喷油策略和废气再循环对柴油机燃烧与颗粒排放的影响

【摘要】：近年来我国许多城市大气的颗粒污染物浓度屡屡超标，导致灰霾天气的频繁出现。长期生活在灰霾环境空气中，会增加人群的呼吸系统疾病，甚至导致非正常死亡人数的上升，因此城市灰霾污染成为我国面临的重中之重的环境问题。机动车作为大气颗粒物最主要的排放源之一，已经受到了越来越多的关注，其中柴油车由于其燃烧特性容易形成颗粒排放，其颗粒物排放量远超汽油车。因此降低柴油机颗粒物（DPM）排放成为汽车领域研究的热点。本文从喷射策略及EGR率的角度对柴油机不同工况下的燃烧与排放进行了系统的研究，重点考察了排放颗粒物的数浓度粒径分布以及颗粒中的碳质组分构成。 在一台高压共轨直喷柴油机上，首先考察了不同主喷时刻对常规排放以及颗粒物粒径分布、碳质组分等的影响。试验结果表明，相同转速下，随着主喷时刻的推迟，低负荷下燃烧最大放热率呈现先下降后升高的趋势，高负荷下则变化不大；CO、HC排放均随着主喷的推迟而有所上升，而NO_x逐渐下降，烟度在低负荷下几乎为零，在高负荷时为先下降后上升。相同转速下，随着主喷时刻的推迟，低负荷时，颗粒物向小粒径方向迁移，积聚模态颗粒的质量减小，核模态颗粒质量增加；高负荷时，两个模态颗粒物的质量均逐渐增加。颗粒物平均几何粒径（GMD）先增大后减小。在颗粒物碳质组分中，TC成分随主喷的推迟而增加。但喷油策略对OC/EC影响不大。Char-EC/Soot-EC在低负荷时逐渐上升，高负荷下则逐渐下降。此外，本文还考察了共轨压力对常规排放以及颗粒物粒径分布、碳质组分等的影响。结果表明，随着轨压的增加，缸内燃烧放热率、最大压力升高率均上升，燃油消耗率下降，CO和HC降低，而NO_x排放更多；随轨压的增加，总颗粒物和积聚模态颗粒物的质量显著降低，，而核模态颗粒质量有所增加；总颗粒和核模态颗粒的数量排放随轨压的增加逐渐增加，而积聚态颗粒物则相应减少；随轨压的增加，颗粒物的粒径均向小粒径方向偏移，GMD降低，TC的排放随之降低，而Char-EC/Soot-EC有所上升。 进一步考察EGR对常规排放以及颗粒物粒径分布、碳质组分等的影响，EGR的引入使得燃烧的放热率峰值以及燃烧持续时间均发生了不同程度的变化。随着EGR率的增加放热率在不同工况下均表现不同的变化规律，燃油消耗率则逐渐上升，HC、CO、烟度排放增加，而NO_x则大幅降低；当EGR加至30%时，NO_x生成量几乎为零。EGR增加了积聚模态及总颗粒物的质量与数量浓度，同时减小了核模态颗粒物的排放，随EGR增加，微粒粒径朝大粒径的方向偏移，如GMD由增加到了微粒，随着EGR率的升高，上述趋势则更为明显，同时EGR增加了TC的比排放，Char-EC/Soot-EC因含氧量的减少而有所降低。 最后考察预喷时刻对常规排放以及颗粒物粒径分布、碳质组分等的影响，结果表明，较小的预-主喷间隔下预喷产生的放热峰值较高；随着预喷时刻的提前，预喷燃烧峰值较低，持续期较长。主喷放热率变化不大，燃油消耗有所增加，HC与CO排放在低负荷时逐渐增加，但高负荷下变化并不大。NO_x和烟度均逐渐降低。随着预喷时刻的提前，颗粒物质量下降，同时朝小粒径方向发展，核模态颗粒物质量与数量上升，积聚模态则下降。GMD随预喷的提前略有减小趋势，当预-主喷间隔小至10°CA时，燃烧放热率、颗粒物排放等都大幅增加。