发动机燃用GTL柴油的颗粒数量排放＊

谭丕强，鲍锡君，胡志远，楼狄明

（同济大学 汽车学院，上海201804）

柴油机排气颗粒对大气环境具有很大的危害，其中粒径极小的核态颗粒可以到达人体肺部深处，对人的健康危害更加明显。这些核态颗粒占排气颗粒质量的比例很小，但是其数量却往往占排气颗粒数量的绝大多数［1］。以往法规只限制发动机排气颗粒质量，而研究表明某些先进柴油机的排气颗粒质量下降，但其排气颗粒数量却有可能上升，颗粒危害性是否真正降低也不能得到确定。因此，柴油机排气颗粒数量及其粒径分布的研究日益得到重视，发动机研究者也已开展了相关工作［2－4］。

采用清洁燃料是降低汽车颗粒排放的有效方法之一。以天然气为原料合成的天然气制油（GTL柴油）近些年得到了广泛的关注。与传统柴油相比，GTL柴油基本不含硫和芳香烃，十六烷值很高。已有研究表明柴油机可以不用进行任何改装而直接使用GTL柴油，并且在柴油机燃用GTL柴油可有效降低颗粒的排放质量和排气烟度［5－10］。但是，对于发动机燃用GTL柴油的排气颗粒数量及粒径分布特性如何，需开展相关研究。

基于此点，本文对一台电控高压共轨柴油机的排气颗粒数量进行了试验研究，分析了其燃用纯柴油、纯GTL柴油以及二者不同配比的GTL混合燃料的排气颗粒数量及粒径分布，并对相关结果进行了探讨。

1 试验样机和燃料

1.1 试验样机

试验样机为一台4气缸电控高压共轨直喷式柴油机，其主要技术参数如表1。

表1 样机的主要技术参数

1.2 试验燃料

试验所用纯柴油与纯GTL柴油的主要理化特性如表2，该柴油符合沪四柴油标准（参照欧四柴油标准）要求。可见GTL柴油几乎不含硫，十六烷值高于石化柴油，而密度和黏度则低于石化柴油。

表2 纯柴油和纯GTL柴油的主要理化特性

2 颗粒数量和粒径分析仪器及测试方法

颗粒测试采用美国TSI公司的EEPS（Engine Exhaust Particle Sizer）发动机排放颗粒数量和粒径测试仪，该仪器可快速测取柴油机的排气颗粒数量及粒径分布特性，同步输出32个数据通道的颗粒数量和粒径分布数据。发动机排气颗粒进入测试设备之前要进行稀释，本试验采用两级稀释，总稀释比为500∶1。第1级稀释系统采用TSI公司的专业旋转盘稀释器，对部分采集到的柴油机排气进行稀释，控制初级稀释系统的加热温度为120℃，稀释比为200∶1；第2级稀释采用一个流量计对进气流量进行补偿，并同时进行稀释，稀释比为2.5∶1。

3 试验方案

试验用油为纯柴油、纯GTL柴油及二者按一定比例掺混得到的燃料，其中GTL体积掺混配比分别为10%，20%，简称G10、G20。将纯柴油和纯GTL柴油称为G0和G100。在AVL－PUMA发动机全自动试验台架上分别对这4种燃料进行台架试验。重点研究不同GTL柴油掺混配比对柴油机排气颗粒数量和粒径分布特性的影响。试验工况为两个典型转速：最大转矩转速1 500r／min和标定转速2 300r／min的负荷特性试验。负荷百分比分别为各自转速下的10%，25%，50%，75%和100%。

4 试验结果与讨论

4.1 最大转矩转速时排气颗粒数量的粒径分布

图1至图5为该样机燃用这4种燃料，最大转矩转速1 500r／min时5个不同负荷（10%，25%，50%，75%，100%）下排气颗粒数量的粒径分布。

图1 颗粒数量的粒径分布（1 500r／min，10%负荷）

图2 颗粒数量的粒径分布（1 500r／min，25%负荷）

由图1至图5可见，随着GTL柴油掺混配比和负荷的变化情况，该转速的颗粒数量粒径分布大都呈现明显的双峰对数分布。其主要特点如下：

（1）随GTL柴油配比增加，各负荷下不同粒径的颗粒数量大都持续下降。颗粒数量最大峰值粒径范围大都处于40nm至50nm之间的聚集态颗粒，核态颗粒数量的峰值粒径集中在10nm附近。

图3 颗粒数量的粒径分布（1 500r／min，50%负荷）

图4 颗粒数量的粒径分布（1 500r／min，75%负荷）

图5 颗粒数量的粒径分布（1 500r／min，100%负荷）

（2）GTL柴油降低了聚集态颗粒的数量。这是因为GTL柴油几乎不含芳香烃，随着GTL柴油掺混比的增加，降低了燃油的芳香烃含量，减少了燃烧过程中的高温裂解组分，改善了燃烧，从根本上抑制了聚集态颗粒的形成。

（3）GTL柴油明显降低了核态颗粒的数量。随着GTL柴油配比的增加，粒径小于30nm的核态颗粒数量下降都比较明显。这主要是GTL柴油硫含量极低，由硫化物导致的核态颗粒数量很少。同时GTL柴油的黏度低，十六烷值高，可以改善燃油的雾化和燃烧，有效减少了可溶有机物SOF的数量。这些因素都导致GTL柴油排放的核态颗粒数量显著下降。

4.2 标定转速时排气颗粒数量的粒径分布

图6至图10为该样机燃用这4种燃料，标定转速2 300r／min时5个不同负荷（10%，25%，50%，75%，100%）下排气颗粒数量的粒径分布。

图6 颗粒数量的粒径分布（2 300r／min，10%负荷）

图7 颗粒数量的粒径分布（2 300r／min，25%负荷）

图8 颗粒数量的粒径分布（2 300r／min，50%负荷）

图9 颗粒数量的粒径分布（2 300r／min，75%负荷）

图10 颗粒数量的粒径分布（2 300r／min，100%负荷）

由图6至图10可见，随着GTL柴油掺混配比和负荷的变化情况，该转速下颗粒数量粒径分布也呈现明显的双峰对数分布。与前述1 500r／min转速相比，2 300 r／min转速下颗粒数量的粒径分布有如下特点。

（1）该转速下不同粒径颗粒的数量分布更为均匀。由图6至图8可见，中低负荷下（10%，25%和50%负荷比）10nm至60nm之间各粒径的颗粒数量变化不大。与1 500r／min转速类似，其聚集态颗粒数量的峰值粒径集中在40～50nm，而核态颗粒数量的峰值粒径也在10nm附近。

（2）随着GTL柴油配比的增加，各负荷下不同粒径的颗粒数量大都持续下降。与1 500r／min相比，其核态颗粒数量降幅更大，这在高负荷下（75%和100%负荷比）更为明显，这主要是高负荷下每循环供油量大幅增加的原因。聚集态颗粒数量也较纯柴油有一定的降幅，其中G20和G100柴油更为明显。

综合分析，在1 500r／min和2 300r／min转速下，随负荷的变化，无论燃用柴油、GTL柴油或GTL混合燃料，该柴油机排气颗粒数量随粒径变化大都呈现明显的双峰对数分布状态。其排气核态颗粒的峰值粒径在10nm附近，聚集态颗粒峰值大都出现在40～50nm之间。随GTL柴油配比的增加，各粒径排气颗粒数量均呈持续下降趋势，且高转速工况时核态颗粒数量下降幅度更大，G20和G100柴油聚集态颗粒的数量降幅更为显著。

4.3 燃用GTL柴油的排气颗粒总数量

将某试验工况点下所有粒径通道的颗粒数量进行求和，即得到该试验工况点的颗粒总数量。图11和图12给出了该柴油机燃用纯柴油G0、纯GTL柴油G100、G10和 G20柴油时，1 500r／min和2 300r／min转速下不同负荷的颗粒总数量。

由图11和图12可以看出，在各个负荷比工况下，随着GTL柴油配比的增加，排气颗粒总数量均呈现逐渐下降的变化，这与前面不同工况试验的结果是一致的。

图11 1 500r／min时的颗粒总数量

图12 2 300r／min的颗粒总数量

在1 500r／min转速时，G100柴油与纯柴油相比，在5个不同负荷比（10%，25%，50%，75%，100%）工况下，排气颗粒总数量分别下降了20.7%，34.3%，21.2%，21.4%和23.5%；而在2 300r／min转速下，G100柴油则比纯柴油下降了44.9%，27.3%，53.6%，30.6%和34.7%。总体上与纯柴油相比，1 500r／min时G100柴油的排气颗粒总数量平均降幅为24.2%，2 300r／min时平均降幅为38.2%。由此可见，该机高转速时GTL柴油降低排气颗粒数量的效果更为明显。

5 结论

以一台电控高压共轨柴油机为样机，研究了发动机燃用GTL柴油的排气颗粒数量及粒径分布规律。结论如下：

（1）在各个试验工况下，无论燃用柴油，还是GTL柴油或混合燃料，该机排气颗粒数量随粒径变化大都呈现明显的双峰对数分布状态。其排气核态颗粒的峰值粒径在10nm附近，聚集态颗粒峰值大都出现在40～50nm之间。

（2）随着GTL柴油配比的增加，各工况下不同粒径的颗粒数量大都持续下降。

（3）GTL柴油降低了聚集态颗粒的数量。随着GTL柴油掺混比的增加，降低了燃油的芳香烃含量，减少了燃烧过程中的高温裂解组分，从根本上抑制了聚集态颗粒的形成。G20和G100柴油聚集态颗粒的数量降幅更为显著。

（4）GTL柴油明显降低了核态颗粒的数量。GTL柴油的低黏度、高十六烷值的特性改善了燃油的雾化和燃烧，有助于降低核态颗粒的排放。同时GTL柴油几乎不含硫，大大减少了硫化物的产生，从而显著降低核态颗粒的形成。

（5）随着GTL柴油配比的增加，发动机排放颗粒的总数量逐渐下降。高转速时颗粒排放总数量比低转速时下降的幅度更大。

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