機(jī)油和過量空氣系數(shù)對(duì)GDI汽油機(jī)燃用甲醇汽油顆粒排放的影響

劉成豪，曾東建，左子農(nóng)，汪建忠，李翔，王瑜

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西華大學(xué))，四川 成都 610039；3.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；4.綿陽(yáng)新晨動(dòng)力機(jī)械股份有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒(PM)按照粒徑可劃分為核態(tài)、積聚態(tài)以及粗態(tài)粒子三個(gè)模態(tài)[1]。一般情況核態(tài)粒子是指粒徑在3～30 nm的排氣顆粒[2]，主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中的揮發(fā)性有機(jī)物和硫化物等物質(zhì)形成，而缸內(nèi)混合氣的溫度和濕度則影響其濃度，其在通道內(nèi)滯留時(shí)間等因素也有影響。積聚態(tài)粒子的粒徑范圍為30～500 nm，主要是由不完全燃燒的碳顆粒通過團(tuán)聚并吸附硫酸鹽、金屬灰燼等物質(zhì)形成，這種顆粒的數(shù)濃度一般相對(duì)穩(wěn)定。粗態(tài)顆粒是粒子直徑大于500 nm的顆粒，這種形態(tài)顆粒主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分的碳顆?；蛉紵抑械姆e炭，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣沖程中隨氣流運(yùn)動(dòng)排出，具有較大的隨機(jī)性。汽車尾氣中，以積聚態(tài)和核態(tài)粒子為主要組成部分的細(xì)顆粒占排氣顆粒質(zhì)量濃度百分比為1%～10%，但占尾氣中顆?？倲?shù)濃度的百分比卻達(dá)到90%以上[3]。顆粒直徑越小越容易通過呼吸器官進(jìn)入人體，甚至滲透進(jìn)皮膚表層和肺泡，造成各種慢性疾病，對(duì)人體危害極大[4]。

隨著全世界范圍內(nèi)探索環(huán)境友好型能源的熱情日益高漲，甲醇已成為研究發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料的熱點(diǎn)。Nabi等學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，甲醇等含氧燃料可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和PM排放[5]。因此，有些國(guó)家和地區(qū)在汽油中添加甲醇，以達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

在積極探索汽油機(jī)新技術(shù)的過程中，缸內(nèi)直噴增壓(turbo gasoline direct injection，T-GDI)汽油機(jī)因其在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)異表現(xiàn)，逐步成為目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要方向[6]。但是，與傳統(tǒng)汽油機(jī)相比，由于缸內(nèi)壓力增大造成氣門油封密封不良，活塞油環(huán)刮油效果不佳，以及增壓器竄機(jī)油等因素，T-GDI發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量明顯增加。Vaaraslahti[7]等研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)油的消耗會(huì)導(dǎo)致排放惡化，特別是顆粒物(PM)的排放,其中對(duì)核態(tài)顆粒的影響很大。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)和低負(fù)荷工況下，炭煙顆粒排放量有所增加，這是因?yàn)榇藭r(shí)相對(duì)過低的缸內(nèi)溫度和過濃混合氣容易造成燃料氧化不完全[8]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)需要在不同工況下工作，滿足不同的扭矩和功率需求，造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣的空燃比變化。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)需要在不同的過量空氣系數(shù)(φa)下運(yùn)轉(zhuǎn)工作。研究發(fā)現(xiàn)[9]，過量空氣系數(shù)也影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放。

因此，研究機(jī)油消耗和過量空氣系數(shù)對(duì)T-GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇汽油替代燃料的顆粒排放影響規(guī)律，具有十分重要的意義。同時(shí)，也能為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理技術(shù)研究提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備、燃料及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究改進(jìn)了1臺(tái)車用4缸四沖程T-GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，其由一個(gè)完全開放式的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(3600010-YJ43)控制，可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)刻(ign)和噴油時(shí)刻(SOI)。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布局示意見圖1。試驗(yàn)用T-GDI發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布局示意

扭矩/N·m200標(biāo)定功率/kW96標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速/r·min-14 750～5 500缸徑/mm78行程/mm79排量/L1.498燃油供給方式缸內(nèi)直接噴射點(diǎn)火方式電子控制點(diǎn)火氣門數(shù)16壓縮比12∶1增壓比2.1

試驗(yàn)采用DMS500快速顆粒光譜儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排放的炭煙顆粒濃度，DMS500快速顆粒光譜儀能測(cè)量到的顆粒直徑范圍為5～1 000 nm，具有快速測(cè)試響應(yīng)(200 ms)、多通道尺寸光譜(38通道)、高數(shù)據(jù)采集頻率(10 Hz)等特點(diǎn)。試驗(yàn)中采用第一級(jí)稀釋4倍，第二級(jí)稀釋100倍，共計(jì)400倍的稀釋比，顆粒采樣中加熱管溫度設(shè)定為120 ℃。光譜儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 快速顆粒光譜儀結(jié)構(gòu)示意

1.2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)燃料

采用發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況作為試驗(yàn)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，pme(平均有效壓力)為0.2 MPa。試驗(yàn)測(cè)試過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定后，連續(xù)測(cè)量3次，求取其平均值，從而保證數(shù)據(jù)的精確性。試驗(yàn)過程中，通過水溫控制系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度維持在(85±1) ℃，同時(shí)通過油溫控制系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度保持在(90±1) ℃，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中運(yùn)行正常、穩(wěn)定。試驗(yàn)中各種試驗(yàn)燃料的參數(shù)見表2，表中M10表示在90號(hào)汽油中混合10%體積分?jǐn)?shù)甲醇得到的甲醇汽油。

表2 試驗(yàn)用燃料主要參數(shù)[10]

為了直觀反映機(jī)油消耗對(duì)顆粒排放的影響，采用向燃料中直接添加機(jī)油(API Ⅲ類基礎(chǔ)油)的方法。研究過程中，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)波動(dòng)的影響和機(jī)油添加的準(zhǔn)確性，選取最小機(jī)油/燃油消耗體積百分比為2%；同時(shí)，考慮過高的機(jī)油摻混比會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常燃燒，因此，選取最大百分比為4%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用DMS500測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物粒徑分布，以對(duì)數(shù)正態(tài)坐標(biāo)表示顆粒粒徑的分布。精確計(jì)算顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度的公式[11]為

(1)

(2)

式中：Dp為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒直徑；dN/dlogDp為排氣顆粒數(shù)濃度；dM/dlogDp為排氣顆粒質(zhì)量濃度。

2.1 機(jī)油消耗對(duì)顆粒排放的影響

為探究燃料摻混不同體積機(jī)油燃燒對(duì)顆粒排放的影響規(guī)律，分別在97號(hào)汽油，M10，M25，M100燃料中加入體積分?jǐn)?shù)為2%和4%的機(jī)油，試驗(yàn)中噴油定時(shí)為上止點(diǎn)前300°，點(diǎn)火提前角為28°，φa為1.0。

2.1.1機(jī)油消耗對(duì)顆粒數(shù)濃度的影響

圖3示出不同機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)時(shí)顆粒數(shù)濃度與粒徑的變化規(guī)律。從圖3可以看出，不同機(jī)油體積分?jǐn)?shù)下顆粒數(shù)濃度與粒徑的變化規(guī)律曲線大部分呈雙峰或三峰分布形態(tài)[10]。隨著機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)的升高，排氣顆粒的數(shù)濃度明顯上升，且核態(tài)顆粒的數(shù)濃度增幅較大。加入機(jī)油使得燃料黏度變大，造成噴孔出口噴霧速度減小，噴霧的破碎過程變得更加困難，蒸發(fā)環(huán)境下燃料霧化受限，使噴霧貫穿距離變短[12]，從而使缸內(nèi)的非均勻區(qū)域增加，同時(shí)由于工質(zhì)的霧化率變差使得霧化質(zhì)量降低，進(jìn)一步使核態(tài)顆粒數(shù)濃度升高。

從圖3a至圖3c可以看出，當(dāng)摻混機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，燃用汽油和甲醇汽油均出現(xiàn)了粗態(tài)顆粒排放。從圖3d可知，純甲醇摻混機(jī)油后，排氣顆粒主要為核態(tài)顆粒，只在摻混機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，出現(xiàn)少量積聚態(tài)顆粒。

圖3 不同機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)時(shí)顆粒數(shù)濃度與粒徑的變化規(guī)律

圖4示出顆粒總數(shù)濃度隨機(jī)油體積分?jǐn)?shù)的變化。從圖4可以看出，對(duì)于同種燃料，隨著機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)的增加，排氣顆粒總數(shù)濃度明顯上升。97號(hào)汽油摻混機(jī)油后，顆?？倲?shù)濃度及其增幅都較大，當(dāng)加入機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，其總數(shù)濃度數(shù)量級(jí)已接近1010。隨著燃料中甲醇體積比例的增加，顆?？倲?shù)濃度明顯下降，不同機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)下顆?？倲?shù)濃度增幅也逐漸減小，由此可知，隨著甲醇摻混比的增大，機(jī)油摻混對(duì)排氣顆粒數(shù)濃度的影響逐漸降低。這是由于甲醇為含氧燃料，其分子結(jié)構(gòu)中的氧元素可以顯著減少缸內(nèi)燃燒過程中局部混合氣過濃而導(dǎo)致的顆粒物生成。

圖4 顆?？倲?shù)濃度隨機(jī)油體積分?jǐn)?shù)的變化

2.1.2機(jī)油消耗對(duì)顆粒質(zhì)量濃度的影響

圖5示出不同機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)時(shí)顆粒質(zhì)量濃度與粒徑的變化規(guī)律。可以看出，摻混機(jī)油之后，排氣顆粒質(zhì)量濃度明顯上升。隨著機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)的增加，排氣中顆粒質(zhì)量濃度增幅也顯著增大。但隨著燃料中甲醇摻混比的增加，排氣顆粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)。

圖5 不同機(jī)油體積分?jǐn)?shù)時(shí)顆粒質(zhì)量濃度與粒徑的變化規(guī)律

如圖5a至圖5c所示，30～1 000 nm的粒徑范圍為排放顆粒質(zhì)量濃度分布的主要集中區(qū)域。當(dāng)燃料中機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度主要分布在粗態(tài)區(qū)域，呈現(xiàn)單峰分布，其中峰值粒徑分別為640 nm(97號(hào)汽油)，650 nm(M10)和650 nm(M25)；而當(dāng)燃料中機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)雙峰分布，且雙峰分別位于積聚態(tài)和粗態(tài)區(qū)域，顆粒的峰值粒徑分別為154 nm和560 nm(97號(hào)汽油)，154 nm和560 nm(M10)，74 nm和560 nm(M25)。從圖5c中可知，當(dāng)燃用M25混合燃料，摻混機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，排氣顆粒質(zhì)量濃度曲線中位于積聚態(tài)區(qū)域的峰值與粗態(tài)區(qū)域峰值相比有較大幅度的下降，分別為2 927.5 μg/cm3和9 175.6 μg/cm3，下降幅度為68.1%。而從圖5a和圖5b可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在分別使用97號(hào)汽油和M10甲醇汽油作為燃料，且燃料中摻混機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，排氣顆粒質(zhì)量濃度曲線位于積聚態(tài)與核態(tài)區(qū)域的峰值濃度差距較小，燃用97號(hào)汽油混合燃料質(zhì)量濃度峰值為130 125.8 μg/cm3和139 490.8 μg/cm3，增幅僅為6.71%；燃用M10混合燃料質(zhì)量濃度峰值為31 489.6 μg/cm3和29 019.6 μg/cm3，降幅僅為8.51%。從圖5d可以看出，排氣顆粒質(zhì)量濃度分布主要集中在50～560 nm的粒徑范圍之內(nèi)。當(dāng)機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度曲線主要呈現(xiàn)單峰狀，分布主要集中在積聚態(tài)區(qū)域，其峰值粒徑為308 nm；而機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)雙峰分布，且雙峰都位于積聚態(tài)區(qū)域，峰值粒徑分別為101 nm和316 nm，峰值濃度分別為64.7 μg/cm3和780.8 μg/cm3，第一峰與第二峰相比，峰值濃度有很大幅度的下降，降幅為91.7%。

圖6示出顆?？傎|(zhì)量濃度隨機(jī)油體積分?jǐn)?shù)的變化。從圖6可以看出，對(duì)于同種燃料，隨機(jī)油摻混體積分?jǐn)?shù)的增大，排氣顆?？傎|(zhì)量濃度明顯上升。97號(hào)汽油摻混機(jī)油后，排氣顆粒總質(zhì)量濃度及其增

圖6 顆?？傎|(zhì)量濃度隨機(jī)油體積分?jǐn)?shù)的變化

幅都較大，當(dāng)加入機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，其總質(zhì)量濃度數(shù)量級(jí)已達(dá)到106。而對(duì)于不同燃料，隨著甲醇比例的增加，排放顆粒總質(zhì)量濃度明顯下降，不同機(jī)油體積分?jǐn)?shù)下顆?？傎|(zhì)量濃度增幅也逐漸減小，由此可知，機(jī)油對(duì)顆粒質(zhì)量濃度的影響隨著甲醇摻混量的增大而逐漸減弱。

2.2 過量空氣系數(shù)對(duì)顆粒排放的影響

為探究過量空氣系數(shù)對(duì)顆粒排放的影響規(guī)律，對(duì)97號(hào)汽油，M10，M25，M100燃料分別在過量空氣系數(shù)為1.1，1.0，0.9的工況下進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

2.2.1過量空氣系數(shù)對(duì)顆粒數(shù)濃度的影響

圖7示出過量空氣系數(shù)對(duì)顆粒數(shù)濃度的影響規(guī)律。由圖可見，在不同過量空氣系數(shù)下，顆粒數(shù)濃度隨粒徑的變化大體呈現(xiàn)三峰分布，且顆粒粒徑分布曲線基本相似。顆粒數(shù)濃度的最大值都是在粒徑小于10 nm時(shí)出現(xiàn)，即排氣顆粒數(shù)濃度主要集中分布在核態(tài)區(qū)域。顆粒排放對(duì)φa變化比較敏感，隨著φa的減小，顆粒排放數(shù)濃度增加，尤其是在過濃混合氣時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放中的核態(tài)顆粒數(shù)濃度顯著增大。φa增大時(shí)，燃用97號(hào)汽油和M10燃料的積聚態(tài)顆粒排放也顯著增多。而對(duì)于不同的燃料，隨著燃料中甲醇比例的增加，顆粒排放有規(guī)律地轉(zhuǎn)移和分布到核態(tài)區(qū)域。從圖7a和圖7b同時(shí)可以看出，核態(tài)顆粒數(shù)濃度在顆粒中的百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于積聚態(tài)顆粒，而由圖7c和圖7d可見，顆粒數(shù)濃度則全部分布在核態(tài)顆粒范圍內(nèi)。

圖7 不同過量空氣系數(shù)時(shí)顆粒數(shù)濃度與粒徑的變化規(guī)律

圖8示出顆?？倲?shù)濃度隨過量空氣系數(shù)的變化。可以看出，當(dāng)過量空氣系數(shù)不變時(shí)，隨燃料中甲醇量的增加，顆?？倲?shù)濃度呈明顯減小趨勢(shì)。其原因?yàn)榧状挤肿又泻幸粋€(gè)氧原子，并且氧原子在相對(duì)分子質(zhì)量中占比50%，因此，甲醇燃料屬于低碳高氧燃料。相比于傳統(tǒng)汽油，使用甲醇燃料后，混合氣在缸內(nèi)的燃燒更加充分，對(duì)顆粒排放的降低有明顯的促進(jìn)作用[13]，從而減少了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒的排放。

圖8 顆?？倲?shù)濃度隨過量空氣系數(shù)的變化

2.2.2過量空氣系數(shù)對(duì)顆粒質(zhì)量濃度的影響

圖9示出不同過量空氣系數(shù)時(shí)顆粒質(zhì)量濃度與粒徑的變化規(guī)律。由圖可知，隨著混合燃料中甲醇比例的增加，相同過量空氣系數(shù)下，其排氣顆粒質(zhì)量濃度明顯減小。排氣顆粒質(zhì)量濃度主要分布在積聚態(tài)區(qū)域，且積聚態(tài)顆粒在尾氣排放顆?？傎|(zhì)量中占比較大。隨著過量空氣系數(shù)增加，顆粒質(zhì)量濃度減小。同時(shí)結(jié)合圖7還可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒排放中核態(tài)顆粒的數(shù)濃度比積聚態(tài)顆粒的數(shù)濃度高，但兩者的質(zhì)量濃度相比卻恰好相反。

圖9 不同過量空氣系數(shù)時(shí)顆粒質(zhì)量濃度與粒徑的變化規(guī)律

圖10示出顆粒總質(zhì)量濃度隨過量空氣系數(shù)的變化。從圖10可以看出，含甲醇混合燃料僅在過濃混合氣有顆粒排放，其他情況下顆粒的排放極少。排氣顆粒的質(zhì)量濃度隨著過量空氣系數(shù)的增加而明顯下降，混合氣由濃到稀，混合氣燃燒更加充分。

圖10 顆粒總質(zhì)量濃度隨過量空氣系數(shù)的變化

3 結(jié)論

a) 汽油和不同摻混比甲醇汽油燃料添加機(jī)油后，顆粒數(shù)濃度呈多峰分布，并出現(xiàn)大量核態(tài)和積聚態(tài)顆粒，顆粒質(zhì)量濃度主要集中于積聚態(tài)和粗態(tài)中；當(dāng)機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，顆粒總數(shù)濃度數(shù)量級(jí)已接近1010，顆?？傎|(zhì)量濃度數(shù)量級(jí)接近106；

b) 在同一種摻混比燃料中，隨著過量空氣系數(shù)減小，顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度明顯增大，最大數(shù)濃度峰值粒徑在小于10 nm的范圍內(nèi)；發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒數(shù)濃度主要集中在核態(tài)區(qū)域，顆粒質(zhì)量濃度主要集中在積聚態(tài)和粗態(tài)區(qū)域；

c) 隨著甲醇摻混比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒數(shù)濃度、總數(shù)濃度、質(zhì)量濃度和總質(zhì)量濃度均降低，但對(duì)核態(tài)區(qū)域內(nèi)的排放顆粒數(shù)濃度的降低影響較小。