含氧燃料添加對引燃式天然氣發(fā)動機細顆粒排放的影響

周磊，寧小康，鄭瑜，劉亦夫，曾科

（1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，710049，西安；2.吉利汽車動力總成研究院，715336，浙江寧波）

天然氣豐富的儲量、良好的抗爆性、低廉的價格被認(rèn)為是最具前途的發(fā)動機代用燃料，隨著“頁巖氣革命”的到來，天然氣的價格優(yōu)勢將進一步擴大［1］，這進一步推動了天然氣發(fā)動機的研究和應(yīng)用。

天然氣以甲烷為主，分子結(jié)構(gòu)中不含C—C鍵，可實現(xiàn)無煙燃燒；天然氣中碳氫質(zhì)量比為1∶4，燃用它可大幅降低CO2排放。天然氣擁有較高的辛烷值和良好的抗爆性，可應(yīng)用于壓燃式發(fā)動機，以獲取更高的燃料轉(zhuǎn)化效率，但其自燃溫度較高，難以壓燃著火。目前，便捷可行的著火方式是以少量的柴油作為初始著火資源，來引燃預(yù)混的天然氣空氣混合氣，實現(xiàn)多點同時著火，即柴油引燃天然氣［2］。這種燃燒方式見效快、成本低，可靈活調(diào)節(jié)燃料比例，實現(xiàn)匹敵于柴油機的有效熱效率，同時大幅降低NOx和碳煙排放［3-4］，因此受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但是，這種燃燒方式在降低排放顆粒質(zhì)量的同時卻增加了細顆粒（粒徑Dp≤2.5μm，即PM2.5）數(shù)量的排放，出現(xiàn)了“以顆粒質(zhì)量換顆粒數(shù)量”的現(xiàn)象。

針對柴油引燃天然氣發(fā)動機細顆粒排放的問題，作者曾提出采用熱廢氣再循環(huán)（EGR）方法來降低顆粒排放［5］，但采用該方法將引起顆粒質(zhì)量濃度小幅增加，而相關(guān)的研究表明，在柴油中添加部分種類的含氧燃料（含氧添加劑）能夠大幅降低柴油機碳煙排放［6-9］。碳酸二甲酯（DMC）含氧量（氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）高達53.3%，無毒、無腐蝕性、不易揮發(fā)，常溫下可與柴油互溶［7］，燃用柴油-DMC無需硬件修改，生產(chǎn)成本較低，具有能改善缸內(nèi)燃燒、大幅降低碳煙排放等優(yōu)點，被認(rèn)為是一種良好的含氧添加劑。有關(guān)DMC對柴油機細顆粒排放影響的研究較少，Cheung等發(fā)現(xiàn)，柴油中添加DMC有助于降低柴油機細顆粒的排放［10］。柴油機與柴油引燃天然氣發(fā)動機在燃料種類、燃燒方式和排放特點方面存在差異［4，11-12］，因此本文提出采用添加 DMC的方法來實現(xiàn)柴油引燃天然氣發(fā)動機低顆粒排放，并探討這一方法的可行性和效果。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗設(shè)備和燃料

試驗用柴油引燃天然氣發(fā)動機是由單缸柴油機改裝而成，在保持原柴油機的基礎(chǔ)上添加了一套天然氣供給系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高壓氣瓶、加氣閥、壓縮天然氣（CNG）減壓裝置、CNG控制步進電機（調(diào)節(jié)氣量）和天然氣空氣混合器組成。圖1為試驗臺架示意圖，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗用天然氣為陜北天然氣，甲烷的體積分?jǐn)?shù)可達96.6%，柴油采用標(biāo)準(zhǔn)0號柴油。

圖1 試驗臺架示意圖

試驗所用顆粒分析儀器為芬蘭DEKATI公司的靜電低壓撞擊器（ELPI），其稀釋系統(tǒng)采用兩級稀釋系統(tǒng)（DI-2003），稀釋比為64∶1。該儀器可測量粒徑分布在7nm～10μm間的顆粒。ELPI中的串級沖擊式采樣器利用顆粒的慣性、按照動力學(xué)粒徑將顆粒分為12級。試驗所用的稀釋和采樣方法可參見文獻［13］。由于柴油引燃天然氣發(fā)動機的排放顆粒物較小，因此本文主要關(guān)注PM1（Dp＜1μm）的顆粒排放，試驗中的采樣級數(shù)為1～8。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗方案

引燃式天然氣發(fā)動機的引燃油量和噴射時刻對顆粒排放影響較大，因此在研究DMC對柴油引燃天然氣的影響之前，需要確定討論的基礎(chǔ)，即基本引燃油量［3，5］。基本引燃油量是指在僅柴油參與燃燒的情況下，發(fā)動機某一固定轉(zhuǎn)速零扭矩輸出所需的燃油量，此時柴油燃燒僅用于克服機器本身的損耗，而發(fā)動機的動力輸出僅依靠增加的天然氣量。

通常，增加引燃油量將導(dǎo)致滯燃期縮短，顆粒數(shù)量濃度降低，顆粒質(zhì)量濃度增加；推遲引燃燃料噴射時刻將導(dǎo)致滯燃期縮短，燃燒放熱率曲線從單峰向雙峰轉(zhuǎn)變［11］，顆粒數(shù)量濃度降低，顆粒質(zhì)量濃度增加。相關(guān)的研究表明，柴油機燃用柴油-DMC混合燃料會延長滯燃期，增加預(yù)混燃燒比例［8，10］。在柴油-DMC引燃天然氣中，為了消弱DMC對滯燃期的影響，更好地研究DMC在降低顆粒排放方面的潛力，應(yīng)適當(dāng)增加引燃油量和推遲噴射時刻。因此，本試驗在維持發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)1600r／min、固定基本引燃油量8g／min和噴射時刻10°下，通過增加天然氣量來實現(xiàn)發(fā)動機不同負(fù)荷（平均有效壓力0.14、0.28、0.42MPa）下的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。試驗用燃料為0號柴油和4種不同摻混比的柴油-DMC混合燃料，混合燃料中含氧量分別為0%、5%、10%、15%、20%，分別稱為0%DMC、5%DMC、10%DMC、15%DMC、20%DMC，3種負(fù)荷下8g／min柴油引燃油占總?cè)剂系哪芰勘确謩e為31%、22%、16%。隨著引燃油量中含氧量從0%增加至20%，該引燃油量占總?cè)剂系谋壤饾u降低，降幅在3%之內(nèi)。當(dāng)含氧量為20%時，3種負(fù)荷下引燃油量占總?cè)剂系谋壤謩e為28%、20%、14%。試驗水溫和潤滑油溫度分別為70℃和80℃且保持不變。本試驗所獲數(shù)據(jù)均為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 含氧量對燃燒特性的影響

引燃式天然氣發(fā)動機的燃燒方式有別于傳統(tǒng)柴油機和汽油機［4，14］，對其進行分析將有助于解釋和分析顆粒排放特點。

圖2為引燃燃料的物性（含氧量、低熱值、十六烷值、汽化潛熱），圖3為平均有效壓力為0.28MPa時含氧量對燃燒放熱率的影響。隨著引燃燃料中含氧量的增加，滯燃期逐漸延長，初始燃燒放熱明顯加強，總?cè)紵掷m(xù)期不斷縮短。這主要是隨著引燃燃料中DMC比例的增加，引燃燃料的十六烷值逐漸降低（見圖2c），燃料滯燃期延長，相較柴油，DMC具有較低的黏度和沸點及較高的蒸氣壓力，使得直噴時液體燃料霧化效果提升，柴油-DMC與天然氣-空氣混合氣的均勻性增強。

圖4為引燃燃料中含氧量對最高燃燒溫度的影響。引燃燃料中DMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對缸內(nèi)最高燃燒溫度的影響較小。引燃燃料中含氧量低于15%時，最高燃燒溫度略微增加，其最大增幅約5%；引燃燃料中含氧量為20%時，最高燃燒溫度略有降低，但仍與引燃燃料中含氧量為0時的最高燃燒溫度基本持平。其原因是：①引燃燃料中含氧量增加，缸內(nèi)工質(zhì)獲氧的能力增強（平均有效壓力為0.14MPa、引燃燃料中含氧量從0%增加到20%時，過量空氣系數(shù)由2.8增至3.2），燃料充分燃燒，所以缸內(nèi)燃燒溫度升高；②滯燃期延長，缸內(nèi)工質(zhì)混合均勻性提高，初始著火點數(shù)量增多，著火位置分布更廣，所以缸內(nèi)燃燒溫度升高；③引燃燃料中DMC比例增加，引燃燃料的汽化潛熱增大（見圖2d），燃燒過程中燃料吸熱增加，缸內(nèi)燃燒溫度降低，但由于DMC占總?cè)剂系谋壤^小，因此汽化潛熱的增加對降低缸溫的影響有限；④滯燃期延長，燃燒始點推后，燃燒主體進入膨脹行程，相較于0%DMC，20%DMC的滯燃期推遲約8°（見圖3），此時燃燒主體完全進入膨脹行程，燃燒溫度開始下降。在上述因素的共同作用下，缸內(nèi)最高燃燒溫度的變化較小。

圖2 引燃燃料的物性

圖3 平均有效壓力為0.28MPa時含氧量對燃燒放熱率的影響

圖4 引燃燃料中含氧量對最高燃燒溫度的影響

2.2 含氧量對顆粒排放的影響

圖5、6分別展示了含氧量對柴油引燃天然氣發(fā)動機排放的顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的影響。發(fā)動機排放的顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)單峰分布，數(shù)量濃度峰值粒徑在100nm附近，質(zhì)量濃度峰值粒徑在200nm附近。隨著引燃燃料中含氧量的增加，排放的顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度同時降低，無論是核模態(tài)顆粒（Dp＜50nm）還是積聚模態(tài)顆粒（50nm＜Dp＜1 000nm），均隨含氧量的增加而降低。在0.42MPa的平均有效缸內(nèi)壓力下，PM1顆粒數(shù)量濃度降幅最高達86%，顆粒質(zhì)量濃度降幅可達70%，可見隨著負(fù)荷的增加，顆粒粒徑逐漸增大（見圖5）。

核模態(tài)的顆粒成因相對較復(fù)雜，通常認(rèn)為是燃燒室內(nèi)的一次碳粒（初級顆粒），以及硫酸或者HC等前體物在排放稀釋過程中成核形成的二次顆粒物［15］。積聚模態(tài)顆粒主要是柴油或者潤滑油經(jīng)過不完全燃燒產(chǎn)生的一次碳粒（Dp≈2nm）聚積成團，并凝結(jié)吸附HC或者硫化物等揮發(fā)、半揮發(fā)物形成的［16］。

根據(jù)柴油機顆粒生成歷程［17］，在燃燒初期顆粒已經(jīng)形成，其生成、生長、氧化過程是顆粒生成作用和顆粒氧化作用相互競爭的過程。顆粒的大小、數(shù)量和質(zhì)量與燃料種類及著火前混合物的均勻性（預(yù)混率）密切相關(guān)。因正庚烷的物理化學(xué)特性接近柴油，黃等人研究發(fā)現(xiàn)，隨著正庚烷預(yù)混率的提高，核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度逐漸升高，積聚模態(tài)顆粒數(shù)量濃度逐漸降低［18］。姚等人對含氧燃料甲醇-柴油（中低預(yù)混率或替代率）研究發(fā)現(xiàn)，隨著甲醇-柴油的預(yù)混率提高，核模態(tài)和積聚模態(tài)的顆粒數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度降低［19］。

圖5 含氧量對柴油引燃天然氣發(fā)動機排放的顆粒數(shù)量濃度的影響

圖6 含氧量對柴油引燃天然氣發(fā)動機排放的顆粒質(zhì)量濃度的影響

對于柴油-DMC引燃天然氣發(fā)動機，隨著引燃燃料中DMC比例的增加，核模態(tài)和積聚模態(tài)的顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度同時降低。其主要原因有以下幾個方面：①引燃燃料中DMC比例增加，滯燃期延長（見圖3），缸內(nèi)工質(zhì)混合均勻性增強，燃料充分燃燒，一次碳粒（顆粒先導(dǎo)物）生成量減少，一次碳粒積聚成團生成積聚模態(tài)顆粒和成核形成核模態(tài)顆粒的數(shù)量降低；②DMC比例增加，引燃燃料中含氧量增大，缸內(nèi)工質(zhì)獲氧的能力增強，顆粒的氧化作用加強，顆粒數(shù)量降低；③引燃燃料中含氧量增至20%時，引燃燃料占總?cè)剂系谋壤霈F(xiàn)了2%的降幅，預(yù)混率小幅提升，總?cè)剂系暮剂啃》档?。上述原因加之DMC不含C—C鍵，這些有利因素在一定程度上抑制了顆粒的生成。

3 結(jié) 論

本試驗研究了含氧燃料中DMC的添加對引燃式天然氣發(fā)動機燃燒和顆粒排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著引燃燃料中含氧量的增加，滯燃期逐漸延長，初始燃燒放熱率提高，總?cè)紵谥饾u縮短。

柴油引燃天然氣發(fā)動機排放的顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)單峰分布。顆粒數(shù)量濃度峰值粒徑在100nm附近，質(zhì)量濃度峰值粒徑在200nm附近。隨著引燃燃料中含氧量的增加，顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度同時降低。當(dāng)引燃燃料中含氧量為20%時，顆粒數(shù)量濃度降幅最高達86%，顆粒質(zhì)量濃度降幅最高達70%。因此，引燃柴油中添加DMC是一種降低柴油引燃天然氣發(fā)動機排放顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的有效方法。

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