預(yù)混比對(duì)乙醇/柴油RCCI 排氣顆粒物化學(xué)成分的影響

班智博，唐國強(qiáng)，韓偉強(qiáng)，羅強(qiáng)，方嘉

（1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 530000；2.中車資陽機(jī)車有限公司，四川 資陽 641300；3.汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），四川 成都 610039；4.四川啟涅科技有限公司，四川 廣元 628000）

內(nèi)燃機(jī)作為一種動(dòng)力裝置因其可靠性、耐用性和更高的燃油熱效率等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程、機(jī)械以及農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。大量柴油機(jī)的使用會(huì)造成氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）的過高排放，并且排出的顆粒物直徑普遍小于1 μm，是PM2.5的主要來源之一[1]。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物對(duì)全球溫室效應(yīng)的影響僅次于二氧化碳，是名副其實(shí)的“暖寶寶”[2]。除此之外，顆粒物還是導(dǎo)致霧霾天氣的重要原因，人體吸附有害物質(zhì)的較小顆粒物容易引發(fā)冠心病和呼吸道疾病，還會(huì)導(dǎo)致免疫功能受損[3-5]。

學(xué)者們致力于從廢氣再循環(huán)（exhaust gas recalculation，EGR）、噴油策略和新型燃燒模式等手段來改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放[6-8]。其中，新型燃燒模式——活性控制壓縮點(diǎn)火（reactivity controlled compression ignition，RCCI）能夠有效避免NOx與PM 的彼消此長問題，并且燃料選擇具有高度靈活性。研究證實(shí)，在特定條件下RCCI 可以實(shí)現(xiàn)NOx和PM 同時(shí)近零排放，是一種極具發(fā)展?jié)摿?、燃燒可控和排放友好的柴油機(jī)燃燒模式[9-10]，成為了當(dāng)下學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。

汽油作為一種石油基燃料，有著廣泛的市場，因此是第一個(gè)在RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的低活性燃料。然而，化石燃料的短缺限制了汽油在RCCI 上的應(yīng)用。此外，汽油中含有多環(huán)芳香烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH），容易形成碳煙[11]。為了解決這個(gè)問題，研究人員正在尋找其他替代燃料，醇類燃料因其含氧和可再生，逐漸發(fā)展成為潛在的低活性燃料[12-13]。其中，乙醇作為一種二元醇，因其節(jié)能環(huán)保、價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)和汽車領(lǐng)域上，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。目前，乙醇廣泛應(yīng)用于RCCI 上，在提高熱效率和降低排放上極具潛力。Zhu等[8]在一臺(tái)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了正庚烷/汽油類燃料RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與汽油相比，乙醇/正庚烷RCCI 的NOx和PM 排放量同時(shí)減少了50%。這是因?yàn)樵谙嗤膰娚洳呗韵?，乙?正庚烷RCCI 存在更好的冷卻效果和更高的氧含量。Hanson等[14]在一臺(tái)輕型多缸壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了RCCI 燃燒試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在向汽油中添加20%的乙醇后，制動(dòng)熱效率（BTE）提高了約5%。此外，Hanson 等還發(fā)現(xiàn)，與汽油相比，由于乙醇的低反應(yīng)性增加了反應(yīng)活性梯度，從而降低了壓力上升率（PRR），提高了低負(fù)荷下的燃燒效率。

缸內(nèi)混合氣分層和分布受預(yù)混比影響很大，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)預(yù)混比的提高能夠顯著降低NOx和PM 排放。Li等[15]在甲醇/柴油RCCI 的參數(shù)優(yōu)化研究中發(fā)現(xiàn)，在預(yù)混比、EGR 率、噴油定時(shí)、進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)的初始缸內(nèi)壓力和溫度幾個(gè)因素中，初始溫度和EGR 率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能和排放的影響最為顯著，而預(yù)混比和噴油定時(shí)通過改變缸內(nèi)局部富集燃料和高溫區(qū)域會(huì)顯著影響NOx和PM 排放。I?ik等[16]開展了Rp對(duì)乙醇/柴油RCCI燃燒影響的試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著Rp的增加，缸內(nèi)燃燒溫度下降，NOx大幅降低，同時(shí)還提高了熱效率。

綜上所述，乙醇作為低活性燃料應(yīng)用于RCCI時(shí)在降低排放、提高熱效率和拓寬負(fù)荷上表現(xiàn)優(yōu)異，是一種具有廣闊發(fā)展前景的替代燃料。然而，目前研究大多集中在RCCI 燃燒和排放方面，針對(duì)顆粒物化學(xué)成分的研究比較匱乏，需要進(jìn)一步探索和揭示。因此，本文基于一臺(tái)改裝過的六缸重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，維持循環(huán)總能量為4 000 J/cyc，轉(zhuǎn)速恒定為1 500 r/min，噴油定時(shí)為-10°CA ATDC，預(yù)混比分別為30%、40%和50%，研究預(yù)混比對(duì)乙醇/柴油RCCI 排氣顆粒物化學(xué)成分的影響。本文的試驗(yàn)結(jié)果將豐富和發(fā)展顆粒物化學(xué)成分生成理論，為減少RCCI 顆粒物排放的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究基于一臺(tái)六缸高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝，使用兩套獨(dú)立的燃油噴射系統(tǒng)，通過進(jìn)氣道噴射低活性（高辛烷值）乙醇燃料，缸內(nèi)直接噴射高活性（高十六烷值）柴油燃料，從而實(shí)現(xiàn)RCCI 燃燒。實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示，涉及燃料主要理化特性如表2所示。低活性燃料噴射系統(tǒng)主要包括低壓油軌和低活性燃料噴油器，控制低活性燃料噴油壓力為0.5 MPa，選取孔數(shù)為4、噴射角度為15°的噴油器。

表1 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

圖1顯示了RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和測控系統(tǒng)、溫度壓力監(jiān)控系統(tǒng)、兩套燃油供給系統(tǒng)、ECU 噴油策略控制系統(tǒng)以及顆粒物采集裝置系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工況通過DW630 型電渦流測功機(jī)進(jìn)行控制。

顆粒物采集裝置示意圖見圖2。具體操作如下：首先用膠帶將TEM 微柵黏貼在普通定性濾紙上，然后放入取樣器中。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣由真空泵抽取，使得含有顆粒物的尾氣流過TEM 微柵，從而使顆粒物直接固定在TEM 微柵上，最后取下TEM 微柵放入微柵盒中，密封后放入冰箱以備檢測。本研究采用的TEM 微柵是厚度為15～20 nm 的300目銅網(wǎng)微柵。此外，為了制備合格的顆粒物樣品，取樣時(shí)間和流量應(yīng)當(dāng)分別控制在10～15 s和3 L/min。

表2 試驗(yàn)用燃料主要理化特性

圖1 RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖2 顆粒物采集裝置示意圖

Talos F200S（S） TEM 可實(shí)現(xiàn)具有多功能性和高通量的STEM 成像，可用于精確EDS 分析，如圖3所示。為確保樣品數(shù)據(jù)可靠真實(shí)，減小不確定性，將曝光時(shí)間設(shè)置為10 s，能量范圍（色散）控制在20 keV（5 eV），成形時(shí)間常數(shù)3 μs，電子噪聲為28 eV。顆粒物元素組成通過能量色散X 射線光譜儀（EDS）半定量分析確定，它可以檢測單個(gè)粒子中原子序數(shù)大于5（B）的元素，由于TEM-EDS 無法檢測氫元素，因此該元素不會(huì)出現(xiàn)在TEM-EDS 光譜中[17]。本研究一共測量了3 個(gè)樣本，為了確保所分析的顆粒物能夠代表整個(gè)尺寸范圍，在單個(gè)顆粒物上，至少對(duì)顆粒物的中心和外圍的3 個(gè)不同位置進(jìn)行掃描[18]。此外，EDS 測試時(shí)間為30 s，以盡量減少輻射暴露和潛在的電子束流損傷。

圖3 Talos F200S 透射電子顯微鏡

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

如表3所示，試驗(yàn)期間一系列參數(shù)保持不變。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持1 500 r/min 不變，柴油直噴壓力（direct injection DI） 恒定為100 MPa，而通過進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸參與燃燒的乙醇燃料的噴油定時(shí)和噴油壓力分別為-360°CA ATDC和0.55 MPa。在實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)氣溫度保持在30±1 ℃，冷卻水和潤滑油的溫度分別恒定在90±1 ℃和80±1 ℃。為了保證實(shí)驗(yàn)的可靠性和真實(shí)性，顆粒物的采集是在每個(gè)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)5 min 后進(jìn)行的。在本研究中，循環(huán)總能量維持在4 000 J/cyc 不變，噴油定時(shí)選定-10°CA ATDC。循環(huán)總能量是每個(gè)循環(huán)供應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)中的醇類燃料和柴油的能量之和，其定義如公式（1）所示。預(yù)混比會(huì)對(duì)RCCI 燃燒和排放特性有直接影響，進(jìn)而影響顆粒物的理化特性，因此本研究選擇了3 種預(yù)混比，即30%、40%和50%。在本研究中，Rp被視為端口醇類燃料能量與Etotal的比值，其計(jì)算公式見式（2）。

式中：Ha和Hd分別代表醇類燃料和柴油的低熱值（LHVs），MJ/kg；ma是每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中注入進(jìn)氣歧管的醇類質(zhì)量；md是每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中噴入氣缸的柴油質(zhì)量，kg/h；Etotal是每個(gè)循環(huán)供應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)中的醇類和柴油的能量總和。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)

2 預(yù)混比對(duì)RCCI 顆粒物元素成分和含量的影響

顆粒物也稱為元素碳或黑碳，是燃料不完全或不充分燃燒的產(chǎn)物，主要由C和O 元素組成。它是由粒徑為10～100 nm 的小球形顆粒物團(tuán)聚而成，以鏈狀、簇狀或葡萄狀的形式存在，具有很高的辨識(shí)度。圖4顯示了RCCI 典型顆粒物EDS 能譜圖，其余工況條件與此類情況相似。由于受到銅網(wǎng)微柵的影響，實(shí)際測得的金屬銅元素含量偏大，可能為顆粒物實(shí)際銅元素和銅網(wǎng)微柵共同作用的結(jié)果。盡管測試值不能反映實(shí)際真實(shí)情況，但考慮是探究某一影響因素對(duì)其變化的影響，因此納入分析中。

圖4 RCCI 典型顆粒物EDS 能譜圖

圖5—9顯示了預(yù)混比對(duì)RCCI 排氣顆粒物各元素成分的影響。從圖中可以看出，RCCI 顆粒物元素組成主要包括C、O、Si 元素。除此之外，隨著Rp的減少，乙醇/柴油RCCI 顆粒物檢測出Zr元素。

如圖5所示，隨著Rp的增加，RCCI 顆粒物C 元素含量小幅增加。這是因?yàn)镽p的增加會(huì)導(dǎo)致不完全燃燒的增加，從而形成更多的碳煙前驅(qū)體，顆粒物相應(yīng)增加，導(dǎo)致C 元素含量呈小幅增加趨勢，這與Lee等[19]的研究一致。

圖5 Rp 對(duì)RCCI 排氣顆粒物C 元素的影響

圖6 Rp 對(duì)RCCI 排氣顆粒物O 元素的影響

圖7 Rp 對(duì)RCCI 排氣顆粒物 Si 元素的影響

圖8 Rp 對(duì)RCCI 排氣顆粒物Cu 元素的影響

圖9 Rp 對(duì)RCCI 排氣顆粒物Zr 元素的影響

如圖6所示，隨著Rp的增加，RCCI 顆粒物O 元素含量增加。這是因?yàn)镽p的增加提高了醇類燃料預(yù)混燃燒比例，更多的醇類燃料參與整個(gè)燃燒過程，進(jìn)而提高了顆粒物的O 元素含量。此外，還會(huì)增加潤滑油在燃燒過程中的氧化速率，特別是在燃燒溫度較高的情況下。

如圖7所示，隨著Rp的增加，RCCI 顆粒物Si 元素含量減少。一些學(xué)者在報(bào)告中說道，Si 元素可能來自于從生物質(zhì)提取（如單質(zhì)醇燃料）過程中的無機(jī)成分或有機(jī)絡(luò)合物[20]，在燃燒過程中可以轉(zhuǎn)化為氣溶膠。而預(yù)混比例增加后，缸內(nèi)燃料中氧含量增加，改善了燃燒過程，缸內(nèi)燃燒溫度和壓力增加，促進(jìn)Si 元素在燃燒過程中轉(zhuǎn)化為氣溶膠，最終導(dǎo)致Si 含量降低。

如圖8所示，隨著Rp的增加，RCCI 顆粒物Cu 元素含量減少。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的PM 中金屬元素的主要來源可分為3 部分：燃料、潤滑油、金屬運(yùn)動(dòng)件。本試驗(yàn)所用乙醇燃料為無水乙醇，幾乎不含金屬元素，因此在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用乙醇替代柴油降低了PM 中的金屬元素，從而導(dǎo)致隨著預(yù)混比例的增加，Cu 含量降低。此外，乙醇預(yù)混比例增加后，燃料混合氣中氧含量增加，在高燃燒溫度下可以提高潤滑油在燃燒過程中的氧化速率，因此預(yù)混比例增加，Cu 的含量降低。

如圖9所示，隨著Rp的增加，RCCI 顆粒物Zr 元素含量減少直至消失。在Rp=30%時(shí)產(chǎn)生的顆粒物含有特殊金屬Zr 元素，這是由于潤滑油在高氧濃度和高溫環(huán)境的協(xié)同作用下被氧化，然后這些金屬氧化物會(huì)促進(jìn)顆粒物氧化，導(dǎo)致顆粒物晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

3 結(jié)論

本文在一臺(tái)改裝過的六缸重型高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，選取乙醇作為低活性燃料實(shí)現(xiàn)RCCI 燃燒，探討了預(yù)混比對(duì)乙醇/柴油RCCI 排氣顆粒物化學(xué)成分的影響，主要結(jié)論如下。

1）與傳統(tǒng)顆粒物不同，RCCI 顆粒物除了主要包括C和O 元素外，還含有Si 元素。

2）隨著Rp的減少，RCCI 顆粒物檢測出Zr 元素，并引起其余元素含量變化。

3）隨著Rp的增大，RCCI 顆粒物C 元素含量呈小幅增加，O 元素含量增加，Si 元素和Cu 元素含量減少，且微量元素Zr 含量減少直至消失。