機油和過量空氣系數對GDI汽油機燃用甲醇汽油顆粒排放的影響

劉成豪，曾東建，左子農，汪建忠，李翔，王瑜

(1.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039；2.流體及動力機械教育部重點實驗室(西華大學)，四川 成都 610039；3.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；4.綿陽新晨動力機械股份有限公司，四川 綿陽 621000)

發動機排氣顆粒(PM)按照粒徑可劃分為核態、積聚態以及粗態粒子三個模態[1]。一般情況核態粒子是指粒徑在3～30 nm的排氣顆粒[2]，主要是由發動機燃燒過程中的揮發性有機物和硫化物等物質形成，而缸內混合氣的溫度和濕度則影響其濃度，其在通道內滯留時間等因素也有影響。積聚態粒子的粒徑范圍為30～500 nm，主要是由不完全燃燒的碳顆粒通過團聚并吸附硫酸鹽、金屬灰燼等物質形成，這種顆粒的數濃度一般相對穩定。粗態顆粒是粒子直徑大于500 nm的顆粒，這種形態顆粒主要來源于發動機燃燒不充分的碳顆粒或燃燒室中的積炭，在發動機排氣沖程中隨氣流運動排出，具有較大的隨機性。汽車尾氣中，以積聚態和核態粒子為主要組成部分的細顆粒占排氣顆粒質量濃度百分比為1%～10%，但占尾氣中顆粒總數濃度的百分比卻達到90%以上[3]。顆粒直徑越小越容易通過呼吸器官進入人體，甚至滲透進皮膚表層和肺泡，造成各種慢性疾病，對人體危害極大[4]。

隨著全世界范圍內探索環境友好型能源的熱情日益高漲，甲醇已成為研究發動機替代燃料的熱點。Nabi等學者的研究發現，甲醇等含氧燃料可降低發動機的NOx和PM排放[5]。因此，有些國家和地區在汽油中添加甲醇，以達到改善發動機排放和提高經濟效益的目的。

在積極探索汽油機新技術的過程中，缸內直噴增壓(turbo gasoline direct injection，T-GDI)汽油機因其在動力性和經濟性的優異表現，逐步成為目前汽車發動機發展的重要方向[6]。但是，與傳統汽油機相比，由于缸內壓力增大造成氣門油封密封不良，活塞油環刮油效果不佳，以及增壓器竄機油等因素，T-GDI發動機機油消耗量明顯增加。Vaaraslahti[7]等研究發現，機油的消耗會導致排放惡化，特別是顆粒物(PM)的排放,其中對核態顆粒的影響很大。同時，在發動機剛起動和低負荷工況下，炭煙顆粒排放量有所增加，這是因為此時相對過低的缸內溫度和過濃混合氣容易造成燃料氧化不完全[8]。由于發動機需要在不同工況下工作，滿足不同的扭矩和功率需求，造成發動機缸內混合氣的空燃比變化。因此，發動機需要在不同的過量空氣系數(φa)下運轉工作。研究發現[9]，過量空氣系數也影響著發動機的顆粒物排放。

因此，研究機油消耗和過量空氣系數對T-GDI發動機燃用甲醇汽油替代燃料的顆粒排放影響規律，具有十分重要的意義。同時，也能為發動機尾氣后處理技術研究提供參考。

1 試驗設備、燃料及方法

1.1 試驗設備

本研究改進了1臺車用4缸四沖程T-GDI發動機，其由一個完全開放式的發動機電子控制單元(3600010-YJ43)控制，可以準確調節點火時刻(ign)和噴油時刻(SOI)。發動機試驗臺架布局示意見圖1。試驗用T-GDI發動機基本參數如表1所示。

圖1 試驗臺架布局示意

扭矩/N·m200標定功率/kW96標定功率轉速/r·min-14 750～5 500缸徑/mm78行程/mm79排量/L1.498燃油供給方式缸內直接噴射點火方式電子控制點火氣門數16壓縮比12∶1增壓比2.1

試驗采用DMS500快速顆粒光譜儀測量發動機排放的炭煙顆粒濃度，DMS500快速顆粒光譜儀能測量到的顆粒直徑范圍為5～1 000 nm，具有快速測試響應(200 ms)、多通道尺寸光譜(38通道)、高數據采集頻率(10 Hz)等特點。試驗中采用第一級稀釋4倍，第二級稀釋100倍，共計400倍的稀釋比，顆粒采樣中加熱管溫度設定為120 ℃。光譜儀結構如圖2所示。

圖2 快速顆粒光譜儀結構示意

1.2 試驗方法和試驗燃料

采用發動機常用工況作為試驗工況，發動機轉速為2 000 r/min，pme(平均有效壓力)為0.2 MPa。試驗測試過程中，在發動機工況穩定后，連續測量3次，求取其平均值，從而保證數據的精確性。試驗過程中，通過水溫控制系統使發動機冷卻水溫度維持在(85±1) ℃，同時通過油溫控制系統使發動機機油溫度保持在(90±1) ℃，從而保證發動機試驗過程中運行正常、穩定。試驗中各種試驗燃料的參數見表2，表中M10表示在90號汽油中混合10%體積分數甲醇得到的甲醇汽油。

表2 試驗用燃料主要參數[10]

為了直觀反映機油消耗對顆粒排放的影響，采用向燃料中直接添加機油(API Ⅲ類基礎油)的方法。研究過程中，為了避免發動機工作狀態波動的影響和機油添加的準確性，選取最小機油/燃油消耗體積百分比為2%；同時，考慮過高的機油摻混比會影響發動機的正常燃燒，因此，選取最大百分比為4%。

2 試驗結果及分析

利用DMS500測取發動機排放顆粒物粒徑分布，以對數正態坐標表示顆粒粒徑的分布。精確計算顆粒數濃度和質量濃度的公式[11]為

(1)

(2)

式中：Dp為發動機排氣顆粒直徑；dN/dlogDp為排氣顆粒數濃度；dM/dlogDp為排氣顆粒質量濃度。

2.1 機油消耗對顆粒排放的影響

為探究燃料摻混不同體積機油燃燒對顆粒排放的影響規律，分別在97號汽油，M10，M25，M100燃料中加入體積分數為2%和4%的機油，試驗中噴油定時為上止點前300°，點火提前角為28°，φa為1.0。

2.1.1機油消耗對顆粒數濃度的影響

圖3示出不同機油摻混體積分數時顆粒數濃度與粒徑的變化規律。從圖3可以看出，不同機油體積分數下顆粒數濃度與粒徑的變化規律曲線大部分呈雙峰或三峰分布形態[10]。隨著機油摻混體積分數的升高，排氣顆粒的數濃度明顯上升，且核態顆粒的數濃度增幅較大。加入機油使得燃料黏度變大，造成噴孔出口噴霧速度減小，噴霧的破碎過程變得更加困難，蒸發環境下燃料霧化受限，使噴霧貫穿距離變短[12]，從而使缸內的非均勻區域增加，同時由于工質的霧化率變差使得霧化質量降低，進一步使核態顆粒數濃度升高。

從圖3a至圖3c可以看出，當摻混機油體積分數為4%時，燃用汽油和甲醇汽油均出現了粗態顆粒排放。從圖3d可知，純甲醇摻混機油后，排氣顆粒主要為核態顆粒，只在摻混機油體積分數為4%時，出現少量積聚態顆粒。

圖3 不同機油摻混體積分數時顆粒數濃度與粒徑的變化規律

圖4示出顆粒總數濃度隨機油體積分數的變化。從圖4可以看出，對于同種燃料，隨著機油摻混體積分數的增加，排氣顆粒總數濃度明顯上升。97號汽油摻混機油后，顆粒總數濃度及其增幅都較大，當加入機油體積分數為4%時，其總數濃度數量級已接近1010。隨著燃料中甲醇體積比例的增加，顆粒總數濃度明顯下降，不同機油摻混體積分數下顆粒總數濃度增幅也逐漸減小，由此可知，隨著甲醇摻混比的增大，機油摻混對排氣顆粒數濃度的影響逐漸降低。這是由于甲醇為含氧燃料，其分子結構中的氧元素可以顯著減少缸內燃燒過程中局部混合氣過濃而導致的顆粒物生成。

圖4 顆粒總數濃度隨機油體積分數的變化

2.1.2機油消耗對顆粒質量濃度的影響

圖5示出不同機油摻混體積分數時顆粒質量濃度與粒徑的變化規律。可以看出，摻混機油之后，排氣顆粒質量濃度明顯上升。隨著機油摻混體積分數的增加，排氣中顆粒質量濃度增幅也顯著增大。但隨著燃料中甲醇摻混比的增加，排氣顆粒質量濃度呈現整體下降趨勢。

圖5 不同機油體積分數時顆粒質量濃度與粒徑的變化規律

如圖5a至圖5c所示，30～1 000 nm的粒徑范圍為排放顆粒質量濃度分布的主要集中區域。當燃料中機油摻混體積分數為2%時，顆粒質量濃度主要分布在粗態區域，呈現單峰分布，其中峰值粒徑分別為640 nm(97號汽油)，650 nm(M10)和650 nm(M25)；而當燃料中機油體積分數為4%時，顆粒質量濃度呈現雙峰分布，且雙峰分別位于積聚態和粗態區域，顆粒的峰值粒徑分別為154 nm和560 nm(97號汽油)，154 nm和560 nm(M10)，74 nm和560 nm(M25)。從圖5c中可知，當燃用M25混合燃料，摻混機油體積分數為4%時，排氣顆粒質量濃度曲線中位于積聚態區域的峰值與粗態區域峰值相比有較大幅度的下降，分別為2 927.5 μg/cm3和9 175.6 μg/cm3，下降幅度為68.1%。而從圖5a和圖5b可知，發動機在分別使用97號汽油和M10甲醇汽油作為燃料，且燃料中摻混機油體積分數為4%時，排氣顆粒質量濃度曲線位于積聚態與核態區域的峰值濃度差距較小，燃用97號汽油混合燃料質量濃度峰值為130 125.8 μg/cm3和139 490.8 μg/cm3，增幅僅為6.71%；燃用M10混合燃料質量濃度峰值為31 489.6 μg/cm3和29 019.6 μg/cm3，降幅僅為8.51%。從圖5d可以看出，排氣顆粒質量濃度分布主要集中在50～560 nm的粒徑范圍之內。當機油摻混體積分數為2%時，顆粒質量濃度曲線主要呈現單峰狀，分布主要集中在積聚態區域，其峰值粒徑為308 nm；而機油摻混體積分數為4%時，顆粒質量濃度呈現雙峰分布，且雙峰都位于積聚態區域，峰值粒徑分別為101 nm和316 nm，峰值濃度分別為64.7 μg/cm3和780.8 μg/cm3，第一峰與第二峰相比，峰值濃度有很大幅度的下降，降幅為91.7%。

圖6示出顆粒總質量濃度隨機油體積分數的變化。從圖6可以看出，對于同種燃料，隨機油摻混體積分數的增大，排氣顆粒總質量濃度明顯上升。97號汽油摻混機油后，排氣顆粒總質量濃度及其增

圖6 顆粒總質量濃度隨機油體積分數的變化

幅都較大，當加入機油體積分數為4%時，其總質量濃度數量級已達到106。而對于不同燃料，隨著甲醇比例的增加，排放顆粒總質量濃度明顯下降，不同機油體積分數下顆粒總質量濃度增幅也逐漸減小，由此可知，機油對顆粒質量濃度的影響隨著甲醇摻混量的增大而逐漸減弱。

2.2 過量空氣系數對顆粒排放的影響

為探究過量空氣系數對顆粒排放的影響規律，對97號汽油，M10，M25，M100燃料分別在過量空氣系數為1.1，1.0，0.9的工況下進行了試驗測試。

2.2.1過量空氣系數對顆粒數濃度的影響

圖7示出過量空氣系數對顆粒數濃度的影響規律。由圖可見，在不同過量空氣系數下，顆粒數濃度隨粒徑的變化大體呈現三峰分布，且顆粒粒徑分布曲線基本相似。顆粒數濃度的最大值都是在粒徑小于10 nm時出現，即排氣顆粒數濃度主要集中分布在核態區域。顆粒排放對φa變化比較敏感，隨著φa的減小，顆粒排放數濃度增加，尤其是在過濃混合氣時，發動機排放中的核態顆粒數濃度顯著增大。φa增大時，燃用97號汽油和M10燃料的積聚態顆粒排放也顯著增多。而對于不同的燃料，隨著燃料中甲醇比例的增加，顆粒排放有規律地轉移和分布到核態區域。從圖7a和圖7b同時可以看出，核態顆粒數濃度在顆粒中的百分比遠遠高于積聚態顆粒，而由圖7c和圖7d可見，顆粒數濃度則全部分布在核態顆粒范圍內。

圖7 不同過量空氣系數時顆粒數濃度與粒徑的變化規律

圖8示出顆粒總數濃度隨過量空氣系數的變化。可以看出，當過量空氣系數不變時，隨燃料中甲醇量的增加，顆粒總數濃度呈明顯減小趨勢。其原因為甲醇分子中含有一個氧原子，并且氧原子在相對分子質量中占比50%，因此，甲醇燃料屬于低碳高氧燃料。相比于傳統汽油，使用甲醇燃料后，混合氣在缸內的燃燒更加充分，對顆粒排放的降低有明顯的促進作用[13]，從而減少了發動機尾氣顆粒的排放。

圖8 顆粒總數濃度隨過量空氣系數的變化

2.2.2過量空氣系數對顆粒質量濃度的影響

圖9示出不同過量空氣系數時顆粒質量濃度與粒徑的變化規律。由圖可知，隨著混合燃料中甲醇比例的增加，相同過量空氣系數下，其排氣顆粒質量濃度明顯減小。排氣顆粒質量濃度主要分布在積聚態區域，且積聚態顆粒在尾氣排放顆粒總質量中占比較大。隨著過量空氣系數增加，顆粒質量濃度減小。同時結合圖7還可以看出，發動機尾氣顆粒排放中核態顆粒的數濃度比積聚態顆粒的數濃度高，但兩者的質量濃度相比卻恰好相反。

圖9 不同過量空氣系數時顆粒質量濃度與粒徑的變化規律

圖10示出顆粒總質量濃度隨過量空氣系數的變化。從圖10可以看出，含甲醇混合燃料僅在過濃混合氣有顆粒排放，其他情況下顆粒的排放極少。排氣顆粒的質量濃度隨著過量空氣系數的增加而明顯下降，混合氣由濃到稀，混合氣燃燒更加充分。

圖10 顆粒總質量濃度隨過量空氣系數的變化

3 結論

a) 汽油和不同摻混比甲醇汽油燃料添加機油后，顆粒數濃度呈多峰分布，并出現大量核態和積聚態顆粒，顆粒質量濃度主要集中于積聚態和粗態中；當機油體積分數為4%時，顆粒總數濃度數量級已接近1010，顆粒總質量濃度數量級接近106；

b) 在同一種摻混比燃料中，隨著過量空氣系數減小，顆粒數濃度和質量濃度明顯增大，最大數濃度峰值粒徑在小于10 nm的范圍內；發動機的顆粒數濃度主要集中在核態區域，顆粒質量濃度主要集中在積聚態和粗態區域；

c) 隨著甲醇摻混比的增加，發動機排氣顆粒數濃度、總數濃度、質量濃度和總質量濃度均降低，但對核態區域內的排放顆粒數濃度的降低影響較小。