噴油壓力和PODE摻混對柴油機(jī)顆粒物排放影響

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 廣西南寧530004； 2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 廣西柳州545005)

0 引言

柴油機(jī)由于其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，在世界范圍內(nèi)被廣泛使用，但柴油機(jī)的顆粒物排放量較高，是顆粒物污染的主要源頭之一[1]。顆粒物大部分粒徑都很小，主要是亞微米級的粒子，粒徑越小，對人體的危害越大，小于100 nm的超細(xì)顆粒物能夠穿透肺泡進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)，可增大呼吸系統(tǒng)、心臟病、肺氣腫等各種疾病的發(fā)病率[2]。因此，在降低顆粒物質(zhì)量濃度的同時，控制柴油機(jī)顆粒物的數(shù)量濃度和粒徑分布成為了新的研究熱點(diǎn)。

噴油壓力和燃料組分對柴油機(jī)顆粒物的排放特性有重要的影響[3]。Agarwal等[4]在一臺高壓共軌單缸發(fā)動機(jī)上研究了在不同負(fù)荷工況下噴油壓力和噴油時刻對顆粒物粒徑和數(shù)濃度分布的影響。結(jié)果表明，提高噴油壓力，可以降低顆粒物的數(shù)濃度和質(zhì)量濃度。在高噴射壓力下，噴油時刻提前，可以降低顆粒物數(shù)濃度；而在低噴射壓力下，顆粒物數(shù)濃度隨著噴油時刻的推遲呈先升高后降低的變化趨勢。Di等[5]以十二烷醇作為助溶劑，在一臺四缸直噴柴油機(jī)上研究了乙醇摻入柴油對顆粒物排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著乙醇摻入比例的提高，顆粒物的數(shù)濃度不斷下降。

聚甲氧基二甲醚(簡稱PODE)是一種新型可再生燃料，可以通過煤基原料甲醇催化合成，PODE十六烷值高，點(diǎn)火特性好，同時含氧量高，分子中不含C—C鍵，可有效改善發(fā)動機(jī)燃燒狀況，降低碳煙排放。PODE作為柴油的替代燃料或者添加劑，將具有非常好的市場前景[6]。本文在一臺高壓共軌柴油機(jī)上研究了不同工況下噴油壓力和PODE摻混對柴油機(jī)粒徑分布規(guī)律、總顆粒物數(shù)濃度、核態(tài)顆粒物數(shù)濃度、聚集態(tài)顆粒物數(shù)濃度以及總顆粒物質(zhì)量濃度的影響，以期更深入理解噴油壓力和PODE摻混對控制柴油機(jī)顆粒物排放的影響。

1試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

試驗(yàn)在一臺排量2.0 L的4缸增壓中冷電控高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。為了穩(wěn)定的控制進(jìn)氣壓力，發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器被拆除，改用外部壓氣機(jī)提供進(jìn)氣。發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架的主要測控系統(tǒng)包括：湘儀電渦流測功機(jī)、德維創(chuàng)燃燒分析儀、AVL415SE碳煙計、HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA 7100DEGR排氣分析儀、發(fā)動機(jī)顆粒排放分析儀Combustion DMS500MkII。測量儀器的精度如表2所示。

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)所用的PODE3-4是一種混合燃料，該燃料是PODE2、PODE3和PODE4按質(zhì)量比2.553 %∶88.9 %∶8.48 %混合所得，表3為柴油和PODE3-4的主要性質(zhì)。本研究針對三種不同的燃料，分別為純柴油(記為D100)、在柴油中摻入體積比為20 %和30 %的PODE(分別記為PD20、PD30)的混合燃料。與純柴油相比，PODE有不同的密度、粘度、十六烷值和揮發(fā)性，這些性質(zhì)的區(qū)別直接導(dǎo)致柴油機(jī)顆粒物排放特性的差異。

表1 發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of the test engine

表2 測量儀器的精度Tab.2 Precision of the measuring instrument

表3 燃料性質(zhì)1Tab.3 Fuel properties

注1：柴油的性質(zhì)來自 ASTM D975，PODE的性質(zhì)參考文獻(xiàn)[6]。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的燃料現(xiàn)配現(xiàn)用。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和可對比性，試驗(yàn)過程中，冷卻水溫度控制在(85±3)℃，進(jìn)氣溫度控制在(30±2)℃。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，進(jìn)氣壓力為0.12 MPa，在發(fā)動機(jī)負(fù)荷為小負(fù)荷(BMEP=0.4 MPa)和大負(fù)荷(BMEP=0.8 MPa)兩個工況下，研究不同噴射壓力(100、120 、140 、160 MPa)和PODE摻混比例(20 %、30 %)對柴油機(jī)顆粒物排放特性的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1給出了噴油壓力為100 MPa時PODE摻混對柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響。從圖1中可以看到，柴油中摻混PODE后，放熱始點(diǎn)提前，放熱率峰值下降，缸內(nèi)壓力峰值變化不明顯。由于PODE熱值比柴油低，在柴油中添加PODE后，為了達(dá)到相同的BMEP，在相同噴油壓力下，需要延長噴油持續(xù)期。由于噴油持續(xù)期延長，并且混合燃料十六烷值更高，燃油與空氣的混合時間變短，滯燃期縮短，預(yù)混燃燒比例降低，使缸內(nèi)燃燒相位提前，放熱率峰值下降。

(a) BMEP=0.4 MPa

(b) BMEP=0.8 MPa

圖1 PODE摻混對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響
Fig.1 Effects of PODE addition on in-cylinder pressure and heat release rate

圖2是D100、PD20和D100三種測試燃料在不同負(fù)荷和噴油壓力下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線圖。 從圖2中可以看出，隨著噴油壓力的提高，燃燒始點(diǎn)提前，缸內(nèi)壓力和放熱率峰值升高。噴油壓力的提高，增加了噴射油束的動能，油束運(yùn)動空間范圍加寬，有效地改善噴射油束的空間霧化程度，促進(jìn)燃油與空氣更均勻的混合。對比圖2(a)和圖2(b)可以看到，相比小負(fù)荷工況，在大負(fù)荷工況下，提高噴油壓力顯著地提高缸內(nèi)壓力和放熱率曲線的峰值，增大負(fù)荷，過量空氣系數(shù)變小，需要更多的燃油噴入缸內(nèi)，此時，更好的液滴霧化效果對缸內(nèi)燃燒有著更顯著的促進(jìn)作用。

(a) D100 (BMEP=0.4 MPa)

b) D100 (BMEP=0.8 MPa)

(c) PD20 (BMEP=0.4 MPa)

(d) PD20 (BMEP=0.8 MPa)

(e) PD30 (BMEP=0.4 MPa)

(f) PD30 (BMEP=0.8 MPa)

圖2 噴油壓力對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響
Fig.2 Effects of injection pressures on in-cylinder pressure and heat release rate

發(fā)動機(jī)燃燒排放的顆粒物從形態(tài)上可分為核態(tài)和聚集態(tài)，核態(tài)顆粒(粒徑<50 nm)是由發(fā)動機(jī)燃燒過程中生成的HC化合物等經(jīng)揮發(fā)性物質(zhì)及硫酸鹽在排氣稀釋冷卻過程中濃縮形成，是液態(tài)微粒；聚集態(tài)顆粒(粒徑50～1 000 nm)是發(fā)動機(jī)燃燒過程中燃料不完全燃燒而生成的初級碳顆粒通過團(tuán)聚并吸附HC、金屬灰燼和硫酸鹽等物質(zhì)而形成的，是固體微粒[7]。圖3是小負(fù)荷(BMEP=0.4 MPa)工況下柴油以及柴油/PODE混合燃料在不同噴射壓力的顆粒物數(shù)濃度粒徑分布圖。從圖3(a)中可以看到，在小負(fù)荷工況，當(dāng)噴射壓力為100 MPa時，D100、PD20和PD30的顆粒物粒徑主要分布在5～35 nm，說明顆粒物主要是核態(tài)顆粒。在35～105 nm，粒徑分布圖中還出現(xiàn)了一個很小的峰值，說明顆粒物中還包含了小部分聚集態(tài)顆粒。在小負(fù)荷工況下，由于缸內(nèi)空燃比較大，富油區(qū)域減小，有助于抑制soot的生成，并使其對揮發(fā)性物質(zhì)的吸附能力下降，從而增加核態(tài)顆粒的生成。同時由于小負(fù)荷工況缸內(nèi)壓力和溫度較低，使得更多的揮發(fā)性組分生成，進(jìn)一步提高了核態(tài)顆粒物的排放量[8]。

從圖3(a)和圖3(b)中可以看到，D100和PD20的顆粒物粒徑數(shù)濃度分布相似，而PD30與PD20相比，各粒徑數(shù)濃度明顯下降。主要原因是在小負(fù)荷工況下，噴入燃燒室的油量少，當(dāng)在柴油中摻混20 %的PODE時，PODE的燃料特性對混合氣形成和燃燒過程的影響被抑制。在圖3(a)中，當(dāng)PODE摻入比例達(dá)到30 %后，PD30的核態(tài)顆粒數(shù)濃度峰值明顯下降，由5.5×107下降到了1.5×107，此時PODE的燃料特性對混合燃料的燃燒起到了重要作用。PODE含氧量高，且不含硫，促進(jìn)了混合燃料的燃燒，使未燃HC及硫酸鹽等物質(zhì)大幅減少，從而降低了核態(tài)顆粒的排放。

從圖3(a)和圖3(b)中還可以看到，當(dāng)噴油壓力由100 MPa提高到120 MPa時，D100和PD20的顆粒物粒徑數(shù)濃分布變化不明顯。這主要是因?yàn)樵谛∝?fù)荷工況下，噴油量小，與大負(fù)荷工況相比，缸內(nèi)燃油與空氣的預(yù)混合相對較充分，因此噴油壓力的提高對混合氣的形成及缸內(nèi)燃燒影響不明顯。Labecki等[8]的研究也得到了相似的結(jié)果。對比圖3(b)和圖3(c)可知，當(dāng)噴油壓力由120 MPa提高到140 MPa后，三種燃料的粒徑數(shù)濃度分布發(fā)生了明顯變化，核態(tài)顆粒物濃度大幅升高。這是因?yàn)閲娪蛪毫_(dá)到140 MPa后，油束貫穿距離增大，濕壁現(xiàn)象明顯，造成未燃油氣混合物增多，核態(tài)顆粒排放物增加。

(a) 噴油壓力：100 MPa

(b) 噴油壓力：120 MPa

(c) 噴油壓力：140 MPa

(d) 噴油壓力：160 MPa

圖3 噴油壓力在小負(fù)荷工況對測試燃料顆粒物數(shù)濃度粒徑分布的影響
Fig.3 Effect of injection pressure on particle size distributions for test fuels at low load

圖4是大負(fù)荷工況下柴油以及柴油/PODE混合燃料在不同噴油壓力的顆粒物數(shù)濃度粒徑分布圖，如圖4(a)所示，當(dāng)噴射壓力為100 MPa時，與小負(fù)荷工況相比，聚集態(tài)顆粒物數(shù)濃度大幅增加，在20～30 nm和60～80 nm兩個區(qū)間顆粒物數(shù)濃度出現(xiàn)了峰值，粒徑分布呈現(xiàn)出了雙峰分布。由于負(fù)荷增加，空燃比變小，缸內(nèi)局部過濃區(qū)域增加。同時，更多的噴油量使缸內(nèi)溫度升高，足夠高的火焰溫度使燃燒發(fā)生裂解反應(yīng)并生成碳煙[9]。碳煙對聚集態(tài)顆粒物數(shù)濃度有很大的影響，碳煙的增多可以促進(jìn)聚集態(tài)顆粒物數(shù)濃度的增大[10]。

從圖4(a)中對比三種燃料的顆粒物粒徑分布可以看到，隨著PODE的摻入，聚集態(tài)顆粒數(shù)濃度峰值不斷下降。其中，PD20和PD30的聚集態(tài)顆粒數(shù)濃度峰值與D100相比分別下降了31.4 %和48.3 %。這是因?yàn)镻ODE的氧含量高達(dá)46 %，同時分子結(jié)構(gòu)中只有C—O鍵，部分碳煙前驅(qū)物在燃燒過程與氧原子反應(yīng)生成羥基，而沒有最終形成碳煙[6]。此外，PODE中不含多環(huán)芳香烴，形成的初級碳顆粒減少[11]。因此，PODE的摻入可以有效降低柴油機(jī)聚集態(tài)顆粒物的排放。

在大負(fù)荷工況下，隨著噴油壓力提高，三種燃料的核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物數(shù)濃度峰值都大幅下降。這是因?yàn)楦叩膰娪蛪毫κ沟萌加驼舭l(fā)霧化效果更好，可以明顯降低soot的排放量。因此對比圖4(a)和圖4(c)可以看到，三種燃料的聚集態(tài)顆粒物數(shù)濃度峰值都大幅下降，同時，核態(tài)顆粒物濃度峰值也下降了一定幅度。值得注意的是，從圖4(c)和圖4(d)中可以觀察到當(dāng)噴油壓力由140 MPa提高到160 MPa后，對D100、PD20和PD30的粒徑濃度分布的影響不明顯。雖然噴油壓力的提高，能增加油束的動能，油束運(yùn)動空間范圍加寬，有效地改善油束的霧化程度，促進(jìn)燃油與空氣更均勻的混合。但是當(dāng)噴油壓力達(dá)到140 MPa后，燃油與空氣已經(jīng)混合充分，此時繼續(xù)提高噴油壓力，對改善油氣混合及燃燒過程不能起到明顯的作用(如圖2所示)。因此當(dāng)噴油壓力由140 MPa提高到160 MPa后，D100、PD20和PD30三種燃料的粒徑濃度分布變化不明顯。

(a) 噴油壓力：100 MPa

(b) 噴油壓力：120 MPa

(c) 噴油壓力：140 MPa

(d) 噴油壓力：160 MPa

圖4 噴油壓力在大負(fù)荷工況對測試燃料顆粒物數(shù)濃度粒徑分布的影響
Fig.4 Effect of injection pressure on particle size distributions for test fuelsat high load

圖5給出了在小負(fù)荷工況下不同噴油壓力和PODE摻混比例對顆粒物數(shù)濃度的影響。從圖中可以看到，在不同噴油壓力下，三種燃料的顆粒物排放中核態(tài)顆粒物占了絕大比例，隨著PODE摻入比例的加大，總顆粒物和核態(tài)顆粒物的數(shù)濃度不斷下降，并且噴油壓力越高，降幅越大。如圖5(d)所示，在噴油壓力為160 MPa時，與D100相比，PD30的總顆粒物和核態(tài)顆粒物數(shù)濃度分別下降了75.2 %和77.6 %。隨著噴油壓力的提高，三種燃料總顆粒物和核態(tài)顆粒物的數(shù)濃度均提高，其中D100增幅最大。添加PODE和提高噴油壓力都會使聚集態(tài)顆粒物數(shù)濃度降低，但下降幅度較小。

(a) 噴油壓力：100 MPa

(b) 噴油壓力：120 MPa

(c) 噴油壓力：140 MPa

d) 噴油壓力：160 MPa

圖5 小負(fù)荷工況噴油壓力和PODE摻混比例對顆粒物數(shù)濃度的影響
Fig.5 Effect of PODE addition and injection pressure on particle number concentration at low load

圖6給出了大負(fù)荷工況下不同噴油壓力和PODE摻混比例對顆粒物數(shù)濃度的影響，在大負(fù)荷工況下，添加PODE可以降低總顆粒物和聚集態(tài)顆粒物數(shù)濃度。提高噴油壓力，總顆粒物和聚集態(tài)顆粒物和核態(tài)顆粒物數(shù)濃度均下降。對比圖5和圖6可以看到，隨著負(fù)荷增加，發(fā)動機(jī)的核態(tài)顆粒物數(shù)濃度降低，總顆粒物數(shù)濃度下降，噴油壓力的提高會使降幅進(jìn)一步增大。

(a) 噴油壓力：100 MPa

(b) 噴油壓力：120 MPa

(c) 噴油壓力：140 MPa

(d) 噴油壓力：160 MPa

圖6 大負(fù)荷工況噴油壓力和PODE摻混比例對顆粒物數(shù)濃度的影響
Fig.6 Effect of PODE addition and injection pressure on particle number concentration at high load

圖7是在不同負(fù)荷下噴油壓力和PODE摻混比例對顆粒物質(zhì)量濃度的影響，從圖7(a)中可以看到，在小負(fù)荷工況下，提高噴油壓力，D100總顆粒物質(zhì)量濃度下降，而PD20和PD30總顆粒物質(zhì)量濃度變化不大。其中當(dāng)噴油壓力由100 MPa提高到140 MPa，PD20的顆粒物質(zhì)量濃度先下降后升高，變化幅度很小。顆粒物的質(zhì)量通過等式:mass=densityfactor×Dppowerfactor計算得到，式中，densityfactor=1.72×10-18，powerfactor=2.65，DP為顆粒物的直徑，計算過程中假設(shè)顆粒物的形狀為圓形[12]。從等式中可知，顆粒物的質(zhì)量和顆粒物的直徑正相關(guān)，因此總顆粒物質(zhì)量濃度主要由大粒徑的聚集態(tài)顆粒物濃度決定[13]。噴油壓力從100 MPa提高到120 MPa，PD20聚集態(tài)數(shù)濃度由4.41×106n/cc降低到3.14×106n/cc(如圖5所示)，繼續(xù)提高壓力到140 MPa，PD20聚集態(tài)數(shù)濃度由3.14×106n/cc降低到3.19×106n/cc(如圖5所示)，因此當(dāng)噴油壓力由100 MPa提高到140 MPa，PD20的總顆粒物質(zhì)量濃度先下降后升高，但變化幅度很小。從圖7(b)中可以看到在大負(fù)荷工況下，提高噴油壓力，D100、PD20、PD30的總顆粒物質(zhì)量濃度降低。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)噴油壓力由120 MPa提高到140 MPa后，PD30的顆粒物總質(zhì)量濃度由0.001 74 ug/cc下降到0.001 61 ug/cc，下降幅度達(dá)7.47 %。主要原因是PODE的氧含量高達(dá)46 %且不含多環(huán)芳香烴，在噴油壓力為120 MPa時，在柴油中摻混30 %的PODE已經(jīng)使SOOT的排放量下降到很低的數(shù)值，此時繼續(xù)提高噴油壓力對降低SOOT排放沒有明顯的效果。大粒徑的顆粒物主要來源于SOOT，因此，噴油壓力在120 MPa時，繼續(xù)提高噴油壓力對PD30的總顆粒質(zhì)量濃度影響很小。無論是在小負(fù)荷還是大負(fù)荷工況，在相同噴油壓力下，在柴油中添加PODE后，總顆粒物質(zhì)量濃度均大幅下降。對比圖7(a)和圖7(b)，隨著負(fù)荷增加，聚集態(tài)顆粒物上升，三種燃料的總顆粒物質(zhì)量濃度均大幅增加。

(a) BMEP=0.4 MPa

(b) BMEP=0.8 MPa

圖7 不同負(fù)荷工況噴油壓力和PODE摻混比例對顆粒物數(shù)濃度的影響
Fig.7 Effect of PODE addition and injection pressure on particle mass concentration at various loads

3 結(jié)語

①在小負(fù)荷下，柴油/PODE混合燃料的顆粒物分布主要為核態(tài)顆粒物。在大負(fù)荷下，顆粒物粒徑分布轉(zhuǎn)變?yōu)楹藨B(tài)、聚集態(tài)的雙峰分布。

②在不同負(fù)荷下，噴油壓力對柴油/PODE混合燃料顆粒物的影響是不一樣的。在小負(fù)荷下，隨著噴油壓力的提高，總顆粒物數(shù)濃度提高，總顆粒物質(zhì)量濃度受影響不大；在大負(fù)荷下，總顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度均顯著降低。

③由于PODE的高含氧性和無C—C鍵的特點(diǎn)，無論在小負(fù)荷還是大負(fù)荷下，柴油中添加PODE均使總顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度下降。在大負(fù)荷下，隨著PODE添加比例的提高，核態(tài)顆粒物增加，聚集態(tài)顆粒物減少。

④隨著負(fù)荷增加，發(fā)動機(jī)排放的總顆粒物數(shù)濃度降低，總顆粒物質(zhì)量濃度增加。在同一負(fù)荷下，隨著噴油壓力升高，總顆粒物數(shù)濃度進(jìn)一步降低。