1 引言(Introduction)

随着当前空气污染问题日益突出，人们对于机动车污染物排放的关注程度也越来越高.电控单体泵拥有燃油系统成本较低、油品耐受性好、维修便捷、成本低等优势，同时电控单体泵发动机供油特性曲线符合柴油机所需要的先缓后急的理想喷油规律，与其它燃油供应系统相比，我国电控单体泵无论在生产能力还是满足发动机性能需要方面都具有一定的优势(樊志强, 2014; 郭复欣, 2011; 司康, 2012).然而，由于电控单体泵不具有灵活多次喷油的功能，在实现超低排放方面较之高压共轨燃油供应系统还存在一定不足.因此，探究装配电控单体泵发动机使其实现超低排放具有很高的经济价值.

近年来，低碳燃料天然气和甲醇在减少发动机排气污染物上发挥的作用越来越受到世人的关注，国内外学者对此开展了广泛的研究(Agarwal et al., 2016; Soni et al., 2017; Zhou et al., 2015).甲醇具有燃烧无烟、产量丰富、常温常压下是液体、价格经济等优势，用甲醇与柴油掺烧从而改善柴油机的排放正成为一条低排放技术路线.天津大学姚春德等(2004)提出的柴油甲醇组合燃烧(DMCC)是一种新的燃烧方法，克服了甲醇在压燃式发动机上应用遇到的难蒸发、不易着火及与柴油不互溶的困难，甲醇由进气道喷入并与空气形成均质混合气，然后与缸内直喷柴油共同燃烧.经本课题组前期对甲醇掺混柴油的双燃料方式(DMDF)的研究发现，该方式可以同时实现NO_x和PM的降低(Liu et al., 2015; Wang et al., 2015; Wei et al., 2016).其他学者的研究也证实采用DMDF燃烧方式可以同时实现NO_x和PM的降低(Masimalai, 2014; Yousefi et al., 2015; Kumar et al., 2017).课题组前期在一台满足国Ⅲ排放的重型高压共轨柴油机上通过应用DMDF燃烧方式，在不使用SCR，仅加装简单后处理器(DOC+POC)的情况下，成功实现了满足国Ⅳ排放标准的目标(魏立江等, 2015).本研究通过在一台满足国Ⅲ排放的电控单体泵柴油机上，应用DMDF燃烧模式，结合EGR技术，并加装不同后处理器，探究其实现国Ⅴ排放法规要求的可能性，从而为电控单体泵柴油机的低排放提供新的技术路线.

2 试验及方法(Experiment and methods) 2.1 试验台架搭建

试验用的发动机型号为YC4D140-33，具有可以满足国Ⅲ排放标准的直列4缸、增压中冷、电控单体泵柴油机，详细技术指标见表 1.通过进气道上加装低压喷醇装置及其控制系统而成为柴油甲醇双燃料发动机.改装后的试验台架如图 1所示，其中，增加的甲醇供给和喷射系统与原柴油机的燃油供给系统完全独立，原柴油机的燃油供给系统、喷射系统和控制系统不做任何改动.甲醇供给系统中甲醇自甲醇箱经过甲醇滤清器进入甲醇流量计，经由甲醇泵和甲醇限压装置使压力达到0.4 MPa后，进入甲醇轨和喷嘴，由独立的甲醇控制单元(ECU)控制甲醇的喷射时刻和喷射量.试验台架中采用的测功系统为杭州博皓测控技术有限公司生产的水力测功机，所使用的尾气检测分析仪器包括AVL生产的415SE滤纸式烟度计和Horiba生产的MEXA-7100型排气分析仪.试验中所使用的后处理器具体参数如表 2所示.

2.2 试验过程

本试验采用满足京Ⅴ标准的0#车用柴油及纯度为99.99%的工业甲醇.在上述柴油甲醇双燃料发动机上按照中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段排放法规GB 17691—2005规定的ESC(欧洲稳态测试循环)十三点工况进行试验，本发动机的怠速转速为710 r·min^-1，扭矩为21 N·m，其余十二点工况转速扭矩值如表 3所示.通过发动机测控系统控制发动机转速及水力测功机所添加的扭矩.首先，进行纯柴油试验，根据原机国三标定MAP运行，并打开EGR阀，记录下每个点的燃烧和排放；第二步，在原机标定MAP基础上进行每个点的最大替代率试验，甲醇替代率计算公式如式(1)所示，记录各替代率下的燃烧和排放，具体分析每个点的工作情况确定优化方案，继续进行最大替代试验；第三步，根据第二步标定情况使发动机自动运行，测量十三点的排放情况，进行加权值计算，确定是否满足国Ⅴ排放限值；其中，怠速工况采用纯柴油模式.试验过程中进气温度、机油温度和冷却水温度等基本参数保持一致.

(1)

式中，R_M为甲醇替代率，M_D为纯柴油模式下柴油消耗量(kg·h^-1)，M_DM为DMDF模式下柴油消耗量(kg·h^-1).

各个工况点下的基本参数如表 4所示，本试验台架所采用的是高压EGR(图 1)，而当单纯使用EGR阀无法得到试验想要的EGR率时，就通过调节位于涡轮增压器后的背压阀来增加涡轮增压器后的背压，提高涡轮前压力，增大涡轮前压力与压气机之后的压差，从而增加EGR流量，实现EGR率的提高.

按照如表 4所示的工况点顺序和基本参数，完成原机测试试验后，依照表中参数添加不同的后处理器依次进行试验，主要包括单独添加DOC及DOC+POC两种方式.

3 结果分析(Results and discussion) 3.1 ESC十三点工况综合比排放

经过ESC循环测试，比较不同方式下的排放情况，各类污染物的排放水平见表 5.由表可以清晰地看出，原机NO_x和PM的十三点工况比排放量分别为1.728 g·kWh^-1和0.0169 g·kWh^-1, 均低于国Ⅴ限值的2.0 g·kWh^-1和0.02 g·kWh^-1，但其HC和CO排放量明显偏高.加装不同后处理器后，各项排放与原机相比均发生较明显改变，尤其是在HC和CO排放方面，且整体呈下降趋势.其中，采用DOC+POC的后处理方式各类污染物都明显低于排放法规限值，HC和CO排放分别由由原机的8.252 g·kWh^-1和19.696 g·kWh^-1下降到0.062 g·kWh^-1和0.018 g·kWh^-1，降幅分别达99.2%和99.9%，远低于国Ⅴ排放限值.NO_x和PM排放分别由原机的1.728 g·kWh^-1和0.017 g·kWh^-1下降至1.685 g·kWh^-1和0.014 g·kWh^-1，降幅分别为2.5%和17.6%.

试验中还做了仅加装DOC方式的研究，结果发现，也可以实现HC和CO的大幅下降，降幅分别可达98.0%和99.8%.虽然测量数值仍满足国Ⅴ排放标准，但NO_x出现了微量增长，涨幅为6.7%；PM排放与原机相比出现了较明显增长，涨幅为17.6%.

3.2 不同后处理方式的排放性能对比 3.2.1 HC排放对比

由于气门重叠期间少量甲醇空气混合气被带出、甲醇的汽化潜热降低燃烧温度及狭缝效应等原因的影响，柴油甲醇双燃料发动机会产生较多的HC排放(姚春德等, 2005; 魏立江等, 2015).添加简单后处理装置后，便可轻松实现降低HC排放的效果(图 2a).单纯采用DOC后处理方式可实现HC十三点比排放降幅达98%的效果，主要原因是DOC对于HC的氧化作用.当采用DOC+POC的后处理方式时，HC十三点比排放可进一步下降，较原机降幅可超过99%，主要原因是POC对于HC也有一定的氧化作用，从而出现氧化作用叠加增强的效果.

值得指出的是，在C25点，仅采用DOC方式及DOC+POC方式对于原机HC的降幅分别为70.4%和87.6%，其原因是C25工况转速高且负荷低，使得排气温度较低，仅为262 ℃，是图中十二点工况下最低的排气温度，一定程度上影响了DOC的催化效果.

3.2.2 CO排放对比

柴油甲醇混合燃烧模式中，甲醇的高汽化潜热降低了燃烧温度，不利于燃料的完全燃烧；同时，预混甲醇推迟了燃烧相位，使得一些燃料燃烧发生在后燃阶段，较低的燃烧温度不利于CO的氧化(魏立江, 2014)，故CO排放呈现一个比较高的水平，且在中低负荷区较为明显.

当单独采用DOC或采用DOC+POC的后处理方式时，均可实现CO降幅超99%的效果(图 2b)，主要原因是DOC对于CO高效的氧化作用.采用DOC+POC方式与单纯采用DOC相比，还会导致CO的进一步下降，其主要原因是POC对于CO也有一定的氧化作用.

3.2.3 NO_x排放对比

由于甲醇的高汽化潜热，降低了燃烧的整体温度；同时甲醇延长柴油滞燃期，使柴油与空气预混形成均质混合气，增大预混燃烧比例，燃烧速率提高，燃烧持续期缩短，这两方面因素(夏琦等, 2014)可以降低柴油甲醇双燃料发动机NO_x的排放.同时，由于本试验在不同工况点都采用一定比例的EGR，通过利用EGR降低燃烧温度(因废气比热大)和减少氧气含量的作用，也实现了对于NO_x产生的抑制(平银生等, 2000).

当加装DOC后，其NO_x的十三点工况排量略微增加，尤其在B50工况下(图 2c)，涨幅达67.4%，其原因为DOC在氧化HC和CO时会释放大量热量(姚春德等, 2016)，使得DOC整体温度上升，在富氧和催化剂条件下，为NO_x在后处理器中生成提供了条件(吴涛阳等, 2017).

而采用DOC+POC后处理方式时，NO_x十三点工况排放量与原机相比出现2.5%的下降，原因可能是在DOC+POC内，HC和CO成分在氧化过程中，还有部分成分参与了还原过程(吴涛阳等, 2017)，但总体影响较小.

3.2.4 PM排放对比

柴油甲醇混合燃烧的方式可以明显降低颗粒排放的原因可以概括为以下几个方面(姚春德等, 2010; Geng et al., 2014)：①由于甲醇的加入，使得柴油喷入量减少，而甲醇本身不含C—C键，且C/H比柴油小很多，燃烧时不产生炭烟；②由于甲醇的汽化潜热较高，对柴油的着火起到迟滞作用，可以在一定程度上改善柴油混合气的形成，增加其预混燃烧在整个柴油燃烧过程中的比例，减少炭烟生成；③甲醇在燃烧反应时产生大量羟基自由基(OH ·)，而羟基与柴油分子燃烧反应中的各种中间生成物的反应非常容易，且羟基对形成炭烟的前驱体乙炔反应的活化能最低，反应最快，可以降低炭烟的产生.

采用DOC时，出现了PM上升的情况(图 2d)，其可能原因为：较高的排气空速使得尾气在DOC内反应时间不充分，以及DOC中可能存在HC的局部过浓区.这些原因使得尾气中的一部分HC和颗粒物中的SOF成分，未能被催化转化为最终产物CO₂，而是被催化分解成炭烟，从而提高了炭烟排放量.虽数值仍满足国Ⅴ限值，但十三点工况比排放量增加17.6%.

而采用DOC+POC的后处理方式时，由于POC对颗粒物的捕集与氧化作用，使得PM排放进一步下降，与原机相比，降幅为17.6%.

4 结论(Conclusions)

1) 经过加装DMDF系统的原国Ⅲ电控单体泵发动机，在不添加SCR后处理器的情况下，其NO_x和PM的排放即可达到国Ⅴ规定水平，但HC和CO的排放却存在较高的现象.

2) 单纯采用DOC或者采用DOC+POC的后处理方式均可以使电控单体泵DMDF发动机各项排放满足国Ⅴ排放要求.采用DOC方式时，较原机可以实现HC和CO十三点比排放降幅分别达98.0%和99.8%，且分别仅为国Ⅴ限值的35.2%和2.4%；采用DOC+POC方式时，表现更加优异，与原机相比可实现HC和CO十三点比排放降幅分别达99.2%和99.9%，且分别仅为国Ⅴ限值的13.5%和1.2%.

3) 仅采用DOC的方式会导致DMDF发动机的NO_x和PM排放有小幅度上升，故采用DOC+POC的后处理方式更有利于DMDF电控单体泵柴油机实现更低的排放水平.