燃料含硫量及運(yùn)轉(zhuǎn)條件對高壓共軌柴油機(jī)微粒排放粒度分布的影響

王曉丹，孫萬臣，李國良，杜家坤，賴春杰，2，譚滿志

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025;2.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130025)

前言

柴油機(jī)微粒排放成分極為復(fù)雜，含有多種致癌物質(zhì)，對人類健康和生存環(huán)境危害極大，如何降低柴油機(jī)的微粒排放已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)內(nèi)一個關(guān)鍵性技術(shù)問題［1－2］。高壓共軌直噴技術(shù)(CRDI)的噴射壓力可以達(dá)到180MPa以上，能使燃油充分霧化，微粒的質(zhì)量排放量得到控制，同時導(dǎo)致微粒趨于超細(xì)化。已有研究表明，粒徑小于100nm的超細(xì)微粒能夠進(jìn)入并沉積在人體肺泡中，從而誘發(fā)人體組織癌變［3］。此外，未來的排放法規(guī)不僅嚴(yán)格控制微粒的質(zhì)量排放量，還對微粒的數(shù)量加以限制。因此，柴油機(jī)超細(xì)微粒排放粒度的分布研究日益受到研究者的普遍關(guān)注［4－6］。

根據(jù)微粒粒徑大小將超細(xì)微粒分為核態(tài)和積聚態(tài)兩種。在微粒成核階段，以硫化物、揮發(fā)性有機(jī)物和部分粒徑較小的碳質(zhì)顆粒構(gòu)成粒徑小于50nm的核態(tài)微粒;在微粒凝聚階段，先期生成的固態(tài)碳質(zhì)顆粒相互碰撞、凝聚并進(jìn)一步吸附未燃碳?xì)涞葥]發(fā)性有機(jī)物形成粒徑大于50nm的積聚態(tài)微粒［6］。研究表明，微粒排放與燃料含硫量密切相關(guān)［7－9］，相同發(fā)動機(jī)燃用不同硫含量種燃料時，其微粒排放粒度分布存在較大差異。

本文中利用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 500×10－6的高硫柴油與和硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50×10－6低硫柴油進(jìn)行對比試驗(yàn)，探索燃料含硫量和運(yùn)轉(zhuǎn)條件對微粒排放粒度分布的影響，旨在揭示高壓共軌柴油機(jī)的微粒排放特征，為控制超細(xì)微粒排放數(shù)量提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)裝置和研究方案

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)和試驗(yàn)燃料

采用高壓共軌、增壓中冷四缸直噴式車用柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，該發(fā)動機(jī)燃燒室為縮口ω型，具有較好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，排放指標(biāo)達(dá)到國IV水平。發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)燃料采用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1 500×10－6的高硫0#柴油和50×10－6低硫柴油，表2為試驗(yàn)燃料的主要理化特性指標(biāo)。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 發(fā)動機(jī)測試及稀釋取樣系統(tǒng)

為使排氣在引入粒度儀前得到充分稀釋，采用自行設(shè)計(jì)的排氣二級稀釋系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)尾氣進(jìn)行稀釋和降溫。試驗(yàn)結(jié)果表明，稀釋比位于200～300之間時能夠更好地反映排氣中微粒粒度分布情況。因此，設(shè)定第一級稀釋比為25，第二級稀釋比為10，總稀釋比約為250左右時，能夠滿足試驗(yàn)要求且具有較好的重復(fù)性。研究中所使用的主要儀器設(shè)備如表3所示。

表2 試驗(yàn)燃料理化特性

表3 主要儀器設(shè)備

1.3 研究方案

選取發(fā)動機(jī)外特性工況和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速對高壓共軌柴油機(jī)微粒排放粒度分布特征進(jìn)行研究。其中，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(1 800r/min)負(fù)荷特性工況選取當(dāng)量比分別為0.2、0.4、0.5和0.6的4種負(fù)荷。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外特性工況下微粒排放粒度分布特征

圖1為外特性工況下燃用高硫含量0#柴油時的微粒排放粒度分布特征。從圖1(a)～圖1(c)中可以看出，微粒數(shù)量濃度分布曲線在5～15nm之間出現(xiàn)峰值，由于大粒徑微粒具有較大的表面積及體積，導(dǎo)致表面積濃度及體積濃度分布峰值向大粒徑方向偏移，峰值位于50～150nm之間。圖1(d)中微粒比例皆指其占全部微?？倲?shù)量的比例。由圖可見，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于2 000r/min時，核態(tài)微粒變化不大，積聚態(tài)微粒隨轉(zhuǎn)速升高而減少，核態(tài)微粒所占比例逐漸增加;轉(zhuǎn)速高于2 000r/min后，隨轉(zhuǎn)速上升，兩種形態(tài)的超細(xì)微粒濃度都有所增加，導(dǎo)致總微粒數(shù)量濃度上升，但核態(tài)微粒所占比例下降。同時可以看出，外特性工況不同轉(zhuǎn)速下，超細(xì)微粒所占比例均在94%以上，而核態(tài)微粒所占比例都超過72%，說明高壓共軌柴油機(jī)微粒排放以核態(tài)為主。

圖2為1 800r/min不同負(fù)荷工況下微粒排放粒度分布。由圖可見，各負(fù)荷工況下微粒數(shù)量濃度分布曲線在5～15nm之間出現(xiàn)核態(tài)微粒峰值。隨著當(dāng)量比即負(fù)荷的增加，模態(tài)微粒的數(shù)量濃度、表面積濃度和體積濃度均有所上升，而積聚態(tài)微粒濃度隨負(fù)荷的變化規(guī)律并不明顯。但兩種形態(tài)的微粒所占比例變化不大且處于較高水平，即使在小負(fù)荷工況模態(tài)微粒比例仍高達(dá)95%以上，超細(xì)微粒比例超過99%。主要原因是高壓共軌柴油機(jī)具有較高的噴射壓力，能使更多的空氣卷吸到噴注中，有利于促進(jìn)燃料與空氣的混合，從而抑制碳質(zhì)顆粒的形成，使積聚態(tài)微粒數(shù)量無明顯增加。較少的積聚態(tài)微粒數(shù)量又會對核態(tài)微粒的吸附與凝并產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致核態(tài)微粒數(shù)量隨負(fù)荷增大明顯增加。

2.2 不同硫含量燃料微粒排放粒度分布的對比

圖3和圖4分別為中小負(fù)荷工況(當(dāng)量比為0.2、0.4)和大負(fù)荷工況(當(dāng)量比為0.5、0.6)不同硫含量燃料微粒排放粒度分布對比。由圖可見:不同負(fù)荷工況下燃用低硫柴油時的各模態(tài)微粒數(shù)量、表面積和體積濃度均較高硫柴油有明顯降低，大負(fù)荷工況下降低幅度更大，而積聚微粒濃度隨燃料含硫量的變化不明顯。燃用低硫柴油時超細(xì)微粒和總微粒數(shù)量在當(dāng)量比為0.2和0.4的中小負(fù)荷工況下比高硫柴油分別約降低65%和50%;在當(dāng)量比為0.5和0.6的大負(fù)荷工況下降低幅度則分別達(dá)到92%和94%;大負(fù)荷工況下核態(tài)微粒的比例顯著下降，當(dāng)量比為0.6時，該比例約由燃用高硫柴油時的97%降低到燃用低硫柴油時的52%以下。這是由于在預(yù)混合燃燒初期，由缸內(nèi)大量未燃碳?xì)涑煞纸M成的極小液滴與燃燒過程中產(chǎn)生的硫酸鹽成分相互凝并構(gòu)成了核態(tài)微粒的初始載體，形成核態(tài)微粒。同時，燃燒過程中碳?xì)淙剂辖?jīng)過脫氫、斷鏈并進(jìn)一步環(huán)化，C、H原子以一定比例初步生成多環(huán)芳烴成分，進(jìn)而形成微小的碳質(zhì)核心。碳核通過吸附已形成的核態(tài)微粒并相互碰撞、積聚、凝并而形成粒徑大于50nm以上的鏈狀或團(tuán)絮狀積聚模態(tài)微粒。燃料中的硫元素參與燃燒后生成的硫酸鹽成分以微小顆粒的形式存在，在預(yù)混合燃燒階段不需要經(jīng)歷脫氫斷鏈，即可與其他C、H原子直接形核，從而大大增加了微粒的成核傾向。

3 結(jié)論

(1)高壓共軌柴油機(jī)微粒排放以核態(tài)微粒為主，不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下核態(tài)微粒所占比例均在72%以上，超細(xì)微粒所占比例在94%以上。

(2)外特性工況下，轉(zhuǎn)速低于2 000r/min時，核態(tài)微粒相差不大，積聚態(tài)微粒隨轉(zhuǎn)速升高而減少，核態(tài)微粒所占比例逐漸增加;轉(zhuǎn)速高于2 000r/min后，隨轉(zhuǎn)速上升，兩種形態(tài)的超細(xì)微粒濃度都有所增加，導(dǎo)致總微粒數(shù)量濃度上升，但核態(tài)微粒所占比例下降。

(3)不同負(fù)荷工況下微粒數(shù)量濃度分布曲線呈現(xiàn)出單峰形態(tài)分布，且隨著負(fù)荷的增大，核態(tài)微粒和總微粒數(shù)量顯著增加，積聚態(tài)微粒數(shù)量變化不大。

(4)燃料含硫量是影響發(fā)動機(jī)微粒排放粒度分布的重要因素，其對核態(tài)微粒排放數(shù)量的影響較為顯著，對積聚態(tài)微粒數(shù)量影響不明顯。隨著硫含量的增加，超細(xì)微粒和總微粒排放數(shù)量濃度明顯增加。大負(fù)荷工況下，硫含量對柴油機(jī)微粒數(shù)量排放的影響更為明顯。

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