含氧燃料添加对引燃式天然气发动机细颗粒排放的影响

周磊，宁小康，郑瑜，刘亦夫，曾科

（1.西安交通大学能源与动力工程学院，710049，西安；2.吉利汽车动力总成研究院，715336，浙江宁波）

天然气丰富的储量、良好的抗爆性、低廉的价格被认为是最具前途的发动机代用燃料，随着“页岩气革命”的到来，天然气的价格优势将进一步扩大［1］，这进一步推动了天然气发动机的研究和应用。

天然气以甲烷为主，分子结构中不含C—C键，可实现无烟燃烧；天然气中碳氢质量比为1∶4，燃用它可大幅降低CO2排放。天然气拥有较高的辛烷值和良好的抗爆性，可应用于压燃式发动机，以获取更高的燃料转化效率，但其自燃温度较高，难以压燃着火。目前，便捷可行的着火方式是以少量的柴油作为初始着火资源，来引燃预混的天然气空气混合气，实现多点同时着火，即柴油引燃天然气［2］。这种燃烧方式见效快、成本低，可灵活调节燃料比例，实现匹敌于柴油机的有效热效率，同时大幅降低NOx和碳烟排放［3-4］，因此受到国内外的广泛关注。但是，这种燃烧方式在降低排放颗粒质量的同时却增加了细颗粒（粒径Dp≤2.5μm，即PM2.5）数量的排放，出现了“以颗粒质量换颗粒数量”的现象。

针对柴油引燃天然气发动机细颗粒排放的问题，作者曾提出采用热废气再循环（EGR）方法来降低颗粒排放［5］，但采用该方法将引起颗粒质量浓度小幅增加，而相关的研究表明，在柴油中添加部分种类的含氧燃料（含氧添加剂）能够大幅降低柴油机碳烟排放［6-9］。碳酸二甲酯（DMC）含氧量（氧的质量分数）高达53.3%，无毒、无腐蚀性、不易挥发，常温下可与柴油互溶［7］，燃用柴油-DMC无需硬件修改，生产成本较低，具有能改善缸内燃烧、大幅降低碳烟排放等优点，被认为是一种良好的含氧添加剂。有关DMC对柴油机细颗粒排放影响的研究较少，Cheung等发现，柴油中添加DMC有助于降低柴油机细颗粒的排放［10］。柴油机与柴油引燃天然气发动机在燃料种类、燃烧方式和排放特点方面存在差异［4，11-12］，因此本文提出采用添加 DMC的方法来实现柴油引燃天然气发动机低颗粒排放，并探讨这一方法的可行性和效果。

1 试验装置和方法

1.1 试验设备和燃料

试验用柴油引燃天然气发动机是由单缸柴油机改装而成，在保持原柴油机的基础上添加了一套天然气供给系统，该系统由高压气瓶、加气阀、压缩天然气（CNG）减压装置、CNG控制步进电机（调节气量）和天然气空气混合器组成。图1为试验台架示意图，发动机主要技术参数如表1所示。试验用天然气为陕北天然气，甲烷的体积分数可达96.6%，柴油采用标准0号柴油。

图1 试验台架示意图

试验所用颗粒分析仪器为芬兰DEKATI公司的静电低压撞击器（ELPI），其稀释系统采用两级稀释系统（DI-2003），稀释比为64∶1。该仪器可测量粒径分布在7nm～10μm间的颗粒。ELPI中的串级冲击式采样器利用颗粒的惯性、按照动力学粒径将颗粒分为12级。试验所用的稀释和采样方法可参见文献［13］。由于柴油引燃天然气发动机的排放颗粒物较小，因此本文主要关注PM1（Dp＜1μm）的颗粒排放，试验中的采样级数为1～8。

表1 发动机技术参数

1.2 试验方案

引燃式天然气发动机的引燃油量和喷射时刻对颗粒排放影响较大，因此在研究DMC对柴油引燃天然气的影响之前，需要确定讨论的基础，即基本引燃油量［3，5］。基本引燃油量是指在仅柴油参与燃烧的情况下，发动机某一固定转速零扭矩输出所需的燃油量，此时柴油燃烧仅用于克服机器本身的损耗，而发动机的动力输出仅依靠增加的天然气量。

通常，增加引燃油量将导致滞燃期缩短，颗粒数量浓度降低，颗粒质量浓度增加；推迟引燃燃料喷射时刻将导致滞燃期缩短，燃烧放热率曲线从单峰向双峰转变［11］，颗粒数量浓度降低，颗粒质量浓度增加。相关的研究表明，柴油机燃用柴油-DMC混合燃料会延长滞燃期，增加预混燃烧比例［8，10］。在柴油-DMC引燃天然气中，为了消弱DMC对滞燃期的影响，更好地研究DMC在降低颗粒排放方面的潜力，应适当增加引燃油量和推迟喷射时刻。因此，本试验在维持发动机转数1600r／min、固定基本引燃油量8g／min和喷射时刻10°下，通过增加天然气量来实现发动机不同负荷（平均有效压力0.14、0.28、0.42MPa）下的稳定运转。试验用燃料为0号柴油和4种不同掺混比的柴油-DMC混合燃料，混合燃料中含氧量分别为0%、5%、10%、15%、20%，分别称为0%DMC、5%DMC、10%DMC、15%DMC、20%DMC，3种负荷下8g／min柴油引燃油占总燃料的能量比分别为31%、22%、16%。随着引燃油量中含氧量从0%增加至20%，该引燃油量占总燃料的比例逐渐降低，降幅在3%之内。当含氧量为20%时，3种负荷下引燃油量占总燃料的比例分别为28%、20%、14%。试验水温和润滑油温度分别为70℃和80℃且保持不变。本试验所获数据均为稳态数据。

2 试验结果和分析

2.1 含氧量对燃烧特性的影响

引燃式天然气发动机的燃烧方式有别于传统柴油机和汽油机［4，14］，对其进行分析将有助于解释和分析颗粒排放特点。

图2为引燃燃料的物性（含氧量、低热值、十六烷值、汽化潜热），图3为平均有效压力为0.28MPa时含氧量对燃烧放热率的影响。随着引燃燃料中含氧量的增加，滞燃期逐渐延长，初始燃烧放热明显加强，总燃烧持续期不断缩短。这主要是随着引燃燃料中DMC比例的增加，引燃燃料的十六烷值逐渐降低（见图2c），燃料滞燃期延长，相较柴油，DMC具有较低的黏度和沸点及较高的蒸气压力，使得直喷时液体燃料雾化效果提升，柴油-DMC与天然气-空气混合气的均匀性增强。

图4为引燃燃料中含氧量对最高燃烧温度的影响。引燃燃料中DMC的质量分数的增加对缸内最高燃烧温度的影响较小。引燃燃料中含氧量低于15%时，最高燃烧温度略微增加，其最大增幅约5%；引燃燃料中含氧量为20%时，最高燃烧温度略有降低，但仍与引燃燃料中含氧量为0时的最高燃烧温度基本持平。其原因是：①引燃燃料中含氧量增加，缸内工质获氧的能力增强（平均有效压力为0.14MPa、引燃燃料中含氧量从0%增加到20%时，过量空气系数由2.8增至3.2），燃料充分燃烧，所以缸内燃烧温度升高；②滞燃期延长，缸内工质混合均匀性提高，初始着火点数量增多，着火位置分布更广，所以缸内燃烧温度升高；③引燃燃料中DMC比例增加，引燃燃料的汽化潜热增大（见图2d），燃烧过程中燃料吸热增加，缸内燃烧温度降低，但由于DMC占总燃料的比例较小，因此汽化潜热的增加对降低缸温的影响有限；④滞燃期延长，燃烧始点推后，燃烧主体进入膨胀行程，相较于0%DMC，20%DMC的滞燃期推迟约8°（见图3），此时燃烧主体完全进入膨胀行程，燃烧温度开始下降。在上述因素的共同作用下，缸内最高燃烧温度的变化较小。

图2 引燃燃料的物性

图3 平均有效压力为0.28MPa时含氧量对燃烧放热率的影响

图4 引燃燃料中含氧量对最高燃烧温度的影响

2.2 含氧量对颗粒排放的影响

图5、6分别展示了含氧量对柴油引燃天然气发动机排放的颗粒数量浓度和质量浓度的影响。发动机排放的颗粒数量浓度和质量浓度均呈现单峰分布，数量浓度峰值粒径在100nm附近，质量浓度峰值粒径在200nm附近。随着引燃燃料中含氧量的增加，排放的颗粒数量浓度和质量浓度同时降低，无论是核模态颗粒（Dp＜50nm）还是积聚模态颗粒（50nm＜Dp＜1 000nm），均随含氧量的增加而降低。在0.42MPa的平均有效缸内压力下，PM1颗粒数量浓度降幅最高达86%，颗粒质量浓度降幅可达70%，可见随着负荷的增加，颗粒粒径逐渐增大（见图5）。

核模态的颗粒成因相对较复杂，通常认为是燃烧室内的一次碳粒（初级颗粒），以及硫酸或者HC等前体物在排放稀释过程中成核形成的二次颗粒物［15］。积聚模态颗粒主要是柴油或者润滑油经过不完全燃烧产生的一次碳粒（Dp≈2nm）聚积成团，并凝结吸附HC或者硫化物等挥发、半挥发物形成的［16］。

根据柴油机颗粒生成历程［17］，在燃烧初期颗粒已经形成，其生成、生长、氧化过程是颗粒生成作用和颗粒氧化作用相互竞争的过程。颗粒的大小、数量和质量与燃料种类及着火前混合物的均匀性（预混率）密切相关。因正庚烷的物理化学特性接近柴油，黄等人研究发现，随着正庚烷预混率的提高，核模态颗粒数量浓度逐渐升高，积聚模态颗粒数量浓度逐渐降低［18］。姚等人对含氧燃料甲醇-柴油（中低预混率或替代率）研究发现，随着甲醇-柴油的预混率提高，核模态和积聚模态的颗粒数量浓度、质量浓度降低［19］。

图5 含氧量对柴油引燃天然气发动机排放的颗粒数量浓度的影响

图6 含氧量对柴油引燃天然气发动机排放的颗粒质量浓度的影响

对于柴油-DMC引燃天然气发动机，随着引燃燃料中DMC比例的增加，核模态和积聚模态的颗粒数量浓度和质量浓度同时降低。其主要原因有以下几个方面：①引燃燃料中DMC比例增加，滞燃期延长（见图3），缸内工质混合均匀性增强，燃料充分燃烧，一次碳粒（颗粒先导物）生成量减少，一次碳粒积聚成团生成积聚模态颗粒和成核形成核模态颗粒的数量降低；②DMC比例增加，引燃燃料中含氧量增大，缸内工质获氧的能力增强，颗粒的氧化作用加强，颗粒数量降低；③引燃燃料中含氧量增至20%时，引燃燃料占总燃料的比例出现了2%的降幅，预混率小幅提升，总燃料的含碳量小幅降低。上述原因加之DMC不含C—C键，这些有利因素在一定程度上抑制了颗粒的生成。

3 结 论

本试验研究了含氧燃料中DMC的添加对引燃式天然气发动机燃烧和颗粒排放的影响。研究发现，随着引燃燃料中含氧量的增加，滞燃期逐渐延长，初始燃烧放热率提高，总燃烧期逐渐缩短。

柴油引燃天然气发动机排放的颗粒数量浓度和质量浓度均呈现单峰分布。颗粒数量浓度峰值粒径在100nm附近，质量浓度峰值粒径在200nm附近。随着引燃燃料中含氧量的增加，颗粒数量浓度和质量浓度同时降低。当引燃燃料中含氧量为20%时，颗粒数量浓度降幅最高达86%，颗粒质量浓度降幅最高达70%。因此，引燃柴油中添加DMC是一种降低柴油引燃天然气发动机排放颗粒数量浓度和质量浓度的有效方法。

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