趙 洋，李銘迪，王志浩，許廣舉，袁銀男，吳 斌

（1.常熟理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，常熟 215500； 2.蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，蘇州 215006；3.蘇州東菱振動(dòng)試驗(yàn)儀器有限公司，蘇州 215006）

前言

廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是降低柴油機(jī)NOx排放的重要措施之一，但采用EGR后，缸內(nèi)空燃比和混合氣氧濃度降低，促進(jìn)了碳核顆粒的大量生成，會(huì)對(duì)柴油機(jī)的顆粒排放產(chǎn)生不利影響［1-2］。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，有必要進(jìn)一步開展降低柴油機(jī)顆粒排放的研究。

柴油機(jī)采用EGR后，一方面燃燒產(chǎn)生的廢氣（主要包括N2，CO2等）進(jìn)入氣缸，對(duì)進(jìn)入氣缸的氣體組分產(chǎn)生影響，改變了進(jìn)氣的熱容值、稀釋了混合氣中的氧濃度并減緩了燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)速率［3-4］；另一方面，由于引入氣缸的廢氣溫度不同，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度產(chǎn)生差異，在進(jìn)氣壓力保持不變的情況下，隨著EGR率增加，進(jìn)氣溫度不斷增加，受熱節(jié)流作用的影響，進(jìn)氣量會(huì)有所減少，對(duì)柴油機(jī)的整個(gè)燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響［5-6］。這些對(duì)燃燒過(guò)程的影響也改變了顆粒的生成環(huán)境，使顆粒受到周圍環(huán)境中流場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度場(chǎng)等各種場(chǎng)中范德華力和液橋力等各種力的作用發(fā)生變化，導(dǎo)致顆粒的成核、生長(zhǎng)、團(tuán)聚、氧化等衍生過(guò)程進(jìn)一步復(fù)雜化，形成具有不同微觀力學(xué)性能的顆粒，并進(jìn)一步對(duì)其在缸內(nèi)的流動(dòng)性、沉降速度、布朗運(yùn)動(dòng)、氧化過(guò)程等固體動(dòng)力學(xué)特性和化學(xué)反應(yīng)特性產(chǎn)生影響［7-10］。

圍繞柴油機(jī)顆粒的微觀力學(xué)性能，針對(duì)不同EGR廢氣組分和溫度條件下產(chǎn)生的顆粒，采用顆粒粒徑分析儀和原子力顯微鏡等分析手段，研究了顆粒粒徑、數(shù)量和質(zhì)量濃度的變化規(guī)律，探討了EGR廢氣組分和溫度對(duì)顆粒彈性模量、團(tuán)聚力大小和主要作用形式等微觀力學(xué)性能的影響，以期為進(jìn)一步降低柴油機(jī)的顆粒排放、拓寬EGR的工況使用范圍提供理論依據(jù)和相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 顆粒采集與粒徑測(cè)量

試驗(yàn)采用一臺(tái)經(jīng)過(guò)改裝的單缸試驗(yàn)機(jī)，壓縮比為19，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，標(biāo)定功率為6.3 kW。采用顆粒分級(jí)采樣裝置MOUDI（孔徑為0.1～17.1 mm）對(duì)柴油機(jī)的排氣顆粒進(jìn)行采集，圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

顆粒采集過(guò)程中，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 000 r／min，功率為2.6 kW。在轉(zhuǎn)速和功率固定的條件下，控制EGR冷卻器中冷卻水流量，調(diào)節(jié)EGR閥和惰性氣罐閥門開度，控制進(jìn)入氣缸中N2和CO2的流量，利用穩(wěn)壓箱減少?gòu)亩栊詺夤拗谐鰜?lái)的高速、高壓氣體對(duì)管路內(nèi)壓力的影響。采用氣體分析儀分別測(cè)量進(jìn)氣和排氣中的CO2濃度，依照式（1）對(duì)EGR率進(jìn)行控制。引入N2和CO2時(shí)，引入氣體的控制依據(jù)與引入廢氣時(shí)相同。在相同EGR率（30%）下，分別對(duì)引入CO2，N2和EGR廢氣溫度為298，373和423 K時(shí)的顆粒進(jìn)行采集。采集開始前，需要調(diào)整進(jìn)入沖擊器的上下壓差，對(duì)流量進(jìn)行標(biāo)定，采集過(guò)程中，在真空抽氣泵的作用下，稀釋后的柴油機(jī)排氣以30 L／min的恒體積流量進(jìn)入沖擊器，每個(gè)工況的采樣時(shí)間為20 min，采樣濾紙為MSP公司的Φ=47 nm鋁箔濾紙。

式中：Z為EGR率；X為進(jìn)氣CO2濃度；Y為排氣CO2濃度。

顆粒粒徑測(cè)量過(guò)程中，試驗(yàn)前需要使用經(jīng)過(guò)濾的潔凈空氣進(jìn)行稀釋，本試驗(yàn)中采用兩級(jí)稀釋，第1級(jí)稀釋系統(tǒng)采用TSI公司的旋轉(zhuǎn)盤稀釋器，對(duì)部分采集到的柴油機(jī)排氣進(jìn)行稀釋，控制初級(jí)稀釋系統(tǒng)的加熱溫度為120℃，稀釋比為200∶1，該稀釋比是通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)頻率、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)盤的空腔容積、調(diào)節(jié)稀釋空氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)；第2級(jí)稀釋采用流量計(jì)對(duì)進(jìn)氣流量進(jìn)行補(bǔ)償，并同時(shí)進(jìn)行稀釋，稀釋比為2.5∶1。

1.2 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡（AFM）的主要原理是利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的微弱作用力（10-6～10-10N），即通過(guò)對(duì)微懸臂的彎曲變形進(jìn)行測(cè)量，再將彎曲形變信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)并進(jìn)行放大，從而獲得樣品表面形貌的信息，分辨率達(dá)到原子量級(jí)。

試驗(yàn)采用美國(guó)Bruker公司的Dimension Icon原子力顯微鏡，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。探針類型為NSG-10型單晶硅探針，針尖曲率半徑約為10 nm，彈性系數(shù)（K c）范圍為3.1～37.6 N／m。在Peak Force Tapping模式下測(cè)定樣品的形貌，并記錄力 位移曲線。為避免因制樣過(guò)程操作不當(dāng)，導(dǎo)致樣品表面狀態(tài)產(chǎn)生差異，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)過(guò)程中，在每種顆粒樣品上均隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次力曲線，對(duì)分散性較大的試驗(yàn)結(jié)果，取所有數(shù)據(jù)的平均值；若僅有少數(shù)結(jié)果偏差較大，則將該數(shù)據(jù)點(diǎn)剔除，其余數(shù)據(jù)取平均值。

圖2 原子力顯微鏡試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 結(jié)果分析

2.1 廢氣組分和溫度對(duì)顆粒排放的影響

圖3為IMEP為0.73 MPa，30%EGR時(shí)，廢氣組分對(duì)顆粒粒徑、數(shù)量和質(zhì)量濃度的影響。從圖3（a）中可以看出，與引入廢氣時(shí)相比，只通入N2時(shí)的顆粒數(shù)量濃度峰值粒徑向右偏移，粒徑大于100 nm的顆粒數(shù)量逐漸增加，粒徑小于100 nm的超細(xì)顆粒數(shù)量逐漸減少，只通入CO2時(shí)的顆粒數(shù)量濃度峰值向左偏移，粒徑小于100 nm的超細(xì)顆粒數(shù)量增加明顯，粒徑大于100 nm的顆粒數(shù)量有較大幅度降低。

圖3 EGR廢氣成分對(duì)顆粒粒徑分布、數(shù)量和質(zhì)量濃度的影響

核膜態(tài)顆粒物主要是指粒徑小于50 nm的顆粒物，積聚態(tài)顆粒物是指粒徑大于50 nm的顆粒物［11］。對(duì)比核模態(tài)（10～50 nm）和積聚態(tài)顆粒（50～500 nm）總數(shù)量和質(zhì)量濃度，如圖3（b）和圖3（c）所示?？梢钥闯?，與引入廢氣時(shí)相比，通入N2時(shí)的核模態(tài)顆?？倲?shù)量和質(zhì)量濃度有所降低，積聚態(tài)顆?？倲?shù)量和質(zhì)量濃度有所增加，通入CO2時(shí)的核模態(tài)顆?？倲?shù)量和質(zhì)量濃度增加明顯，積聚態(tài)顆?？倲?shù)量和質(zhì)量濃度有較大幅度降低。說(shuō)明導(dǎo)致引入EGR后積聚態(tài)顆粒粒徑增加，數(shù)量和質(zhì)量濃度升高的主要?dú)怏w成分為N2，CO2可以降低顆粒排放數(shù)量和質(zhì)量濃度，主要是起到降低積聚態(tài)顆粒數(shù)量和質(zhì)量濃度的作用。這主要是由于，雖然通入N2時(shí)的滯燃期與引入廢氣時(shí)相近，但由于N2的熱容值較低，缸內(nèi)最高燃燒溫度較引入廢氣時(shí)高，在缸內(nèi)氧濃度較低時(shí)，促進(jìn)了碳核顆粒的生成和長(zhǎng)大，導(dǎo)致顆粒粒徑增大、數(shù)量和質(zhì)量濃度升高。通入CO2時(shí)，一方面由于與廢氣相比，CO2的熱容值較高，導(dǎo)致噴油時(shí)刻缸內(nèi)混合氣溫度較低，對(duì)混合氣的氧濃度起到一定稀釋作用，使柴油的裂解氧化反應(yīng)受阻，減緩了焰前反應(yīng)、阻礙了著火的發(fā)生，著火后火焰擴(kuò)展速率變慢，滯燃期延長(zhǎng)，具有抑制顆粒生成的作用；另一方面Chu［12］和張全長(zhǎng)等人［13］認(rèn)為，高溫情況下，在CO2化學(xué)效應(yīng)作用下，可直接與C發(fā)生反應(yīng)，對(duì)碳核顆粒具有較為強(qiáng)烈的氧化作用。在兩方面因素綜合影響下，降低了顆粒間發(fā)生碰撞凝并的概率，抑制了積聚態(tài)顆粒的形成。

圖4為廢氣溫度對(duì)顆粒粒徑、數(shù)量和質(zhì)量濃度的影響。從圖4（a）中可以看出，隨著廢氣溫度升高，顆粒數(shù)量濃度峰值粒徑向右偏移，粒徑呈增加趨勢(shì)。對(duì)比核模態(tài)和積聚態(tài)顆粒總數(shù)量濃度圖4（b）可以看出，隨著廢氣溫度增加，核模態(tài)顆?？倲?shù)量濃度變化不大，積聚態(tài)顆?？倲?shù)量濃度有較大幅度增加，不同廢氣溫度下顆粒的總質(zhì)量分布也具有相同規(guī)律，如圖4（c）所示。這主要是由于廢氣溫度較高時(shí)，滯燃期較短，著火時(shí)刻局部當(dāng)量比相對(duì)較高，缸內(nèi)混合較差，為碳核的形成創(chuàng)造了條件，促進(jìn)了碳核顆粒的大量生成，同時(shí)張軍等［14］研究表明，在較高廢氣溫度時(shí)，顆粒具有較高的生成速率，并且可以維持較長(zhǎng)時(shí)間，從而增加了顆粒間發(fā)生碰撞凝并的概率。

圖4 EGR廢氣溫度對(duì)顆粒粒徑分布、數(shù)量和質(zhì)量濃度的影響

2.2 顆粒的彈性模量分析

彈性模量是反映物體力學(xué)性能的重要參數(shù)，僅取決于物體本身的物理性質(zhì)。從宏觀角度來(lái)說(shuō)，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來(lái)看，則是原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的反映［15］。根據(jù)胡克定律，在物體的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比值被稱為物體的彈性模量。彈性模量越大，物體的結(jié)構(gòu)剛性越強(qiáng)，越不容易發(fā)生形變。

為考察EGR廢氣組分和溫度對(duì)顆粒結(jié)構(gòu)剛性的影響，采用原子力顯微鏡對(duì)顆粒的納米力學(xué)性能進(jìn)行分析。在用AFM測(cè)定顆粒納米力學(xué)性能的過(guò)程中，AFM針尖與顆粒樣品頂端的接觸示意圖如圖5所示，通過(guò)懸臂的偏轉(zhuǎn)，針尖將力F施加到被測(cè)樣品上。在顆粒納米力學(xué)性能分析過(guò)程中，通?？刹捎肏ertz理論、Johnson-Kendall-Roberts（JKR）理論和Derjaguin-Muller-Toporov（DMT）理論3種接觸模型。Chizhik等［16］對(duì)比分析了采用Hertz和JKR等接觸模型對(duì)聚合物樣品模量計(jì)算結(jié)果的影響，指出當(dāng)壓痕深度小于200 nm時(shí)，Hertz接觸模型能夠得到較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確的彈性模量計(jì)算值。

本文中計(jì)算過(guò)程選用Hertz模型對(duì)顆粒樣品的彈性模量進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中假設(shè)載荷F作用在顆粒樣品的頂端（即樣品僅受單向壓力而發(fā)生壓縮形變），忽略針尖與樣品之間的粘附力和摩擦力，計(jì)算結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，隨著EGR廢氣溫度升高，顆粒的彈性模量值逐漸增大，說(shuō)明分子之間鍵合強(qiáng)度增加，顆粒的結(jié)構(gòu)剛性逐漸增強(qiáng)，不容易發(fā)生形變。與通入廢氣時(shí)相比，只通入CO2時(shí)的顆粒彈性模量值有較大幅度降低，只通入N2時(shí)的顆粒彈性模量值有所升高，說(shuō)明廢氣中的CO2能夠降低顆粒的結(jié)構(gòu)剛性，廢氣溫度增加和廢氣中的N2是導(dǎo)致采用EGR后，燃燒產(chǎn)生顆粒結(jié)構(gòu)剛性增強(qiáng)的主要因素。

表1 柴油機(jī)顆粒樣品的彈性模量計(jì)算

2.3 顆粒團(tuán)聚力分析

柴油裂解燃燒形成的顆粒，在碰撞凝并作用下，顆粒與顆粒、顆粒與顆粒群或顆粒群與顆粒群之間逐漸團(tuán)聚在一起，形成體積較大的顆粒群。顆粒的團(tuán)聚過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，該過(guò)程除了與顆粒的表面特性、粗糙度、顆粒形狀、粒徑以及環(huán)境溫度和濕度等因素有關(guān)，還與顆粒之間的團(tuán)聚力有較大影響。當(dāng)顆粒間的距離縮短到一定程度時(shí)，對(duì)于超細(xì)顆粒或納米級(jí)顆粒，顆粒之間會(huì)表現(xiàn)出遠(yuǎn)大于其自身重力的吸附力，如分子間作用力（范德華力）、靜電力、毛細(xì)力（液橋力）等，通常將這些力稱為團(tuán)聚力。除此之外，在一些特殊條件下，如超高純度或溫度等，顆粒間還會(huì)出現(xiàn)一些其他界面現(xiàn)象作用，如接觸融化、機(jī)械聯(lián)鎖、燒結(jié)效應(yīng)等［17-18］。在不同條件下，顆粒間的團(tuán)聚力均有各自的適用范圍，范德華力主要出現(xiàn)在顆粒間距離小于100 nm時(shí)；靜電力主要在顆粒接觸前的數(shù)μm距離內(nèi)起主要作用；由于顆粒表面含有較多的可溶有機(jī)物，當(dāng)顆粒與顆粒發(fā)生接觸后，可溶有機(jī)物會(huì)在顆粒之間形成液橋，此時(shí)，毛細(xì)力出現(xiàn)，并隨著顆粒表面的可溶有機(jī)物含量增加而逐漸增大。

為進(jìn)一步考察EGR廢氣組分和溫度對(duì)顆粒微觀力學(xué)性能的影響，分別對(duì)通入實(shí)際廢氣、N2和CO2時(shí)，燃燒產(chǎn)生的顆粒進(jìn)行了AFM力曲線測(cè)量，如圖5所示，探討了顆粒間團(tuán)聚力的變化規(guī)律?？梢钥闯?，通入N2時(shí)的顆粒團(tuán)聚力約為21.2 nN，與通入實(shí)際廢氣時(shí)的顆粒團(tuán)聚力相比變化不大；通入CO2時(shí)的顆粒團(tuán)聚力約為8.2 nN，有較大幅度降低。Rong［19］和Jones［20］等人研究表明，納米顆粒鏈聚集物之間的范德華力和液橋力預(yù)測(cè)值分別約為0.21～21.08 nN和4.5～9 nN。說(shuō)明引入廢氣和N2時(shí)，顆粒間的團(tuán)聚力主要以范德華力形成存在，引入CO2時(shí)，顆粒間的團(tuán)聚力主要以液橋力形式存在，廢氣中的N2是導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚力增加的主要?dú)怏w成分，引入EGR后，顆粒結(jié)構(gòu)剛性增加主要是由于N2所占比例增加導(dǎo)致的，廢氣中的CO2可以顯著降低顆粒間的團(tuán)聚力。

圖5 廢氣組分對(duì)顆粒團(tuán)聚力的影響

引入EGR后，進(jìn)氣溫度的改變會(huì)對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響，進(jìn)而使燃燒產(chǎn)生的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，通過(guò)對(duì)不同廢氣溫度條件下產(chǎn)生顆粒的團(tuán)聚力進(jìn)行分析（如圖6所示），有助于進(jìn)一步解釋引入EGR后，顆粒結(jié)構(gòu)變化的原因。從圖中可以看出，隨著EGR廢氣溫度升高，顆粒間的團(tuán)聚力逐漸增加，分別約為6.2，12.4和18.3 nN，并且團(tuán)聚力作用的主要形勢(shì)由液橋力逐漸向范德華引力轉(zhuǎn)變，但液橋力和范德華引力的變化較不同廢氣組分時(shí)的變化較小。這說(shuō)明廢氣溫度增加也是導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)剛性增加的原因之一，但與廢氣組分相比，廢氣溫度改變的作用較小。

圖6 廢氣溫度對(duì)顆粒團(tuán)聚力的影響

3 結(jié)論

（1）隨著EGR廢氣溫度升高，核模態(tài)顆?？倲?shù)量濃度變化不大，積聚態(tài)顆?？倲?shù)量濃度有較大幅度增加，顆粒的總質(zhì)量分布也具有相同規(guī)律。廢氣中的N2是導(dǎo)致采用EGR后積聚態(tài)顆粒粒徑增加、數(shù)量和質(zhì)量濃度升高的主要?dú)怏w成分，廢氣中的CO2可以降低顆粒排放數(shù)量和質(zhì)量濃度，主要是起到降低積聚態(tài)顆粒的作用。

（2）隨著EGR廢氣溫度升高，顆粒的彈性模量逐漸增大，說(shuō)明分子之間鍵合強(qiáng)度增加，顆粒的結(jié)構(gòu)剛性逐漸增強(qiáng)，不容易發(fā)生形變。與通入廢氣時(shí)相比，只通入CO2時(shí)的顆粒彈性模量有較大幅度降低，只通入N2時(shí)的顆粒彈性模量有所升高，說(shuō)明廢氣中的CO2能夠降低顆粒的結(jié)構(gòu)剛性，廢氣溫度增加和廢氣中的N2是導(dǎo)致采用EGR后，燃燒產(chǎn)生顆粒結(jié)構(gòu)剛性增強(qiáng)的主要因素。

（3）引入廢氣和N2時(shí)，顆粒間的團(tuán)聚力主要以范德華力形式存在，引入CO2時(shí)，顆粒間的團(tuán)聚力主要以液橋力形式存在，引入EGR后，顆粒結(jié)構(gòu)剛性增加主要是由于N2所占比例增加導(dǎo)致的，廢氣中的CO2可以顯著降低顆粒間的團(tuán)聚力。隨著EGR廢氣溫度升高，顆粒間的團(tuán)聚力逐漸增加，團(tuán)聚力作用的主要形勢(shì)由液橋力逐漸向范德華引力轉(zhuǎn)變。

（4）通過(guò)采用增壓中冷技術(shù)以及適當(dāng)增加EGR廢氣中的CO2組分含量，能夠在一定程度上降低柴油機(jī)的顆粒物排放，拓寬EGR的工況使用范圍。