發(fā)動(dòng)機(jī)燃用GTL柴油的顆粒數(shù)量排放＊

譚丕強(qiáng)，鮑錫君，胡志遠(yuǎn)，樓狄明

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804）

柴油機(jī)排氣顆粒對(duì)大氣環(huán)境具有很大的危害，其中粒徑極小的核態(tài)顆?？梢缘竭_(dá)人體肺部深處，對(duì)人的健康危害更加明顯。這些核態(tài)顆粒占排氣顆粒質(zhì)量的比例很小，但是其數(shù)量卻往往占排氣顆粒數(shù)量的絕大多數(shù)［1］。以往法規(guī)只限制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒質(zhì)量，而研究表明某些先進(jìn)柴油機(jī)的排氣顆粒質(zhì)量下降，但其排氣顆粒數(shù)量卻有可能上升，顆粒危害性是否真正降低也不能得到確定。因此，柴油機(jī)排氣顆粒數(shù)量及其粒徑分布的研究日益得到重視，發(fā)動(dòng)機(jī)研究者也已開展了相關(guān)工作［2－4］。

采用清潔燃料是降低汽車顆粒排放的有效方法之一。以天然氣為原料合成的天然氣制油（GTL柴油）近些年得到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)柴油相比，GTL柴油基本不含硫和芳香烴，十六烷值很高。已有研究表明柴油機(jī)可以不用進(jìn)行任何改裝而直接使用GTL柴油，并且在柴油機(jī)燃用GTL柴油可有效降低顆粒的排放質(zhì)量和排氣煙度［5－10］。但是，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃用GTL柴油的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布特性如何，需開展相關(guān)研究。

基于此點(diǎn)，本文對(duì)一臺(tái)電控高壓共軌柴油機(jī)的排氣顆粒數(shù)量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了其燃用純柴油、純GTL柴油以及二者不同配比的GTL混合燃料的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布，并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)樣機(jī)和燃料

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)4氣缸電控高壓共軌直噴式柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)所用純柴油與純GTL柴油的主要理化特性如表2，該柴油符合滬四柴油標(biāo)準(zhǔn)（參照歐四柴油標(biāo)準(zhǔn)）要求?？梢?jiàn)GTL柴油幾乎不含硫，十六烷值高于石化柴油，而密度和黏度則低于石化柴油。

表2 純柴油和純GTL柴油的主要理化特性

2 顆粒數(shù)量和粒徑分析儀器及測(cè)試方法

顆粒測(cè)試采用美國(guó)TSI公司的EEPS（Engine Exhaust Particle Sizer）發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒數(shù)量和粒徑測(cè)試儀，該儀器可快速測(cè)取柴油機(jī)的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布特性，同步輸出32個(gè)數(shù)據(jù)通道的顆粒數(shù)量和粒徑分布數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒進(jìn)入測(cè)試設(shè)備之前要進(jìn)行稀釋，本試驗(yàn)采用兩級(jí)稀釋，總稀釋比為500∶1。第1級(jí)稀釋系統(tǒng)采用TSI公司的專業(yè)旋轉(zhuǎn)盤稀釋器，對(duì)部分采集到的柴油機(jī)排氣進(jìn)行稀釋，控制初級(jí)稀釋系統(tǒng)的加熱溫度為120℃，稀釋比為200∶1；第2級(jí)稀釋采用一個(gè)流量計(jì)對(duì)進(jìn)氣流量進(jìn)行補(bǔ)償，并同時(shí)進(jìn)行稀釋，稀釋比為2.5∶1。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用油為純柴油、純GTL柴油及二者按一定比例摻混得到的燃料，其中GTL體積摻混配比分別為10%，20%，簡(jiǎn)稱G10、G20。將純柴油和純GTL柴油稱為G0和G100。在AVL－PUMA發(fā)動(dòng)機(jī)全自動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架上分別對(duì)這4種燃料進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。重點(diǎn)研究不同GTL柴油摻混配比對(duì)柴油機(jī)排氣顆粒數(shù)量和粒徑分布特性的影響。試驗(yàn)工況為兩個(gè)典型轉(zhuǎn)速：最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 500r／min和標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 300r／min的負(fù)荷特性試驗(yàn)。負(fù)荷百分比分別為各自轉(zhuǎn)速下的10%，25%，50%，75%和100%。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時(shí)排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布

圖1至圖5為該樣機(jī)燃用這4種燃料，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 500r／min時(shí)5個(gè)不同負(fù)荷（10%，25%，50%，75%，100%）下排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布。

圖1 顆粒數(shù)量的粒徑分布（1 500r／min，10%負(fù)荷）

圖2 顆粒數(shù)量的粒徑分布（1 500r／min，25%負(fù)荷）

由圖1至圖5可見(jiàn)，隨著GTL柴油摻混配比和負(fù)荷的變化情況，該轉(zhuǎn)速的顆粒數(shù)量粒徑分布大都呈現(xiàn)明顯的雙峰對(duì)數(shù)分布。其主要特點(diǎn)如下：

（1）隨GTL柴油配比增加，各負(fù)荷下不同粒徑的顆粒數(shù)量大都持續(xù)下降。顆粒數(shù)量最大峰值粒徑范圍大都處于40nm至50nm之間的聚集態(tài)顆粒，核態(tài)顆粒數(shù)量的峰值粒徑集中在10nm附近。

圖3 顆粒數(shù)量的粒徑分布（1 500r／min，50%負(fù)荷）

圖4 顆粒數(shù)量的粒徑分布（1 500r／min，75%負(fù)荷）

圖5 顆粒數(shù)量的粒徑分布（1 500r／min，100%負(fù)荷）

（2）GTL柴油降低了聚集態(tài)顆粒的數(shù)量。這是因?yàn)镚TL柴油幾乎不含芳香烴，隨著GTL柴油摻混比的增加，降低了燃油的芳香烴含量，減少了燃燒過(guò)程中的高溫裂解組分，改善了燃燒，從根本上抑制了聚集態(tài)顆粒的形成。

（3）GTL柴油明顯降低了核態(tài)顆粒的數(shù)量。隨著GTL柴油配比的增加，粒徑小于30nm的核態(tài)顆粒數(shù)量下降都比較明顯。這主要是GTL柴油硫含量極低，由硫化物導(dǎo)致的核態(tài)顆粒數(shù)量很少。同時(shí)GTL柴油的黏度低，十六烷值高，可以改善燃油的霧化和燃燒，有效減少了可溶有機(jī)物SOF的數(shù)量。這些因素都導(dǎo)致GTL柴油排放的核態(tài)顆粒數(shù)量顯著下降。

4.2 標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布

圖6至圖10為該樣機(jī)燃用這4種燃料，標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 300r／min時(shí)5個(gè)不同負(fù)荷（10%，25%，50%，75%，100%）下排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布。

圖6 顆粒數(shù)量的粒徑分布（2 300r／min，10%負(fù)荷）

圖7 顆粒數(shù)量的粒徑分布（2 300r／min，25%負(fù)荷）

圖8 顆粒數(shù)量的粒徑分布（2 300r／min，50%負(fù)荷）

圖9 顆粒數(shù)量的粒徑分布（2 300r／min，75%負(fù)荷）

圖10 顆粒數(shù)量的粒徑分布（2 300r／min，100%負(fù)荷）

由圖6至圖10可見(jiàn)，隨著GTL柴油摻混配比和負(fù)荷的變化情況，該轉(zhuǎn)速下顆粒數(shù)量粒徑分布也呈現(xiàn)明顯的雙峰對(duì)數(shù)分布。與前述1 500r／min轉(zhuǎn)速相比，2 300 r／min轉(zhuǎn)速下顆粒數(shù)量的粒徑分布有如下特點(diǎn)。

（1）該轉(zhuǎn)速下不同粒徑顆粒的數(shù)量分布更為均勻。由圖6至圖8可見(jiàn)，中低負(fù)荷下（10%，25%和50%負(fù)荷比）10nm至60nm之間各粒徑的顆粒數(shù)量變化不大。與1 500r／min轉(zhuǎn)速類似，其聚集態(tài)顆粒數(shù)量的峰值粒徑集中在40～50nm，而核態(tài)顆粒數(shù)量的峰值粒徑也在10nm附近。

（2）隨著GTL柴油配比的增加，各負(fù)荷下不同粒徑的顆粒數(shù)量大都持續(xù)下降。與1 500r／min相比，其核態(tài)顆粒數(shù)量降幅更大，這在高負(fù)荷下（75%和100%負(fù)荷比）更為明顯，這主要是高負(fù)荷下每循環(huán)供油量大幅增加的原因。聚集態(tài)顆粒數(shù)量也較純柴油有一定的降幅，其中G20和G100柴油更為明顯。

綜合分析，在1 500r／min和2 300r／min轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷的變化，無(wú)論燃用柴油、GTL柴油或GTL混合燃料，該柴油機(jī)排氣顆粒數(shù)量隨粒徑變化大都呈現(xiàn)明顯的雙峰對(duì)數(shù)分布狀態(tài)。其排氣核態(tài)顆粒的峰值粒徑在10nm附近，聚集態(tài)顆粒峰值大都出現(xiàn)在40～50nm之間。隨GTL柴油配比的增加，各粒徑排氣顆粒數(shù)量均呈持續(xù)下降趨勢(shì)，且高轉(zhuǎn)速工況時(shí)核態(tài)顆粒數(shù)量下降幅度更大，G20和G100柴油聚集態(tài)顆粒的數(shù)量降幅更為顯著。

4.3 燃用GTL柴油的排氣顆?？倲?shù)量

將某試驗(yàn)工況點(diǎn)下所有粒徑通道的顆粒數(shù)量進(jìn)行求和，即得到該試驗(yàn)工況點(diǎn)的顆?？倲?shù)量。圖11和圖12給出了該柴油機(jī)燃用純柴油G0、純GTL柴油G100、G10和 G20柴油時(shí)，1 500r／min和2 300r／min轉(zhuǎn)速下不同負(fù)荷的顆?？倲?shù)量。

由圖11和圖12可以看出，在各個(gè)負(fù)荷比工況下，隨著GTL柴油配比的增加，排氣顆粒總數(shù)量均呈現(xiàn)逐漸下降的變化，這與前面不同工況試驗(yàn)的結(jié)果是一致的。

圖11 1 500r／min時(shí)的顆粒總數(shù)量

圖12 2 300r／min的顆?？倲?shù)量

在1 500r／min轉(zhuǎn)速時(shí)，G100柴油與純柴油相比，在5個(gè)不同負(fù)荷比（10%，25%，50%，75%，100%）工況下，排氣顆?？倲?shù)量分別下降了20.7%，34.3%，21.2%，21.4%和23.5%；而在2 300r／min轉(zhuǎn)速下，G100柴油則比純柴油下降了44.9%，27.3%，53.6%，30.6%和34.7%。總體上與純柴油相比，1 500r／min時(shí)G100柴油的排氣顆?？倲?shù)量平均降幅為24.2%，2 300r／min時(shí)平均降幅為38.2%。由此可見(jiàn)，該機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)GTL柴油降低排氣顆粒數(shù)量的效果更為明顯。

5 結(jié)論

以一臺(tái)電控高壓共軌柴油機(jī)為樣機(jī)，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用GTL柴油的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布規(guī)律。結(jié)論如下：

（1）在各個(gè)試驗(yàn)工況下，無(wú)論燃用柴油，還是GTL柴油或混合燃料，該機(jī)排氣顆粒數(shù)量隨粒徑變化大都呈現(xiàn)明顯的雙峰對(duì)數(shù)分布狀態(tài)。其排氣核態(tài)顆粒的峰值粒徑在10nm附近，聚集態(tài)顆粒峰值大都出現(xiàn)在40～50nm之間。

（2）隨著GTL柴油配比的增加，各工況下不同粒徑的顆粒數(shù)量大都持續(xù)下降。

（3）GTL柴油降低了聚集態(tài)顆粒的數(shù)量。隨著GTL柴油摻混比的增加，降低了燃油的芳香烴含量，減少了燃燒過(guò)程中的高溫裂解組分，從根本上抑制了聚集態(tài)顆粒的形成。G20和G100柴油聚集態(tài)顆粒的數(shù)量降幅更為顯著。

（4）GTL柴油明顯降低了核態(tài)顆粒的數(shù)量。GTL柴油的低黏度、高十六烷值的特性改善了燃油的霧化和燃燒，有助于降低核態(tài)顆粒的排放。同時(shí)GTL柴油幾乎不含硫，大大減少了硫化物的產(chǎn)生，從而顯著降低核態(tài)顆粒的形成。

（5）隨著GTL柴油配比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒的總數(shù)量逐漸下降。高轉(zhuǎn)速時(shí)顆粒排放總數(shù)量比低轉(zhuǎn)速時(shí)下降的幅度更大。

［1］Johnson T V.Diesel Emission Control in Review［C］.SAE Paper 2006－01－0030，2006.

［2］成曉北，黃榮華，陳德良.直噴式柴油機(jī)排放微粒尺寸分布特性［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2006，12（4）：335－339.

［3］李新令，黃 震，王嘉松，等.柴油機(jī)排氣顆粒濃度和粒徑分布特征試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25（2）：113－117.

［4］譚丕強(qiáng)，樓狄明，胡志遠(yuǎn)，等.發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的核態(tài)顆粒排放［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，31（7）：1 231－1 234.

［5］武 濤，張武高，方俊華，等.增壓柴油機(jī)燃用天然氣合成油排放特性的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2006，24（6）：489－493.

［6］胡志遠(yuǎn)，譚丕強(qiáng)，趙 杰，等.重型柴油機(jī)燃用天然氣合成油的性能與排放［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（7）：960－963.

［7］孫萬(wàn)臣，解方喜，孟德軍，等.GTL／柴油混合燃料對(duì)直噴式柴油機(jī)排放特性的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（5）：87－91.

［8］Clark R H，Lampreia I，Stradling R J，et al.Emissions Performance of Shell GTL Fuel in the Context of Future Fuel Specifications［C］.SAE Paper 2006－01－3325，2006.

［9］Stavinoha L L，Alfaro E S，Dobbs H H，et al.Alternative Fuels：Gas to Liquids as Potential 21st Century Truck Fuels［C］.SAE Paper 2000－01－4322，2000.

［10］Kind M，Kolbeck A，Lamping M，et al.Dedicated GTL Vehicle：A Calibration Optimization Study［C］.SAE Paper 2010－01－0737，2010.