燃料含硫量及运转条件对高压共轨柴油机微粒排放粒度分布的影响

王晓丹，孙万臣，李国良，杜家坤，赖春杰，2，谭满志

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025;2.一汽-大众汽车有限公司，长春 130025)

前言

柴油机微粒排放成分极为复杂，含有多种致癌物质，对人类健康和生存环境危害极大，如何降低柴油机的微粒排放已经成为内燃机行业内一个关键性技术问题［1－2］。高压共轨直喷技术(CRDI)的喷射压力可以达到180MPa以上，能使燃油充分雾化，微粒的质量排放量得到控制，同时导致微粒趋于超细化。已有研究表明，粒径小于100nm的超细微粒能够进入并沉积在人体肺泡中，从而诱发人体组织癌变［3］。此外，未来的排放法规不仅严格控制微粒的质量排放量，还对微粒的数量加以限制。因此，柴油机超细微粒排放粒度的分布研究日益受到研究者的普遍关注［4－6］。

根据微粒粒径大小将超细微粒分为核态和积聚态两种。在微粒成核阶段，以硫化物、挥发性有机物和部分粒径较小的碳质颗粒构成粒径小于50nm的核态微粒;在微粒凝聚阶段，先期生成的固态碳质颗粒相互碰撞、凝聚并进一步吸附未燃碳氢等挥发性有机物形成粒径大于50nm的积聚态微粒［6］。研究表明，微粒排放与燃料含硫量密切相关［7－9］，相同发动机燃用不同硫含量种燃料时，其微粒排放粒度分布存在较大差异。

本文中利用硫质量分数为1 500×10－6的高硫柴油与和硫质量分数为50×10－6低硫柴油进行对比试验，探索燃料含硫量和运转条件对微粒排放粒度分布的影响，旨在揭示高压共轨柴油机的微粒排放特征，为控制超细微粒排放数量提供技术支持。

1 试验装置和研究方案

1.1 试验用发动机和试验燃料

采用高压共轨、增压中冷四缸直喷式车用柴油机进行试验研究，该发动机燃烧室为缩口ω型，具有较好的动力性、经济性和排放性，排放指标达到国IV水平。发动机主要参数如表1所示。试验燃料采用硫质量分数分别为1 500×10－6的高硫0#柴油和50×10－6低硫柴油，表2为试验燃料的主要理化特性指标。

表1 发动机主要技术参数

1.2 发动机测试及稀释取样系统

为使排气在引入粒度仪前得到充分稀释，采用自行设计的排气二级稀释系统对发动机尾气进行稀释和降温。试验结果表明，稀释比位于200～300之间时能够更好地反映排气中微粒粒度分布情况。因此，设定第一级稀释比为25，第二级稀释比为10，总稀释比约为250左右时，能够满足试验要求且具有较好的重复性。研究中所使用的主要仪器设备如表3所示。

表2 试验燃料理化特性

表3 主要仪器设备

1.3 研究方案

选取发动机外特性工况和最大转矩转速对高压共轨柴油机微粒排放粒度分布特征进行研究。其中，最大转矩转速(1 800r/min)负荷特性工况选取当量比分别为0.2、0.4、0.5和0.6的4种负荷。

2 试验结果及分析

2.1 外特性工况下微粒排放粒度分布特征

图1为外特性工况下燃用高硫含量0#柴油时的微粒排放粒度分布特征。从图1(a)～图1(c)中可以看出，微粒数量浓度分布曲线在5～15nm之间出现峰值，由于大粒径微粒具有较大的表面积及体积，导致表面积浓度及体积浓度分布峰值向大粒径方向偏移，峰值位于50～150nm之间。图1(d)中微粒比例皆指其占全部微粒总数量的比例。由图可见，发动机转速低于2 000r/min时，核态微粒变化不大，积聚态微粒随转速升高而减少，核态微粒所占比例逐渐增加;转速高于2 000r/min后，随转速上升，两种形态的超细微粒浓度都有所增加，导致总微粒数量浓度上升，但核态微粒所占比例下降。同时可以看出，外特性工况不同转速下，超细微粒所占比例均在94%以上，而核态微粒所占比例都超过72%，说明高压共轨柴油机微粒排放以核态为主。

图2为1 800r/min不同负荷工况下微粒排放粒度分布。由图可见，各负荷工况下微粒数量浓度分布曲线在5～15nm之间出现核态微粒峰值。随着当量比即负荷的增加，模态微粒的数量浓度、表面积浓度和体积浓度均有所上升，而积聚态微粒浓度随负荷的变化规律并不明显。但两种形态的微粒所占比例变化不大且处于较高水平，即使在小负荷工况模态微粒比例仍高达95%以上，超细微粒比例超过99%。主要原因是高压共轨柴油机具有较高的喷射压力，能使更多的空气卷吸到喷注中，有利于促进燃料与空气的混合，从而抑制碳质颗粒的形成，使积聚态微粒数量无明显增加。较少的积聚态微粒数量又会对核态微粒的吸附与凝并产生抑制作用，导致核态微粒数量随负荷增大明显增加。

2.2 不同硫含量燃料微粒排放粒度分布的对比

图3和图4分别为中小负荷工况(当量比为0.2、0.4)和大负荷工况(当量比为0.5、0.6)不同硫含量燃料微粒排放粒度分布对比。由图可见:不同负荷工况下燃用低硫柴油时的各模态微粒数量、表面积和体积浓度均较高硫柴油有明显降低，大负荷工况下降低幅度更大，而积聚微粒浓度随燃料含硫量的变化不明显。燃用低硫柴油时超细微粒和总微粒数量在当量比为0.2和0.4的中小负荷工况下比高硫柴油分别约降低65%和50%;在当量比为0.5和0.6的大负荷工况下降低幅度则分别达到92%和94%;大负荷工况下核态微粒的比例显著下降，当量比为0.6时，该比例约由燃用高硫柴油时的97%降低到燃用低硫柴油时的52%以下。这是由于在预混合燃烧初期，由缸内大量未燃碳氢成分组成的极小液滴与燃烧过程中产生的硫酸盐成分相互凝并构成了核态微粒的初始载体，形成核态微粒。同时，燃烧过程中碳氢燃料经过脱氢、断链并进一步环化，C、H原子以一定比例初步生成多环芳烃成分，进而形成微小的碳质核心。碳核通过吸附已形成的核态微粒并相互碰撞、积聚、凝并而形成粒径大于50nm以上的链状或团絮状积聚模态微粒。燃料中的硫元素参与燃烧后生成的硫酸盐成分以微小颗粒的形式存在，在预混合燃烧阶段不需要经历脱氢断链，即可与其他C、H原子直接形核，从而大大增加了微粒的成核倾向。

3 结论

(1)高压共轨柴油机微粒排放以核态微粒为主，不同运转条件下核态微粒所占比例均在72%以上，超细微粒所占比例在94%以上。

(2)外特性工况下，转速低于2 000r/min时，核态微粒相差不大，积聚态微粒随转速升高而减少，核态微粒所占比例逐渐增加;转速高于2 000r/min后，随转速上升，两种形态的超细微粒浓度都有所增加，导致总微粒数量浓度上升，但核态微粒所占比例下降。

(3)不同负荷工况下微粒数量浓度分布曲线呈现出单峰形态分布，且随着负荷的增大，核态微粒和总微粒数量显著增加，积聚态微粒数量变化不大。

(4)燃料含硫量是影响发动机微粒排放粒度分布的重要因素，其对核态微粒排放数量的影响较为显著，对积聚态微粒数量影响不明显。随着硫含量的增加，超细微粒和总微粒排放数量浓度明显增加。大负荷工况下，硫含量对柴油机微粒数量排放的影响更为明显。

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