趙 洋，王 忠，許廣舉，李銘迪，劉 帥

(1.常熟理工學院汽車工程學院，常熟 215500； 2.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

2016147

廢氣再循環(huán)對柴油機排氣顆粒揮發(fā)與氧化特性的影響*

趙 洋1，王 忠2，許廣舉1，李銘迪1，劉 帥2

(1.常熟理工學院汽車工程學院，常熟 215500； 2.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

應用熱重分析儀，在N2和O2氛圍下，分別對不同EGR率(0，10%和30%)下采集的柴油機排氣顆粒進行熱重試驗。結果表明，在N2氛圍下，隨著EGR率的增加，顆粒樣品的失重質量逐漸減小，質量變化率峰值逐漸降低，對應溫度有所升高；顆粒中含水百分率和soot含量升高；而SOF組分含量降低。在O2氛圍下，SOF的變化規(guī)律與N2氛圍下基本相同，但質量變化率峰值有所增加，對應溫度有所降低；在soot氧化階段，soot分解開始時刻溫度降低，失重質量和質量變化率峰值均有較大幅度提高；隨著EGR率的增加，顆粒中soot的質量變化率峰值逐漸增加，但對應的溫度較高，且顆?；罨茉黾?，說明隨著EGR率增加，顆粒的表面官能團和表面活性減小，達到質量變化率峰值所需的能量較大，顆粒不易被氧化分解；同時，顆粒的燃燒特性指數和燃盡特性指數均呈下降趨勢，導致顆粒不易被完全燃燒，燃燒性能變差，燃燒效率降低。

柴油機；廢氣再循環(huán)；顆粒；氧化；揮發(fā)

前言

柴油機因高效節(jié)能而得到了廣泛應用，但其排出的顆粒(PM)已成為大氣霧霾污染的主要來源之一[1-2]。隨著排放法規(guī)日益嚴格，有必要進一步開展降低柴油機顆粒排放的研究。

目前，針對柴油機排放污染物的控制方法，主要有柴油機顆粒捕集器(DPF)、柴油氧化催化轉化器(DOC)、顆粒氧化催化轉化器(POC)等機外凈化技術和廢氣再循環(huán)(EGR)、高壓燃油噴射系統(tǒng)和氣流組織等機內凈化技術[3]。其中，EGR是降低NOx排放的有效方法之一，但在EGR熱效應、稀釋效應和化學效應的影響下，顆粒生成過程中的物理化學反應過程發(fā)生改變，一方面抑制對顆粒具有氧化作用的OH基生成，對顆粒排放產生不利影響[4]；另一方面會對顆粒中可揮發(fā)組分(水和碳氫化合物)和不可揮發(fā)組分(干碳煙和無機鹽)含量產生影響。國內外學者針對EGR對顆粒排放的影響以及顆粒的揮發(fā)與氧化特性開展了大量研究。文獻[5]中認為，大負荷時，EGR廢氣中的惰性氣體CO2抑制了燃燒過程中的化學反應，是導致顆粒排放增加的主要原因。文獻[6]和文獻[7]中研究了EGR率和廢氣溫度對顆粒排放的影響，結果表明，采用EGR后，微米級顆粒質量大幅降低。文獻[8]中在對不同燃料燃燒顆粒進行氧化特性分析時發(fā)現，生物柴油燃燒顆粒的氧化能力明顯高于柴油燃燒顆粒。文獻[9]中采用熱重分析法對柴油機排氣顆粒的氧化動力學性能進行了計算，結果表明，顆粒初始質量對于顆?；罨芎椭盖耙蜃泳哂兄匾绊?。

本文中采用熱重分析儀對不同EGR率(0，10%和30%)下采集到的顆粒樣品，分別在N2和O2氛圍中進行熱重試驗，分析EGR對顆粒中組分含量的影響。通過計算顆粒的氧化反應動力學參數、著火溫度、燃燒特性指數等，研究EGR對顆粒氧化特性的影響。旨在為進一步降低柴油機的顆粒排放，探明EGR對顆粒揮發(fā)與氧化特性的影響規(guī)律，為揭示EGR對顆粒排放的作用機理提供依據。

1 試驗裝置與方法

1.1 顆粒采集

試驗用機為一臺經過改裝的186F柴油機，標定轉速為3 600r/min，標定功率為6.3kW，最大轉矩轉速為1 800r/min。廢氣由排氣管引出，經調節(jié)閥引入進氣管，通過調節(jié)閥門開度控制EGR率。試驗中采用AVL公司的高速數據采集系統(tǒng)對柴油機的功率、轉矩等性能參數進行采集，采用MEXA-324F氣體分析儀測量進氣氧濃度和廢氣成分，采用顆粒分級采樣裝置MOUDI(孔徑為0.1～17.1mm)對柴油機的排氣顆粒進行采集，試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1—排氣分析儀；2—煙度計；3—EGR閥；4—廢氣中冷器；5—測功器；6—柴油機；7—光電編碼器；8—上壓差表；9—下壓差表；10—內置流量調節(jié)閥；11—外置流量調節(jié)閥；12—抽氣泵；13—沖擊器；14—排氣；15—稀釋空氣；16—缸壓傳感器

圖1 試驗裝置示意圖

顆粒采集過程中，柴油機轉速穩(wěn)定在2 000r/min，功率為2.6kW，初始進氣溫度為17℃，燃油溫度保持在42℃，在轉速和功率固定的條件下，控制廢氣中冷器溫度為50℃，逐漸調節(jié)EGR閥開度，采用氣體分析儀分別測量進氣和排氣中的CO2濃度，按照式(1)對EGR率進行控制，分別在0，10%和30%EGR率下對顆粒進行采集。采集開始前，根據上下壓差對流量進行標定，在真空抽氣泵的作用下，稀釋后的發(fā)動機排氣以30L/min的恒體積流量進入沖擊器，采樣時間為20min，采樣濾紙采用MSP公司生產的Φ為47nm的鋁箔濾紙。

(1)

1.2 熱重特性試驗

試驗采用瑞士METTLER公司的TGA/DSC1型熱重分析儀(結構示意圖如圖2所示)，探討EGR對顆粒揮發(fā)與氧化特性的影響。試驗中，將采集的原始顆粒樣品(未經揮發(fā)或干燥處理)，分別進行N2氛圍和O2氛圍下的熱重試驗。在進行揮發(fā)特性試驗時，初始樣品質量約為2mg，由圖2中的進氣口通入高純度N2為反應氣，流量為50mL/min，保護氣(N2)流量為20mL/min，溫度由室溫升至750℃。在進行氧化特性試驗時，初始樣品質量、各氣路流量和升溫范圍均與揮發(fā)特性試驗相同，只將反應氣體改為純O2。

2 試驗結果分析

2.1 顆粒的揮發(fā)特性分析

熱重分析儀在設定的溫度程序和反應氣體控制下對柴油機顆粒樣品進行加熱，通過熱天平記錄樣品質量隨溫度的變化關系曲線(TG曲線)和微商曲線(DTG曲線)，表征顆粒樣品的揮發(fā)、分解和氧化等一系列物理化學反應。文獻[10]中研究表明，柴油機排氣顆粒在純N2氛圍中，只會發(fā)生揮發(fā)和分解反應，不會發(fā)生氧化促進分解失重的行為，能夠更好地區(qū)分顆粒各個升溫失重階段。圖3為不同EGR率下，柴油機排氣顆粒樣品在N2氛圍中的TG與DTG曲線。

由圖可見，隨著溫度升高，各EGR率下的顆粒樣品質量均有明顯減少，相應的質量變化率DTG曲線處于負值(其絕對值表示失重速率)。隨著EGR率增加，由TG曲線可以看出，顆粒樣品的失重質量逐漸減少，分別減少約1.7%和4.1%，DTG曲線中質量變化率峰值逐漸降低，分別降低約5.1%和31.5%，且對應的溫度逐漸增加，分別約為205和214℃，增加了約11和20℃。文獻[11]中研究表明，顆粒在升溫過程中主要發(fā)生3個階段的物理化學反應，即水分揮發(fā)、SOF組分揮發(fā)和soot熱解。結合圖3的曲線數據及各組分失重階段的區(qū)分，表1列出了不同EGR率下顆粒的組分含量。在105℃以內主要是水分揮發(fā)，約占顆粒樣品總質量的1%～2%，隨著EGR率增加，顆粒中含水的百分率有所升高，分別升高約7.8%和34.1%。第2階段SOF組分揮發(fā)主要發(fā)生在120～400℃，隨著EGR率增加，顆粒中SOF組分含量分別降低了約15.5%和29.3%。第3階段為soot組分在高溫下分解失重，在550℃之后，DTG曲線出現較小幅度下降，但與前一階段相比，純N2氛圍中soot分解的速率整體很低，當臨近程序升溫終了時，soot組分失重漸趨緩滯，殘余質量即為顆粒中soot組分的含量?？梢钥闯?，隨著EGR率增加，顆粒中soot含量明顯升高，分別升高約5.1%和9.3%。

表1 顆粒組分質量分數 %

2.2 顆粒的氧化特性分析

2.2.1 顆粒的氧化過程

圖4為不同EGR率下，柴油機排氣顆粒樣品在O2氛圍中的TG與DTG曲線。

由圖可見，與N2氛圍中的反應過程相比，顆粒在O2氛圍中出現兩個明顯的失重過程，在低溫反應階段(120～400℃)主要是顆粒中SOF的揮發(fā)與氧化，該階段顆粒的失重規(guī)律與N2氛圍下基本一致，只是由于O2的氧化氛圍促進了顆粒中SOF的揮發(fā)與氧化，導致質量變化率峰值有所增加，分別增加約3.2%，4.4%和7.4%，對應溫度有所降低，分別降低約15，14和11℃，如表2所示。在高溫反應階段(450～700℃)主要是顆粒中soot的氧化過程，在O2強烈的氧化氛圍作用下，soot發(fā)生煙煤基元氧化反應[12]，在450℃左右，使樣品質量急劇減少，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。在該階段，顆粒樣品的質量變化率峰值出現在610～640℃，隨著EGR率增加，顆粒中soot的質量變化率峰值逐漸增加，但對應的溫度較高，說明顆粒只能在較高的溫度下才能達到質量變化率峰值，顆粒不易被氧化。并且由前述可知，隨著EGR率增加，顆粒中soot組分含量越多，說明在O2氛圍中soot氧化階段可以有更多的原料參與反應，導致在soot氧化階段的質量變化率峰值較高。

表2 不同氛圍下顆粒低溫階段的SOF失重特性比較

2.2.2 氧化動力學參數計算

為進一步分析EGR對顆粒氧化過程中反應過程參數對原料轉化率的影響，根據顆粒在O2氛圍下的氧化過程曲線，采用積分法[13-14]對不同EGR率下顆粒進行動力學分析，通過計算顆粒的活化能和指前因子，探討EGR對柴油機排氣顆粒氧化反應動力學參數的影響規(guī)律。

顆粒的分解速率可以表示為

(2)

式中：α為反應物向生成物轉化的百分比；k為Arrhenius反應速率常數，k=Ae(-E/RT)；E為反應活化能；A為指前因子；R為摩爾氣體常數；T為熱力學溫度；f(α)為燃燒動力學機理函數，對于簡單反應，f(α)=(1-α)n，n為反應級數。

整理可得

(3)

(4)

對式(4)兩邊取對數，得到

(5)

Y=a+bX

(6)

表3 顆粒的氧化動力學參數

2.2.3 評價參數

著火溫度(由緩慢氧化狀態(tài)轉變到反應能自動加速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過程所對應的溫度)能夠反映顆粒著火的難易程度[15]，研究顆粒的著火溫度對于顆粒的點燃和穩(wěn)定燃燒具有重要的指導意義。通過對顆粒在O2氛圍下的TG-DTG曲線分析，過DTG曲線的峰值做垂線，與TG曲線相交，再過交點做TG曲線的切線，該切線與失重開始時的水平線交于一點，該點對應的溫度即為顆粒的著火溫度。按照此方法確定不同EGR率下顆粒的著火溫度，如表4所示?？梢钥闯?，隨著EGR率增加，顆粒的著火溫度分別升高約7.7%和11.8%，說明隨著EGR率增加，顆粒由緩慢氧化狀態(tài)轉變到反應能自動加速到高速燃燒狀態(tài)所需的能力越大。

為了進一步評價顆粒的燃燒情況，采用燃燒特性指數來描述不同EGR率下顆粒在試驗中的燃燒情況，計算公式[16]為

(7)

式中:(dw/dt)max為最大燃燒速度；(dw/dt)mean為平均燃燒速度；Ti為著火溫度；Th為燃盡溫度(定義顆粒失重達到98%時對應的溫度為燃盡溫度)；燃燒特性指數S是用最大燃燒速度、平均燃燒速度、燃盡溫度和著火溫度4個參數綜合表征顆粒燃燒性能的指標，S數值越大說明燃燒特性越好。不同EGR率下顆粒的燃燒特性指數如表4所示?？梢钥闯?，隨著EGR率增加，顆粒的燃燒特性指數S呈下降趨勢，說明隨著EGR率增加，顆粒的燃燒性能變差,燃

表4 顆粒的燃燒特性指數

燒效率降低。

燃盡特性是表征可燃物燃燒性能的另一個重要指標。采用燃盡特性指數Cb判斷EGR率對顆粒燃盡特性的影響，燃盡特性指數越大，表明顆粒燃燒越完全，計算公式[16]為

(8)

其中f2=f-f1

式中：f1為TG曲線上著火點對應的顆粒失重量與顆粒中可燃物質含量的比值；τ0為燃盡時間(顆粒失重達到98%時對應的時間)；f為總燃盡率(燃盡時刻所對應的顆粒失重量與顆粒中可燃物質含量的比值)。表5為不同EGR率下顆粒的燃盡特性指數。可以看出，隨著EGR率增加，顆粒的燃盡特性指數逐漸減小，說明顆粒的燃盡性能較差，顆粒不易被燃燒完全。

表5 燃盡特性指數

3 結論

(1)在N2氛圍下，隨著EGR率增加，顆粒樣品的失重質量分別減少約1.7%和4.1%，質量變化率峰值分別降低約5.1%和31.5%，對應溫度分別上升了約11和20℃；顆粒中含水百分率分別升高約7.8%和34.1%；SOF組分含量分別降低約15.5%和29.3%，soot含量分別升高約5.1%和9.3%。

(2)在O2氛圍下，SOF的變化規(guī)律與N2氛圍下基本一致，但質量變化率峰值分別增加約3.2%，4.4%和7.4%，對應溫度分別降低約15，14和11℃；在soot氧化階段，soot分解開始時刻對應的溫度降低，樣品失重質量和質量變化率峰值均有較大幅度增加；隨著EGR率增加，顆粒中soot的質量變化率峰值逐漸增加，但對應的溫度較高，說明顆粒只能在較高的溫度下才能達到失重速率峰值，顆粒不易被氧化。

(3)隨著EGR率增加，顆?；罨芊謩e增加約2.3%和3.8%，說明在相同條件下，隨著EGR率增加，顆粒的表面官能團和表面活性減小，顆粒不易被氧化分解；顆粒的燃燒特性指數、燃盡特性指數呈下降趨勢，說明隨著EGR率增加，顆粒的燃燒性能變差，燃燒效率降低，顆粒不易被燃燒完全。

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The Effects of Exhaust Gas Recirculation on the Volatilizationand Oxidation Characteristics of Particles from Diesel Engine

Zhao Yang1, Wang Zhong2, Xu Guangju1, Li Mingdi1& Liu Shuai2

1.DepartmentofAutomobileEngineering,ChangshuInstituteofTechnology,Changshu215500；2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013

Thermo gravimetric tests are conducted on the particles collected under different EGR rate (0%, 10%, and 30%) in both atmospheres of N2and O2by using thermo gravimetric analyzer. The results show that in N2atmosphere, with the increase of EGR rate, both mass losses and the peak mass changing rate of particle sample gradually reduce, and the corresponding temperature rises. The contents of moisture and soot in particle increase while the content of SOF constituent deceases. In O2atmosphere, the changing pattern of SOF is basically the same as in N2atmosphere, but the peak mass changing rate rises and the corresponding temperature lowers. In soot oxidation phase, the temperature at the start moment of soot pyrolysis lowers and both mass loss and the peak mass changing rate have an evident rise. With the increase of EGR rate, the peak mass changing rate of soot gradually rises but the corresponding temperature is relatively high, while the activation energy of particles increases, meaning that when EGR rate is going up, the surface functional group and activity of particles reduce, the energy needed for reaching the peak mass changing rate is relatively significant, and the particles are difficult to be oxidized and pyrolyzed. In addition, both the burning and burnout characteristic indices of particles tend to fall, resulting in the incomplete combustion with deterioration in combustion performance and efficiency of particles.

diesel engine; exhaust gas recirculation; particles; oxidation; volatilization

*國家自然科學基金(51376083,51506011)、江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB470001)和蘇州市應用基礎研究項目(SYG201515)資助。

原稿收到日期為2014年11月4日，修改稿收到日期為2014年12月29日。