柴油預(yù)噴量對甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機NOx和顆粒物排放的影響試驗

方文，鄭子康，劉卓沛，朱蕙，李陽陽,2，周奧

(1.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064；2.陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點實驗室，陜西 西安 710064；3.四川交通職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 611130；4.蘭州交通大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

柴油機其熱效率高、爆發(fā)壓力高、輸出轉(zhuǎn)矩大、經(jīng)濟性好、耐久性好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。柴油機廣泛應(yīng)用過程中產(chǎn)生的污染物排放問題也長期受到人們的關(guān)注[1-2]；據(jù)統(tǒng)計，柴油車產(chǎn)生的NOx占汽車總排放量的70%，顆粒物占95.9%[3]。甲醇含氧量高，氣化潛熱大，對降低NOx和顆粒物的排放具有明顯的作用，我國煤制甲醇技術(shù)比較成熟，使用甲醇作為替代燃料是降低我國柴油車排放污染物的可行方法[4-5]。

早在1980年，Houser 等[6]就利用甲醇蒸發(fā)器在一臺柴油車上實現(xiàn)了甲醇-柴油雙燃料燃燒。隨著技術(shù)的進步，甲醇-柴油雙燃料逐漸實現(xiàn)電控、高壓、高精度控制，天津大學[7-12]，長安大學[13-14]等多個團隊在此種燃燒方式上進行了持續(xù)研究。結(jié)果表明，單次噴射柴油引燃的甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機的NOx和顆粒物排放出現(xiàn)明顯下降，但因有大量甲醇-空氣預(yù)混氣充在缸中，燃燒過程更加劇烈進而導(dǎo)致柴油機的運行更加粗暴[15-16]，對發(fā)動機的可靠性產(chǎn)生了一定的影響。為改善柴油機的噪聲和振動，傳統(tǒng)柴油機會提前噴入少量燃料以改善燃燒，隨后噴入大量燃料燃燒以實現(xiàn)做功，稱為主噴+預(yù)噴的控制策略。張春化等[17]將預(yù)噴策略應(yīng)用到甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機中，通過控制預(yù)噴正時，研究其對排放中核模態(tài)粒子數(shù)量的影響。

綜上可知，現(xiàn)階段對甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機上應(yīng)用主噴+預(yù)噴策略的研究較少，且主要集中在預(yù)噴正時對柴油機排放影響方面，未涉及到不同預(yù)噴量對污染物的影響。本文選取典型轉(zhuǎn)速下低、高不同負荷，通過控制預(yù)噴量的變化，探索甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機的NOx和顆粒物排放變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗使用濰柴WP4G154E330電控高壓共軌柴油機，將3只甲醇噴射器安裝在進氣總管上，為使甲醇和空氣在進氣管內(nèi)預(yù)混形成均勻混合氣，此試驗利用自行開發(fā)的控制單元控制甲醇的噴醇量；利用專用柴油控制器(INCA V7.0)控制缸內(nèi)柴油噴射，從而引燃甲醇-空氣混合氣，實現(xiàn)雙燃料燃燒。

圖1 試驗系統(tǒng)

發(fā)動機與電渦流測功機(凱邁機電，CW150)連接，測試輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等動力性指標。利用五氣分析儀(AVL，4000 L)抽取一部分排氣，通過電化學法對排氣中的NOx濃度進行測試；另一部分排氣先后經(jīng)過擴散干燥器干燥、稀釋器稀釋(TSI，3332)后，進入一臺掃描電遷移率粒徑譜儀SMPS(TSI，3938)，測試粒徑譜。研究表明[18]，柴油機采用高壓共軌噴射系統(tǒng)時，大多數(shù)顆粒物粒徑分布在350 nm以下，結(jié)合此次測試結(jié)果，本文測試的顆物粒徑范圍最終選為8～279 nm，在文中稱為“超細顆粒物”。根據(jù)粒徑和成分的不同，5～50 nm的顆粒物，稱為核模態(tài)顆粒物；粒徑為50～1 000 nm的顆粒物，稱為積聚模態(tài)顆粒物[19]。粒徑超過300 nm的顆粒物在本文中稱為大顆粒，其總數(shù)濃度雖然較少，但對顆粒排放的質(zhì)量濃度有決定性影響；大顆粒物通過一臺激光粒子計數(shù)器(南京隆順，CLJ-E)進行測試分析。

表1 試驗發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

摻燒比指甲醇的能量占雙燃料總能量的百分比，其表達式為：

CCR(%)=(Q甲醇×q甲醇)/(Q甲醇×q甲醇+Q柴油×q柴油)×100%

式中：CCR為雙燃料甲醇的摻燒比；Q甲醇為甲醇在單位時間內(nèi)的消耗量，單位為kg/h；Q柴油為柴油在單位時間內(nèi)的消耗量，單位為kg/h；q甲醇為甲醇的單位質(zhì)量低熱值，取q甲醇=19.66 MJ/kg；q柴油為柴油的單位質(zhì)量低熱值，取q柴油=42.50 MJ/kg。

1.3 試驗方法

本文選擇最大扭矩轉(zhuǎn)速1 800 r/min，30%負荷(扭矩156 N·m)和70%負荷(扭矩364 N·m)，甲醇摻燒比為0～40%的工況試驗，試驗工況如表2所示。試驗首先使用0%CCR(純柴油)在無預(yù)噴工況運轉(zhuǎn)，隨后引入預(yù)噴策略，預(yù)噴量分別為1、2、3、4、5 mg/循環(huán)(此單位后文簡寫為mg/cyc)。在此工況下，調(diào)整CCR至10%，預(yù)噴量依次調(diào)整為0、1、2、3、4、5 mg/cyc。參照如上試驗，依次增加甲醇噴射量，并開展20%、30%、40%CCR的試驗。如果在改變預(yù)噴量時，發(fā)動機工況出現(xiàn)明顯不穩(wěn)定(扭矩下降超過10%)，則認為試驗偏離設(shè)定工況，即停止試驗。記錄每個工況下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩、進氣壓力、進氣溫度、柴油消耗量、甲醇消耗量、NOx排放、顆粒物排放等數(shù)據(jù)。

表2 試驗工況

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)噴量對超細顆粒物排放的影響

2.1.1 30%負荷超細顆粒物排放 1 800 r/min、30%負荷工況甲醇-柴油發(fā)動機在不同摻燒比和不同預(yù)噴量的情況下，超細顆粒物粒徑譜如圖2所示；圖3～4為相應(yīng)的超細顆粒物總數(shù)濃度和平均粒徑的變化趨勢?？梢姡銚綗龝r，隨著預(yù)噴量的增加，超細顆粒物濃度明顯下降；當引入甲醇后，隨著預(yù)噴量的增加，超細顆粒物濃度變化趨勢相對減弱，呈先略上升，后持續(xù)下降的趨勢。不同摻燒比的情況下，超細顆粒物平均粒徑的變化趨勢相近，當預(yù)噴量開始增加時，平均粒徑迅速上升，后隨預(yù)噴量的增加平均粒徑也均有上升，但變化不大。這是因為在30%負荷工況下，甲醇-空氣預(yù)混氣非常稀薄，且此工況屬于低負荷工況，缸內(nèi)熱力氛圍較差，稀薄的甲醇-空氣預(yù)混氣及著火前形成的柴油-空氣預(yù)混氣難以完全著火，部分燃料燃燒不完全，形成較多的核模態(tài)顆粒物，這導(dǎo)致生成的顆粒物數(shù)量較多，且粒徑較小。在引入預(yù)噴后，預(yù)噴引起的第一階段放熱改善了缸內(nèi)熱力狀態(tài)，使主噴燃料能迅速著火，減少了主噴柴油蒸發(fā)形成柴油-空氣預(yù)混氣的機會，因而減少了核模態(tài)顆粒物的生成。且由于主噴的燃燒能迅速進入擴散燃燒過程，擴散燃燒由于燃燒區(qū)域混合氣濃度更高，更容易形成尺寸較大的積聚態(tài)顆粒物，從而導(dǎo)致平均粒徑出現(xiàn)上升。

A：0% CCR；B：10% CCR；C：20% CCR；D：30% CCR；E：40% CCR.

圖3 1 800 r/min、30%負荷超細顆粒物總數(shù)濃度

2.1.2 70%負荷超細顆粒物排放 1 800 r/min、70%負荷工況在不同摻燒比和不同預(yù)噴量下，超細顆粒物粒徑譜如圖5所示；圖6～7為不同預(yù)噴量下，超細顆粒物的總數(shù)濃度和平均粒徑的變化趨勢?？梢?，當剛引入預(yù)噴時超細顆粒物總數(shù)濃度均大幅上升，而繼續(xù)增加預(yù)噴量超細顆粒物總數(shù)濃度在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)波動，但總體變化不大。在引入預(yù)噴后，平均粒徑出現(xiàn)先上升，后下降趨勢。這是因為在70%負荷工況下，氣缸內(nèi)溫度高、燃料-空氣混合氣更濃，相比小負荷下，無預(yù)噴改善燃燒時，發(fā)動機缸內(nèi)不容易產(chǎn)生失火，燃燒非常完全，顆粒物的數(shù)量濃度更低；且濃度更高的甲醇-空氣預(yù)混氣會產(chǎn)生更劇烈且完全的預(yù)混燃燒過程，生成更多細小的核模態(tài)顆粒物，顆粒物的平均粒徑更低；但預(yù)噴的引入導(dǎo)致主燃期的預(yù)混燃燒過程縮短，更多的燃燒為擴散燃燒，生成更多、更大的積聚模態(tài)顆粒物，導(dǎo)致顆粒物數(shù)量和粒徑都出現(xiàn)明顯上升。

圖4 1 800 r/min、30%負荷超細顆粒物平均粒徑

A：0% CCR；B：10% CCR；C：20% CCR；D：30% CCR；E：40% CCR.

圖6 1 800 r/min、70%負荷超細顆粒物總數(shù)濃度

2.2 預(yù)噴量對大顆粒物排放影響

2.2.1 30%負荷大顆粒物排放 圖8為不同摻燒比和不同預(yù)噴量的情況下，在1 800 r/min、30%工況甲醇-柴油發(fā)動機大顆粒物總數(shù)量濃度隨預(yù)噴量的變化趨勢?？梢姡煌瑩綗鹊拇箢w粒物總數(shù)量濃度隨預(yù)噴量的變化趨勢基本一致。引入預(yù)噴時，大顆粒物的總數(shù)量濃度有所降低，當預(yù)噴量為2 mg/cyc時其值最低，繼續(xù)增大預(yù)噴量后大顆粒物總數(shù)量濃度繼續(xù)上升。原因為，引入預(yù)噴后缸內(nèi)熱力氛圍改善，使燃燒更為完全，導(dǎo)致大顆粒物總數(shù)量濃度下降。當預(yù)噴量繼續(xù)增加，主噴階段擴散燃燒增大，擴散燃燒階段產(chǎn)生的積聚態(tài)大顆粒物增加從而使得大顆粒物總數(shù)量濃度上升。

圖7 1 800 r/min、70%負荷超細顆粒物平均粒徑

圖8 1 800 r/min、30%負荷大顆粒物總數(shù)量濃度

2.2.2 70%負荷大顆粒物排放 圖9為不同摻燒比和不同預(yù)噴量的情況下，在1 800 r/min、70%負荷工況下甲醇-柴油發(fā)動機大顆粒物總數(shù)量濃度隨預(yù)噴量的變化趨勢。引入預(yù)噴后，大顆粒物總數(shù)量濃度先上升后略下降，繼續(xù)增大預(yù)噴量其值繼續(xù)平緩增加，但當預(yù)噴量大于4 mg/cyc時，總數(shù)量濃度呈下降趨勢?？梢姡?0%負荷工況下，引入預(yù)噴會縮短主噴柴油滯燃期，減少預(yù)混燃燒強度，明顯增加大顆粒物的生成，但是預(yù)噴量在2 mg/cyc時，相對其他預(yù)噴工況，大顆粒物排放出現(xiàn)低谷。

圖9 1 800 r/min、70%負荷大顆粒物總數(shù)量濃度

2.3 預(yù)噴量對NOx排放的影響

2.3.1 30%負荷NOx排放 不同摻燒比情況下，甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機在1 800 r/min、30%負荷工況下NOx排放隨預(yù)噴量的變化趨勢如圖10所示?？梢姡煌瑩綗认翹Ox排放變化趨勢基本相同。隨著預(yù)噴量的增加，NOx排放基本呈上升趨勢。當預(yù)噴量為2 mg/cyc時，NOx排放量有略微下降，預(yù)噴量繼續(xù)增大后，NOx排放量上升，但總體上升趨勢不大(40%CCR最高上升148 mg/kg，上升率為125.42%)。這是由于預(yù)噴的引入能有效改善發(fā)動機缸內(nèi)熱力狀態(tài)，同時縮短主噴燃料的滯燃期，導(dǎo)致放熱更加接近在上止點，這使得缸內(nèi)溫度上升，由于發(fā)動機生成的NOx主要為熱力型NOx，根據(jù)Zeldovich[20]，缸內(nèi)溫度的上升，直接導(dǎo)致NOx排放上升。

圖10 1 800 r/min、30%負荷 NOx排放

2.3.2 70%負荷NOx排放 圖11為不同摻燒比情況下，甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機在1 800 r/min、70%負荷工況下NOx排放隨預(yù)噴量的變化趨勢?？梢钥闯?，除無摻混外，不同摻燒比的NOx排放變化趨勢基本相同。0%CCR時，引入預(yù)噴后，NOx排放上升，當預(yù)噴量為2 mg/cyc時有所下降，繼續(xù)增加預(yù)噴量NOx排放大幅上升。有摻燒情況下，NOx排放變化趨勢基本相同，當剛引入預(yù)噴時NOx排放迅速上升，2 mg/cyc時上升較為平緩，繼續(xù)增大預(yù)噴量，NOx繼續(xù)大幅上升，這與小負荷的原因相似，但大負荷下NOx的變化又與小負荷有所不同。表3所示為預(yù)噴量為5 mg/cyc時，相比無預(yù)噴工況下，NOx的增長情況：相比30%負荷狀態(tài)下，70%負荷下，NOx的排放隨預(yù)噴量的增大，上升幅度更小。這是由于大負荷下，甲醇-空氣混合氣的濃度更高，發(fā)生的預(yù)混燃燒更完全，燃燒強度更大；由于預(yù)混燃燒快速、劇烈放熱，對溫度的提升更為明顯，因此大負荷不采用預(yù)噴時更高的摻燒比會導(dǎo)致更高的缸內(nèi)溫度，預(yù)噴的引入能有效抑制甲醇-空氣預(yù)混氣體的燃燒強度，降低缸內(nèi)溫度。

圖11 1 800r/min、70%負荷NOx排放

表3 NOx排放增長

3 結(jié)論

1) 在30%負荷工況下，隨著預(yù)噴量的增加，超細顆粒物總濃度下降，超細顆粒物平均粒徑上升。在大負荷工況下超細顆粒物的總數(shù)濃度和平均粒徑均增加。是否引入預(yù)噴對超細顆粒物的總數(shù)量濃度和平均粒徑影響較大，但預(yù)噴量的變化對其影響不大。

2) 30%負荷和70%負荷工況下，預(yù)噴量為2 mg/cyc時大顆粒物總數(shù)量濃度均處于較低水平。在30%負荷下，此預(yù)噴量狀態(tài)下大顆粒物數(shù)量濃度最低；在70%負荷狀態(tài)下，此預(yù)噴量狀態(tài)下大顆粒物的數(shù)量濃度處于引入預(yù)噴后的最低值。

3) 30%和70%負荷下，引入預(yù)噴后NOx的排放升高，但當預(yù)噴量為2 mg/cyc時NOx排放量有所下降，繼續(xù)增加預(yù)噴量，NOx排放量繼續(xù)增加。30%負荷、70%負荷不同摻燒比，NOx排放增長率不同，70%負荷工況時NOx增長幅度較小。

4) 綜上所述，在小負荷工況下，優(yōu)化預(yù)噴量(2 mg/cyc)后，NOx和顆粒物的排放性能可以同時達到最優(yōu)。且由于小負荷下排氣溫度相對更低，顆粒物和NOx的催化后處理裝置的工作效率很難達到要求，通過調(diào)整預(yù)噴量對此工況的污染物進行控制就顯得更為有意義。