燃烧持续时间缩短，气缸内的最大爆压和最高燃烧温度提高。燃烧重心前移，有助于碳烟的后期氧化，但最高燃烧温度的提高却导致NOx的大量生成。从图1中可知颗粒物数量随喷油提前角的提前而降低，但随着喷油压力的提高，喷油提前角对柴油机颗粒物数量的影响逐渐变小。从图2可知，在喷油提前角1～4CA变化时排气烟度降低趋势变化,但当调整到5.5CA时排气烟度反而增大，由于AVL415烟度计只能测量排气中的黑碳烟并不能完全反映出柴油机的颗粒物，因此排气烟度的升高并未导致颗粒物数量的增多。从图3可看出NOx随 着喷油提前角的提前而增大。

可见，颗粒物数量随轨压、喷油提前角的增大而减少，与NOx排 放变化趋势相反。烟度大小只能反应柴油机颗粒物排放中黑碳烟的多少，并不能反应出颗粒物数量的变化趋势。

3.2 预喷参数对柴油机颗粒物数量生成的影响试验分析

试验工况点为800Nm@1640 r/min，主喷提前角固定为0CA不变，不喷射尿素，调整预喷油量分别为3、6、9、10 mg/str，预喷间隔分别为13.8、16.8、19.8CA进行试验。对所测的试验结果进行整理分析得到试验结果曲线见图4、图5和图6：

图4　预喷参数对颗粒物数量影响变化曲线

图5　预喷参数对颗粒物数量影响变化曲线

图6　预喷参数对NOx排放影响变化曲线

从图4看出在预喷间隔为13.8CA时，颗粒物数量随预喷油量变化不明显，但当逐渐增大预喷间隔角度时，颗粒物数量随预喷油量逐渐变化明显，其规律是随着预喷油量的增加而减少。从图5中看出相同预喷油量，随着预喷间隔的增大而减少。从图6可以看出预喷油量在3 mg/str时NOx变 化并不明显，但预喷油量为6 mg/str以上时，NOx随预喷油量与预喷间隔的增大而增大。

可见柴油机主喷加预喷的控制策略，通过合理地调整预喷间隔和预喷油量可以降低柴油机颗粒物的生成，其规律是当预喷间隔角度大于一定的数值后，随着预喷油量和预喷间隔的增加而减少。但颗粒物数量减少的同时会伴随NOx排放的增多。

4　结论

通过调整电控参数，对一台国Ⅴ柴油机进行颗粒物数量的测量试验，并对试验结果进行了上述研究分析，结果表明:

1)柴油机颗粒物数量排放随轨压增大、喷油提前角的提前而减少，但当轨压增大到一定程度时，喷油提前角的改变对颗粒物数量的影响趋势不明显。

2)当预喷间隔角度大于一定的数值后,柴油机颗粒物数量排放随着预喷油量和预喷间隔的增大而减少。

3)柴油机颗粒物生成数量的减少通常会伴随NOx排放增加。

参考文献：

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[5]DPF对柴油车颗粒物排放的影响研究.汽车科技.2010,(2).

中图分类号：U467.2+1

文献标识码：A

文章编号：1005-2550（2016）02-0070-04

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.011

收稿日期：2016-01-04

Influence Rule of Electric Control Parameters on the Particle Number of Diesel Engine

YIN Bao-zhi, REN Shang-feng, QIN Ke-yin
( FAW R&D, Changchun, 130011, China )

Abstract:The main components of particle in diesel engine emission and formation mechanism, and the principle of particle number measurement system are introduced in this paper. By adjusting electric control parameters for particle number emission testing and analysis of results, diesel engine exhaust particle number influence rule was explored by the common rail pressure, injection timing ,preinjection fuel quantity, pre-injection intervals.

Key Words:rail pressure; injection timing; pre-injection; particle number; PM2.5