柴油機(jī)燃用柴油/乙醇混合燃料的顆粒排放特性*

侯獻(xiàn)軍　許京　劉近平　杜松澤　李孟孟

(武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430070)

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柴油機(jī)燃用柴油/乙醇混合燃料的顆粒排放特性*

侯獻(xiàn)軍許京劉近平杜松澤李孟孟

(武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430070)

車用柴油機(jī)燃用柴油/乙醇混合燃料進(jìn)行試驗(yàn)，采用DMS500快速響應(yīng)顆粒分析儀進(jìn)行顆粒物濃度和粒徑分布測試，分析乙醇摻混比例、發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況對顆粒物粒徑分布、質(zhì)量濃度和幾何平均直徑的影響.研究表明：柴油/乙醇排放的顆粒物呈核態(tài)、積聚態(tài)雙峰對數(shù)分布；隨摻醇比的增加，小負(fù)荷下核態(tài)顆粒物數(shù)濃度明顯降低，中、大負(fù)荷下積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度明顯降低，核態(tài)顆粒物比例有所增加，顆粒粒徑向小粒徑方向移動；柴油/乙醇排放顆粒質(zhì)量濃度普遍低于柴油，顆粒物排放主要集中在積聚態(tài)顆粒物；乙醇的摻混能有效降低顆粒物幾何平均直徑，隨摻醇比的增加，顆粒物的幾何平均直徑呈下降趨勢.

柴油機(jī)；柴油/乙醇；顆粒物；粒徑分布

隨著發(fā)動機(jī)排放控制技術(shù)的不斷提高，柴油機(jī)排放的顆粒物質(zhì)量已經(jīng)大量減少，但由于排放顆粒物粒徑更加細(xì)小，使得顆粒物排放總數(shù)量增加[1].據(jù)研究，發(fā)動機(jī)排放的顆粒物粒徑越小，對人的健康危害越大[2-3].顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)中的沉積速率與顆粒物粒徑有直接的聯(lián)系，1 μm以下的超細(xì)顆粒物的沉積情況最為嚴(yán)重，超細(xì)顆粒物為潛在致癌物[4].因此，對柴油機(jī)排氣中顆粒物數(shù)濃度及質(zhì)量濃度分布的研究至關(guān)重要.

與柴油相比，乙醇燃料的放熱率更低，延長了柴油機(jī)的著火時間，使發(fā)動機(jī)的動力性有一定的下降，但含氧燃料的摻混能夠增加柴油機(jī)燃燒過程中的氧濃度，減少燃料中的硫含量，有效地改善燃燒過程，并抑制碳煙顆粒凝聚過程[5-6].發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況及使用燃料的性質(zhì)會顯著影響噴霧燃燒過程，從而影響顆粒物排放[7-8].以往采用的顆粒質(zhì)量收集法并不能完整地反映出顆粒物排放對人和環(huán)境的影響[9-10].從2011年開始，歐洲實(shí)施的第二階段排放法規(guī)要求按每公里的顆粒物數(shù)量進(jìn)行測試[11-12].

文中針對一臺車用重型柴油機(jī)燃用柴油/乙醇混合燃料分別在5種負(fù)荷和3種轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，分析排放的顆粒物數(shù)濃度、質(zhì)量濃度、幾何平均直徑及粒徑分布規(guī)律，以期為柴油/乙醇混合燃料應(yīng)用于滿足未來排放法規(guī)的柴油機(jī)提供理論支持.

1　試驗(yàn)設(shè)備

1.1試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

文中所用發(fā)動機(jī)為YC6J180-42型直列6缸直噴柴油機(jī)，滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，其主要參數(shù)如下：噴油形式為缸內(nèi)直噴，進(jìn)氣形式為增壓中冷，每缸氣門數(shù)為4，缸徑為105 mm，行程為125 mm，額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，最大輸出功率為132 kW，排量為6.494 L.試驗(yàn)選用燃料為市售0號柴油和無水乙醇.

1.2試驗(yàn)設(shè)備與儀器

圖1　DMS500主機(jī)

圖2　真空泵系統(tǒng)

2　試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)用無水乙醇摻混柴油，4種乙醇摻混體積分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%和20%，混合燃料柴油/乙醇分別記為PB0、PB5、PB10和PB20.試驗(yàn)工況包括3種轉(zhuǎn)速(1 200、1 500和1 800 r/min)下5種負(fù)荷(10%、30%、50%、70%和90%負(fù)荷)的對比試驗(yàn)，以便能夠全面研究柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中的排放特性.

采樣點(diǎn)取在柴油機(jī)排氣管上，使用具有保溫裝置的不銹鋼導(dǎo)氣管直接從發(fā)動機(jī)原始排放進(jìn)行采樣.為滿足測試儀器的溫度要求和濃度量程，DMS500快速響應(yīng)顆粒分析儀采用二級稀釋系統(tǒng)，本試驗(yàn)選用的稀釋比分別為4∶1和200∶1，稀釋氣體為干燥的壓縮空氣，試驗(yàn)臺架系統(tǒng)如圖3所示.

圖3　試驗(yàn)臺架系統(tǒng)

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1顆粒物數(shù)濃度分析

3.1.1顆粒物的粒徑分布

在較低的負(fù)荷(10%負(fù)荷)下，4種燃油的顆粒物排放均以核態(tài)顆粒物為主；隨著負(fù)荷的增大，4種燃油排放的顆粒物數(shù)濃度峰值逐漸從核態(tài)轉(zhuǎn)移至積聚態(tài)；在較高的負(fù)荷(90%負(fù)荷)下，4種燃油排放的顆粒物仍以積聚態(tài)顆粒物為主，但顆粒物數(shù)濃度峰值對應(yīng)的粒徑略微減小，核態(tài)顆粒物數(shù)濃度有所增加.

隨乙醇摻混比例的增加，與柴油相比，低負(fù)荷下排放的核態(tài)顆粒物數(shù)濃度明顯減少，積聚態(tài)顆粒物略有減少，而在中、大負(fù)荷下，添加乙醇使得10 nm以下的小粒徑顆粒物排放量增加，使柴油/乙醇排放的核態(tài)顆粒物數(shù)濃度有所增加，積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度則呈減小趨勢.

圖4在1 800 r/min轉(zhuǎn)速下不同負(fù)荷的顆粒物粒徑分布

Fig.4Distributions of particle size under different loads at 1 800 r/min

在低負(fù)荷下混合氣較稀，添加含氧燃料改善燃燒的效果并不明顯，積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度變化較小，柴油機(jī)排氣中50 nm以下的超細(xì)顆粒物較多，核態(tài)顆粒物占排放氣溶膠數(shù)量的大部分，氧濃度的增加有利于碳的轉(zhuǎn)化，使核態(tài)顆粒物數(shù)濃度大幅減少.而在中、大負(fù)荷工況下，更多的噴油燃燒形成高溫高濃度的混合氣核心，乙醇具有氧化性的羥基(—OH)自由基，對燃燒過程中生成的顆粒物有一定的氧化作用，減少顆粒形成過程中碳煙前驅(qū)物的生成，增加了可溶有機(jī)物的含量，使初級碳顆粒凝聚的概率降低，排放顆粒物粒徑減小.

3.1.2核態(tài)顆粒物比例分析

在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下，不同負(fù)荷的4種燃油排放顆粒物數(shù)濃度及核態(tài)比例隨乙醇摻混比的變化如圖5所示.由圖可見，柴油燃燒排放的總顆粒物數(shù)濃度峰值出現(xiàn)在10%的低負(fù)荷工況，而柴油/乙醇排放的總顆粒物數(shù)濃度峰值出現(xiàn)在90%的高負(fù)荷工況，摻混5%、10%的乙醇能降低總顆粒物數(shù)濃度.

在較低的負(fù)荷(10%和30%負(fù)荷)下，乙醇的摻混使核態(tài)顆粒物比例顯著降低，尤其較低的摻醇比PB5使其分別降低了39.0%和32.5%；在較高的負(fù)荷(70%和90%負(fù)荷)下，乙醇的摻混使核態(tài)顆粒物數(shù)濃度有所增加，顆粒物細(xì)化，柴油/乙醇PB20使核態(tài)組分比例分別增加了5.1%和12.4%，總顆粒物數(shù)濃度略有增加.

3.2顆粒物質(zhì)量濃度分析

4種燃油在1 200、1 500和1 800 r/min轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下排放的總顆粒物質(zhì)量濃度如圖6所示.由圖可知：在一定負(fù)荷下，較低的轉(zhuǎn)速(1 200 r/min)時排放的總顆粒物質(zhì)量濃度普遍最高；在各種工況下，柴油/乙醇排放的總顆粒物質(zhì)量濃度普遍低于柴油，在較大的摻醇量PB10和PB20時尤為明顯.在10%

圖5在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下不同負(fù)荷的顆粒物數(shù)濃度和核態(tài)比例

Fig.5Particle number density and proportion under different loads at 1 500 r/min

圖6不同工況下總顆粒物的質(zhì)量濃度

Fig.6Particle mass concentration at different conditions

負(fù)荷下，柴油PB0排放的總顆粒物質(zhì)量濃度最高為0.009 04 μg/cm3，柴油/乙醇PB20排放的總顆粒物質(zhì)量濃度最高為0.005 26 μg/cm3，降低了41.8%；在90%負(fù)荷下，PB0排放的總顆粒物質(zhì)量濃度最高為0.045 54 μg/cm3，柴油/乙醇PB20排放的總顆粒物質(zhì)量濃度最高為0.021 32 μg/cm3，降低了53.2%；在中等負(fù)荷下排放的顆粒物質(zhì)量濃度降低得更為明顯，達(dá)74.7%.

隨著混合燃料中乙醇比例的增加，芳香烴和硫酸鹽的含量減少，從而減少了碳顆粒的形成和聚集，總顆粒物質(zhì)量濃度大幅減少.由3.1.2節(jié)可知，在較

高負(fù)荷(70%和90%負(fù)荷)下，乙醇的摻混增大了核態(tài)顆粒物的比例，但核態(tài)顆粒物粒徑很微小，分布在50 nm以下，對顆粒物總質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)并不顯著，4種燃料的顆粒物排放主體集中在積聚態(tài)顆粒物.

3.3顆粒物幾何平均直徑分析

4種燃油在1 200、1 500和1 800 r/min 轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下排放的顆粒物幾何平均直徑如圖7所示.由圖可知：柴油/乙醇排放的顆粒物的幾何平均直徑普遍都小于柴油，隨乙醇摻混比的增加，顆粒物的幾何平均直徑總體呈下降趨勢，這與核態(tài)顆粒物數(shù)濃度增加有關(guān).

圖7不同工況下顆粒物的幾何平均直徑

Fig.7 Particle mean diameter at different conditions

4　結(jié)論

(1)柴油/乙醇排放的顆粒物粒徑分布與柴油相似，呈核態(tài)與積聚態(tài)雙峰對數(shù)分布.在低負(fù)荷下，顆粒物數(shù)濃度峰值處于核態(tài)顆粒物；隨負(fù)荷的增大，顆粒物數(shù)濃度峰值逐漸轉(zhuǎn)移至較大粒徑的積聚態(tài)顆粒物；在大負(fù)荷下，顆粒物數(shù)濃度峰值向核態(tài)顆粒物方向移動.

(2)在柴油中添加一定比例的乙醇能有效降低總顆粒物數(shù)濃度.在低負(fù)荷下，乙醇的摻混使核態(tài)顆粒物比例大幅減小，在中、大負(fù)荷下，隨著乙醇摻混比例的增加，核態(tài)顆粒物比例有所增加，總體顆粒物細(xì)化.

(3)柴油/乙醇排放的顆粒物質(zhì)量濃度普遍低于柴油.在較大的摻醇比PB10和PB20時，顆粒物質(zhì)量濃度降低的效果更為明顯，在部分負(fù)荷下，顆粒物質(zhì)量濃度降低達(dá)74.7%，顆粒物排放主體主要集中在積聚態(tài)顆粒物，核態(tài)顆粒物對顆粒物總質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)并不顯著.

(4)柴油/乙醇顆粒物的幾何平均直徑在各個工況下均小于柴油，且隨摻醇比的增加呈下降趨勢.

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Supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province(2013CFA104)

Particulate Emission Characteristics of Diesel Engine Fueled with Diesel/Ethanol Blends

HOUXian-junXUJingLIUJin-pingDUSong-zeLIMeng-meng

(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components ∥ Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China)

An experiment in a diesel engine fueled with diesel/ethanol blends was conducted, and the particle concentration and particle size distribution of the particulate matter from the diesel engine were investigated by DMS500 analyzer with fast response particulate. Then, the size distribution, mass concentration and geometric mean diameter of the particulate matter obtained under different running conditions of engine with different ethanol ratios were analyzed. The results show that (1) the particulate matter from diesel/ethanol blends follows a logarithmic distribution, which has two modes, namely, nucleation mode and accumulation mode; (2) with the increase of ethanol ratios, the nucleation mode particle number (PN) density significantly decreases under a low load, while under medium and high loads, the accumulation mode PN density significantly decreases with an increase of the nucleation mode particle ratio and a decrease of the particle size; (3) for the particulate matter from diesel/ethanol blends, the mass concentration is lower than that from diesel, and the particle mass concentrates mostly in the accumulation mode; and (4) after the addition of ethanol to diesel, the geometric mean diameter of particulate matter significantly decreases, and it decreases gradually with the increase of ethanol ratios.

diesel engines； diesel/ethanol blends； particulate matter； particle size distribution

1000-565X(2016)09-0144-07

2016-02-21

湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013CFA104)

侯獻(xiàn)軍(1973-),男,博士,教授,主要從事汽車及發(fā)動機(jī)CAD/CAE、發(fā)動機(jī)排放控制及電控技術(shù)研究.E-mail: houxj@whut.edu.cn

TK 411.5

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.09.021