發動機燃用GTL柴油的顆粒數量排放＊

譚丕強，鮑錫君，胡志遠，樓狄明

（同濟大學 汽車學院，上海201804）

柴油機排氣顆粒對大氣環境具有很大的危害，其中粒徑極小的核態顆粒可以到達人體肺部深處，對人的健康危害更加明顯。這些核態顆粒占排氣顆粒質量的比例很小，但是其數量卻往往占排氣顆粒數量的絕大多數［1］。以往法規只限制發動機排氣顆粒質量，而研究表明某些先進柴油機的排氣顆粒質量下降，但其排氣顆粒數量卻有可能上升，顆粒危害性是否真正降低也不能得到確定。因此，柴油機排氣顆粒數量及其粒徑分布的研究日益得到重視，發動機研究者也已開展了相關工作［2－4］。

采用清潔燃料是降低汽車顆粒排放的有效方法之一。以天然氣為原料合成的天然氣制油（GTL柴油）近些年得到了廣泛的關注。與傳統柴油相比，GTL柴油基本不含硫和芳香烴，十六烷值很高。已有研究表明柴油機可以不用進行任何改裝而直接使用GTL柴油，并且在柴油機燃用GTL柴油可有效降低顆粒的排放質量和排氣煙度［5－10］。但是，對于發動機燃用GTL柴油的排氣顆粒數量及粒徑分布特性如何，需開展相關研究。

基于此點，本文對一臺電控高壓共軌柴油機的排氣顆粒數量進行了試驗研究，分析了其燃用純柴油、純GTL柴油以及二者不同配比的GTL混合燃料的排氣顆粒數量及粒徑分布，并對相關結果進行了探討。

1 試驗樣機和燃料

1.1 試驗樣機

試驗樣機為一臺4氣缸電控高壓共軌直噴式柴油機，其主要技術參數如表1。

表1 樣機的主要技術參數

1.2 試驗燃料

試驗所用純柴油與純GTL柴油的主要理化特性如表2，該柴油符合滬四柴油標準（參照歐四柴油標準）要求。可見GTL柴油幾乎不含硫，十六烷值高于石化柴油，而密度和黏度則低于石化柴油。

表2 純柴油和純GTL柴油的主要理化特性

2 顆粒數量和粒徑分析儀器及測試方法

顆粒測試采用美國TSI公司的EEPS（Engine Exhaust Particle Sizer）發動機排放顆粒數量和粒徑測試儀，該儀器可快速測取柴油機的排氣顆粒數量及粒徑分布特性，同步輸出32個數據通道的顆粒數量和粒徑分布數據。發動機排氣顆粒進入測試設備之前要進行稀釋，本試驗采用兩級稀釋，總稀釋比為500∶1。第1級稀釋系統采用TSI公司的專業旋轉盤稀釋器，對部分采集到的柴油機排氣進行稀釋，控制初級稀釋系統的加熱溫度為120℃，稀釋比為200∶1；第2級稀釋采用一個流量計對進氣流量進行補償，并同時進行稀釋，稀釋比為2.5∶1。

3 試驗方案

試驗用油為純柴油、純GTL柴油及二者按一定比例摻混得到的燃料，其中GTL體積摻混配比分別為10%，20%，簡稱G10、G20。將純柴油和純GTL柴油稱為G0和G100。在AVL－PUMA發動機全自動試驗臺架上分別對這4種燃料進行臺架試驗。重點研究不同GTL柴油摻混配比對柴油機排氣顆粒數量和粒徑分布特性的影響。試驗工況為兩個典型轉速：最大轉矩轉速1 500r／min和標定轉速2 300r／min的負荷特性試驗。負荷百分比分別為各自轉速下的10%，25%，50%，75%和100%。

4 試驗結果與討論

4.1 最大轉矩轉速時排氣顆粒數量的粒徑分布

圖1至圖5為該樣機燃用這4種燃料，最大轉矩轉速1 500r／min時5個不同負荷（10%，25%，50%，75%，100%）下排氣顆粒數量的粒徑分布。

圖1 顆粒數量的粒徑分布（1 500r／min，10%負荷）

圖2 顆粒數量的粒徑分布（1 500r／min，25%負荷）

由圖1至圖5可見，隨著GTL柴油摻混配比和負荷的變化情況，該轉速的顆粒數量粒徑分布大都呈現明顯的雙峰對數分布。其主要特點如下：

（1）隨GTL柴油配比增加，各負荷下不同粒徑的顆粒數量大都持續下降。顆粒數量最大峰值粒徑范圍大都處于40nm至50nm之間的聚集態顆粒，核態顆粒數量的峰值粒徑集中在10nm附近。

圖3 顆粒數量的粒徑分布（1 500r／min，50%負荷）

圖4 顆粒數量的粒徑分布（1 500r／min，75%負荷）

圖5 顆粒數量的粒徑分布（1 500r／min，100%負荷）

（2）GTL柴油降低了聚集態顆粒的數量。這是因為GTL柴油幾乎不含芳香烴，隨著GTL柴油摻混比的增加，降低了燃油的芳香烴含量，減少了燃燒過程中的高溫裂解組分，改善了燃燒，從根本上抑制了聚集態顆粒的形成。

（3）GTL柴油明顯降低了核態顆粒的數量。隨著GTL柴油配比的增加，粒徑小于30nm的核態顆粒數量下降都比較明顯。這主要是GTL柴油硫含量極低，由硫化物導致的核態顆粒數量很少。同時GTL柴油的黏度低，十六烷值高，可以改善燃油的霧化和燃燒，有效減少了可溶有機物SOF的數量。這些因素都導致GTL柴油排放的核態顆粒數量顯著下降。

4.2 標定轉速時排氣顆粒數量的粒徑分布

圖6至圖10為該樣機燃用這4種燃料，標定轉速2 300r／min時5個不同負荷（10%，25%，50%，75%，100%）下排氣顆粒數量的粒徑分布。

圖6 顆粒數量的粒徑分布（2 300r／min，10%負荷）

圖7 顆粒數量的粒徑分布（2 300r／min，25%負荷）

圖8 顆粒數量的粒徑分布（2 300r／min，50%負荷）

圖9 顆粒數量的粒徑分布（2 300r／min，75%負荷）

圖10 顆粒數量的粒徑分布（2 300r／min，100%負荷）

由圖6至圖10可見，隨著GTL柴油摻混配比和負荷的變化情況，該轉速下顆粒數量粒徑分布也呈現明顯的雙峰對數分布。與前述1 500r／min轉速相比，2 300 r／min轉速下顆粒數量的粒徑分布有如下特點。

（1）該轉速下不同粒徑顆粒的數量分布更為均勻。由圖6至圖8可見，中低負荷下（10%，25%和50%負荷比）10nm至60nm之間各粒徑的顆粒數量變化不大。與1 500r／min轉速類似，其聚集態顆粒數量的峰值粒徑集中在40～50nm，而核態顆粒數量的峰值粒徑也在10nm附近。

（2）隨著GTL柴油配比的增加，各負荷下不同粒徑的顆粒數量大都持續下降。與1 500r／min相比，其核態顆粒數量降幅更大，這在高負荷下（75%和100%負荷比）更為明顯，這主要是高負荷下每循環供油量大幅增加的原因。聚集態顆粒數量也較純柴油有一定的降幅，其中G20和G100柴油更為明顯。

綜合分析，在1 500r／min和2 300r／min轉速下，隨負荷的變化，無論燃用柴油、GTL柴油或GTL混合燃料，該柴油機排氣顆粒數量隨粒徑變化大都呈現明顯的雙峰對數分布狀態。其排氣核態顆粒的峰值粒徑在10nm附近，聚集態顆粒峰值大都出現在40～50nm之間。隨GTL柴油配比的增加，各粒徑排氣顆粒數量均呈持續下降趨勢，且高轉速工況時核態顆粒數量下降幅度更大，G20和G100柴油聚集態顆粒的數量降幅更為顯著。

4.3 燃用GTL柴油的排氣顆粒總數量

將某試驗工況點下所有粒徑通道的顆粒數量進行求和，即得到該試驗工況點的顆粒總數量。圖11和圖12給出了該柴油機燃用純柴油G0、純GTL柴油G100、G10和 G20柴油時，1 500r／min和2 300r／min轉速下不同負荷的顆粒總數量。

由圖11和圖12可以看出，在各個負荷比工況下，隨著GTL柴油配比的增加，排氣顆粒總數量均呈現逐漸下降的變化，這與前面不同工況試驗的結果是一致的。

圖11 1 500r／min時的顆粒總數量

圖12 2 300r／min的顆粒總數量

在1 500r／min轉速時，G100柴油與純柴油相比，在5個不同負荷比（10%，25%，50%，75%，100%）工況下，排氣顆粒總數量分別下降了20.7%，34.3%，21.2%，21.4%和23.5%；而在2 300r／min轉速下，G100柴油則比純柴油下降了44.9%，27.3%，53.6%，30.6%和34.7%。總體上與純柴油相比，1 500r／min時G100柴油的排氣顆粒總數量平均降幅為24.2%，2 300r／min時平均降幅為38.2%。由此可見，該機高轉速時GTL柴油降低排氣顆粒數量的效果更為明顯。

5 結論

以一臺電控高壓共軌柴油機為樣機，研究了發動機燃用GTL柴油的排氣顆粒數量及粒徑分布規律。結論如下：

（1）在各個試驗工況下，無論燃用柴油，還是GTL柴油或混合燃料，該機排氣顆粒數量隨粒徑變化大都呈現明顯的雙峰對數分布狀態。其排氣核態顆粒的峰值粒徑在10nm附近，聚集態顆粒峰值大都出現在40～50nm之間。

（2）隨著GTL柴油配比的增加，各工況下不同粒徑的顆粒數量大都持續下降。

（3）GTL柴油降低了聚集態顆粒的數量。隨著GTL柴油摻混比的增加，降低了燃油的芳香烴含量，減少了燃燒過程中的高溫裂解組分，從根本上抑制了聚集態顆粒的形成。G20和G100柴油聚集態顆粒的數量降幅更為顯著。

（4）GTL柴油明顯降低了核態顆粒的數量。GTL柴油的低黏度、高十六烷值的特性改善了燃油的霧化和燃燒，有助于降低核態顆粒的排放。同時GTL柴油幾乎不含硫，大大減少了硫化物的產生，從而顯著降低核態顆粒的形成。

（5）隨著GTL柴油配比的增加，發動機排放顆粒的總數量逐漸下降。高轉速時顆粒排放總數量比低轉速時下降的幅度更大。

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