燃料含硫量及運轉條件對高壓共軌柴油機微粒排放粒度分布的影響

王曉丹，孫萬臣，李國良，杜家坤，賴春杰，2，譚滿志

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025;2.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130025)

前言

柴油機微粒排放成分極為復雜，含有多種致癌物質，對人類健康和生存環境危害極大，如何降低柴油機的微粒排放已經成為內燃機行業內一個關鍵性技術問題［1－2］。高壓共軌直噴技術(CRDI)的噴射壓力可以達到180MPa以上，能使燃油充分霧化，微粒的質量排放量得到控制，同時導致微粒趨于超細化。已有研究表明，粒徑小于100nm的超細微粒能夠進入并沉積在人體肺泡中，從而誘發人體組織癌變［3］。此外，未來的排放法規不僅嚴格控制微粒的質量排放量，還對微粒的數量加以限制。因此，柴油機超細微粒排放粒度的分布研究日益受到研究者的普遍關注［4－6］。

根據微粒粒徑大小將超細微粒分為核態和積聚態兩種。在微粒成核階段，以硫化物、揮發性有機物和部分粒徑較小的碳質顆粒構成粒徑小于50nm的核態微粒;在微粒凝聚階段，先期生成的固態碳質顆粒相互碰撞、凝聚并進一步吸附未燃碳氫等揮發性有機物形成粒徑大于50nm的積聚態微粒［6］。研究表明，微粒排放與燃料含硫量密切相關［7－9］，相同發動機燃用不同硫含量種燃料時，其微粒排放粒度分布存在較大差異。

本文中利用硫質量分數為1 500×10－6的高硫柴油與和硫質量分數為50×10－6低硫柴油進行對比試驗，探索燃料含硫量和運轉條件對微粒排放粒度分布的影響，旨在揭示高壓共軌柴油機的微粒排放特征，為控制超細微粒排放數量提供技術支持。

1 試驗裝置和研究方案

1.1 試驗用發動機和試驗燃料

采用高壓共軌、增壓中冷四缸直噴式車用柴油機進行試驗研究，該發動機燃燒室為縮口ω型，具有較好的動力性、經濟性和排放性，排放指標達到國IV水平。發動機主要參數如表1所示。試驗燃料采用硫質量分數分別為1 500×10－6的高硫0#柴油和50×10－6低硫柴油，表2為試驗燃料的主要理化特性指標。

表1 發動機主要技術參數

1.2 發動機測試及稀釋取樣系統

為使排氣在引入粒度儀前得到充分稀釋，采用自行設計的排氣二級稀釋系統對發動機尾氣進行稀釋和降溫。試驗結果表明，稀釋比位于200～300之間時能夠更好地反映排氣中微粒粒度分布情況。因此，設定第一級稀釋比為25，第二級稀釋比為10，總稀釋比約為250左右時，能夠滿足試驗要求且具有較好的重復性。研究中所使用的主要儀器設備如表3所示。

表2 試驗燃料理化特性

表3 主要儀器設備

1.3 研究方案

選取發動機外特性工況和最大轉矩轉速對高壓共軌柴油機微粒排放粒度分布特征進行研究。其中，最大轉矩轉速(1 800r/min)負荷特性工況選取當量比分別為0.2、0.4、0.5和0.6的4種負荷。

2 試驗結果及分析

2.1 外特性工況下微粒排放粒度分布特征

圖1為外特性工況下燃用高硫含量0#柴油時的微粒排放粒度分布特征。從圖1(a)～圖1(c)中可以看出，微粒數量濃度分布曲線在5～15nm之間出現峰值，由于大粒徑微粒具有較大的表面積及體積，導致表面積濃度及體積濃度分布峰值向大粒徑方向偏移，峰值位于50～150nm之間。圖1(d)中微粒比例皆指其占全部微粒總數量的比例。由圖可見，發動機轉速低于2 000r/min時，核態微粒變化不大，積聚態微粒隨轉速升高而減少，核態微粒所占比例逐漸增加;轉速高于2 000r/min后，隨轉速上升，兩種形態的超細微粒濃度都有所增加，導致總微粒數量濃度上升，但核態微粒所占比例下降。同時可以看出，外特性工況不同轉速下，超細微粒所占比例均在94%以上，而核態微粒所占比例都超過72%，說明高壓共軌柴油機微粒排放以核態為主。

圖2為1 800r/min不同負荷工況下微粒排放粒度分布。由圖可見，各負荷工況下微粒數量濃度分布曲線在5～15nm之間出現核態微粒峰值。隨著當量比即負荷的增加，模態微粒的數量濃度、表面積濃度和體積濃度均有所上升，而積聚態微粒濃度隨負荷的變化規律并不明顯。但兩種形態的微粒所占比例變化不大且處于較高水平，即使在小負荷工況模態微粒比例仍高達95%以上，超細微粒比例超過99%。主要原因是高壓共軌柴油機具有較高的噴射壓力，能使更多的空氣卷吸到噴注中，有利于促進燃料與空氣的混合，從而抑制碳質顆粒的形成，使積聚態微粒數量無明顯增加。較少的積聚態微粒數量又會對核態微粒的吸附與凝并產生抑制作用，導致核態微粒數量隨負荷增大明顯增加。

2.2 不同硫含量燃料微粒排放粒度分布的對比

圖3和圖4分別為中小負荷工況(當量比為0.2、0.4)和大負荷工況(當量比為0.5、0.6)不同硫含量燃料微粒排放粒度分布對比。由圖可見:不同負荷工況下燃用低硫柴油時的各模態微粒數量、表面積和體積濃度均較高硫柴油有明顯降低，大負荷工況下降低幅度更大，而積聚微粒濃度隨燃料含硫量的變化不明顯。燃用低硫柴油時超細微粒和總微粒數量在當量比為0.2和0.4的中小負荷工況下比高硫柴油分別約降低65%和50%;在當量比為0.5和0.6的大負荷工況下降低幅度則分別達到92%和94%;大負荷工況下核態微粒的比例顯著下降，當量比為0.6時，該比例約由燃用高硫柴油時的97%降低到燃用低硫柴油時的52%以下。這是由于在預混合燃燒初期，由缸內大量未燃碳氫成分組成的極小液滴與燃燒過程中產生的硫酸鹽成分相互凝并構成了核態微粒的初始載體，形成核態微粒。同時，燃燒過程中碳氫燃料經過脫氫、斷鏈并進一步環化，C、H原子以一定比例初步生成多環芳烴成分，進而形成微小的碳質核心。碳核通過吸附已形成的核態微粒并相互碰撞、積聚、凝并而形成粒徑大于50nm以上的鏈狀或團絮狀積聚模態微粒。燃料中的硫元素參與燃燒后生成的硫酸鹽成分以微小顆粒的形式存在，在預混合燃燒階段不需要經歷脫氫斷鏈，即可與其他C、H原子直接形核，從而大大增加了微粒的成核傾向。

3 結論

(1)高壓共軌柴油機微粒排放以核態微粒為主，不同運轉條件下核態微粒所占比例均在72%以上，超細微粒所占比例在94%以上。

(2)外特性工況下，轉速低于2 000r/min時，核態微粒相差不大，積聚態微粒隨轉速升高而減少，核態微粒所占比例逐漸增加;轉速高于2 000r/min后，隨轉速上升，兩種形態的超細微粒濃度都有所增加，導致總微粒數量濃度上升，但核態微粒所占比例下降。

(3)不同負荷工況下微粒數量濃度分布曲線呈現出單峰形態分布，且隨著負荷的增大，核態微粒和總微粒數量顯著增加，積聚態微粒數量變化不大。

(4)燃料含硫量是影響發動機微粒排放粒度分布的重要因素，其對核態微粒排放數量的影響較為顯著，對積聚態微粒數量影響不明顯。隨著硫含量的增加，超細微粒和總微粒排放數量濃度明顯增加。大負荷工況下，硫含量對柴油機微粒數量排放的影響更為明顯。

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