毕业设计论文重型柴油机起动工况的颗粒数量排放特性

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1、重型柴油机起动工况的颗粒数量排放特性摘要：以一台采用电控高压共轨的重型柴油机为样机，分别研究了柴油机在冷机起动工况(冷却水温度为24)和热机起动工况(冷却水温度为80)的颗粒排放特性。结果表明：冷机起动工况下，颗粒数量的粒径分布呈单峰形态，核态颗粒的数量峰值粒径在20-30nm之间；热机起动工况下，颗粒数量的粒径分布呈双峰形态，核态颗粒、聚集态颗粒的数量峰值粒径分别在15nm、130nm附近。颗粒的粒径小于100nm范围内，冷机起动的颗粒数量要远大于热机起动。不论是冷机起动还是热机起动工况，瞬时颗粒数量均先上升、后下降、最后趋于相对稳定。前期起动阶段的瞬时颗粒数量均高于怠速稳定阶段。冷机起动工

2、况下，瞬时核态颗粒、聚集态颗粒的数量，大都明显高于热机起动工况。前期起动阶段、怠速稳定阶段、整个起动工况的累计核态颗粒数量，在总颗粒数量中都占有绝对支配地位。关键词：柴油机；排放；冷机起动；热机起动；颗粒数量；核态颗粒；聚集态颗粒中图分类号：TK421文献标识码：A：Particle Number Emission from a Heavy-Duty Diesel Engine during Start OperatingConditionsTan Piqiang, ZouLehua, HuZhiyuan, Lou Diming, YangRong(School of Automobile,

3、Tongji University, Shanghai 201804)Abstract:In this paper, anelectronic control,common rail heavy-duty diesel engine was used to study particle number emission during cold start(the coolanttemperature is 24oC) and warm start(the coolanttemperature is 80oC)operating conditions.The size distributionso

4、f particle numbershow unimodal distribution, with a peak value of nucleation mode particle number between 20nm-30nm particle diameters during cold start. During warm start,the size distributionsof particle number shows bimodal distribution, with peak valuesof nucleation mode particle number around 1

5、5nm particle diameter and accumulation mode particle number around 130nm particle diameter respectively. Particle numbers with particles range in diameter below 100 nm during cold start are distinctly higher than warm start. No matter cold start or warm start, real-time particle numbers rise firstly

6、, then decline, and finally tend to be relatively stable.The real-time particle numbers during the early start stage is higher than that the idlestabilization stage. The real-time nucleation mode and accumulation mode particle numbersduring cold start are obviously higher than that warm start. The s

7、ummed nucleation mode particle numberabsolutely dominates the total particle numberduring the early start stage, the idle stabilization stage and the whole start operating condition.Keywords:Diesel engine; Emission; Cold start; Warm start;Particle number;Nucleation mode particle;Accumulation mode pa

8、rticle目前，重型柴油机广泛应用于交通运输领域。其在实际运行过程中，会产生大量的有害排放物，而颗粒是主要的有害排放物之一，尤其是其中的细颗粒。柴油机排放的这些细颗粒占颗粒总质量的比例较小，但占颗粒总数量的比例往往较大1，而且它们往往会长期悬浮在大气中而不沉降，污染环境并易对人体健康产生极大危害2-4。因此，对柴油机的颗粒排放进行研究非常重要。以往对柴油机排气颗粒的研究，大多集中在排气颗粒质量方面，而现今对排气颗粒数量的研究，也越来越得到重视5-8。按粒径大小，可将柴油机排气颗粒分为粒径较小的核态颗粒和粒径较大的聚集态颗粒。在影响柴油机排气颗粒数量的诸多因素中，柴油机运行工况十分关键。国内外

9、对柴油机排气颗粒数量的研究，大多集中在柴油机稳态工况9-11，对起动工况的研究较少，而柴油车在实际使用过程中，起动工况较为关键12-15。从2013年1月开始，最新的欧VI重型柴油机排放法规，在对排气颗粒数量的要求方面，增加了对起动工况的考核，即重型车排放法规中世界统一瞬态测试循环(WHTC)开始考核起动工况的颗粒数量排放16-17。在上述背景下，柴油机起动工况的排气颗粒数量研究日益得到重视，其中对冷机起动、热机起动工况的核态颗粒、聚集态颗粒数量排放的研究，鲜见报道。已有研究表明5-8，柴油机稳定工况的排气颗粒粒径呈明显的单峰或多峰分布。因而有必要也对冷机起动、热机起动工况的核态颗粒、聚集态颗

10、粒排放特性进行研究。基于以上分析，本文以一台满足国IV标准的重型柴油机为样机，进行了冷却水温度为24(冷机起动工况)和80(热机起动工况)的起动试验，研究柴油机在冷机起动、热机起动工况下的颗粒数量排放特性。1 试验设备及方案1.1试验柴油机样机为一台满足国IV标准的高压共轨增压中冷六缸柴油机，该机采用SCR后处理系统，其主要技术参数如表1所示。燃料为沪四柴油。1.2 测试设备和方案1.2.1 测试设备试验台架采用 AVL-PUMA 发动机全自动试验台架测控系统，该系统采用电力测功机。采用ETAS-INCA标定系统记录柴油机的循环进气量和循环喷油量。其中，循环进气量主要由ECU根据进气压力、进气

11、温度、转速和气缸容积确定，循环喷油量主要由ECU根据喷油压力、针阀开启的持续时间确定。表 1 试验柴油机的主要技术参数Tab.1 The experimental specifications参数名称参数值排量/L7.04缸径/mm108行程/mm130压缩比18:1怠速/(r·min-1)600颗粒数量测试采用Cambustion DMS500发动机瞬态颗粒分析仪，该仪器内部安装有二级稀释装置，可直接对发动机排气颗粒数量和粒径进行测量，可测量的颗粒粒径范围为5nm-1000nm，覆盖了柴油机大部分粒径范围的排气颗粒。该仪器的响应时间可达200 ms T10-90%，采集频率为10H

12、z，完全满足发动机瞬态工况下颗粒数量的测量要求。本次试验DMS500的进样温度为150。台架测试系统示意图如图 1 所示。图1 柴油机台架测试系统Fig.1 Schematic of engine test bench1.2.2 起动工况及测试方案按时间先后顺序，本文将整个起动工况，定义为前期和后期两个阶段，分别如下：(1)前期起动阶段（前期）：柴油机从起动开始、到怠速稳定前所经历的时间阶段。(2)怠速稳定阶段（后期）：柴油机处于怠速稳定状态所经历的时间阶段。为研究柴油机不同起动工况(冷机起动、热机起动工况)的颗粒数量排放特性的差异，分别对试验样机进行冷机起动、热机起动工况试验：（1）冷机起动

13、工况：将试验柴油机静置于带冷却空调的试验室内 12 小时，从前一日 20:00 至次日 8:00，待冷却水温度达到24时起动试验柴油机，并保持怠速状态，测试并记录这一过程的循环进气量、循环喷油量和颗粒数量排放等数据。（2）热机起动工况：控制柴油机达到稳定工作温度后，关闭柴油机和台架冷却水控制系统，使其在台架测试室内自然冷却，待冷却水温度达到目标研究值80时进行热机起动工况，并保持怠速状态，测试并记录这一过程的循环进气量、循环喷油量和颗粒数量排放等数据。本文对试验采集到的颗粒数量数据处理如下：从发动机起动开始，判断出颗粒数量从零开始发生上升突变的时刻，作为颗粒数量计时的起点。2 试验结果分析2.

14、1 起动工况的转速图2显示该机起动工况转速随时间的变化规律。可见，冷机起动、热机起动工况两条曲线的变化趋势基本一致，在前期起动阶段，柴油机的转速从0 r/min开始快速上升至最大值，随后缓慢降低，后期进入怠速稳定阶段。图2 起动工况转速随时间的变化Fig.2 Theengine speed during start operating conditions如图2所示，根据前文对整个起动工况、前期起动阶段和怠速稳定阶段的定义，该机整个起动工况的时间阶段为第1.0s- 9.0s，共持续8.0s。其中前期起动阶段为第1.0 s-5.0s、后期的怠速稳定阶段为第5.0s- 9.0s，前期和后期两个阶段

15、的持续时间均为4.0s。2.2 起动工况的循环喷油量图3显示该机起动工况循环喷油量随时间的变化规律。可以看出，冷机起动、热机起动工况两条曲线的变化规律相似：首循环喷油量最大，随后循环喷油量从最大值开始较快降至最小值，最后缓慢上升至基本趋于稳定。循环喷油量从1.0s开始发生变化，且首循环喷油量均为最大值，首循环后约0.4s内循环喷油量均从峰值开始逐渐降低，主要是为了保证不失火的同时降低排放。随后循环喷油量迅速降至最低值，冷机起动、热机起动工况的循环喷油量均在2.3s左右达到最低值，此后再小幅逐渐上升至基本趋于稳定。图3 起动工况循环喷油量随时间的变化Fig.3Thecycle fuel inje

16、ction quantity during start operating conditions图3可见，与热机起动工况相比，柴油机冷机起动工况的循环喷油量在任一时刻均较高。在前期起动阶段，冷机起动、热机起动工况首循环喷油量分别为76.2mg/cyc、62.8 mg/cyc，前者比后者高21.3%。在怠速稳定阶段，冷机起动、热机起动工况循环喷油量分别在15.4mg/cyc、8.5 mg/cyc附近波动，前者为后者的1.81倍。2.3 起动工况的空燃比图4是该机起动工况空燃比随时间的变化规律。由图可见，冷机起动、热机起动工况柴油机的空燃比，随时间推移的变化规律相似，先从最小值开始迅速上升至约第2

17、.3s达到最大值，随后逐渐下降至基本趋于稳定。如图4所示，热机起动工况柴油机任一时刻的空燃比，均明显高于冷机起动工况。冷机起动、热机起动工况下，柴油机的空燃比均在前期起动阶段的首循环最低，其值分别约为15.4和18.6，后者为前者的1.21倍。在怠速稳定阶段，空燃比基本稳定，冷机起动、热机起动工况柴油机的空燃比分别约在90和188附近波动，后者为前者的2.09倍。图4 起动工况空燃比随时间的变化Fig.4 Theair fuel ratio during start operating conditions2.4颗粒数量的粒径分布特性柴油机排气颗粒主要是由固态碳烟soot、可溶有机组分SOF、

18、硫酸盐类等构成的复杂混合物18。碳烟生成的主要条件是高温、缺氧，SOF主要来源于未燃的燃油和窜入燃烧室的润滑油19。按粒径大小，可以将柴油机排放的颗粒分为核态颗粒和聚集态颗粒。其中，核态颗粒主要为独立存在的可溶有机组分SOF颗粒、少量的硫酸盐类颗粒和极小粒径的碳烟颗粒，较大粒径的聚集态颗粒主要来自碳烟颗粒的碰撞、凝聚和吸附1,20。本文测取的颗粒粒径范围为5nm-1000nm，按照粒径大小，将核态颗粒、聚集态颗粒的粒径范围分别划分为5nm-50nm、50nm-1000nm。选取前期起动阶段、怠速稳定阶段、整个起动工况，对冷机起动、热机起动工况颗粒数量的粒径分布进行对比研究。图5为前期起动阶段、

19、怠速稳定阶段、整个起动工况下颗粒数量的粒径分布，以前期起动阶段为例说明颗粒数量粒径分布的计算方法。将前期起动阶段（第1.0 s-5.0s）采样获得的每个瞬态时刻的颗粒数量粒径分布进行求和，再求出平均值，即可得到前期起动阶段颗粒数量的粒径分布特性。(a) 前期起动阶段(b) 怠速稳定阶段(c)整个起动过程图5起动工况颗粒数量的粒径分布特性Fig.5Particlenumber and size distribution at start operating conditions由图5可见，冷机起动、热机起动工况下，颗粒数量的粒径分布存在明显差异。不论是前期起动阶段、怠速稳定阶段，还是整个起动工况

20、，冷机起动工况颗粒数量的粒径分布均呈单峰形态，且都出现在核态颗粒区域，颗粒数量峰值在20-30 nm之间；而热机起动工况颗粒数量的粒径分布则均呈双峰形态，核态颗粒数量峰值粒径在15 nm附近，聚集态颗粒数量峰值粒径在130nm附近。同时可以看出，不论是冷机起动还是热机起动，颗粒数量的最大值均出现在核态颗粒区域范围内。冷机起动颗粒数量的单峰峰值，本身就在核态颗粒区域；热机起动工况的核态颗粒数量峰值，明显高于聚集态颗粒数量峰值。这主要是由于起动工况，大部分时间缸内温度和排气温度均较低，导致SOF的初始生成量较多、氧化量较少，以及碳烟的生成量较少。在前期起动阶段、怠速稳定阶段、整个起动工况，颗粒的粒

21、径小于100nm范围内，冷机起动的颗粒数量要远大于热机起动；而在颗粒的粒径大于250nm范围则相反，热机起动的颗粒数量要大于冷机起动。主要是与热机起动相比，冷机起动喷油较多、空燃比较低，产生的可溶有机组分SOF要远高于热机启动；而热机起动工况生成的碳烟颗粒中，其中粒径大于250nm的颗粒数量要多于冷机起动。2.5颗粒数量的瞬时排放特性将冷机起动、热机起动工况的核态颗粒数量、聚集态颗粒数量、总颗粒数量的瞬时排放特性分别进行了对比研究，结果如下。2.5.1核态颗粒数量图6是核态颗粒数量的瞬时排放特性。可以明显看出，在绝大多数时刻，冷机起动的核态颗粒数量，大幅高于热机起动。这主要是由于冷机起动工况下

22、，缸内喷油量要高于热机起动工况，加上缸内温度低，使得燃油蒸发较差、燃油与空气混合不均匀，导致燃烧较差，未燃燃油及其燃烧中间产物等导致的SOF生成量较多，再加上排气温度较低，使得排气中SOF后期的氧化量较少。这两方面的综合作用使冷机起动工况下以SOF为主要成分的核态颗粒较多。从图6可见，冷机起动、热机起动工况下，核态颗粒数量的变化趋势有相似之处，均为先上升、后下降、最后趋于基本稳定。但是，两种起动工况的核态颗粒数量的变化特性有所不同。冷机起动工况下，核态颗粒数量先迅速上升至最大值，在前期起动阶段的第2.7s出现最大值1.2×1010个/cm3，再缓慢下降至怠速稳定阶段后基本稳定，在3.

23、1×109个/cm3附近作窄幅波动，与最大值相比，下降约74.2%，降幅较大，这与前期起动阶段到怠速稳定阶段的循环喷油量降幅较大有关。热机起动工况下，核态颗粒数量先波动上升至最大值，在前期起动阶段的第2.4s出现最大值2.0×108个/cm3，随后缓慢下降，进入怠速稳定阶段后，在1.2×107个/cm3至1.1×108个/cm3之间作幅度较大的波动，与最大值相比，下降约45.0%至94.0%，其在怠速稳定阶段波动较大的原因可能是热机起动工况下，核态颗粒生成量本身较少，喷油量变化会导致核态颗粒数量的明显波动。图6核态颗粒数量的瞬时排放特性Fig.6The

24、real-time nucleation mode particle numberemission2.5.2 聚集态颗粒数量图7是聚集态颗粒数量的瞬时排放特性。如图可见，在绝大多数时刻，冷机起动的聚集态颗粒数量高于热机起动。冷机起动、热机起动工况下，聚集态颗粒数量的变化趋势也有相似之处。冷机起动工况下，聚集态颗粒数量在前期起动阶段出现较为明显的两个峰值，其中第二个峰值高于第一个峰值，第二个峰值出现后，聚集态颗粒数量缓慢下降至基本稳定。热机起动工况下，聚集态颗粒数量在前期起动阶段内先后出现较为明显的数个峰值，且随着时间的推移，峰值依次递减，随后趋于基本稳定。图7 聚集态颗粒数量的瞬时排放特性Fi

25、g.7 The real-time accumulation mode particle numberemission冷机起动工况下，聚集态颗粒数量在前期起动阶段的第2.8s出现最大值4.5×108个/cm3，再缓慢下降至怠速稳定阶段后基本稳定，在7.3×107个/cm3附近波动，相比最大值下降约83.8%。热机起动工况，瞬时聚集态颗粒数量在前期起动阶段的第1.8s出现最大值1.9×108个/cm3，随后慢慢下降，进入怠速稳定阶段后在6.7×106个/cm3附近小幅波动，相比最大值下降约96.5%，该降幅大于冷机起动工况，主要是热机起动工况的怠速稳定阶段

26、，与冷机起动工况相比，缸内温度较高，燃油蒸发较好，混合气形成质量较好，碳烟生成量较少，从而导致聚集态颗粒数量较少。2.5.3 总颗粒数量总颗粒数量指核态颗粒与聚集态颗粒数量之和。图8为总颗粒数量的瞬时排放特性。两种起动工况的总颗粒数量变化趋势有相似之处，为先上升、后下降、最后趋于基本稳定。对于前期起动阶段的总颗粒数量最大值，冷机起动工况是在第2.7s达到最大值1.2×1010个/cm3；而热机起动工况是在第2.0s达到最大值3.5×108个/cm3。前者是后者的34.3倍。对于怠速稳定阶段的总颗粒数量，冷机起动工况是在3.2×109个/cm3附近波动；而热机起动工

27、况是在1.9×107个/cm3至1.1×108个/cm3之间波动。前者是后者的5.79至168.4倍。明显看出在任一时刻，冷机起动瞬时总颗粒数量均远高于热机起动，这主要是与热机起动工况相比，冷机起动工况的缸内喷油量高，同时缸内温度较低，燃油蒸发特性较差，燃油与空气混合质量差，导致燃烧不理想。对比图8和图6还可以看出，总颗粒数量与核态颗粒数量的变化曲线较为相似，可以解释为整个起动工况的瞬态过程中，核态颗粒数量在总颗粒数量的比例始终较高。图8 总颗粒数量的瞬时排放特性Fig.8 The real-time totalparticle numberemission2.6累计颗粒数

28、量将冷机起动、热机起动工况在前期起动阶段、怠速稳定阶段、整个起动工况的累计颗粒数量分别进行了求和，对比分析的结果如下。2.6.1 前期起动阶段图9为前期起动阶段的累计颗粒数量。由图9可见，在前期起动阶段，冷机起动工况的累计颗粒数量均高于热机起动工况，其中累计核态颗粒数量、聚集态颗粒数量、总颗粒数量分别为热机起动工况的 56.8倍、3.99倍、39.0倍。不论是冷机起动还是热机起动，前期起动阶段的核态颗粒数量均高于聚集态颗粒数量。有所不同的是，冷机起动工况的累计核态颗粒数量，要远高于累计聚集态颗粒数量，前者为后者的28.0倍；而热机起动工况的累计核态颗粒数量，略高于累计聚集态颗粒数量，前者为后者

29、的 1.97倍。表明了冷机起动工况的前期起动阶段，累计核态颗粒数量在总颗粒数量中占有绝对支配地位；而热机起动工况的前期起动阶段，累计核态颗粒数量与聚集态颗粒数量相差不大。图9 前期起动阶段的累计颗粒数量Fig.9Summedparticle numberduring the early start stage2.6.2怠速稳定阶段图10为怠速稳定阶段的累计颗粒数量。由图10可见，在怠速稳定阶段，冷机起动工况的累计颗粒数量高于热机起动工况，其中累计核态颗粒数量、聚集态颗粒数量、总颗粒数量分别为热机起动工况的 48.5倍、8.53倍、43.6倍。不论是冷机起动还是热机起动，怠速稳定阶段的累计核态颗

30、粒数量高于聚集态颗粒数量。其中，冷机起动、热机起动工况的累计核态颗粒数量分别为聚集态颗粒数量的42.9倍、7.62倍。这表明不论是冷机还是热机起动工况，怠速稳定阶段的累计核态颗粒数量，在总颗粒数量中都占有支配地位。图10怠速稳定阶段的累计颗粒数量Fig.10Summedparticle number during the idle stabilization stage2.6.3 整个起动工况图11为整个起动工况的累计颗粒数量。由图11可见，在整个起动工况期间，冷机起动工况的累计颗粒数量均高于热机起动工况，其中累计核态颗粒数量、聚集态颗粒数量、总颗粒数量分别为热机起动工况的65.9倍、4.89

31、倍、49.4倍。不论是冷机起动还是热机起动，整个起动工况的累计核态颗粒数量均高于聚集态颗粒数量。其中，冷机起动、热机起动工况的累计核态颗粒数量分别为聚集态颗粒数量的36.2倍、2.68倍。这表明不论是冷机起动还是热机起动，整个起动工况的累计核态颗粒数量，在总颗粒数量中都占有绝对支配地位。结合上述的前期起动阶段、怠速稳定阶段的结果，可以看出，在冷机起动工况下，累计核态颗粒数量在总颗粒数量中所占比例更高，这仍然是由于冷机起动的喷油量较高、缸内燃空混合气与燃烧质量较差，从而导致以可溶有机组分SOF为主要成分的核态颗粒排放较高。图11 整个起动工况的累计颗粒数量Fig.11Summedparticle

32、 number during the whole start operating condition3总结本文以一台重型柴油机为样机，研究了冷机起动工况(冷却水温度为24)、热机起动工况(冷却水温度为80)的颗粒数量排放特性，所得结论如下：(1) 冷机起动工况颗粒数量的粒径分布呈单峰形态，核态颗粒的数量峰值粒径在20nm-30nm之间；热机起动工况颗粒数量的粒径分布呈双峰形态，核态颗粒、聚集态颗粒的数量峰值粒径分别在15nm、130nm附近。在前期起动阶段、怠速稳定阶段、整个起动工况，颗粒的粒径小于100nm范围内，冷机起动的颗粒数量要远大于热机起动；而在颗粒的粒径大于250nm范围则相反，热

33、机起动的颗粒数量要大于冷机起动。(2) 冷机起动与热机起动工况下，瞬时颗粒数量均呈现先上升、后下降、最后趋于相对稳定的变化趋势。前期起动阶段的瞬时颗粒数量均高于怠速稳定阶段。在绝大多数时刻，冷机起动的瞬时核态颗粒数量、聚集态颗粒数量、总颗粒数量，均明显高于热机起动工况。这都与起动工况的瞬时喷油量变化直接相关。(3) 无论前期起动阶段、怠速稳定阶段，还是整个起动工况，冷机起动工况的累计颗粒数量均高于热机起动工况。此外，累计核态颗粒数量远高于聚集态颗粒数量，在总颗粒数量中都占有绝对支配地位。参考文献:1Kittelson D B. Engines and nanoparticles: a revi

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