1 引言(Introduction)

我国作为农业大国, 单缸柴油机自诞生以来, 就与“三农”发展相辅相成, 主要为拖拉机、收割机、插秧机等农业机械提供配套动力, 是小型农业机械不可或缺的动力源.但单缸柴油机在使用过程会排放出大量污染物, 特别是氮氧化合物(NO_x)和颗粒(PM)(尹必峰等, 2012；徐文文等, 2019), 据《中国移动源环境管理年报(2019)》统计, 2018年农用机械NO_x排放约占非道路移动源NO_x排放的32.5%, PM排放约占非道路移动源PM排放的41.6%, 严重危害大气环境和人类健康.随着产业发展政策以及环保法规要求越来越严, 加快了农机向绿色转型的步伐.目前, 主要通过采用机内净化、燃料改质、进气增压或中冷、直喷电控、高压共轨等技术措施, 降低农用柴油机排放污染物(李树金, 2017；谭丕强等, 2018).生物柴油作为一种可再生含氧燃料, 目前主要与石化柴油调合使用形成生物柴油调合燃料, 能够有效降低柴油机的PM排放(吴刚等, 2019).废气再循环(Exhaust Gas Recirculation, EGR)作为机内净化技术之一, 能够有效降低NO_x排放, 张全长等(2012)研究表明：在柴油机中、低负荷时, EGR率每增加1%, NO_x排放量减少约为4%, 目前EGR技术已在车用柴油机上得到了广泛地应用.

对于农用柴油机, 从经济性角度考虑出发, 不宜将车用柴油机排放控制后处理装置运用到农用柴油机上, 尤其是低功率单缸柴油机.本文以农用柴油机清洁燃烧为目的, 从燃烧本质出发, 通过在柴油中添加生物柴油对燃油进行改质以及采用机内EGR净化技术两种方案, 进行农用单缸柴油机排放性能的试验研究, 以期为降低农用单缸柴油机排放污染物提供基础数据参考.

2 试验设备与方案(Test Equipment and Scheme) 2.1 试验用柴油机与测试设备 2.1.1 试验用柴油机

试验是在一台改造的农用单缸柴油机上进行, 柴油机的结构形式为立式、四冲程、风冷、直喷式, 燃烧室形状为ω型；柴油机的主要技术参数：缸径为86 mm, 行程为70 mm, 压缩比为19, 供油提前角为(21°±1°)CA, 标定转速为3000 r·min^-1, 标定功率为5.7 kW；最大扭矩点转速为1800 r·min^-1, 对应全负荷功率为3.4 kW.试验燃料为常规0#柴油和生物柴油, 将常规0#柴油命名为B0, 以B0为基础油, 添加体积百分比分别为20%、50%的生物柴油, 配制成生物柴油调合燃料B20、B50, 试验用燃油(B0、B20、B50)的理化特性如表 1所示.单缸柴油机台架试验布置与现场如图 1所示.

采用外部EGR对单缸柴油机进行改装.所装EGR系统包含EGR阀、EGR管路、EGR冷却器等.试验时, 将柴油机排出的部分废气经EGR管路依次通过EGR阀与EGR冷却器后进入进气歧管, 与空气混合后进入气缸.采用EGR率评价再循环的废气量, 依据进气与排气中的CO₂浓度比值来调节EGR阀, 对EGR率进行控制.稳态工况下, EGR率的表达式见式(1).

(1)

式中, φ_{CO2, in}为再循环废气流入进气歧管后的CO₂浓度；φ_{CO2, out}为排气管中的CO₂浓度；φ_{CO2, air}为空气中的CO₂浓度, 由于空气中的CO₂浓度几乎为0, 可以忽略不计.

2.1.2 测试设备

试验过程中的测试仪器主要包括CWF-7.5电涡流测功器、EBT-Ⅱ型内燃机测控系统、FGA-4100汽车尾气分析仪、FBY-201全自动滤纸式烟度计、EEPS 3090(Exhaust Emission Particle Sizer Model)排气颗粒径谱分析仪等.采用CWF-7.5型电涡流测功器通过联轴器与柴油机相连, 利用EBT-Ⅱ型内燃机测控系统调整和测量柴油机的动力输出, 采用MCS-960型燃油消耗仪测量柴油机的燃油消耗量, 采用PT100温度传感器测量柴油机的排气温度.碳烟作为柴油机排放颗粒的主要组成物质, 采用FBY-201型烟度计测量排气中的碳烟(Soot)；采用FGA-4100型尾气分析仪测量排气中的NO_x.采用EEPS 3090排气颗粒物粒径谱仪测量柴油机颗粒的数量浓度与粒径分布；EEPS的粒径测量范围为5.6~560 nm, 工作温度范围为0~40 ℃, 进气温度范围为10~52 ℃.

2.2 试验方法

考虑EGR技术在柴油机上的实际应用, 选取柴油机转速为2000 r·min^-1.试验时, 不改变柴油机的结构参数与供油提前角, 在负荷分别为25%、75%时, 采用B0、B20、B50 3种燃油进行台架试验, 为降低试验时的测量误差, 在柴油机稳定运行时对每个工况点至少测量3次数据.具体试验方案如下：

① 测量柴油机燃用3种燃油在EGR率分别为0、10%、20%、30%时的NO_x、Soot排放量, 探究燃油改质以及采用EGR技术对柴油机NO_x、Soot排放的影响.

② 测量3种燃油在EGR率分别为0、10%、20%、30%时的排气颗粒数量浓度与粒径分布, 探讨生物柴油掺混比、EGR率对柴油机颗粒数量排放的影响.

3 试验结果与分析(Test results and analysis) 3.1 氮氧化合物排放

柴油机燃用B0、B20、B50的NO_x排放随EGR率的变化曲线如图 2所示.可以看出, 高负荷条件下的NO_x排放量与低负荷相比较高.当柴油机负荷保持一定, 燃用同一燃料时, 随EGR率的增加, NO_x排放明显降低；以燃用B0为例, 25%负荷时, 与不采用EGR相比, EGR率为30%的NO_x排放降低了约为69.4%；75%负荷时NO_x排放降低了约为74%；与低负荷相比, 高负荷条件下采用EGR技术能够更为有效地控制NO_x排放.NO_x的形成主要受最高燃烧温度、氧浓度及高温持续时间的影响.高负荷时的空燃比较小, 采用EGR技术, 对缸内的氧浓度稀释效果明显；此外, 废气中含有大量CO₂和水蒸气等三原子分子气体, 提高了混合气的总热容, 最高燃烧温度下降(范钱旺等, 2010；Shin et al., 2011)；NO_x排放量显著降低.相同工况下, 随生物柴油掺混比的增大, NO_x排放量有所增加, 当EGR率为0时, 与B0相比, 燃用B50在负荷分别25%、75%的NO_x排放量增加了19.4%、14.6%.生物柴油作为含氧燃料, 在高温裂解条件下能够形成活性含氧自由基, 在燃烧过程中形成富氧环境, 易于NO_x的形成；此外, Benjumea等(2011)研究表明, 生物柴油中包含了大量的不饱和脂肪酸甲酯, 在一定程度上也会促进NO_x的形成.

为验证燃油改质以及采用机内净化技术综合作用对NO_x排放的影响, 在负荷分别为25%、75%时, 对比原机NO_x排放数据, 燃用B50在EGR率为30%的NO_x排放量分别降低了56.5%、68.7%, 因此在柴油中添加生物柴油, 虽然在一定程度上增加了NO_x排放, 但结合EGR技术, 与原机相比, 仍能有效降低NO_x排放.

3.2 碳烟排放

烟度作为柴油机碳烟排放的评价参数, 燃油改质与EGR技术共同作用对烟度变化的影响如图 3所示.可以看出, 与低负荷工况相比, 高负荷工况下测得的烟度值较大, 表明此时的碳烟排放较高, 主要是因为高负荷工况下的空燃比较小, 可燃混合气变浓, 导致局部出现高温缺氧现象, 易生成大量碳烟.当柴油机负荷保持一定, 燃用同一燃料时, 烟度值随EGR率的增大逐渐增加, 尤其在高负荷、大EGR率时增加明显.在高负荷条件下引入EGR技术, 会进一步稀释可燃混合气的氧浓度, 导致缸内燃烧严重恶化, 碳烟排放显著增加(王向丽等, 2012).相同工况下, 随生物柴油掺混比的增加, 烟度值逐渐降低, 在EGR率为0时, 与燃用B0相比, 燃用B20和B50在25%负荷时的烟度值分别降低了9.5%、23.8%；在75%负荷时分别降低了20.5%、53.8%.可以看出柴油中掺混生物柴油能够有效降低碳烟排放, 主要是由于生物柴油作为含氧燃料, 其氧原子在燃烧过程中起到了助燃作用, 使混合燃料燃烧更加充分；另一方面由于生物柴油中不含芳香烃, 抑制了碳烟前驱体PAHs的生成, 从而降低了碳烟排放, 尤其在高负荷时降低幅值更为明显(祁东辉等, 2008；李莉等, 2014；吴刚等, 2019).

综上试验结果, 与原机相比, 采用EGR技术, 能够大幅改善柴油机的NO_x排放, 但同时会引起碳烟排放有所增加；通过在柴油中添加生物柴油进行燃油改质, 能够在一定程度上缓解由于引入EGR导致的碳烟排放增加的问题, 尤其是在高负荷、大EGR率条件下, 改善程度最为明显.在75%负荷、EGR率为30%时, 燃用B50的碳烟排放与燃用B0相比降低了47.3%.

3.3 颗粒数量排放特性 3.3.1 颗粒数量浓度

柴油机颗粒按照粒径大小可以分为核态颗粒和聚积态颗粒(孙在等, 2014).核态颗粒粒径为5~50 nm, 聚积态颗粒粒径为50~1000 nm.随着排放法规的日益严格, 除了限制柴油机排放颗粒的质量, 还增加对排放颗粒数量的限制要求.柴油机燃用B0、B20、B50在不同EGR率条件下的颗粒数量浓度分布规律如图 4所示.可以看出, 颗粒数量浓度对应的粒径分布特征为双峰对数分布；25%负荷工况时, 颗粒粒径在10 nm附近的峰值最为明显, 表明低负荷工况下柴油机排放的颗粒以核态颗粒为主；75%负荷工况时, 颗粒粒径在100 nm附近的峰值最为明显, 表明高负荷工况下排放的颗粒以聚积态颗粒主.当柴油机负荷保持一定, 燃用同一燃料时, 随EGR率的增加, 25%负荷时的核态颗粒数量浓度峰值逐渐降低, 75%负荷时的聚积态颗粒数量浓度峰值逐渐升高.相同工况下, 随生物柴油掺混比的增加, 25%负荷时的核态颗粒数量浓度峰值逐渐升高, 75%负荷时的聚积态颗粒数量浓度峰值逐渐降低.与B0相比, B20、B50在25%负荷时的核态颗粒数量浓度峰值分别升高了16.6%、82.8%, 在75%负荷时的聚积态颗粒数量浓度峰值分别降低了33.5%、80.3%.生物柴油具有自带氧能力, 能够促进己形成碳烟颗粒发生进一步氧化, 使碳烟颗粒向小粒径方向转化, 导致核态颗粒数量增多.

3.3.2 颗粒平均粒径

依据测得的柴油机排放颗粒数量浓度数据, 可以求得颗粒的平均粒径D, 见式(2)(李新令等, 2007).

(2)

式中, N_总为核态与聚积态颗粒的总数量浓度(个·cm^-3)；N_i为i粒径范围内的颗粒数量浓度(个·cm^-3)；D_i为i粒径范围内的特征粒径(nm).

通过式(2)计算得到柴油机燃用B0、B20、B50在不同EGR率条件下的颗粒平均粒径, 如图 5所示.在25%负荷时, 颗粒的平均粒径为10~25 nm, 在75%负荷时, 颗粒平均粒径为72~88 nm；随柴油机负荷的增加, 颗粒的平均粒径逐渐增大.主要是由于在高负荷条件下, 缸内形成的基本碳粒子数量增加, 促进了后期聚积态颗粒的形成, 颗粒的平均粒径增大.当柴油机负荷保持一定, 燃用同一燃料时, 随EGR率的增加, 颗粒的平均粒径逐渐增大, 且大EGR率时颗粒粒径增加的幅度更为明显；75%负荷时, 柴油机燃用B0, EGR率为0、10%、20%、30%时的颗粒平均粒径分别为13.4、15、17.4、22 nm；燃用B20的颗粒平均粒径分别为12.2、13.5、15.2、18 nm；燃用B50的颗粒平均粒径分别为11.7、12.5、13.7、15 nm.同一工况下, 随生物柴油掺混比的增加, 颗粒的平均粒径逐渐减小, 25%负荷、EGR率为0时, 相比燃用B0, 燃用B50的颗粒平均粒径减小了1.7 nm；75%负荷时的颗粒平均粒径减小了2.6 nm.

3.3.3 颗粒总数量浓度分布

柴油机燃用B0、B20、B50 3种燃料的颗粒总数量浓度随EGR率的变化关系如图 6所示.可以看出, 25%负荷时, 颗粒总数量浓度随生物柴油掺混比的增加而逐渐增大, 随EGR率的增加而逐渐减小；低负荷工况排放颗粒以核态颗粒为主, 生物柴油能够促进核态颗粒的生成, 导致颗粒的总数量增加, EGR的引入会促进核态颗粒转变为聚集态颗粒, 在一定程度上降低了核态颗粒的数量, 导致颗粒的总数量减少.75%高负荷时, 排放颗粒以聚积态颗粒为主, 颗粒总数量浓度变化规律与低负荷相反, 随生物柴油掺混比的增加而逐渐减小, 随EGR率的增加而逐渐增大.综合燃油改质及机内净化技术, 可以发现在低负荷工况时, 燃用B50在EGR率为30%的颗粒排放总数量浓度与原机基本相同；但在高负荷工况时, 颗粒排放总数量浓度大幅降低.因此, 生物柴油与EGR共同作用能够有效降低柴油机高负荷工况时的颗粒总数量.

为研究柴油机排放颗粒中的核态与聚积态颗粒分布情况, 对不同工况下的核态、聚积态颗粒所占比例进行分析.柴油机负荷为25%时, 颗粒中的核态与聚积态颗粒分布情况如图 7所示, 可以看出, 低负荷工况时, 柴油机燃用3种燃料在不同EGR率条件下的颗粒排放均以核态颗粒为主, 聚积态颗粒数量所占比例较小, 均在20%以下, 此时核态颗粒作为影响柴油机颗粒排放总数量的主要因素.随EGR率的增大, 核态颗粒数量所占比例有所减小；燃用B20时, 在EGR率分别为0、10%、20%、30%对应的核态颗粒占颗粒总数量浓度的97.9%、96.4%、94%、90.6%.随生物柴油掺混比的增加, 核态颗粒占总颗粒数量浓度的比例逐渐增大, 燃用B0、B20、B50在EGR率为0时的核态颗粒占总颗粒数量浓度的比例分别为95.8%、97.9%、99.3%.

柴油机负荷为75%时, 颗粒中的核态与聚积态颗粒分布情况如图 8所示, 可以看出, 高负荷工况时, 柴油机排放颗粒均以聚积态颗粒为主, 核态颗粒数量浓度所占比例较小, 占颗粒总数量浓度的15%以下.随EGR率的增加, 聚积态颗粒数量浓度所占比例进一步提高, 以燃用B50为例, 与EGR率为0相比, EGR率为10%、20%、30%的聚积态颗粒占颗粒总数量浓度比例分别提高了3.2%、6.7%、10.3%.随生物柴油掺混比的增加, 核态颗粒数量浓度所占比例有所提高.主要是由于生物柴油作为含氧燃料, 能够有效改善燃烧室中的局部空燃比, 减少燃烧过程中的缺氧区域面积, 促进燃烧的进行, 从而减少了聚积态颗粒物的生成.

4 结论(Conclusions)

1) 随EGR率的增加, NO_x排放逐渐降低, 与低负荷相比, 在高负荷条件下采用EGR技术降低NO_x排放效果更为明显.相同工况下, 随生物柴油掺混比的增大, NO_x排放量有所增加.当EGR率为0时, 与B0相比, 燃用B50在负荷为25%、75%时的NO_x排放量增加了19.4%、14.6%.在柴油中添加生物柴油, 虽然在一定程度上增加了NO_x排放, 但结合EGR技术, 与原机相比仍能有效降低NO_x排放.

2) 在柴油中添加生物柴油进行燃油改质, 能够在一定程度上缓解由于引入EGR导致的碳烟排放增加的问题, 尤其是在高负荷、大EGR率条件下, 改善程度最为明显.在75%负荷、EGR率为30%时, 燃用B50的碳烟排放与燃用B0相比降低了47.3%.

3) 柴油机颗粒数量浓度粒径分布特征为双峰对数分布, 低负荷工况以核态颗粒为主, 高负荷工况以聚积态颗粒为主.燃用生物柴油能促进核态颗粒的生成, EGR的引入会促进核态颗粒转变为聚集态颗粒, 生物柴油与EGR共同作用能够有效降低柴油机高负荷工况时的颗粒总数量.