谢纬安¹, 瞿磊^1,2, 王忠², 刘帅², 冯伟杰¹
1. 南通职业大学, 汽车与交通工程学院, 南通 226007;
2. 江苏大学, 汽车与交通工程学院, 镇江 212013
收稿日期: 2020-06-10; 修回日期: 2020-07-06; 录用日期: 2020-07-06
基金项目: 国家自然科学基金资助项目（No.51776089）；江苏省高等学校自然科学研究面上项目（No.18KJD470005）
作者简介: 谢纬安(1987-), 男, E-mail: 610154999@qq.com
通讯作者（责任作者）: 瞿磊(1987—), 男, 讲师, 博士, 主要从事农用柴油机排放控制研究, E-mail：quleistone@163.com

摘要：单缸柴油机作为小型农用机械不可或缺的动力源，在使用过程中会产生大量污染物.其中氮氧化合物（NO_x）和颗粒（PM）是气溶胶的主要组成部分，对大气环境造成了严重污染.为有效改善农用单缸柴油机NO_x和PM排放，本研究通过添加生物柴油对柴油进行改质以及采用机内EGR净化技术两种方案，测量了柴油机分别燃用柴油B0，生物柴油调合燃料B20、B50在不同EGR率下的NO_x和PM排放.结果表明，采用EGR技术能够明显改善柴油机的NO_x排放，但同时会引起碳烟排放的增加.通过在柴油中添加生物柴油能够在一定程度上降低碳烟排放，其中高负荷、大EGR率条件下的改善最为明显.在2000 r·min^-1、75%负荷，EGR率为30%时，燃用B50的碳烟排放与燃用B0相比降低了47.3%.总体上柴油中添加生物柴油与EGR技术共同作用能够有效降低柴油机高负荷工况时的颗粒排放总数量.
关键词：农用柴油机排放生物柴油废气再循环
Effect of EGR rate on NO_x and PM emission characteristics of agricultural single cylinder diesel engine fueled with Biodiesel
XIE Weian¹, QU Lei^1,2, WANG Zhong², LIU Shuai², FENG Weijie¹
1. School of Automotive and Traffic Engineering, Nantong Vocational University, Nantong 226007;
2. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013
Received 10 June 2020; received in revised from 6 July 2020; accepted 6 July 2020
Abstract: Various pollutants are caused by the single cylinder diesel engine which is an indispensable power for small agricultural machinery. Among these pollutants, nitrogen oxides (NO_x) and particulate matters (PM) are the main components of aerosols which have a strong effect on air pollution. In order to make the better NO_x and PM emissions of agricultural single cylinder diesel engine, the emission of NO_x and PM from diesel engine fueled with B0, B20 and B50 at different EGR rates were studied by means of fuel upgrading and internal purification technology. The results show that the utilization of the EGR technology can obviously reduce the NO_x emission of diesel engine, but the soot emission is increased. The soot emission can be reduced by adding biodiesel into the diesel engine, the best case appears under the condition of high load and large EGR rate. The soot emission of B50 is 47.3% lower than that of B0 in the case of 2000 r·min^-1, 75% load and 30% EGR rate. The combined effects of biodiesel and EGR technology can effectively reduce the total number of particles in the high load condition of diesel engine.
Keywords: agricultural diesel engineemissionbiodieselexhaust gas recirculation
1 引言(Introduction)我国作为农业大国, 单缸柴油机自诞生以来, 就与“三农”发展相辅相成, 主要为拖拉机、收割机、插秧机等农业机械提供配套动力, 是小型农业机械不可或缺的动力源.但单缸柴油机在使用过程会排放出大量污染物, 特别是氮氧化合物(NO_x)和颗粒(PM)(尹必峰等, 2012；徐文文等, 2019), 据《中国移动源环境管理年报(2019)》统计, 2018年农用机械NO_x排放约占非道路移动源NO_x排放的32.5%, PM排放约占非道路移动源PM排放的41.6%, 严重危害大气环境和人类健康.随着产业发展政策以及环保法规要求越来越严, 加快了农机向绿色转型的步伐.目前, 主要通过采用机内净化、燃料改质、进气增压或中冷、直喷电控、高压共轨等技术措施, 降低农用柴油机排放污染物(李树金, 2017；谭丕强等, 2018).生物柴油作为一种可再生含氧燃料, 目前主要与石化柴油调合使用形成生物柴油调合燃料, 能够有效降低柴油机的PM排放(吴刚等, 2019).废气再循环(Exhaust Gas Recirculation, EGR)作为机内净化技术之一, 能够有效降低NO_x排放, 张全长等(2012)研究表明：在柴油机中、低负荷时, EGR率每增加1%, NO_x排放量减少约为4%, 目前EGR技术已在车用柴油机上得到了广泛地应用.
对于农用柴油机, 从经济性角度考虑出发, 不宜将车用柴油机排放控制后处理装置运用到农用柴油机上, 尤其是低功率单缸柴油机.本文以农用柴油机清洁燃烧为目的, 从燃烧本质出发, 通过在柴油中添加生物柴油对燃油进行改质以及采用机内EGR净化技术两种方案, 进行农用单缸柴油机排放性能的试验研究, 以期为降低农用单缸柴油机排放污染物提供基础数据参考.
2 试验设备与方案(Test Equipment and Scheme)2.1 试验用柴油机与测试设备2.1.1 试验用柴油机试验是在一台改造的农用单缸柴油机上进行, 柴油机的结构形式为立式、四冲程、风冷、直喷式, 燃烧室形状为ω型；柴油机的主要技术参数：缸径为86 mm, 行程为70 mm, 压缩比为19, 供油提前角为(21°±1°)CA, 标定转速为3000 r·min^-1, 标定功率为5.7 kW；最大扭矩点转速为1800 r·min^-1, 对应全负荷功率为3.4 kW.试验燃料为常规0#柴油和生物柴油, 将常规0#柴油命名为B0, 以B0为基础油, 添加体积百分比分别为20%、50%的生物柴油, 配制成生物柴油调合燃料B20、B50, 试验用燃油(B0、B20、B50)的理化特性如表 1所示.单缸柴油机台架试验布置与现场如图 1所示.
表 1(Table 1)

表 1 试验用油的理化特性 Table 1 Physical and chemical properties of the tested fuels

表 1 试验用油的理化特性 Table 1 Physical and chemical properties of the tested fuels 燃料 十六烷值 密度/(g·cm-3(20 ℃)) 运动粘度/(mm2·s-1(40 ℃)) 含氧量 低热值/(MJ·kg-1) B0 46.0 0.83 3.40 0 44.0 B20 47.2 0.84 3.62 2.16% 43.0 B50 48.6 0.86 4.07 5.40% 41.6

图 1(Fig. 1)

图 1 台架试验布置 Fig. 1Arrangement of test bench

采用外部EGR对单缸柴油机进行改装.所装EGR系统包含EGR阀、EGR管路、EGR冷却器等.试验时, 将柴油机排出的部分废气经EGR管路依次通过EGR阀与EGR冷却器后进入进气歧管, 与空气混合后进入气缸.采用EGR率评价再循环的废气量, 依据进气与排气中的CO₂浓度比值来调节EGR阀, 对EGR率进行控制.稳态工况下, EGR率的表达式见式(1).

(1)

式中, φ_{CO2, in}为再循环废气流入进气歧管后的CO₂浓度；φ_{CO2, out}为排气管中的CO₂浓度；φ_{CO2, air}为空气中的CO₂浓度, 由于空气中的CO₂浓度几乎为0, 可以忽略不计.
2.1.2 测试设备试验过程中的测试仪器主要包括CWF-7.5电涡流测功器、EBT-Ⅱ型内燃机测控系统、FGA-4100汽车尾气分析仪、FBY-201全自动滤纸式烟度计、EEPS 3090(Exhaust Emission Particle Sizer Model)排气颗粒径谱分析仪等.采用CWF-7.5型电涡流测功器通过联轴器与柴油机相连, 利用EBT-Ⅱ型内燃机测控系统调整和测量柴油机的动力输出, 采用MCS-960型燃油消耗仪测量柴油机的燃油消耗量, 采用PT100温度传感器测量柴油机的排气温度.碳烟作为柴油机排放颗粒的主要组成物质, 采用FBY-201型烟度计测量排气中的碳烟(Soot)；采用FGA-4100型尾气分析仪测量排气中的NO_x.采用EEPS 3090排气颗粒物粒径谱仪测量柴油机颗粒的数量浓度与粒径分布；EEPS的粒径测量范围为5.6~560 nm, 工作温度范围为0~40 ℃, 进气温度范围为10~52 ℃.
2.2 试验方法考虑EGR技术在柴油机上的实际应用, 选取柴油机转速为2000 r·min^-1.试验时, 不改变柴油机的结构参数与供油提前角, 在负荷分别为25%、75%时, 采用B0、B20、B50 3种燃油进行台架试验, 为降低试验时的测量误差, 在柴油机稳定运行时对每个工况点至少测量3次数据.具体试验方案如下：
① 测量柴油机燃用3种燃油在EGR率分别为0、10%、20%、30%时的NO_x、Soot排放量, 探究燃油改质以及采用EGR技术对柴油机NO_x、Soot排放的影响.
② 测量3种燃油在EGR率分别为0、10%、20%、30%时的排气颗粒数量浓度与粒径分布, 探讨生物柴油掺混比、EGR率对柴油机颗粒数量排放的影响.
3 试验结果与分析(Test results and analysis)3.1 氮氧化合物排放柴油机燃用B0、B20、B50的NO_x排放随EGR率的变化曲线如图 2所示.可以看出, 高负荷条件下的NO_x排放量与低负荷相比较高.当柴油机负荷保持一定, 燃用同一燃料时, 随EGR率的增加, NO_x排放明显降低；以燃用B0为例, 25%负荷时, 与不采用EGR相比, EGR率为30%的NO_x排放降低了约为69.4%；75%负荷时NO_x排放降低了约为74%；与低负荷相比, 高负荷条件下采用EGR技术能够更为有效地控制NO_x排放.NO_x的形成主要受最高燃烧温度、氧浓度及高温持续时间的影响.高负荷时的空燃比较小, 采用EGR技术, 对缸内的氧浓度稀释效果明显；此外, 废气中含有大量CO₂和水蒸气等三原子分子气体, 提高了混合气的总热容, 最高燃烧温度下降(范钱旺等, 2010；Shin et al., 2011)；NO_x排放量显著降低.相同工况下, 随生物柴油掺混比的增大, NO_x排放量有所增加, 当EGR率为0时, 与B0相比, 燃用B50在负荷分别25%、75%的NO_x排放量增加了19.4%、14.6%.生物柴油作为含氧燃料, 在高温裂解条件下能够形成活性含氧自由基, 在燃烧过程中形成富氧环境, 易于NO_x的形成；此外, Benjumea等(2011)研究表明, 生物柴油中包含了大量的不饱和脂肪酸甲酯, 在一定程度上也会促进NO_x的形成.
图 2(Fig. 2)

图 2 不同EGR条件柴油机燃用B0、B20、B50时NOx排放 Fig. 2NOx emission of diesel engine fueled with B0, B20 and B50 under different EGR conditions

为验证燃油改质以及采用机内净化技术综合作用对NO_x排放的影响, 在负荷分别为25%、75%时, 对比原机NO_x排放数据, 燃用B50在EGR率为30%的NO_x排放量分别降低了56.5%、68.7%, 因此在柴油中添加生物柴油, 虽然在一定程度上增加了NO_x排放, 但结合EGR技术, 与原机相比, 仍能有效降低NO_x排放.
3.2 碳烟排放烟度作为柴油机碳烟排放的评价参数, 燃油改质与EGR技术共同作用对烟度变化的影响如图 3所示.可以看出, 与低负荷工况相比, 高负荷工况下测得的烟度值较大, 表明此时的碳烟排放较高, 主要是因为高负荷工况下的空燃比较小, 可燃混合气变浓, 导致局部出现高温缺氧现象, 易生成大量碳烟.当柴油机负荷保持一定, 燃用同一燃料时, 烟度值随EGR率的增大逐渐增加, 尤其在高负荷、大EGR率时增加明显.在高负荷条件下引入EGR技术, 会进一步稀释可燃混合气的氧浓度, 导致缸内燃烧严重恶化, 碳烟排放显著增加(王向丽等, 2012).相同工况下, 随生物柴油掺混比的增加, 烟度值逐渐降低, 在EGR率为0时, 与燃用B0相比, 燃用B20和B50在25%负荷时的烟度值分别降低了9.5%、23.8%；在75%负荷时分别降低了20.5%、53.8%.可以看出柴油中掺混生物柴油能够有效降低碳烟排放, 主要是由于生物柴油作为含氧燃料, 其氧原子在燃烧过程中起到了助燃作用, 使混合燃料燃烧更加充分；另一方面由于生物柴油中不含芳香烃, 抑制了碳烟前驱体PAHs的生成, 从而降低了碳烟排放, 尤其在高负荷时降低幅值更为明显(祁东辉等, 2008；李莉等, 2014；吴刚等, 2019).
图 3(Fig. 3)

图 3 不同EGR条件柴油机燃用B0、B20、B50时碳烟排放 Fig. 3Soot emission of diesel engine fueled with B0, B20 and B50 under different EGR conditions

综上试验结果, 与原机相比, 采用EGR技术, 能够大幅改善柴油机的NO_x排放, 但同时会引起碳烟排放有所增加；通过在柴油中添加生物柴油进行燃油改质, 能够在一定程度上缓解由于引入EGR导致的碳烟排放增加的问题, 尤其是在高负荷、大EGR率条件下, 改善程度最为明显.在75%负荷、EGR率为30%时, 燃用B50的碳烟排放与燃用B0相比降低了47.3%.
3.3 颗粒数量排放特性3.3.1 颗粒数量浓度柴油机颗粒按照粒径大小可以分为核态颗粒和聚积态颗粒(孙在等, 2014).核态颗粒粒径为5~50 nm, 聚积态颗粒粒径为50~1000 nm.随着排放法规的日益严格, 除了限制柴油机排放颗粒的质量, 还增加对排放颗粒数量的限制要求.柴油机燃用B0、B20、B50在不同EGR率条件下的颗粒数量浓度分布规律如图 4所示.可以看出, 颗粒数量浓度对应的粒径分布特征为双峰对数分布；25%负荷工况时, 颗粒粒径在10 nm附近的峰值最为明显, 表明低负荷工况下柴油机排放的颗粒以核态颗粒为主；75%负荷工况时, 颗粒粒径在100 nm附近的峰值最为明显, 表明高负荷工况下排放的颗粒以聚积态颗粒主.当柴油机负荷保持一定, 燃用同一燃料时, 随EGR率的增加, 25%负荷时的核态颗粒数量浓度峰值逐渐降低, 75%负荷时的聚积态颗粒数量浓度峰值逐渐升高.相同工况下, 随生物柴油掺混比的增加, 25%负荷时的核态颗粒数量浓度峰值逐渐升高, 75%负荷时的聚积态颗粒数量浓度峰值逐渐降低.与B0相比, B20、B50在25%负荷时的核态颗粒数量浓度峰值分别升高了16.6%、82.8%, 在75%负荷时的聚积态颗粒数量浓度峰值分别降低了33.5%、80.3%.生物柴油具有自带氧能力, 能够促进己形成碳烟颗粒发生进一步氧化, 使碳烟颗粒向小粒径方向转化, 导致核态颗粒数量增多.
图 4(Fig. 4)

图 4 柴油机燃用B0、B20、B50在不同EGR条件下的颗粒数量浓度分布 Fig. 4PM number concentration of diesel engine fueled with B0, B20 and B50 under different EGR conditions

3.3.2 颗粒平均粒径依据测得的柴油机排放颗粒数量浓度数据, 可以求得颗粒的平均粒径D, 见式(2)(李新令等, 2007).

(2)

式中, N_总为核态与聚积态颗粒的总数量浓度(个·cm^-3)；N_i为i粒径范围内的颗粒数量浓度(个·cm^-3)；D_i为i粒径范围内的特征粒径(nm).
通过式(2)计算得到柴油机燃用B0、B20、B50在不同EGR率条件下的颗粒平均粒径, 如图 5所示.在25%负荷时, 颗粒的平均粒径为10~25 nm, 在75%负荷时, 颗粒平均粒径为72~88 nm；随柴油机负荷的增加, 颗粒的平均粒径逐渐增大.主要是由于在高负荷条件下, 缸内形成的基本碳粒子数量增加, 促进了后期聚积态颗粒的形成, 颗粒的平均粒径增大.当柴油机负荷保持一定, 燃用同一燃料时, 随EGR率的增加, 颗粒的平均粒径逐渐增大, 且大EGR率时颗粒粒径增加的幅度更为明显；75%负荷时, 柴油机燃用B0, EGR率为0、10%、20%、30%时的颗粒平均粒径分别为13.4、15、17.4、22 nm；燃用B20的颗粒平均粒径分别为12.2、13.5、15.2、18 nm；燃用B50的颗粒平均粒径分别为11.7、12.5、13.7、15 nm.同一工况下, 随生物柴油掺混比的增加, 颗粒的平均粒径逐渐减小, 25%负荷、EGR率为0时, 相比燃用B0, 燃用B50的颗粒平均粒径减小了1.7 nm；75%负荷时的颗粒平均粒径减小了2.6 nm.
图 5(Fig. 5)

图 5 不同EGR条件下柴油机燃用B0、B20、B50时的颗粒平均粒径 Fig. 5Average PM size of diesel engine fueled with B0, B20 and B50 under different EGR conditions

3.3.3 颗粒总数量浓度分布柴油机燃用B0、B20、B50 3种燃料的颗粒总数量浓度随EGR率的变化关系如图 6所示.可以看出, 25%负荷时, 颗粒总数量浓度随生物柴油掺混比的增加而逐渐增大, 随EGR率的增加而逐渐减小；低负荷工况排放颗粒以核态颗粒为主, 生物柴油能够促进核态颗粒的生成, 导致颗粒的总数量增加, EGR的引入会促进核态颗粒转变为聚集态颗粒, 在一定程度上降低了核态颗粒的数量, 导致颗粒的总数量减少.75%高负荷时, 排放颗粒以聚积态颗粒为主, 颗粒总数量浓度变化规律与低负荷相反, 随生物柴油掺混比的增加而逐渐减小, 随EGR率的增加而逐渐增大.综合燃油改质及机内净化技术, 可以发现在低负荷工况时, 燃用B50在EGR率为30%的颗粒排放总数量浓度与原机基本相同；但在高负荷工况时, 颗粒排放总数量浓度大幅降低.因此, 生物柴油与EGR共同作用能够有效降低柴油机高负荷工况时的颗粒总数量.
图 6(Fig. 6)

图 6 不同EGR条件下的柴油机燃用B0、B20、B50时的颗粒总数量浓度 Fig. 6Total PM number concentration of diesel engine fueled with B0, B20 and B50 under different EGR conditions

为研究柴油机排放颗粒中的核态与聚积态颗粒分布情况, 对不同工况下的核态、聚积态颗粒所占比例进行分析.柴油机负荷为25%时, 颗粒中的核态与聚积态颗粒分布情况如图 7所示, 可以看出, 低负荷工况时, 柴油机燃用3种燃料在不同EGR率条件下的颗粒排放均以核态颗粒为主, 聚积态颗粒数量所占比例较小, 均在20%以下, 此时核态颗粒作为影响柴油机颗粒排放总数量的主要因素.随EGR率的增大, 核态颗粒数量所占比例有所减小；燃用B20时, 在EGR率分别为0、10%、20%、30%对应的核态颗粒占颗粒总数量浓度的97.9%、96.4%、94%、90.6%.随生物柴油掺混比的增加, 核态颗粒占总颗粒数量浓度的比例逐渐增大, 燃用B0、B20、B50在EGR率为0时的核态颗粒占总颗粒数量浓度的比例分别为95.8%、97.9%、99.3%.
图 7(Fig. 7)

图 7 25%负荷下的核态与聚积态颗粒占比 Fig. 7Proportion for the nucleation and aggregation of PM at the load of 25%

柴油机负荷为75%时, 颗粒中的核态与聚积态颗粒分布情况如图 8所示, 可以看出, 高负荷工况时, 柴油机排放颗粒均以聚积态颗粒为主, 核态颗粒数量浓度所占比例较小, 占颗粒总数量浓度的15%以下.随EGR率的增加, 聚积态颗粒数量浓度所占比例进一步提高, 以燃用B50为例, 与EGR率为0相比, EGR率为10%、20%、30%的聚积态颗粒占颗粒总数量浓度比例分别提高了3.2%、6.7%、10.3%.随生物柴油掺混比的增加, 核态颗粒数量浓度所占比例有所提高.主要是由于生物柴油作为含氧燃料, 能够有效改善燃烧室中的局部空燃比, 减少燃烧过程中的缺氧区域面积, 促进燃烧的进行, 从而减少了聚积态颗粒物的生成.
图 8(Fig. 8)

图 8 75%负荷下的核态与聚积态颗粒占比 Fig. 8Proportion for the nucleation and aggregation of PM at the load of 75%

4 结论(Conclusions)1) 随EGR率的增加, NO_x排放逐渐降低, 与低负荷相比, 在高负荷条件下采用EGR技术降低NO_x排放效果更为明显.相同工况下, 随生物柴油掺混比的增大, NO_x排放量有所增加.当EGR率为0时, 与B0相比, 燃用B50在负荷为25%、75%时的NO_x排放量增加了19.4%、14.6%.在柴油中添加生物柴油, 虽然在一定程度上增加了NO_x排放, 但结合EGR技术, 与原机相比仍能有效降低NO_x排放.
2) 在柴油中添加生物柴油进行燃油改质, 能够在一定程度上缓解由于引入EGR导致的碳烟排放增加的问题, 尤其是在高负荷、大EGR率条件下, 改善程度最为明显.在75%负荷、EGR率为30%时, 燃用B50的碳烟排放与燃用B0相比降低了47.3%.
3) 柴油机颗粒数量浓度粒径分布特征为双峰对数分布, 低负荷工况以核态颗粒为主, 高负荷工况以聚积态颗粒为主.燃用生物柴油能促进核态颗粒的生成, EGR的引入会促进核态颗粒转变为聚集态颗粒, 生物柴油与EGR共同作用能够有效降低柴油机高负荷工况时的颗粒总数量.

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