EGR氛围参数对柴油机颗粒物氧化特性的影响

高鉴，陈庆樟，许广举，赵洋

(1.苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215000；2.常熟理工学院汽车工程学院，江苏 常熟 215500)

随着排放法规的日益严格，单使用机内净化或者机外净化技术已难以达到法规要求[1-2]。废气再循环(Exhaust Gas Recirculation)作为降低柴油机NOx排放的一种机内净化技术，已在轻型车上得到较为广泛的使用，但由于EGR技术主要是通过稀释进气氧浓度，起到降低最高燃烧温度的作用，进而抑制NOx生成，这就会导致在负荷较高时缸内氧浓度降低，使炭烟排放增加，所以通常EGR技术的使用工况范围会有所限制[3-4]。今后随着国Ⅵ标准的执行，NOx排放限值将进一步加严，势必需要进一步拓宽EGR技术的使用工况范围，同时为控制颗粒物排放，就需要配合DOC和DPF等后处理设备。目前，关于DOC的催化剂配方以及DPF的再生方法国内外学者已开展了大量研究，但针对EGR氛围下燃烧产生的颗粒的相关研究还不够丰富，为开发适用于EGR柴油机颗粒的氧化、催化以及再生方法，有必要针对采用EGR技术后，柴油机颗粒物自身的组分特征、特征温度等参数的变化规律，以及升温速率、氧化氛围对EGR颗粒的影响展开研究。

围绕柴油机颗粒的氧化特性，国内外学者开展了大量研究。H. N. Sharma[5]等针对不同氧气流量、样品质量、氧分压、升温速率等操作参数，进行柴油机颗粒物热重试验，研究发现，在样品质量的差别对颗粒氧化活性的影响很小的情况下,颗粒的氧化速率随着升温速率和氧气流量的降低而降低。D. Q. Mei[6]等采用热重分析的方法，通过计算柴油机颗粒中炭烟氧化反应的活化能，发现颗粒质量失重主要是SOF在低温区的挥发和炭烟在高温区的氧化引起的，且两个温区的比例约为32%和63%。Al-Qurashi K[7]通过热重分析对比不同EGR率下柴油机颗粒的氧化特性，发现20%EGR率下颗粒的起燃温度低，燃尽时间更短，颗粒的氧化性能更强。X. J. Man[8]等通过对比不同工况下的柴油机颗粒在450～550 ℃温度范围内颗粒质量失重率，发现低负荷工况下颗粒的氧化速率更低。梅德清[9-10]等针对柴油机颗粒物中的SOF，研究了热重参数对颗粒物氧化特性的影响，结果表明，颗粒中SOF成分阻碍了颗粒的氧化反应；在热重分析中，升温速率对颗粒的氧化反应的影响最明显。

针对柴油机EGR氛围产生的颗粒，采用热重分析法，分析了各颗粒样品的氧化失重过程，研究了EGR率、EGR废气组分、EGR温度等EGR氛围参数对颗粒氧化特性的影响规律，探讨了不同氧化氛围、升温速率等氧化氛围参数对颗粒氧化失重过程、氧化特征温度的影响。为进一步拓宽EGR使用工况范围，改进DOC催化剂配方，优化DPF过滤体再生方法提供相关基础数据和奠定理论基础。

1 试验设备与方案

1.1 颗粒采集

试验样机为1台共轨柴油机，最大功率为85 kW，最大扭矩为285 N·m，最大扭矩转速为2 100 r/min，标定转速为3 600 r/min，排量为2.8 L，压缩比为17.2。燃烧室采用缩口，喷射压力大，雾化情况良好。柴油为商用柴油(硫质量分数47×10-6)，符合我国第四阶段车用柴油标准(≤50×10-6)。图1示出了试验系统示意。试验采用MSP公司的微孔均匀沉积式多级碰撞采样器对颗粒进行采集。在颗粒采集前，需对MOUDI采样器的上下两个压差表进行流量标定，在真空抽样泵的作用下，柴油机尾气经稀释后以10 L/min的恒体积流量进入采样器，在惯性的作用下，颗粒物被冲击板上的介质铝箔捕获，铝箔滤纸直径为47 mm。试验过程中柴油机转速控制在2 000 r/min，负荷为75%，在转速及负荷稳定条件下，调整EGR阀开度，采用尾气分析仪分别测量进气、排气中CO2浓度，按照式(1)对EGR率进行计算(0%，10%，30%)，并进行颗粒采集；在30%EGR率下，通过控制EGR冷却器中的冷却水流量调节EGR废气温度，在温度分别为473 K，375 K，325 K的条件下进行颗粒采集；通过阀门控制惰性气体，在EGR废气组分分别为废气、N2、CO2条件下进行颗粒采集。

(1)

式中：[CO2]in为进气中CO2体积分数；[CO2]ex为排气中CO2体积分数。

图1 试验装置示意

1.2 热重试验

热重分析法是在程序控制温度和一定气氛条件下，测量物质的质量与温度或时间关系的一种分析方法。基本原理是将样品质量变化所引起的天平位移量转化成电磁量，这个微小的电量经过放大器放大后，送入记录仪记录。

试验采用Thermal Analysis同步热分析仪(见表1)，分别在O2氛围、N2氛围以及不同升温速率条件下对颗粒样品进行了热重分析。各试验样品质量均为3 mg，保护气(N2)流量均为20 mL/min。O2氛围试验过程中，O2流量为50 mL/min，升温速率15 ℃/min，温升范围为室温至750 ℃；N2氛围试验过程中，N2流量为50 mL/min，升温速率15 ℃/min，温升范围为室温至750 ℃；不同升温速率试验过程中，反应气为O2，升温速率分别为10 ℃/min，15 ℃/min，30 ℃/min。

表1 STA 449 F3主要技术参数

2 试验结果与分析

2.1 EGR率的影响

BR Stanmore[11]等研究表明，颗粒在升温过程中主要存在水分的蒸发、SOF组分挥发和炭烟的热解3个反应。表2示出了不同EGR率下颗粒中水分、可溶性有机物和炭烟的质量百分比。随着EGR率的增加，颗粒的水分和SOF含量呈上升趋势，炭烟含量不断减少。

表2 不同EGR率下的颗粒组分

图2示出在不同EGR率下采集的柴油机颗粒在O2氛围下的热重曲线(由TG和DTG曲线组成)。图中TG曲线有2个失重温度区间，DGT曲线有对应的两个峰值。从图可知，EGR率对颗粒的起燃温度影响不大。在低温失重区间(120～350 ℃)，主要是颗粒中的HC、水分及可溶性有机物(SOF)蒸发和挥发过程，3种颗粒失重峰值温度分别为180.92 ℃，193.63 ℃，196.47 ℃；在高温失重区(400～700 ℃)，主要是颗粒中炭烟成分发生氧化(燃烧)，3种颗粒的失重峰值温度分别为603.15 ℃，618.73 ℃，621.94 ℃。结合表2可知，随着EGR率增加，颗粒中SOF成分增加，高沸点难挥发成分亦有所增加，导致颗粒在低温失重区失重率峰值逐渐增加，而在600～640 ℃高温失重区质量变化率峰值剧烈降低，分别降低了22.8%和14.2%，这主要是由于大量炭烟成分参与氧化反应，导致颗粒质量百分数急速下降，从而使失重速率峰值增大。

图2 EGR率对颗粒在O2氛围下失重的影响

2.2 EGR温度的影响

图3示出EGR温度为325 K，375 K及473 K时采集的颗粒样品在O2氛围下的失重对比曲线，EGR率为30%。随着反应温度的增加，样品质量均明显降低。在低温失重区，3种颗粒的失重率峰值温度基本相同，失重率峰值缓慢增加。在高温失重时，3种颗粒的失重峰值温度分别为565.25 ℃，591.44 ℃，613.57 ℃，失重率峰值依次增加了17.8%，14.6%。这表明，相同EGR率下，随着EGR废气温度的升高，颗粒中水分减少，颗粒的炭烟成分在高温失重过程中，在失重质量相同时，所需的反应温度提高，导致反应需要更多能量，颗粒不易氧化，氧化性能有所降低。

图3 EGR温度对颗粒在O2氛围下失重的影响

2.3 EGR废气组分的影响

图4示出在废气、N2、CO2循环条件下采集的颗粒在O2氛围下的热重对比曲线。N2循环与废气循环相比，颗粒在低温失重时质量下降比较缓慢，两者均在200 ℃左右达到低温失重率峰值温度，在 630 ℃时达到高温失重率峰值温度。在接入CO2循环时，颗粒样品失重明显增大，低温失重率峰值比废气循环的大，接近2倍。这说明，高温失重过程中，在炭烟失重质量相同时，接入CO2循环后，颗粒反应温度更低，氧化性能较高，更容易被氧化。

图4 EGR废气组分对颗粒在O2氛围下失重的影响

2.4 氧化氛围参数的影响

2.4.1升温速率

热重特性试验时的升温速率对颗粒的氧化过程有很大的影响，常选用颗粒的起燃温度Ti、止燃温度Tf、最大失重率峰值P及其温度Tp来描述颗粒的氧化特性(见图5)。表3示出了不同升温速率下颗粒的氧化特征参数，其中Ti是颗粒在热重试验过程中开始燃烧的温度，对应的颗粒失重率为-0.1 %·℃-1，止燃温度Tf是颗粒失重率为-0.1 %·℃-1对应的燃尽温度。

图5和图6分别示出0%EGR率、30%EGR率下采集的颗粒在10 ℃/min，15 ℃/min，30 ℃/min的升温速率下的热重对比曲线。结合表3可知，随着升温速率的提高，颗粒的TG和DTG曲线均往高温区偏移，且两者在低温区的变化趋势基本相同。主要由于热重分析仪的升温区间相同时，随着升温速率的增加，颗粒中炭烟达到相同失重质量所需的时间变短，炭烟反应时间变短后，热传递变慢，不易于炭烟氧化，从而导致反应滞后，曲线偏移。由表2可知，与0%EGR率颗粒相比，30%EGR率颗粒在10 ℃/min，15 ℃/min，30 ℃/min的升温速率下，起燃温度Ti比0%EGR率颗粒分别高30.09 ℃，28.42 ℃，12.94 ℃，止燃温度Tf分别高21.05 ℃，20.07 ℃，3.19 ℃，炭烟在高温区的反应温度范围发生明显变化。文献[7]表明，燃尽时间短，颗粒的氧化性能强。这说明炭烟的氧化性能随着升温速率的提高而降低，且对30%EGR率的颗粒影响稍小。对比颗粒的最大失重率峰值和峰值温度，发现升温速率对颗粒的最大失率重峰值影响不大，在相同升温速率时，30%EGR率颗粒的失重率峰值小于0%EGR率颗粒；随着升温速率的提高，最大失重率峰值温度有所提高，且0%EGR率颗粒更明显。

表3 不同升温速率下颗粒的氧化特征参数

图5 不同升温速率下颗粒在O2氛围下的TG和 DTG曲线(EGR率为0)

图6 不同升温速率下颗粒在O2氛围下的TG和 DTG曲线(EGR率为30%)

2.4.2氧化氛围

图7示出在0%EGR率、30%EGR率下采集的颗粒在N2和O2氛围下的热重曲线，其中实线为0%EGR率，虚线为30%EGR率。从图中可以看出，在低温失重区，N2和O2氛围中颗粒均有明显的失重过程，主要原因是颗粒中水分蒸发以及SOF的挥发和低温氧化；该阶段颗粒的失重规律基本一致，只是由于O2的氧化氛围促进了颗粒中SOF的挥发与氧化，导致失重质量分数和失重速率峰值有所增加，且对应温度有所降低；在高温失重区，在O2强烈的氧化氛围作用下，soot发生烟煤基元氧化反应，样品质量急剧减少，质量变化率峰值急剧增加，与N2氛围中soot的高温分解反应过程相比，分解开始时刻对应的温度明显降低，样品失重质量和质量变化率峰值均有较大幅度增加；与0%EGR率颗粒相比，30%EGR率颗粒在N2和O2氛围中的失重质量百分数和失重速率均有明显升高，峰值对应温度均有所降低。

图7 颗粒在N2和O2氛围下的TG和DTG曲线

3 结论

a) 随着EGR率升高，颗粒中SOF组分含量增加，炭烟组分含量减少，失重率峰值在低温失重区升高，在高温失重区降低，且对应的峰值温度均增加；

b) 相同EGR率时，随着EGR废气温度的升高，颗粒中水分减少，在失重质量相同时，反应温度提高，颗粒的氧化性能降低；EGR组分不同时，在CO2循环下生成的颗粒，与在废气循环、N2循环生成的颗粒相比，失重速率更快，在低温失重区的失重率峰值大一倍，且在失重质量相同时，反应温度降低，颗粒更易氧化；

c) 随着升温速率的提高，颗粒的氧化反应出现滞后现象，颗粒的失重峰值变化不大，特征点温度升高，且0%EGR率颗粒更明显，说明颗粒的氧化性能随着升温速率的提高而降低，相比于0%EGR率颗粒，对30%EGR率颗粒的影响稍小；在升温速率相同时，30%EGR率颗粒的失重率峰值小于0%EGR率颗粒；

d) 与O2氛围相比，在低温失重区，颗粒在N2氛围下的失重规律与O2基本相同；在高温失重区，在N2氛围下颗粒中炭烟组分氧化分解速率很低，临近750 ℃时，颗粒样品失重变化近乎停止，残留的质量即为颗粒中炭烟组分的质量。

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