EGR氛圍參數對柴油機顆粒物氧化特性的影響

高鑒，陳慶樟，許廣舉，趙洋

(1.蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215000；2.常熟理工學院汽車工程學院，江蘇 常熟 215500)

隨著排放法規的日益嚴格，單使用機內凈化或者機外凈化技術已難以達到法規要求[1-2]。廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation)作為降低柴油機NOx排放的一種機內凈化技術，已在輕型車上得到較為廣泛的使用，但由于EGR技術主要是通過稀釋進氣氧濃度，起到降低最高燃燒溫度的作用，進而抑制NOx生成，這就會導致在負荷較高時缸內氧濃度降低，使炭煙排放增加，所以通常EGR技術的使用工況范圍會有所限制[3-4]。今后隨著國Ⅵ標準的執行，NOx排放限值將進一步加嚴，勢必需要進一步拓寬EGR技術的使用工況范圍，同時為控制顆粒物排放，就需要配合DOC和DPF等后處理設備。目前，關于DOC的催化劑配方以及DPF的再生方法國內外學者已開展了大量研究，但針對EGR氛圍下燃燒產生的顆粒的相關研究還不夠豐富，為開發適用于EGR柴油機顆粒的氧化、催化以及再生方法，有必要針對采用EGR技術后，柴油機顆粒物自身的組分特征、特征溫度等參數的變化規律，以及升溫速率、氧化氛圍對EGR顆粒的影響展開研究。

圍繞柴油機顆粒的氧化特性，國內外學者開展了大量研究。H. N. Sharma[5]等針對不同氧氣流量、樣品質量、氧分壓、升溫速率等操作參數，進行柴油機顆粒物熱重試驗，研究發現，在樣品質量的差別對顆粒氧化活性的影響很小的情況下,顆粒的氧化速率隨著升溫速率和氧氣流量的降低而降低。D. Q. Mei[6]等采用熱重分析的方法，通過計算柴油機顆粒中炭煙氧化反應的活化能，發現顆粒質量失重主要是SOF在低溫區的揮發和炭煙在高溫區的氧化引起的，且兩個溫區的比例約為32%和63%。Al-Qurashi K[7]通過熱重分析對比不同EGR率下柴油機顆粒的氧化特性，發現20%EGR率下顆粒的起燃溫度低，燃盡時間更短，顆粒的氧化性能更強。X. J. Man[8]等通過對比不同工況下的柴油機顆粒在450～550 ℃溫度范圍內顆粒質量失重率，發現低負荷工況下顆粒的氧化速率更低。梅德清[9-10]等針對柴油機顆粒物中的SOF，研究了熱重參數對顆粒物氧化特性的影響，結果表明，顆粒中SOF成分阻礙了顆粒的氧化反應；在熱重分析中，升溫速率對顆粒的氧化反應的影響最明顯。

針對柴油機EGR氛圍產生的顆粒，采用熱重分析法，分析了各顆粒樣品的氧化失重過程，研究了EGR率、EGR廢氣組分、EGR溫度等EGR氛圍參數對顆粒氧化特性的影響規律，探討了不同氧化氛圍、升溫速率等氧化氛圍參數對顆粒氧化失重過程、氧化特征溫度的影響。為進一步拓寬EGR使用工況范圍，改進DOC催化劑配方，優化DPF過濾體再生方法提供相關基礎數據和奠定理論基礎。

1 試驗設備與方案

1.1 顆粒采集

試驗樣機為1臺共軌柴油機，最大功率為85 kW，最大扭矩為285 N·m，最大扭矩轉速為2 100 r/min，標定轉速為3 600 r/min，排量為2.8 L，壓縮比為17.2。燃燒室采用縮口，噴射壓力大，霧化情況良好。柴油為商用柴油(硫質量分數47×10-6)，符合我國第四階段車用柴油標準(≤50×10-6)。圖1示出了試驗系統示意。試驗采用MSP公司的微孔均勻沉積式多級碰撞采樣器對顆粒進行采集。在顆粒采集前，需對MOUDI采樣器的上下兩個壓差表進行流量標定，在真空抽樣泵的作用下，柴油機尾氣經稀釋后以10 L/min的恒體積流量進入采樣器，在慣性的作用下，顆粒物被沖擊板上的介質鋁箔捕獲，鋁箔濾紙直徑為47 mm。試驗過程中柴油機轉速控制在2 000 r/min，負荷為75%，在轉速及負荷穩定條件下，調整EGR閥開度，采用尾氣分析儀分別測量進氣、排氣中CO2濃度，按照式(1)對EGR率進行計算(0%，10%，30%)，并進行顆粒采集；在30%EGR率下，通過控制EGR冷卻器中的冷卻水流量調節EGR廢氣溫度，在溫度分別為473 K，375 K，325 K的條件下進行顆粒采集；通過閥門控制惰性氣體，在EGR廢氣組分分別為廢氣、N2、CO2條件下進行顆粒采集。

(1)

式中：[CO2]in為進氣中CO2體積分數；[CO2]ex為排氣中CO2體積分數。

圖1 試驗裝置示意

1.2 熱重試驗

熱重分析法是在程序控制溫度和一定氣氛條件下，測量物質的質量與溫度或時間關系的一種分析方法。基本原理是將樣品質量變化所引起的天平位移量轉化成電磁量，這個微小的電量經過放大器放大后，送入記錄儀記錄。

試驗采用Thermal Analysis同步熱分析儀(見表1)，分別在O2氛圍、N2氛圍以及不同升溫速率條件下對顆粒樣品進行了熱重分析。各試驗樣品質量均為3 mg，保護氣(N2)流量均為20 mL/min。O2氛圍試驗過程中，O2流量為50 mL/min，升溫速率15 ℃/min，溫升范圍為室溫至750 ℃；N2氛圍試驗過程中，N2流量為50 mL/min，升溫速率15 ℃/min，溫升范圍為室溫至750 ℃；不同升溫速率試驗過程中，反應氣為O2，升溫速率分別為10 ℃/min，15 ℃/min，30 ℃/min。

表1 STA 449 F3主要技術參數

2 試驗結果與分析

2.1 EGR率的影響

BR Stanmore[11]等研究表明，顆粒在升溫過程中主要存在水分的蒸發、SOF組分揮發和炭煙的熱解3個反應。表2示出了不同EGR率下顆粒中水分、可溶性有機物和炭煙的質量百分比。隨著EGR率的增加，顆粒的水分和SOF含量呈上升趨勢，炭煙含量不斷減少。

表2 不同EGR率下的顆粒組分

圖2示出在不同EGR率下采集的柴油機顆粒在O2氛圍下的熱重曲線(由TG和DTG曲線組成)。圖中TG曲線有2個失重溫度區間，DGT曲線有對應的兩個峰值。從圖可知，EGR率對顆粒的起燃溫度影響不大。在低溫失重區間(120～350 ℃)，主要是顆粒中的HC、水分及可溶性有機物(SOF)蒸發和揮發過程，3種顆粒失重峰值溫度分別為180.92 ℃，193.63 ℃，196.47 ℃；在高溫失重區(400～700 ℃)，主要是顆粒中炭煙成分發生氧化(燃燒)，3種顆粒的失重峰值溫度分別為603.15 ℃，618.73 ℃，621.94 ℃。結合表2可知，隨著EGR率增加，顆粒中SOF成分增加，高沸點難揮發成分亦有所增加，導致顆粒在低溫失重區失重率峰值逐漸增加，而在600～640 ℃高溫失重區質量變化率峰值劇烈降低，分別降低了22.8%和14.2%，這主要是由于大量炭煙成分參與氧化反應，導致顆粒質量百分數急速下降，從而使失重速率峰值增大。

圖2 EGR率對顆粒在O2氛圍下失重的影響

2.2 EGR溫度的影響

圖3示出EGR溫度為325 K，375 K及473 K時采集的顆粒樣品在O2氛圍下的失重對比曲線，EGR率為30%。隨著反應溫度的增加，樣品質量均明顯降低。在低溫失重區，3種顆粒的失重率峰值溫度基本相同，失重率峰值緩慢增加。在高溫失重時，3種顆粒的失重峰值溫度分別為565.25 ℃，591.44 ℃，613.57 ℃，失重率峰值依次增加了17.8%，14.6%。這表明，相同EGR率下，隨著EGR廢氣溫度的升高，顆粒中水分減少，顆粒的炭煙成分在高溫失重過程中，在失重質量相同時，所需的反應溫度提高，導致反應需要更多能量，顆粒不易氧化，氧化性能有所降低。

圖3 EGR溫度對顆粒在O2氛圍下失重的影響

2.3 EGR廢氣組分的影響

圖4示出在廢氣、N2、CO2循環條件下采集的顆粒在O2氛圍下的熱重對比曲線。N2循環與廢氣循環相比，顆粒在低溫失重時質量下降比較緩慢，兩者均在200 ℃左右達到低溫失重率峰值溫度，在 630 ℃時達到高溫失重率峰值溫度。在接入CO2循環時，顆粒樣品失重明顯增大，低溫失重率峰值比廢氣循環的大，接近2倍。這說明，高溫失重過程中，在炭煙失重質量相同時，接入CO2循環后，顆粒反應溫度更低，氧化性能較高，更容易被氧化。

圖4 EGR廢氣組分對顆粒在O2氛圍下失重的影響

2.4 氧化氛圍參數的影響

2.4.1升溫速率

熱重特性試驗時的升溫速率對顆粒的氧化過程有很大的影響，常選用顆粒的起燃溫度Ti、止燃溫度Tf、最大失重率峰值P及其溫度Tp來描述顆粒的氧化特性(見圖5)。表3示出了不同升溫速率下顆粒的氧化特征參數，其中Ti是顆粒在熱重試驗過程中開始燃燒的溫度，對應的顆粒失重率為-0.1 %·℃-1，止燃溫度Tf是顆粒失重率為-0.1 %·℃-1對應的燃盡溫度。

圖5和圖6分別示出0%EGR率、30%EGR率下采集的顆粒在10 ℃/min，15 ℃/min，30 ℃/min的升溫速率下的熱重對比曲線。結合表3可知，隨著升溫速率的提高，顆粒的TG和DTG曲線均往高溫區偏移，且兩者在低溫區的變化趨勢基本相同。主要由于熱重分析儀的升溫區間相同時，隨著升溫速率的增加，顆粒中炭煙達到相同失重質量所需的時間變短，炭煙反應時間變短后，熱傳遞變慢，不易于炭煙氧化，從而導致反應滯后，曲線偏移。由表2可知，與0%EGR率顆粒相比，30%EGR率顆粒在10 ℃/min，15 ℃/min，30 ℃/min的升溫速率下，起燃溫度Ti比0%EGR率顆粒分別高30.09 ℃，28.42 ℃，12.94 ℃，止燃溫度Tf分別高21.05 ℃，20.07 ℃，3.19 ℃，炭煙在高溫區的反應溫度范圍發生明顯變化。文獻[7]表明，燃盡時間短，顆粒的氧化性能強。這說明炭煙的氧化性能隨著升溫速率的提高而降低，且對30%EGR率的顆粒影響稍小。對比顆粒的最大失重率峰值和峰值溫度，發現升溫速率對顆粒的最大失率重峰值影響不大，在相同升溫速率時，30%EGR率顆粒的失重率峰值小于0%EGR率顆粒；隨著升溫速率的提高，最大失重率峰值溫度有所提高，且0%EGR率顆粒更明顯。

表3 不同升溫速率下顆粒的氧化特征參數

圖5 不同升溫速率下顆粒在O2氛圍下的TG和 DTG曲線(EGR率為0)

圖6 不同升溫速率下顆粒在O2氛圍下的TG和 DTG曲線(EGR率為30%)

2.4.2氧化氛圍

圖7示出在0%EGR率、30%EGR率下采集的顆粒在N2和O2氛圍下的熱重曲線，其中實線為0%EGR率，虛線為30%EGR率。從圖中可以看出，在低溫失重區，N2和O2氛圍中顆粒均有明顯的失重過程，主要原因是顆粒中水分蒸發以及SOF的揮發和低溫氧化；該階段顆粒的失重規律基本一致，只是由于O2的氧化氛圍促進了顆粒中SOF的揮發與氧化，導致失重質量分數和失重速率峰值有所增加，且對應溫度有所降低；在高溫失重區，在O2強烈的氧化氛圍作用下，soot發生煙煤基元氧化反應，樣品質量急劇減少，質量變化率峰值急劇增加，與N2氛圍中soot的高溫分解反應過程相比，分解開始時刻對應的溫度明顯降低，樣品失重質量和質量變化率峰值均有較大幅度增加；與0%EGR率顆粒相比，30%EGR率顆粒在N2和O2氛圍中的失重質量百分數和失重速率均有明顯升高，峰值對應溫度均有所降低。

圖7 顆粒在N2和O2氛圍下的TG和DTG曲線

3 結論

a) 隨著EGR率升高，顆粒中SOF組分含量增加，炭煙組分含量減少，失重率峰值在低溫失重區升高，在高溫失重區降低，且對應的峰值溫度均增加；

b) 相同EGR率時，隨著EGR廢氣溫度的升高，顆粒中水分減少，在失重質量相同時，反應溫度提高，顆粒的氧化性能降低；EGR組分不同時，在CO2循環下生成的顆粒，與在廢氣循環、N2循環生成的顆粒相比，失重速率更快，在低溫失重區的失重率峰值大一倍，且在失重質量相同時，反應溫度降低，顆粒更易氧化；

c) 隨著升溫速率的提高，顆粒的氧化反應出現滯后現象，顆粒的失重峰值變化不大，特征點溫度升高，且0%EGR率顆粒更明顯，說明顆粒的氧化性能隨著升溫速率的提高而降低，相比于0%EGR率顆粒，對30%EGR率顆粒的影響稍小；在升溫速率相同時，30%EGR率顆粒的失重率峰值小于0%EGR率顆粒；

d) 與O2氛圍相比，在低溫失重區，顆粒在N2氛圍下的失重規律與O2基本相同；在高溫失重區，在N2氛圍下顆粒中炭煙組分氧化分解速率很低，臨近750 ℃時，顆粒樣品失重變化近乎停止，殘留的質量即為顆粒中炭煙組分的質量。

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