燃料着火性及挥发性对柴油机超细微粒排放的影响*

王晓丹 孙 石 张志正 杨 松 唐昕彤 杨 静

（长春工程学院 吉林 长春 130012）

引言

能源短缺和环境污染已成为全球关注的焦点，尽管新型清洁燃料汽车有了较大发展，但在未来相当长的一段时期内，传统汽油和柴油汽车仍是发展的主流。柴油发动机由于压缩比高，绝热损失及泵气损失小的特点，具有良好的动力性和经济性，广泛应用于汽车、交通、农业及工程机械领域。但是，由于柴油粘度大，挥发性较差，混合气形成困难，导致传统柴油机燃烧过程中不可避免地存在局部高温、过浓区，使柴油机的NOx与碳烟排放存在此消彼长的竞争关系，制约了柴油机的发展。近年来，大量新技术的应用虽然使得柴油机微粒质量排放大幅度降低，但却导致燃烧生成的微粒超细化程度更高，数量相应增多[1]，排气微粒成分更为复杂，对环境及人体的危害更大[2-3]。因此，柴油机的颗粒物排放问题，尤其是超细颗粒物数量排放问题日益成为各国研究机构关注的焦点[4-6]。

发动机的燃烧及排放与燃料理化特性紧密相关。对于发动机燃烧过程，燃料的蒸发、混合和化学反应都是决定性因素，且均与燃料的理化特性相关。在衡量燃料着火性时多采用燃料十六烷值来作为评价标准，提高燃料十六烷值表示燃料着火性得到改善，相应在燃烧初期化学反应速率提升，滞燃期缩短，易于着火。但通常来讲，过高的十六烷值会导致滞燃期过分缩短，不利于油气混合气的形成，进而影响颗粒物排放情况[7-9]。

传统柴油是由多种柴油组分按照不同比例进行调和得到的。为进一步分析燃料理化特性对发动机排气颗粒物粒度分布的影响规律，本研究选取基本的调和组分作为基础燃料，按照不同的配比制取不同着火性及挥发性的试验燃料。同时，利用美国TSI公司的EEPS 3090d发动机排气粒径分析仪对发动机不同负荷稳态工况下微粒排放粒度分布进行试验研究，并结合微粒的微观形貌分析技术综合评价燃料理化特性对柴油机颗粒物排放的影响规律。

1 试验设备及方法

1.1 试验发动机

试验用发动机为一台匹配高压共轨、增压中冷的4缸直喷式车用柴油机，其主要技术参数如表1所示。

表1 试验发动机主要技术参数

1.2 试验用主要仪器设备

研究中采用洛阳凯迈机电CW160型测功机对发动机运转过程进行控制，利用自行搭建的进气中冷系统控制试验进气温度维持在35℃左右。试验中油耗测量采用Onno Sokki DF20系列油耗仪对油耗进行，同时，利用Horiba 7100DEGR对气态排气成分及空燃比进行实时监控测量。由于粒度分析仪对排气颗粒物浓度有限值要求，试验中利用AVL DiSMOKE 4000消光烟度计对排气烟度进行监测。

由于超细颗粒物具有不稳定的特点，在排气过程中易发生理化特性改变，因此研究中针对超细微粒的测量需求设计了排气微粒二级稀释系统，通过调节稀释比以保证颗粒物在排气流动过程中不会发生进一步反应影响测量结果。试验中控制稀释比200左右，试验结果具有较好的重复性，能够满足研究的需要。利用滤纸对稀释后排气颗粒物进行捕集用于颗粒物成分及形貌特性分析。

1.3 试验燃料

为获取不同着火性及挥发性的试验燃料，研究中选取柴油的基础调和组分加氢柴油、直镏柴油和煤油作为基础燃料，按不同比例进行配比，获取不同理化特性的试验燃料。在不同着火性燃料研究中，以燃料的十六烷值来对燃料进行命名，分别定义为CN44、CN55和CN60。在不同挥发性的研究中，以燃料的中均沸点对燃料进行命名，分别定义为T264、T271和T281。不同燃料的理化特性及配制比例如表2所示。图1为不同理化特性柴油燃料中C10-C16烷烃成分对比，试验结果为采用岛津GC2014气相色谱分析仪测试得出。从结果中可以看出，高十六烷值的燃料中，碳数为13以上的长链烷烃含量相对较高。直链烷烃随着碳数增加易断链，因此在温度及压力条件适宜时，更易于发生化学反应，并引发整体的放热过程。

图1 不同燃料中烷烃类成分占比对比

1.4 试验工况及数据分析方法

试验选取柴油机典型的最大转矩转速中等负荷工况（2 000 r/min，当量比0.4）进行。为避免排气管内沉积物对超细颗粒物数量测量的影响，对于不同试验燃料，均保证发动机在测试工况稳定运行30 min以上后进行颗粒物数量测量及滤纸捕集。对于采集到的滤纸样品，采用马弗炉以400℃高温对采集后的滤纸进行烘干以分离DS和SOF成分。通过测量烘干前后滤纸的质量即得到颗粒物中DS和SOF质量占比。为深入分析燃料特性对超细颗粒物数量排放的影响规律，本文定义粒径小于100 nm的微粒为超细微粒，粒径小于30 nm为核态微粒，30 nm以上为积聚态微粒。

表2 不同十六烷值燃料的调配比例及特性参数

2 试验结果及分析

2.1 不同着火性燃料微粒排放粒度分布特征

图2为发动机燃用不同着火性燃料时的微粒排放粒度分布特征，由图可见，不同燃料排气超细颗粒物数量排放曲线呈不规则单峰分布，其中核态微粒数量浓度峰值处于10 nm附近，积聚态微粒区域内无明显峰值区间。对于微粒体积浓度分布曲线，由于大粒径微粒在体积方面具有较大占比，因此与数量浓度分布曲线不同，体积浓度分布曲线峰值主要位于积聚态微粒区间内，约100 nm附近。随十六烷值升高，燃料着火性提高，核态微粒数量浓度峰值降低，不同粒径颗粒物数量分布向大粒径方向迁移。主要原因在于：着火性提高，燃料中高碳数直链烷烃含量增加，易于发生化学反应，宏观上体现为滞燃期缩短，燃油与空气混合气时间相对不足，缸内存在更多的油气过浓区，燃烧过程碳烟生成倾向增加。由于积聚态微粒主要为表面疏松多孔状碳颗粒物吸附未燃碳氢等物质并相互碰撞团聚形成，因此碳烟生成量与积聚态微粒数量存在一定相关性。从图2d不同模态微粒数量浓度及比例中可以看出，积聚态微粒总数随十六烷值升高单调增加，核态微粒总数逐渐降低，当十六烷值增加到55时，继续增大时颗粒物总数和超细颗粒物数量变化不明显。燃用高十六烷值燃料时，核态微粒数量占颗粒物总数比例显著降低，但超细微粒数量在颗粒物总数中的占比变化不大。

图2 不同着火性燃料排气微粒分布特征

为进一步分析燃料特性对颗粒物成分的影响规律，试验中利用滤纸对排气颗粒物进行捕集，并对颗粒物中的DS和SOF成分进行分离。由图可知，随十六烷值升高，滤纸捕集到的颗粒物总质量呈先减小后增加的趋势。但对于DS，则呈现单调增加的状态，且SOF单调减少。由于低十六烷值燃料着火性较差，滞燃期长，油气混合较为充分，碳烟生成倾向较低。但过低的十六烷值会使滞燃期过于延长，缸内局部区域会出现过稀状态，未燃碳氢生成量增加，SOF比例升高。综合以上分析，可以认为在试验所选工况范围内，采用十六烷值为55的燃料能够获得较好的颗粒物质量排放特性，颗粒物质量浓度较十六烷值为44和60的燃料降低约28%。

图3 不同着火性燃料微粒成分对比

2.2 不同挥发性燃料微粒排放粒度分布特征

本节重点针对燃料挥发性对排气微粒粒度分布的影响进行研究，试验采用煤油、直馏柴油和加氢柴油配制出十六烷值相近，不同挥发性的燃料。图4为燃用不同挥发性燃料时微粒排放粒度分布结果。从图中可以看出，发动机中等负荷工况下燃用不同挥发性试验燃料时，排气颗粒物数量浓度分布特性曲线在10 nm附近出现明显核态微粒峰值。当燃用中均沸点为281℃的燃料时，由于挥发性相对较差，混合气形成过程需要更多的时间，易于出现混合不均匀的区域，导致燃烧过程局部富油区域燃料分子发生高温热解生成碳烟颗粒，积聚态微粒数量增加。对于中均沸点为264℃和271℃的燃料，粒度分布特性相差不大。从图4d中还可以看出，燃用不同挥发性的燃料，超细微粒比例均在97%以上，其中核态微粒比例在80%以上。由图可见在中小负荷工况下，燃用基础燃料T281时微粒数量浓度较低，与T281相比添加少量易挥发的成分使得核态微粒数量浓度有所升高。燃用挥发性较强的燃料（T264）时相比燃用T281燃料时超细微粒中核态微粒所占比例升高约8%。这是因为，挥发性好的燃料能够促进缸内混合，减少局部过浓区的数量，改善燃烧条件，降低核态微粒的数量浓度。

图4 不同挥发性燃料微粒排放粒度分布特征

图5 不同挥发性燃料微粒成分对比结果表明，微粒中DS比例变化趋势与积聚态微粒数量有一定的对应关系，积聚态微粒数量增加，DS占微粒的比例会有所增加，且燃用T281燃料时总微粒质量较挥发性好的燃料有所升高。

图5 不同挥发性燃料微粒成分对比

2.3 燃料特性对排气超细颗粒物微观形态的影响

图6 为不同理化特性燃料排气颗粒物微观形貌特征对比。试验中采用玻璃纤维滤纸对排气颗粒物进行采集，并将采集到的样品置于扫描电镜可视范围内。图中空间交错布置的长直柱状物为经放大后的玻璃纤维形貌，柱状物表面突起亮点即为经捕集后的颗粒物成分。从图中可以看出，十六烷值较低的燃料，着火性相对较差，燃料喷雾缸内后滞燃期延长，燃油与空气有更为充足的时间形成油气混合气，大粒径的积聚态微粒数量明显减少。对于CN60燃料，由于滞燃期缩短，缸内混合气过浓区数量较多，积聚态微粒数量相对增加。对比不同挥发性燃料排气颗粒物微观形貌特征可以发现，改善燃料挥发性能够有效促进均质混合气形成，降低微粒生成倾向。由图f中可以看出，燃用挥发性较差的燃料时，排气颗粒物微观形貌以团絮状形态为主，且粒径尺寸相对较大。由此可以看出，通过降低燃料着火性或改善挥发性等促进油气混合，均能有助于降低大粒径积聚态微粒数量，且排气颗粒物均向小粒径方向发展。

图6 不同挥发性燃料排气微粒微观形貌对比

3 结论

1）高压共轨柴油机燃用不同理化特性的燃料时微粒排放粒度分布曲线大致呈单峰结构，峰值位于30 nm附近，且燃料挥发性和着火性均会对粒度分布特征产生影响。

2）提高燃料的十六烷值，有助于改善燃料着火性，使滞燃期缩短，预混合燃烧量减少，扩散燃烧的比例增大，积聚态微粒数量及颗粒物中DS占比升高。

3）改善燃料挥发性有助于促进油气混合，提升混合气整体均质性，大粒径的积聚态微粒数量减少，DS质量占比相应降低。

4）从微观形貌特性角度看，燃用着火性强及挥发性较差的燃料均会使排气中大粒径颗粒物数量增加，粒径较小的核态微粒数量减少。