2017, Vol. 37
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2. 华菱星马汽车股份有限公司, 马鞍山 243061;
3. 中国内燃机工业协会, 北京 100825
2. Hualing Xingma Automobile (Group) Co., Ltd, Ma'anshan 243061;
3. China Internal Combustion Engine Industry Association, Beijing 100825
柴油机因具有较高的热效率及良好的可靠性而被广泛的应用在交通运输车辆上, 然而传统的柴油机在扩散燃烧阶段会产生大量的颗粒物.在机动车颗粒物排放中, 柴油车的贡献率超过90%, 且随着柴油车保有量的增加, 其颗粒物排放贡献率呈上升趋势.早在2012年12月28日, 国家环保部把机动车污染定性为导致灰霾现象的重要原因.近几年来, 灰霾天气频繁发生, 京津翼地区的空气污染尤为严峻.与此同时, 我国的石油资源短缺, 2015年石油进口量达到3.7×108 t, 石油对外依赖度超过60%, 这严重威胁着我国的能源安全 (蔡周全等, 2016).因此, 寻找一种高效、清洁的替代燃料是降低发动机排放和解决能源安全问题的有效途径 (Agarwal, 2007).其中, 甲醇作为一种高含氧的无色透明液体燃料, 具有易燃易挥发、燃烧速度快、抗爆性好、来源广泛等特点, 被认为是内燃机中很有发展前景的替代燃料之一.
目前, 柴油机中燃用甲醇的主要方式有：甲醇与柴油直接混合法 (Huang et al., 2004)、双喷射法 (方显忠等, 2003) 及采用进气管喷射甲醇并由柴油引燃的柴油甲醇二元燃料 (Diesel Methanol Dual Fuel, 简称DMDF) 燃烧法 (姚春德等, 2004).柴油甲醇组合燃烧发动机 (DMCC) 是根据发动机性能需求而采用不同的燃烧模式.其运行的方式是，在冷启动、暖机过程中采用纯柴油燃烧模式，在中高负荷下采用柴油甲醇二元燃料 (DMDF) 燃烧模式.DMDF方法由于甲醇的应用比例高、工作稳定、对发动机改动小而受到普遍的关注.Cheng等和Zhang等在一台改装的4缸直喷柴油机上研究发现了DMDF燃烧模式可以有效降低NOx、烟度和颗粒物的质量浓度；超细颗粒的数量浓度在中低负荷下减少, 而在大负荷下增加 (Cheng et al., 2008；Zhang et al., 2009).姚春德等研究发现了DMDF燃烧模式不仅可以使甲醇大幅度替代柴油, 并且随着甲醇替代率的增加, 发动机的烟度、颗粒物的数量和质量浓度都呈比例减少, 而可溶性有机物 (SOF) 和超细颗粒数量增加 (姚春德等, 2008；2010；2014).但是Geng等对一台改装的6缸增压中冷、电控单体泵柴油机进行试验, 发现DMDF模式下, 当工况超过中等负荷时, 烟度、颗粒物的数量和质量浓度随着替代率的增加而增加 (Geng et al., 2014).甲醇因不含碳碳单键, 且其C/H比相对柴油小得多, 燃烧时不产生炭烟, 按理说DMDF燃烧模式下烟度及颗粒生成量应减少.针对上述现象分析认为, 当工况超过中等负荷时, 部分的甲醇混合气先于柴油引燃而着火, 其燃烧过程中消耗部分氧气, 这不利于柴油与空气的充分混合, 增加了柴油高温裂解生成炭烟的倾向.由于DMDF模式下甲醇混合气的燃烧发生时刻与柴油引燃的喷射时刻关系极大, 所以适时地调整喷射时刻来控制和改善双燃料发动机燃烧和排放性能是至关重要的.前期的研究表明, 柴油喷射时刻对DMCC发动机燃烧和气体排放有重要的影响, 喷射时刻的提前可以提高缸内峰值压力和最大放热率, 缩短滞燃期, 改善小负荷下的热效率, 并降低烟度、HC和CO的排放量, 却增加了NOx的排放量 (Alla et al., 2002；Liu et al., 2014；Wang et al., 2015；Wei et al., 2016), 然而围绕喷射时刻对DMDF发动机颗粒物排放特性的研究鲜有报道.
由于前期针对颗粒物排放的研究主要在自然吸气式和增压中冷机械泵 (单体泵) 式柴油机上开展的, 这些喷射系统的燃油喷射时刻都是固定的, 工作中难以进行灵活调整.高压共轨喷射系统相对于其他喷射系统而言, 喷油压力恒定且具有灵活的供油特性 (多次喷射、喷射时刻实时可调), 可改善发动机的性能, 目前已经成为先进柴油机的主要燃油供应系统.本工作在增压中冷高压共轨式柴油机上主要开展了柴油喷射时刻对柴油甲醇二元燃料 (DMDF) 模式下的颗粒物排放特性的影响, 包括颗粒物的粒径分布规律、颗粒物的数量和质量浓度, 以期在柴油机上实现更加清洁的燃烧和排放.
2 试验与方法 (Experiment and methods) 2.1 试验装置与燃料试验用发动机为一台直列6缸增压中冷高压共轨式柴油机, 发动机的基本参数见表 1.试验时在柴油机进气总管上安装喷醇器, 甲醇由甲醇泵加压至4.0×105 Pa后喷入进气管并与增压后的空气形成均质混合气, 然后进入缸内并被柴油引燃.甲醇是由单独的电控单元 (ECU) 控制其喷射量和喷射时刻, 而柴油的喷射规律由柴油的ECU控制, 发动机的试验系统见图 1.试验过程中, 发动机的冷却水温度控制在 (80±2)℃, 机油温度则为 (90±2)℃.试验所用测功机和瞬态油耗测量仪分别为杭州博皓测控技术有限公司生产的水力测功机和FCM05瞬态油耗仪.颗粒物测量使用英国Cambustion公司生产的DMS500 SKⅡ快速型颗粒物光谱仪, 取样口位于涡轮增压器的涡后端, 可对发动机排气中的颗粒物进行实时在线检测.DMS500 SKⅡ快速型颗粒物光谱仪的技术参数见表 2.
| 表 1 发动机主要参数 Table 1 Engine specifications |
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| 图 1 发动机试验系统示意图 Fig. 1 Schematic of engine test system |
| 表 2 DMS500 SKⅡ主要技术参数 Table 2 Main technical parameters of DMS 500 SKⅡ |
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试验中, 柴油是市售的国五0#柴油, 其含硫量的质量分数低于1×10-5；甲醇是纯度为99.9%的工业无水甲醇.它们的理化性质如表 3所示.
| 表 3 试验用柴油和甲醇特性 Table 3 Properties of tested fuel and methanol |
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试验中, 发动机转速选择为最大扭矩转速1340 r·min-1, 扭矩固定在775 N·m (50%负荷).选择中等负荷的理由是, 根据大量的道路试验结果, 这是发动机最常用工况.另外, 中等负荷时甲醇可以高比例替代柴油而发动机性能几乎不受影响, 能够突出反映甲醇与柴油掺烧的二元燃料的燃烧特性.柴油机试验程序是, 首先保持柴油的喷射时刻不变 (-3℃A BTDC、-1℃A BTDC、1℃A BTDC和5℃A BTDC), 通过控制柴油和甲醇的喷射量来改变甲醇替代率 (0%、10%、20%、30%、40%和50%), 测量出同等负荷条件下不同甲醇替代率下的颗粒物粒径分布、数量浓度和质量浓度.然后改变柴油的喷射时刻, 再重复上述条件完成相应的颗粒物排放的检测, 试验中所测颗粒物排放是建立在整体排放基础上的.此处, 由于甲醇的加入, DMDF燃烧模式在原有发动机工作指标的基础上, 加入了衡量甲醇工作状态的指标, 即甲醇替代率, 其定义为甲醇替代柴油的比例, 在本文中用MSP (Methanol Substitution Percent) 来代表甲醇替代率, 其计算公式如式 (1) 所示.
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(1) |
式中, qd表示原机模式下柴油的消耗量 (kg·h-1)；qm, d表示DMDF模式下柴油的消耗量 (kg·h-1).
3 结果与分析 (Results and analysis) 3.1 不同喷射时刻下替代率对颗粒物粒径分布规律和几何平均直径的影响图 2给出了高压共轨式柴油机在转速为1340 r·min-1, 扭矩为775 N·m条件下, 喷射时刻分别为-3℃A BTDC、-1℃A BTDC、1℃A BTDC、5℃A BTDC时, 颗粒物粒径分布随替代率变化的情况.从图中可以看出, 当喷射时刻为-3℃A BTDC、-1℃A BTDC时, 纯柴油模式和柴油/甲醇二元燃料 (DMDF) 模式下颗粒物的数量浓度均呈双峰分布, 分别是粒径小于13.3 nm颗粒物 (主要是由燃烧生成的颗粒物前驱物经过成核作用形成的碳烟颗粒或碳核 (姚春德等, 2015)) 及粒径为13.3~1000 nm的颗粒物 (主要由碳烟颗粒经过凝聚、表面生长而形成的成熟大颗粒).当喷射时刻为1℃A BTDC、5℃A BTDC时, 两种模式下的颗粒物数量浓度却呈三峰分布, 粒径分布情况分别为5~13.3、13.3~48.8和48.8~1000 nm, 其中，5~13.3和13.3~48.8 nm的2段粒径分布属于核膜态颗粒物的范畴, 48.8~1000 nm的粒径分布属于积聚态颗粒物的范畴.对于核膜态颗粒物 (粒径分布为5~13.3 nm), 喷射时刻和甲醇替代率对其峰值粒径影响不大, 基本维持在6.5 nm左右.对于积聚态颗粒物 (粒径分布为48.8~1000 nm), 随着喷射时刻的提前, 纯柴油模式下的峰值粒径均保持在65 nm附近, 而DMDF模式下随着喷射时刻的提前, 峰值粒径由65 nm增加到75 nm, 但甲醇替代率对其影响不大.对于核膜态颗粒物 (粒径分布为13.3~48.8 nm), 当柴油在上止点后喷射时不存在峰值粒径, 当上止点前喷射时峰值粒径为27.5 nm, 且随着替代率的增加而保持不变.当喷射时刻为-1℃A BTDC和1℃A BTDC时, 粒径分布图“双峰”的形状发生了“质”的变化, 由左低右高变为左高右低.从图 2中可以看出, 当喷射时刻提前后, 且甲醇替代率超过30%时, 粒径小于13.3 nm的核膜态颗粒物数量浓度显著增加, 而粒径分布为13.3~1000 nm的颗粒物呈减少趋势, 但减小的幅度不大.造成该现象的原因可能是喷射时刻的提前使得后期扩散燃烧期缩短, 核膜态颗粒物凝聚成积聚态颗粒物的几率降低 (周黎鹏, 2013)；掺烧甲醇时将会增加可溶性有机化合物的生成, 且大比例掺烧时显著增加 (姚春德等, 2008), 两者综合使得核膜态颗粒物排放显著增多.
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| 图 2 不同喷射时刻下替代率对颗粒物粒径分布的影响 Fig. 2 Effect of MSP on particle distribution at different injection timings |
由于粒径分布为5~13.3 nm的颗粒物受喷射时刻和替代率的影响较大, 所以对该段粒径进行单独的研究.为了便于分析, 将粒径为5~13.3 nm的核膜态颗粒物称为超细颗粒.随着喷射时刻的提前, 柴油机颗粒排放中超细颗粒的数量浓度所占比例逐渐升高, 喷射时刻为-1℃A BTDC、1℃A BTDC及替代率为30%时, 超细颗粒所占总颗粒的数量浓度比值分别为13.8%和44.6%.并且当替代率≤30%时, 超细颗粒所占比例的升高幅度随着喷射时刻的提前而增大；当替代率超过30%时, 升高幅度则呈减少趋势.喷射时刻为-1℃A BTDC、1℃A BTDC及替代率为30%时, 超细颗粒的升高幅度分别为43.1%和45.0%；喷射时刻为-1℃A BTDC、1℃A BTDC和替代率为40%时, 升高幅度分别为116.7%和86.7%.
图 3表示不同喷射时刻下, 颗粒物几何平均直径随替代率的变化情况.其中, 颗粒物的几何平均直径关系到颗粒质谱特征的判断和表征, 是表达颗粒粒径的重要参数, 排气中小粒径颗粒所占比例越高, 则几何平均直径越小.相同喷射时刻下, 颗粒物几何平均直径随着替代率的增加而降低, 在小替代率 (MSP≤30%) 下呈现小幅度降低, 而在大替代率 (MSP＞30%) 下, 降低幅度显著增加, 说明小粒径颗粒尤其是核膜态颗粒排放增加.在喷射时刻为-1℃A BTDC和1℃A BTDC时, 颗粒物几何平均直径分别最大降低了24.4%和60.6%.相同替代率下, 颗粒物的几何平均直径随着喷射时刻的推迟而升高, 在替代率为0%和50%时, 分别最大升高了35.7%和51.4%.虽然颗粒物的几何平均直径随着甲醇替代率的增加而降低, 但通过推迟喷射时刻可以减弱甲醇替代率降低颗粒物几何平均直径的作用, 即削弱甲醇掺烧尤其是大比例掺烧时增加核膜态颗粒排放的影响, 该研究结果可为DMDF燃烧模式在高压共轨柴油机上的台架标定提供指导.
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| 图 3 不同喷射时刻下替代率对颗粒物几何平均直径的影响 Fig. 3 Effect of MSP on geometric mean diameter of particle at different injection timings |
图 4为不同喷射时刻下, 替代率对颗粒物数量浓度的影响.如图所示, 当喷射时刻为-3℃A BTDC、-1℃A BTDC时, 核膜态、积聚态及总颗粒物的数量浓度均随着替代率的增加而减少；当喷射时刻为1℃A BTDC、5℃A BTDC时, 随着替代率的增加, 积聚态颗粒物的数量浓度仍呈减少趋势, 而核膜态和总颗粒物的数量浓度呈先减少后增加的趋势.总体上, 除喷射时刻为5℃A BTDC和50%替代率的工况以外, DMDF模式下总颗粒物数量浓度均低于纯柴油模式, 柴油在上止点前喷射和上止点后喷射时, 总颗粒物数量浓度的最大降幅分别为20.5%和57.0%.
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| 图 4 不同喷射时刻下替代率对颗粒物数量浓度的影响 Fig. 4 Effect of MSP on particle number concentration at different injection timings |
对于积聚态颗粒物, 同一喷射时刻下颗粒物的数量浓度随着替代率的增加而大幅度降低, 且随着喷射时刻的提前, 替代率降低颗粒物数量浓度的效果逐渐减弱, 降低幅度从喷射时刻为-3℃A BTDC时的75.2%减少到5℃A BTDC时的49.1%.造成上述现象的原因主要是DMDF模式下甲醇以均质混合方式参加燃烧, 并且甲醇的掺入增加了滞燃期 (许汉君等, 2011), 降低扩散燃烧阶段的柴油量, 另外随着甲醇替代率的增加, 柴油喷射量减少, 进一步降低了扩散燃烧中柴油的燃烧量 (Imran et al., 2013；Zhang et al., 2013).但喷射时刻的提前会使得颗粒物在缸内停留时间变长, 互相碰撞形成大颗粒的几率变高, 有利于积聚态颗粒物的生成, 这样就削弱了替代率降低积聚态颗粒物数量浓度的作用.对于核膜态和总颗粒物, 导致上述变化趋势的原因有：① 纯柴油模式下, 推迟喷油会增加颗粒物的排放, 但随着甲醇掺入量的增加, 预混燃烧比例增加, 扩散燃烧过程下的碳核生成量减少, 降低了核膜态颗粒物的生成；② 采用较早的喷射时刻及DMDF燃烧模式可进一步增加预混燃烧比例；③ 随着甲醇喷射量的增加, 未燃HC排放增加, 在一定程度上增加可溶性有机化合物 (SOF) 的量 (姚春德等, 2008), SOF为颗粒的成核作用提供大量的原料 (Ning et al., 2004), 使得核膜态颗粒物增多；④ 由于甲醇的添加及柴油的较早喷射均导致滞燃期变长, 从而后期扩散燃烧期变短, 降低了核膜态颗粒物在缸内互相碰撞凝聚为积聚态颗粒的几率, 促进核膜态颗粒物数量的增加 (周黎鹏, 2013)；⑤ 甲醇喷射量的增加会进一步降低燃烧温度和排温, 低的燃烧温度会影响颗粒物的氧化反应, 低的排气温度则会引发核膜态颗粒物的生成 (Geng et al., 2014).综合分析得出, 当推迟喷油或较早喷油和小替代率综合时, 甲醇的掺入所起到增加预混比例的效果更占优势；当较早喷油和大替代率综合时, 增加的未燃碳氢量及较短的扩散燃烧期等所产生的结果占主导作用.
3.3 不同喷射时刻下, 替代率对颗粒物质量浓度的影响图 5是不同喷射时刻下, 颗粒物质量浓度粒径分布随替代率变化的影响.随着喷射时刻的提前, 核膜态颗粒质量浓度基本不变, 积聚态颗粒质量浓度的峰值粒径向右偏移, 从-3℃A BTDC时的116 nm增加到5℃A BTDC时的178 nm.同一喷射时刻下, 颗粒物质量浓度随着替代率的增加而减少, 这与数量浓度的变化情况相类似.随着喷射时刻的推迟, 甲醇替代率降低颗粒物质量浓度的幅度增大, 当喷射时刻为5℃A BTDC和甲醇替代率为50%时, 颗粒物质量浓度仅降低了9.6%；喷射时刻为-3℃A BTDC和相同替代率时, 颗粒物质量浓度降低了17.8%.由图 4和5可以看出, 虽然核膜态颗粒占总颗粒物数量浓度的比例很大, 但由于其直径小, 质量轻, 故占总颗粒物质量浓度的比值很小.在相同工况下, 由于甲醇的掺烧使得扩散燃烧的柴油量减少, 降低了烟度的排放, 导致颗粒生成量减少, 因此总质量浓度也相应降低 (姚春德等, 2008；2014).
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| 图 5 不同喷射时刻下替代率对颗粒物质量浓度的影响 Fig. 5 Effect of MSP on particle mass concentration at different injection timings |
1) 柴油的喷射时刻会影响颗粒物粒径的分布规律.随着喷射时刻的提前, 超细颗粒 (粒径为5~13.3 nm的核膜态颗粒) 的数量浓度逐渐升高.并且当替代率小于或等于30%时, 超细颗粒的升高幅度随着喷射时刻的提前而增大；当替代率超过30%时, 升高幅度则呈减少趋势.
2) 颗粒物的几何平均直径随着甲醇替代率的增加而降低, 推迟喷射时刻会减弱替代率降低颗粒物几何平均直径的作用.
3) 上止点附近的柴油喷射时刻对颗粒物生成及排放极为重要.当柴油在上止点后喷射时, 颗粒物排放的数量浓度随着甲醇替代率的增加而减少；而当上止点前喷射时, 随着替代率的增加, 颗粒物先减少后增加.
4) 当甲醇与柴油掺烧后, 推迟喷射时刻可以使颗粒物质量浓度的降低幅度更加突出.
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