后喷策略对柴油机排气污染物的影响

燃烧科学与技术
Journal of Combustion Science and Technology 2017，23(3)：212-216
DOI 10.11715/rskxjs.R201603060
收稿日期：2016-03-29
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228502)；国家自然科学基金资助项目(51574136). 作者简介：杨新乐（1980— ），男，博士，教授，yxl2003@. 通讯作者：吕 刚，男，副教授，lvg@ ．
后喷策略对柴油机排气污染物的影响
杨新乐1，乔约翰1，李 浩2，吕 刚2
(1. 辽宁工程技术大学机械工程学院，阜新 123000； 2. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)
摘 要：在一台电控高压共轨柴油机上，研究了后喷策略对柴油机排放的影响．实验工作在恒定工况下进行，选择不同主后喷间隔及后喷率，测量了CO 、总碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物排放的排放值；同时，还考察了排气碳烟的表观活化能和石墨化程度．实验结果表明：随着主后喷间隔及后喷率增加，CO 和总碳氢化合物呈上升趋势，而NO x 呈下降趋势；后喷率为12%,和20%,时，无论过大或过小的主后喷间隔，颗粒物排放均有明显的增加；后喷率为4%,时，随着主后喷间隔的增加，颗粒物的排放量增加．后喷对碳烟微粒的活化能有较强的影响，而碳烟石墨化程度的变化也证明了此结果．
关键词：柴油机；主后喷间隔；后喷率；污染物排放；碳烟氧化活性
中图分类号：TK421.5 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2017)03-0212-05
Influence of Post -Injection Strategy on the Exhaust Emissions
from a HSDI Diesel Engine
Yang Xinle 1，QiaoYuehan 1，Li Hao 2，Lü Gang 2
(1．School of Mechanical Engineering ，Liaoning Technical University ，Fuxin 123000，China ；
2．State Key Laboratory of Engines ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China )
Abstract ：A four-cylinder ，direct-injection diesel engine equipped with a high-pressure ，common-rail fuel injec-tion system was tested under a constant engine operating mode to investigate the effect of post-injection strategy on pollutant emissions ．Characteristics of exhaust pollutants were measured and evaluated for different main-post in-tervals (MPIs )and post-injection rates (PIRs )．Measurements included emissions of carbon monoxide (CO )，total hydrocarbons (THC )，nitrogen oxides (NO x )and particulate matter (PM )，the reactivity and graphitization degree of soot particles ．Increasing the MPI or PIR increased the emissions of CO and THC but decreased those of NO x ．At both low and high MPI values ，higher PM emissions and particle number concentrations were observed for 12% and 20% PIRs ．At 4% PIR ，PM emissions and particle number concentration increased with increasing MPI ．Post injectio n significantly influenced the reactivity o f emitted so o t particles ，as was evidenced by changes in the graphitization degree of soot.
Keywords ：diesel engine ；main post-injection interval ；post-injection rate ；pollutant emissions ；soot reactivity
燃料的多次喷射技术是控制柴油机燃烧普遍而
有效的手段．多次喷射通常包括3个阶段：预喷、主
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喷和后喷，其中后喷发生在主喷结束后，喷入燃油量较少[1]．由于后喷可以增加后燃期温度以及缸内湍
流，因此后喷可以降低碳烟(soot )排放[2-3]；
同时后喷也会为柴油机后处理装置(如颗粒捕集器、稀燃氮氧化物捕集装置)再生提供所需的碳氢化合物[3-4]．
Jeftić等[5]研究发现，合适的后喷策略可以增加排气温度、降低碳烟排放并产生活性较高的物质(包括氢和轻质烃)，这些物质有利于后处理装置. Vane-gas 等[6]发现，应用较小的主后喷间隔(main-post in-jection interval ，MPI )，CO 和总碳氢化合物(total hy-drocarbons ，THC )排放量基本不变，并且能减少碳烟的排放．Zheng 等[7]发现在较大EGR 率时，纯柴油以及混合柴油在较大的MPI 时能够降低碳烟排放．此外，Payri 等[8]及Benajes 等[9]认为后喷在不引起氮氧化物排放升高的情况下可降低碳烟排放. Intelligence 等[10]将碳烟的降低归因于后喷对缸内湍流的增强，促进了空气和燃料的混合，使更多的氧气参与燃烧，碳烟的氧化得到增强．另一些研究发现，后喷燃烧提高了缸内温度，进而增加了碳烟的氧化速率，降低了碳烟排放量[11-12]．
后喷技术在降低碳烟排放的同时，也影响排气颗粒物的理化特性[13-14]，目前有关这方面的报道还是很少．鉴于此，本文不但开展了主后喷间隔MPI 及后喷率(post-injection rates ，PIR )对柴油机排放污染物影响的研究，同时还通过拉曼光谱和热重分析技术探讨了后喷对碳烟颗粒的石墨化程度及氧化活性的影响规律．
1 实验设备与实验方案
1.1 实验设备和测试方法
实验在一台电控高压柴油机上进行，该柴油机无后处理和EGR 装置，发动机具体参数见表1．采用电涡流测功机(A VL ALPHA350AF )和PUMA 系统控制发动机速度与转矩．实验时，发动机冷却水和机油温度分别控制在80～85℃和85～90℃．发动机转速和喷油量分别控制在1800r/min 和每循环50mg ．单主喷工况平均有效压力为1.06MPa ．采用ETAS 公司的INCA6.2标定软件进行发动机后喷策略参数的调节．如图1所示，每循环采用两次喷射：一次主喷和一次后喷，喷射压力均为130MPa ．为了避免过高的压升率，主喷时刻为上止点前1°CA ．PIR 表示后喷油量占每循环总喷油量的百分比，在本次实验中PIR 为4%、12%和20%(短主喷时，每循环油量分别为48,mg 、44,mg 和40,mg ；后喷时，每循环油量分别为
2mg 、6mg 和10mg )．θMPI 被定义为主喷结束到后
喷开始间曲轴转角．由于θMPI 过大易造成热效率过低
和不稳定的燃烧，因此选取θMPI 为8°CA 、
12°CA 、16°CA 和20°CA ．
表1 实验柴油机主要性能参数
项
目
参 数
型式 直列、中冷、废气涡轮增压
气缸数 4 缸径/mm 102 行程/mm 118 压缩比 17∶1
活塞总排量/L 3.856 燃油喷射系统 Bosch 电控高压共轨系统
最低空载稳定转速/(r ·min -1) ≤750
标定功率/kW 100 标定转速/(r ·min -1) 2,800
最大转矩/(N ·m ) 420 最大转矩转速/(r ·min -1) 1,500～1,700
排放 满足国Ⅳ排放法规
图1 后喷参数定义
1.2 污染物的测量
采用HORIBA 公司生产的MEXA-7100DEGR 型排放分析系统测量发动机排气气态污染物，包括
CO 、THC 和NO x ，检测精度为1×10-6．使用分流排气采样系统(HOR IBA MDLT-1302TMA )收集颗粒物，所用滤纸直径为70mm ．稀释后混合气温度低于52℃．采用电子微量天平(Sartorius ME 5-F ，精度为0.001mg )分别测量实验前后滤纸质量，测量3次，平均后相减得到颗粒物质量． 1.3 热重和拉曼分析
采用聚四氟乙烯(R2PL047，PallGelman ，USA )采集颗粒物样品．室温下，使用二氯甲烷浸泡颗粒物样品，通过超声震荡分离颗粒物中碳烟．采用离心分离法获得二氯甲烷中悬浮的碳烟．为完全除去碳烟中可溶性杂质，使用新的二氯甲烷重复上述过程4次．最后所得碳烟样品干燥后密封在玻璃试管内以备实验分析．
采用显微拉曼散射光谱仪(R enishaw R M1000)分析碳烟的石墨化程度．拉曼光谱的波长范围为
900～2000cm -1．拉曼光谱仪每次扫描范围直径为2μm ，选取10个位置，一个位置测试60s ，再应用软件累计3次的结果以减少光谱中的杂音．在
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Origin9.0中应用峰值拟合模块对拉曼的曲线进行拟合．依照Sadezky 等[15]介绍的方法，拉曼光谱可以大
致分为3个Lorentzian 谱带(包括：1200cm -1(D4)、
1345cm -1(D1)和1590cm -1(G ))和一个类似高斯分
布的谱带1520cm -1(D3)．定义D1峰值强度与G 峰的峰值强度的比值(I D1/I G )用来评价碳烟的石墨化
程度[16]．
通过热重分析仪(Mettler-Toledo TGA/DSC1)测量碳烟表观活化能，用表观活化能来表征碳烟的氧化活性．测量时，采用流量为40mL /min 的99.99%氧气；温度设定为50～900℃；升温速率为10℃/min 、15℃/min 和20℃/min ．依据Müller 等[17]的测试过程，采用Friedman 方法计算碳烟的表观活化能．
2 结果与讨论
应用公式(1)，将所有排放污染物归一化处理.
单主喷的工况为：每循环喷油量50mg ，平均有效压力1.06MPa ，在这一基线下CO 、THC 、NO x 和颗粒物
排放量分别为45×10-6、
42×10-6、515×10-6和0.012g /(kW ·h )．
PE,SE,x x
E A E =
(1)
式中：A 为归一化后污染物排放值；E PE 为在不同主后
喷间隔MPI 及后喷率PIR 下污染物排放量；E SE 为单主喷时污染物排放量；x 为污染物类别． 2.1 气体污染物排放的影响 2.1.1 CO 排放
图2所示为不同主后喷间隔MPI 及后喷率PIR 对CO 排放的影响．从图中可以看出，后喷降低了CO 的排放．在相同的PIR 时，随着MPI 的增加，CO 排放量呈逐渐增加的趋势，并且低于单次喷射(每循环50mg )时CO 排放量．例如，在PIR 为4%时，归一化后的CO 排放量为0.68～0.89；PIR 为12%时，归一化后的CO 排放量为0.71～0.92；PIR 为20%时，归一化后的CO 排放量为0.76～1.08．CO 是碳氢燃料不完全燃烧的产物．在本次实验中，随着MPI 的逐渐增大，后喷燃油在膨胀冲程燃烧，由于缸内容积增大，缸内温度降低，较低的温度降低了燃烧效率，因此产生了大量的CO ；另外，过迟的后喷时刻会导致部分燃油喷入夹缝，从而不能完全燃烧．对于相同的MPI ，随着PIR 从4%增加到20%，CO 排放量随之增加．这是因为，大部分喷燃油在相对温度较低的环境中燃烧．上述结果与已发表文献结果相一致，这
些文献使用的燃料包括柴油[7,13]、二甲基乙醚[1]、汽柴
油混合燃料、正丁醇和正丁醇与汽柴油混合燃料[7].
图2 MPI 及PIR 对CO 的影响
2.1.2 THC 排放
图3所示为不同的MPI 及PIR 对THC 排放量的影响．随MPI 及PIR 的增加，归一化后的THC 排放量的变化规律与CO 相似[1,7,13]．在本次实验的MPI 范围内，当PIR 为4%、12%和20%时，归一化后THC 的排放量分别为0.79～0.98、0.9～1.02和0.95～1.03．与CO 相同，缸内温度、后喷油量、燃料喷到夹缝区域等因素仍然是影响THC 排放的原因．
图3 MPI 及PIR 对THC 的影响
2.1.3 NO x 排放
本次实验中，采用后喷降低了NO x 排放，
这与文献[5，7，18]结论是相同的．如图4所示，随着MPI 及PIR 的增加，归一化后的NO x 排放量从1.03降低到0.83．当PIR 一定时，主喷燃烧阶段生成的NO x 被近似认为是定值，这是因为主喷油量一定，且主喷燃油在相同的环境中燃烧．图中NO x 排放量的降低是由MPI 的增加引起的，其原因是：随着MPI 的增大，后喷燃烧时的环境温度及压力均持续降低，所以NO x 生成量减少．此外，MPI 一定时，随着PIR 的增加，
NO x 排放量减少．
其原因为：在此过程中主喷燃烧阶段生成的NO x 减少，后喷燃烧阶段NO x 生成量增加．然而，后喷燃烧时缸内的温度和压力大幅度下降，后喷阶段生成的NO x 不能补偿主喷NO x 减少
量．因此，随着PIR 的增加，NO x 排放量降低．
此外，笔者发现：在PIR 为4%、MPI 为8°CA 时NO x 排放
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量稍稍高于基线．这是因为主燃烧后期后喷增加了主燃的火焰温度，导致了更多NO x 的形成[2,19]．
图4 MPI 及PIR 对NO x 的影响
2.2 颗粒物排放的影响
图5为不同MPI 及PIR 对颗粒物排放的影响．PIR 为4%时，归一化处理后颗粒物排放量的范围在0.73～1.06，且随着MPI 的增大，颗粒物排放量逐渐增加．其原因为：当后喷过于接近主喷时(MPI 为8°CA )，后喷带来的湍流动能[11]及燃烧增强作用促进了颗粒物的氧化[2,19]，造成颗粒物排放量较低；随着MPI 的增加，后喷燃烧与主喷燃烧分开，后喷燃烧发生在温度和压力较低的环境条件．虽然在此条件下不利于碳烟生成，但是后喷燃油的不完全燃烧提高了可溶性有机物的含量，导致颗粒物排放量增加．当PIR 为12%和20%时，随着MPI 的增加，颗粒物排放量先减少后增加，归一化后颗粒物的范围分别在0.91～1.25和 1.13～1.13．MPI 为8°CA 时，随着PIR 的增加，颗粒物排放量相对较高，可能是由于部分后喷燃油卷吸到主喷燃烧产物中，导致后喷燃油在贫氧区域燃烧．当MPI 从8°CA 增加到12°CA 时，后喷燃油卷吸到主喷燃烧区减少，颗粒物明显降低．随着MPI 从12°CA 增加到20°CA ，可溶性有机物增加，从而造成颗粒物增加.
图5 MPI 及PIR 对颗粒物排放的影响
2.3 碳烟的氧化活性和石墨化程度的影响
燃烧条件对柴油机碳烟颗粒的氧化活性有较大的影响[20]．随着后喷的引入，燃烧条件也发生了改变，这将影响到柴油机碳烟氧化活性．本文采用表观活化能(apparent active energy ，AAE )表征碳烟的氧
化活性．较低的表观活化能代表碳烟具有较强的氧
化活性．如图6所示，在不同的MPI 及PIR 工况下，柴油机碳烟的AAE 范围在158.8～201.3kJ /mol 之间．在不同的MPI 及PIR 条件下，AAE 大小排序不同，如当MPI 为8°CA 时，AAE 的变化顺序为：PIR 为20%＜单次喷射(PIR 为0)＜PIR 为4%＜PIR 为12%．上述相关AAE 的变化顺序可从拉曼光谱所显示的石墨化程度得到证明．
图6 碳烟AAE 的变化规律
在拉曼光谱中，G 峰反映C —C 石墨平面的纵向
伸缩运动．D1峰主要与碳烟的A 1g 对称呼吸模式有关，在理想石墨中不会出现的结构常称为缺陷峰，其强度反映石墨化结构不规则程度．D1峰和G 峰强度之比(I D1/I G )可以直接反映石墨碳层的尺寸和缺陷[16]，I D1/I G 值越大其石墨化程度越低，易于被氧化，活化能值较低．如图7所见，I D1/I G 值变化趋势与AAE 变化趋势呈现明确的相反趋势，如当MPI 为8°CA 时，I D1/I G 值的大小顺序如下：PIR 为20%＞单次喷射(PIR 为0)＞PIR 为4%＞PIR 为12%．在本研究中，PIR 为12%时所生成的碳烟石墨化程度最高，AAE 最大，难于氧化；而PIR 为20%时所生成的碳烟石墨化程度最低，AAE 最小，易于氧化．
图7 碳烟的石墨化程度
碳烟的氧化活性对颗粒物捕集器的再生及催化
氧化具有重要的影响[20]．具有较高氧化活性的碳烟能在较低温度和更短的时间内被氧化．从图6中的实验结果可以看出，通过优化MPI 和PIR 可调节柴油机碳烟的氧化活性．
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3 结 论
(1) 随着MPI 和PIR 的增加，CO 和THC 的排
放量增加，NO x 排放量减少．
(2) 随着MPI 的增加，颗粒物在PIR 值小时呈增加趋势；但是当PIR 增加到12%及20%时，随着MPI 的增加，颗粒物的排放呈先减少后增加的趋势．
(3) 不同的MPI 和PIR 明显地影响碳烟的氧化活性．碳烟的石墨化程度的实验结果佐证这一结论．在PIR 为20%时，碳烟AAE 最低，数值为153.9～163.0kJ /mol ，此值也低于单主喷工况． 参考文献：
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