燃料著火性及揮發(fā)性對柴油機超細微粒排放的影響*

王曉丹 孫 石 張志正 楊 松 唐昕彤 楊 靜

（長春工程學(xué)院 吉林 長春 130012）

引言

能源短缺和環(huán)境污染已成為全球關(guān)注的焦點，盡管新型清潔燃料汽車有了較大發(fā)展，但在未來相當長的一段時期內(nèi)，傳統(tǒng)汽油和柴油汽車仍是發(fā)展的主流。柴油發(fā)動機由于壓縮比高，絕熱損失及泵氣損失小的特點，具有良好的動力性和經(jīng)濟性，廣泛應(yīng)用于汽車、交通、農(nóng)業(yè)及工程機械領(lǐng)域。但是，由于柴油粘度大，揮發(fā)性較差，混合氣形成困難，導(dǎo)致傳統(tǒng)柴油機燃燒過程中不可避免地存在局部高溫、過濃區(qū)，使柴油機的NOx與碳煙排放存在此消彼長的競爭關(guān)系，制約了柴油機的發(fā)展。近年來，大量新技術(shù)的應(yīng)用雖然使得柴油機微粒質(zhì)量排放大幅度降低，但卻導(dǎo)致燃燒生成的微粒超細化程度更高，數(shù)量相應(yīng)增多[1]，排氣微粒成分更為復(fù)雜，對環(huán)境及人體的危害更大[2-3]。因此，柴油機的顆粒物排放問題，尤其是超細顆粒物數(shù)量排放問題日益成為各國研究機構(gòu)關(guān)注的焦點[4-6]。

發(fā)動機的燃燒及排放與燃料理化特性緊密相關(guān)。對于發(fā)動機燃燒過程，燃料的蒸發(fā)、混合和化學(xué)反應(yīng)都是決定性因素，且均與燃料的理化特性相關(guān)。在衡量燃料著火性時多采用燃料十六烷值來作為評價標準，提高燃料十六烷值表示燃料著火性得到改善，相應(yīng)在燃燒初期化學(xué)反應(yīng)速率提升，滯燃期縮短，易于著火。但通常來講，過高的十六烷值會導(dǎo)致滯燃期過分縮短，不利于油氣混合氣的形成，進而影響顆粒物排放情況[7-9]。

傳統(tǒng)柴油是由多種柴油組分按照不同比例進行調(diào)和得到的。為進一步分析燃料理化特性對發(fā)動機排氣顆粒物粒度分布的影響規(guī)律，本研究選取基本的調(diào)和組分作為基礎(chǔ)燃料，按照不同的配比制取不同著火性及揮發(fā)性的試驗燃料。同時，利用美國TSI公司的EEPS 3090d發(fā)動機排氣粒徑分析儀對發(fā)動機不同負荷穩(wěn)態(tài)工況下微粒排放粒度分布進行試驗研究，并結(jié)合微粒的微觀形貌分析技術(shù)綜合評價燃料理化特性對柴油機顆粒物排放的影響規(guī)律。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗發(fā)動機

試驗用發(fā)動機為一臺匹配高壓共軌、增壓中冷的4缸直噴式車用柴油機，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗用主要儀器設(shè)備

研究中采用洛陽凱邁機電CW160型測功機對發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程進行控制，利用自行搭建的進氣中冷系統(tǒng)控制試驗進氣溫度維持在35℃左右。試驗中油耗測量采用Onno Sokki DF20系列油耗儀對油耗進行，同時，利用Horiba 7100DEGR對氣態(tài)排氣成分及空燃比進行實時監(jiān)控測量。由于粒度分析儀對排氣顆粒物濃度有限值要求，試驗中利用AVL DiSMOKE 4000消光煙度計對排氣煙度進行監(jiān)測。

由于超細顆粒物具有不穩(wěn)定的特點，在排氣過程中易發(fā)生理化特性改變，因此研究中針對超細微粒的測量需求設(shè)計了排氣微粒二級稀釋系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)稀釋比以保證顆粒物在排氣流動過程中不會發(fā)生進一步反應(yīng)影響測量結(jié)果。試驗中控制稀釋比200左右，試驗結(jié)果具有較好的重復(fù)性，能夠滿足研究的需要。利用濾紙對稀釋后排氣顆粒物進行捕集用于顆粒物成分及形貌特性分析。

1.3 試驗燃料

為獲取不同著火性及揮發(fā)性的試驗燃料，研究中選取柴油的基礎(chǔ)調(diào)和組分加氫柴油、直鎦柴油和煤油作為基礎(chǔ)燃料，按不同比例進行配比，獲取不同理化特性的試驗燃料。在不同著火性燃料研究中，以燃料的十六烷值來對燃料進行命名，分別定義為CN44、CN55和CN60。在不同揮發(fā)性的研究中，以燃料的中均沸點對燃料進行命名，分別定義為T264、T271和T281。不同燃料的理化特性及配制比例如表2所示。圖1為不同理化特性柴油燃料中C10-C16烷烴成分對比，試驗結(jié)果為采用島津GC2014氣相色譜分析儀測試得出。從結(jié)果中可以看出，高十六烷值的燃料中，碳數(shù)為13以上的長鏈烷烴含量相對較高。直鏈烷烴隨著碳數(shù)增加易斷鏈，因此在溫度及壓力條件適宜時，更易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并引發(fā)整體的放熱過程。

圖1 不同燃料中烷烴類成分占比對比

1.4 試驗工況及數(shù)據(jù)分析方法

試驗選取柴油機典型的最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速中等負荷工況（2 000 r/min，當量比0.4）進行。為避免排氣管內(nèi)沉積物對超細顆粒物數(shù)量測量的影響，對于不同試驗燃料，均保證發(fā)動機在測試工況穩(wěn)定運行30 min以上后進行顆粒物數(shù)量測量及濾紙捕集。對于采集到的濾紙樣品，采用馬弗爐以400℃高溫對采集后的濾紙進行烘干以分離DS和SOF成分。通過測量烘干前后濾紙的質(zhì)量即得到顆粒物中DS和SOF質(zhì)量占比。為深入分析燃料特性對超細顆粒物數(shù)量排放的影響規(guī)律，本文定義粒徑小于100 nm的微粒為超細微粒，粒徑小于30 nm為核態(tài)微粒，30 nm以上為積聚態(tài)微粒。

表2 不同十六烷值燃料的調(diào)配比例及特性參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同著火性燃料微粒排放粒度分布特征

圖2為發(fā)動機燃用不同著火性燃料時的微粒排放粒度分布特征，由圖可見，不同燃料排氣超細顆粒物數(shù)量排放曲線呈不規(guī)則單峰分布，其中核態(tài)微粒數(shù)量濃度峰值處于10 nm附近，積聚態(tài)微粒區(qū)域內(nèi)無明顯峰值區(qū)間。對于微粒體積濃度分布曲線，由于大粒徑微粒在體積方面具有較大占比，因此與數(shù)量濃度分布曲線不同，體積濃度分布曲線峰值主要位于積聚態(tài)微粒區(qū)間內(nèi)，約100 nm附近。隨十六烷值升高，燃料著火性提高，核態(tài)微粒數(shù)量濃度峰值降低，不同粒徑顆粒物數(shù)量分布向大粒徑方向遷移。主要原因在于：著火性提高，燃料中高碳數(shù)直鏈烷烴含量增加，易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，宏觀上體現(xiàn)為滯燃期縮短，燃油與空氣混合氣時間相對不足，缸內(nèi)存在更多的油氣過濃區(qū)，燃燒過程碳煙生成傾向增加。由于積聚態(tài)微粒主要為表面疏松多孔狀碳顆粒物吸附未燃碳氫等物質(zhì)并相互碰撞團聚形成，因此碳煙生成量與積聚態(tài)微粒數(shù)量存在一定相關(guān)性。從圖2d不同模態(tài)微粒數(shù)量濃度及比例中可以看出，積聚態(tài)微粒總數(shù)隨十六烷值升高單調(diào)增加，核態(tài)微粒總數(shù)逐漸降低，當十六烷值增加到55時，繼續(xù)增大時顆粒物總數(shù)和超細顆粒物數(shù)量變化不明顯。燃用高十六烷值燃料時，核態(tài)微粒數(shù)量占顆粒物總數(shù)比例顯著降低，但超細微粒數(shù)量在顆粒物總數(shù)中的占比變化不大。

圖2 不同著火性燃料排氣微粒分布特征

為進一步分析燃料特性對顆粒物成分的影響規(guī)律，試驗中利用濾紙對排氣顆粒物進行捕集，并對顆粒物中的DS和SOF成分進行分離。由圖可知，隨十六烷值升高，濾紙捕集到的顆粒物總質(zhì)量呈先減小后增加的趨勢。但對于DS，則呈現(xiàn)單調(diào)增加的狀態(tài)，且SOF單調(diào)減少。由于低十六烷值燃料著火性較差，滯燃期長，油氣混合較為充分，碳煙生成傾向較低。但過低的十六烷值會使滯燃期過于延長，缸內(nèi)局部區(qū)域會出現(xiàn)過稀狀態(tài)，未燃碳氫生成量增加，SOF比例升高。綜合以上分析，可以認為在試驗所選工況范圍內(nèi)，采用十六烷值為55的燃料能夠獲得較好的顆粒物質(zhì)量排放特性，顆粒物質(zhì)量濃度較十六烷值為44和60的燃料降低約28%。

圖3 不同著火性燃料微粒成分對比

2.2 不同揮發(fā)性燃料微粒排放粒度分布特征

本節(jié)重點針對燃料揮發(fā)性對排氣微粒粒度分布的影響進行研究，試驗采用煤油、直餾柴油和加氫柴油配制出十六烷值相近，不同揮發(fā)性的燃料。圖4為燃用不同揮發(fā)性燃料時微粒排放粒度分布結(jié)果。從圖中可以看出，發(fā)動機中等負荷工況下燃用不同揮發(fā)性試驗燃料時，排氣顆粒物數(shù)量濃度分布特性曲線在10 nm附近出現(xiàn)明顯核態(tài)微粒峰值。當燃用中均沸點為281℃的燃料時，由于揮發(fā)性相對較差，混合氣形成過程需要更多的時間，易于出現(xiàn)混合不均勻的區(qū)域，導(dǎo)致燃燒過程局部富油區(qū)域燃料分子發(fā)生高溫?zé)峤馍商紵燁w粒，積聚態(tài)微粒數(shù)量增加。對于中均沸點為264℃和271℃的燃料，粒度分布特性相差不大。從圖4d中還可以看出，燃用不同揮發(fā)性的燃料，超細微粒比例均在97%以上，其中核態(tài)微粒比例在80%以上。由圖可見在中小負荷工況下，燃用基礎(chǔ)燃料T281時微粒數(shù)量濃度較低，與T281相比添加少量易揮發(fā)的成分使得核態(tài)微粒數(shù)量濃度有所升高。燃用揮發(fā)性較強的燃料（T264）時相比燃用T281燃料時超細微粒中核態(tài)微粒所占比例升高約8%。這是因為，揮發(fā)性好的燃料能夠促進缸內(nèi)混合，減少局部過濃區(qū)的數(shù)量，改善燃燒條件，降低核態(tài)微粒的數(shù)量濃度。

圖4 不同揮發(fā)性燃料微粒排放粒度分布特征

圖5 不同揮發(fā)性燃料微粒成分對比結(jié)果表明，微粒中DS比例變化趨勢與積聚態(tài)微粒數(shù)量有一定的對應(yīng)關(guān)系，積聚態(tài)微粒數(shù)量增加，DS占微粒的比例會有所增加，且燃用T281燃料時總微粒質(zhì)量較揮發(fā)性好的燃料有所升高。

圖5 不同揮發(fā)性燃料微粒成分對比

2.3 燃料特性對排氣超細顆粒物微觀形態(tài)的影響

圖6 為不同理化特性燃料排氣顆粒物微觀形貌特征對比。試驗中采用玻璃纖維濾紙對排氣顆粒物進行采集，并將采集到的樣品置于掃描電鏡可視范圍內(nèi)。圖中空間交錯布置的長直柱狀物為經(jīng)放大后的玻璃纖維形貌，柱狀物表面突起亮點即為經(jīng)捕集后的顆粒物成分。從圖中可以看出，十六烷值較低的燃料，著火性相對較差，燃料噴霧缸內(nèi)后滯燃期延長，燃油與空氣有更為充足的時間形成油氣混合氣，大粒徑的積聚態(tài)微粒數(shù)量明顯減少。對于CN60燃料，由于滯燃期縮短，缸內(nèi)混合氣過濃區(qū)數(shù)量較多，積聚態(tài)微粒數(shù)量相對增加。對比不同揮發(fā)性燃料排氣顆粒物微觀形貌特征可以發(fā)現(xiàn)，改善燃料揮發(fā)性能夠有效促進均質(zhì)混合氣形成，降低微粒生成傾向。由圖f中可以看出，燃用揮發(fā)性較差的燃料時，排氣顆粒物微觀形貌以團絮狀形態(tài)為主，且粒徑尺寸相對較大。由此可以看出，通過降低燃料著火性或改善揮發(fā)性等促進油氣混合，均能有助于降低大粒徑積聚態(tài)微粒數(shù)量，且排氣顆粒物均向小粒徑方向發(fā)展。

圖6 不同揮發(fā)性燃料排氣微粒微觀形貌對比

3 結(jié)論

1）高壓共軌柴油機燃用不同理化特性的燃料時微粒排放粒度分布曲線大致呈單峰結(jié)構(gòu)，峰值位于30 nm附近，且燃料揮發(fā)性和著火性均會對粒度分布特征產(chǎn)生影響。

2）提高燃料的十六烷值，有助于改善燃料著火性，使滯燃期縮短，預(yù)混合燃燒量減少，擴散燃燒的比例增大，積聚態(tài)微粒數(shù)量及顆粒物中DS占比升高。

3）改善燃料揮發(fā)性有助于促進油氣混合，提升混合氣整體均質(zhì)性，大粒徑的積聚態(tài)微粒數(shù)量減少，DS質(zhì)量占比相應(yīng)降低。

4）從微觀形貌特性角度看，燃用著火性強及揮發(fā)性較差的燃料均會使排氣中大粒徑顆粒物數(shù)量增加，粒徑較小的核態(tài)微粒數(shù)量減少。