陳燕飛，孫鳳雨，曾小松，趙偉

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3.工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心，北京 100846)

顆粒物排放是產(chǎn)生霧霾的重要原因，是大氣環(huán)境污染的重要貢獻(xiàn)者。顆粒物會引起或加重呼吸系統(tǒng)的疾病，會增加患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，粒徑小于100 nm的超細(xì)顆粒物可以直接滲入人體血液，造成遺傳性損傷?！吨袊苿?dòng)源環(huán)境管理年報(bào)(2021年)》顯示，2020年全國機(jī)動(dòng)車四項(xiàng)污染物排放總量為1 593.0 萬t。其中，CO，HC，NO，PM排放量分別為769.7 萬t，190.2 萬t，626.3 萬t，6.8 萬t。柴油車PM排放量超過汽車排放總量的90%。此外，工程機(jī)械等非道路移動(dòng)源排放PM 23.7 萬t，而工程機(jī)械裝備多采用柴油機(jī)動(dòng)力。因此，柴油機(jī)成為PM排放的主要貢獻(xiàn)者。

國六排放限值極為嚴(yán)苛，單一尾氣處理手段已很難滿足排放需求。以國內(nèi)主要廠商的國六排放技術(shù)路線來看，綜合使用DOC+DPF+SCR成為了目前柴油車后處理的主流技術(shù)路線。然而，DOC+DPF+SCR成本較高，且DPF捕集效率受工況影響較大。因此，面向未來更高的排放法規(guī)要求，通過燃料改性改善燃燒過程并降低PM排放，使用SCR集中處理NO排放成為柴油車污染物排放控制的重要技術(shù)路徑。

燃料改性降低柴油機(jī)PM排放的方法主要有兩種：一是在柴油中添加含氧燃料，主要通過抑制乙炔和多環(huán)芳烴等炭煙前驅(qū)物的生成來降低PM排放；二是在柴油中添加餾出溫度或沸點(diǎn)低的燃料，增強(qiáng)空氣卷吸效果，促進(jìn)燃料和空氣的混合，促使燃燒更加完全，從而降低PM排放。醇類燃料含氧量高且沸點(diǎn)低，是理想的柴油機(jī)摻混燃料。甲醇和乙醇含氧量分別為50%和34.78%，沸點(diǎn)分別為64.7 ℃和78.3 ℃，但是其極性較強(qiáng)，難以與柴油互溶，一般采用進(jìn)氣道噴射低活性甲醇(或乙醇)、缸內(nèi)直噴柴油的雙燃料動(dòng)力模式。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)存在成本高、燃燒穩(wěn)定性較差、小負(fù)荷熱效率低、HC與CO排放較高等問題。異丙醇與柴油可以以任意比例互溶，在C3以上的直鏈醇中具有最高的含氧量和最低的沸點(diǎn)。因此，在保證互溶性的前提下，從降低PM排放的角度出發(fā)，異丙醇是柴油最適宜的摻混燃料。本研究在1臺高壓共軌柴油機(jī)上研究柴油摻混不同體積比例異丙醇對柴油機(jī)燃燒過程與排放特性的影響。

1 儀器與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及儀器

本研究在WP4G154E330柴油機(jī)上開展，表1示出了其主要參數(shù)。利用奇石樂(Kistler)壓電式壓力傳感器(6051B)、電荷放大器(5019B)、燃燒分析儀(KiBox)組成的測試系統(tǒng)測錄缸內(nèi)壓力。曲軸轉(zhuǎn)角編碼器以0.5°精度采集曲軸轉(zhuǎn)角信號并傳輸至燃燒分析儀中，通過曲軸轉(zhuǎn)角適配器與缸壓信號進(jìn)行匹配。在每個(gè)工況點(diǎn)下采集100 個(gè)循環(huán)的缸壓信號，取平均值；采用零維模型計(jì)算缸內(nèi)瞬時(shí)燃燒放熱率和缸內(nèi)平均溫度。采用德國MAHA MET6.3尾氣測試儀測量HC，CO和NO的排放濃度以及煙度值(消光系數(shù))。選擇TSI SMPS-3936粒徑譜儀測量PM數(shù)量濃度。圖1示出柴油機(jī)測試臺架。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 柴油機(jī)測試臺架

1.2 試驗(yàn)用燃料

試驗(yàn)用0號柴油和異丙醇的主要理化性質(zhì)如表2所示。本試驗(yàn)分別在柴油中添加10%和20%體積比例的異丙醇，記為D90IP10和D80IP20，并與柴油進(jìn)行對比。

表2 柴油與異丙醇主要理化指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 噴射策略

轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，0.56 MPa，0.84 MPa和0.92 MPa下，3種燃料的噴射時(shí)刻和噴射持續(xù)期見表3。為了得到燃料差異對燃燒過程的影響，3種燃料在特定工況下的預(yù)噴開始時(shí)刻、預(yù)噴結(jié)束時(shí)刻、預(yù)噴持續(xù)期以及主噴開始時(shí)刻均保持相同。由于異丙醇質(zhì)量低熱值明顯低于柴油，隨著異丙醇摻混比例的增加，混合燃料的低熱值降低，達(dá)到相同負(fù)荷需要噴入更多的燃料，表現(xiàn)為主噴持續(xù)期的延長。因此，D100主噴持續(xù)期最短，D90IP10次之，D80IP20主噴持續(xù)期最長。

表3 不同工況下3種燃料噴射時(shí)刻和噴射持續(xù)期(噴油量)

2.2 著火延遲期

1 600 r/min轉(zhuǎn)速下著火延遲期的負(fù)荷特性見圖2。可以看出，與柴油相比，柴油-異丙醇混合燃料的滯燃期明顯增加，且幅度隨著異丙醇摻混比例的增加而增加。這是由于異丙醇的十六烷值只有13，遠(yuǎn)低于柴油的49，混合燃料的十六烷值隨異丙醇摻混比例的增加而降低。

圖2 柴油-異丙醇混合燃料著火延遲期負(fù)荷特性

2.3 燃燒放熱規(guī)律

轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，平均有效壓力分別為0.56 MPa，0.84 MPa和0.92 MPa的工況下，柴油及其與異丙醇混合燃料的瞬時(shí)燃燒放熱率和缸內(nèi)平均溫度的變化規(guī)律見圖3。由圖可以看出，與D100相比，預(yù)噴階段D90IP10和D80IP20的第一峰值燃燒放熱率明顯增加，且隨異丙醇摻混比例的增加而增加。預(yù)噴燃料開始放熱時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力較低，熱力狀態(tài)較差。一方面，混合燃料十六烷值低導(dǎo)致滯燃期延長，從而使得滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量增多；另一方面，異丙醇含氧量達(dá)26.67%，在化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的OH等活性自由基，可以加快燃燒放熱速度，使得預(yù)噴峰值燃燒放熱率隨異丙醇混合比例的增加而增加。與D100相比，主噴階段D90IP10和D80IP20的第二峰值燃燒放熱率略有降低，且隨異丙醇摻混比例的增加而降低。主噴燃料開始放熱時(shí)，經(jīng)過預(yù)噴燃料燃燒放熱，缸內(nèi)的熱力狀態(tài)顯著提升，混合燃料十六烷值低的影響弱化，而柴油-異丙醇混合燃料的熱值低，導(dǎo)致峰值燃燒放熱率略有降低。由圖還可以看出，與D100相比，D90IP10和D80IP20的缸內(nèi)峰值燃燒溫度增加，且隨異丙醇摻混比例的增加而增加?；旌先剂虾跫涌炝巳紵俣龋沟弥鲊娙剂系臄U(kuò)散燃燒強(qiáng)度提高，峰值燃燒溫度增加。

圖3 柴油-異丙醇混合燃料瞬時(shí)燃燒放熱率和缸內(nèi)溫度

1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下，3種燃料的峰值燃燒放熱率和峰值缸內(nèi)平均溫度分別見表4和表5?？梢钥闯觯S著EGR率的提高，3種燃料峰值燃燒放熱率和峰值缸內(nèi)平均溫度均略有下降。這是因?yàn)殡S著EGR率提高，高比熱容的CO濃度增加，著火時(shí)刻不斷推遲，燃燒速率降低。在不同EGR率下，與柴油相比，D90IP10和D80IP20的預(yù)噴峰值燃燒放熱率增加，主噴峰值燃燒放熱率略有降低，峰值缸內(nèi)平均溫度明顯增加。

表4 1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下3種燃料峰值燃燒放熱率

表5 1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下3種燃料峰值缸內(nèi)平均溫度

2.4 柴油機(jī)排放特性

圖4 1 600 r/min下柴油-異丙醇混合燃料 NOx排放負(fù)荷特性

圖5示出1 600 r/min下柴油機(jī)炭煙排放的負(fù)荷特性變化規(guī)律?？梢钥闯觯?種燃料的炭煙排放隨著負(fù)荷的增加而增加；與柴油相比，柴油-異丙醇混合燃料的炭煙排放明顯降低，且隨異丙醇摻混比例的增加而降低。消光系數(shù)可以反映排氣中炭煙的多少，但不能直接得出PM排放濃度。

圖5 1 600 r/min下柴油-異丙醇混合燃料炭煙排放負(fù)荷特性

1 600 r/min，0.56 MPa和1 600 r/min，0.84 MPa工況下，D100，D90IP10和D80IP20的顆粒物數(shù)量濃度和體積濃度粒徑分布規(guī)律見圖6?？梢钥闯觯裼?異丙醇混合燃料各個(gè)粒徑對應(yīng)的數(shù)量濃度與體積濃度均低于柴油，且隨著異丙醇摻混比例的增加而降低。第一，異丙醇的沸點(diǎn)為82.5 ℃，遠(yuǎn)低于柴油95%餾出溫度363 ℃，柴油-異丙醇混合燃料可以改善蒸發(fā)性；第二，異丙醇的運(yùn)動(dòng)黏度明顯低于柴油，柴油-異丙醇混合燃料運(yùn)動(dòng)黏度降低，有利于改善霧化質(zhì)量；第三，異丙醇含氧，可以加快擴(kuò)散燃燒速度。以上三方面的因素使得柴油-異丙醇混合燃料燃燒較柴油更加完全，炭煙和PM排放顯著降低。

圖6 柴油-異丙醇混合燃料顆粒物粒徑分布

表6示出1 600 r/min，0.92 MPa，不同EGR率下，3種燃料的NO體積濃度和顆粒物數(shù)濃度?？梢钥闯?，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)燃燒溫度降低，3種燃料NO排放顯著降低，但是燃燒惡化導(dǎo)致顆粒物數(shù)量增加。與原機(jī)燃用柴油相比(EGR率為0)，燃用D90IP10在EGR率為8%和12%時(shí)NO排放明顯降低，顆粒物數(shù)濃度增加，說明燃用D90IP10時(shí)EGR率應(yīng)小于8%。燃用D80IP20在不同EGR率下的NO和PM排放均降低，在12%EGR率下其顆粒物數(shù)量為1.12E+05 個(gè)/cm，低于原機(jī)柴油的1.57E+05 個(gè)/cm，進(jìn)一步提高EGR率會抵消異丙醇降低顆粒物的效果。

表6 1 600 r/min，0.92 MPa下NOx和顆粒物數(shù)濃度平衡關(guān)系

3 結(jié)論

a) 與柴油相比，燃用柴油-異丙醇混合燃料的滯燃期明顯延長，預(yù)噴燃料峰值放熱率增加，主噴燃料峰值放熱率略有降低，峰值缸內(nèi)平均溫度增加；

b) 與柴油相比，燃用D90IP10和D80IP20的NO排放平均增加1.3%和2.7%，炭煙排放平均降低12.1%和32.3%，顆粒物數(shù)量濃度和體積濃度明顯降低；

c) 與柴油相比，柴油-異丙醇混合燃料聯(lián)合EGR可以同時(shí)降低NO和PM排放。