劉成豪，曾東建，左子農(nóng)，汪建忠，李翔，王瑜

(1.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039；2.流體及動力機械教育部重點實驗室(西華大學)，四川 成都 610039；3.天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；4.綿陽新晨動力機械股份有限公司，四川 綿陽 621000)

發(fā)動機排氣顆粒(PM)按照粒徑可劃分為核態(tài)、積聚態(tài)以及粗態(tài)粒子三個模態(tài)[1]。一般情況核態(tài)粒子是指粒徑在3～30 nm的排氣顆粒[2]，主要是由發(fā)動機燃燒過程中的揮發(fā)性有機物和硫化物等物質(zhì)形成，而缸內(nèi)混合氣的溫度和濕度則影響其濃度，其在通道內(nèi)滯留時間等因素也有影響。積聚態(tài)粒子的粒徑范圍為30～500 nm，主要是由不完全燃燒的碳顆粒通過團聚并吸附硫酸鹽、金屬灰燼等物質(zhì)形成，這種顆粒的數(shù)濃度一般相對穩(wěn)定。粗態(tài)顆粒是粒子直徑大于500 nm的顆粒，這種形態(tài)顆粒主要來源于發(fā)動機燃燒不充分的碳顆?；蛉紵抑械姆e炭，在發(fā)動機排氣沖程中隨氣流運動排出，具有較大的隨機性。汽車尾氣中，以積聚態(tài)和核態(tài)粒子為主要組成部分的細顆粒占排氣顆粒質(zhì)量濃度百分比為1%～10%，但占尾氣中顆粒總數(shù)濃度的百分比卻達到90%以上[3]。顆粒直徑越小越容易通過呼吸器官進入人體，甚至滲透進皮膚表層和肺泡，造成各種慢性疾病，對人體危害極大[4]。

隨著全世界范圍內(nèi)探索環(huán)境友好型能源的熱情日益高漲，甲醇已成為研究發(fā)動機替代燃料的熱點。Nabi等學者的研究發(fā)現(xiàn)，甲醇等含氧燃料可降低發(fā)動機的NOx和PM排放[5]。因此，有些國家和地區(qū)在汽油中添加甲醇，以達到改善發(fā)動機排放和提高經(jīng)濟效益的目的。

在積極探索汽油機新技術(shù)的過程中，缸內(nèi)直噴增壓(turbo gasoline direct injection，T-GDI)汽油機因其在動力性和經(jīng)濟性的優(yōu)異表現(xiàn)，逐步成為目前汽車發(fā)動機發(fā)展的重要方向[6]。但是，與傳統(tǒng)汽油機相比，由于缸內(nèi)壓力增大造成氣門油封密封不良，活塞油環(huán)刮油效果不佳，以及增壓器竄機油等因素，T-GDI發(fā)動機機油消耗量明顯增加。Vaaraslahti[7]等研究發(fā)現(xiàn)，機油的消耗會導致排放惡化，特別是顆粒物(PM)的排放,其中對核態(tài)顆粒的影響很大。同時，在發(fā)動機剛起動和低負荷工況下，炭煙顆粒排放量有所增加，這是因為此時相對過低的缸內(nèi)溫度和過濃混合氣容易造成燃料氧化不完全[8]。由于發(fā)動機需要在不同工況下工作，滿足不同的扭矩和功率需求，造成發(fā)動機缸內(nèi)混合氣的空燃比變化。因此，發(fā)動機需要在不同的過量空氣系數(shù)(φa)下運轉(zhuǎn)工作。研究發(fā)現(xiàn)[9]，過量空氣系數(shù)也影響著發(fā)動機的顆粒物排放。

因此，研究機油消耗和過量空氣系數(shù)對T-GDI發(fā)動機燃用甲醇汽油替代燃料的顆粒排放影響規(guī)律，具有十分重要的意義。同時，也能為發(fā)動機尾氣后處理技術(shù)研究提供參考。

1 試驗設(shè)備、燃料及方法

1.1 試驗設(shè)備

本研究改進了1臺車用4缸四沖程T-GDI發(fā)動機，其由一個完全開放式的發(fā)動機電子控制單元(3600010-YJ43)控制，可以準確調(diào)節(jié)點火時刻(ign)和噴油時刻(SOI)。發(fā)動機試驗臺架布局示意見圖1。試驗用T-GDI發(fā)動機基本參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗臺架布局示意

扭矩/N·m200標定功率/kW96標定功率轉(zhuǎn)速/r·min-14 750～5 500缸徑/mm78行程/mm79排量/L1.498燃油供給方式缸內(nèi)直接噴射點火方式電子控制點火氣門數(shù)16壓縮比12∶1增壓比2.1

試驗采用DMS500快速顆粒光譜儀測量發(fā)動機排放的炭煙顆粒濃度，DMS500快速顆粒光譜儀能測量到的顆粒直徑范圍為5～1 000 nm，具有快速測試響應(yīng)(200 ms)、多通道尺寸光譜(38通道)、高數(shù)據(jù)采集頻率(10 Hz)等特點。試驗中采用第一級稀釋4倍，第二級稀釋100倍，共計400倍的稀釋比，顆粒采樣中加熱管溫度設(shè)定為120 ℃。光譜儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 快速顆粒光譜儀結(jié)構(gòu)示意

1.2 試驗方法和試驗燃料

采用發(fā)動機常用工況作為試驗工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，pme(平均有效壓力)為0.2 MPa。試驗測試過程中，在發(fā)動機工況穩(wěn)定后，連續(xù)測量3次，求取其平均值，從而保證數(shù)據(jù)的精確性。試驗過程中，通過水溫控制系統(tǒng)使發(fā)動機冷卻水溫度維持在(85±1) ℃，同時通過油溫控制系統(tǒng)使發(fā)動機機油溫度保持在(90±1) ℃，從而保證發(fā)動機試驗過程中運行正常、穩(wěn)定。試驗中各種試驗燃料的參數(shù)見表2，表中M10表示在90號汽油中混合10%體積分數(shù)甲醇得到的甲醇汽油。

表2 試驗用燃料主要參數(shù)[10]

為了直觀反映機油消耗對顆粒排放的影響，采用向燃料中直接添加機油(API Ⅲ類基礎(chǔ)油)的方法。研究過程中，為了避免發(fā)動機工作狀態(tài)波動的影響和機油添加的準確性，選取最小機油/燃油消耗體積百分比為2%；同時，考慮過高的機油摻混比會影響發(fā)動機的正常燃燒，因此，選取最大百分比為4%。

2 試驗結(jié)果及分析

利用DMS500測取發(fā)動機排放顆粒物粒徑分布，以對數(shù)正態(tài)坐標表示顆粒粒徑的分布。精確計算顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度的公式[11]為

(1)

(2)

式中：Dp為發(fā)動機排氣顆粒直徑；dN/dlogDp為排氣顆粒數(shù)濃度；dM/dlogDp為排氣顆粒質(zhì)量濃度。

2.1 機油消耗對顆粒排放的影響

為探究燃料摻混不同體積機油燃燒對顆粒排放的影響規(guī)律，分別在97號汽油，M10，M25，M100燃料中加入體積分數(shù)為2%和4%的機油，試驗中噴油定時為上止點前300°，點火提前角為28°，φa為1.0。

2.1.1機油消耗對顆粒數(shù)濃度的影響

圖3示出不同機油摻混體積分數(shù)時顆粒數(shù)濃度與粒徑的變化規(guī)律。從圖3可以看出，不同機油體積分數(shù)下顆粒數(shù)濃度與粒徑的變化規(guī)律曲線大部分呈雙峰或三峰分布形態(tài)[10]。隨著機油摻混體積分數(shù)的升高，排氣顆粒的數(shù)濃度明顯上升，且核態(tài)顆粒的數(shù)濃度增幅較大。加入機油使得燃料黏度變大，造成噴孔出口噴霧速度減小，噴霧的破碎過程變得更加困難，蒸發(fā)環(huán)境下燃料霧化受限，使噴霧貫穿距離變短[12]，從而使缸內(nèi)的非均勻區(qū)域增加，同時由于工質(zhì)的霧化率變差使得霧化質(zhì)量降低，進一步使核態(tài)顆粒數(shù)濃度升高。

從圖3a至圖3c可以看出，當摻混機油體積分數(shù)為4%時，燃用汽油和甲醇汽油均出現(xiàn)了粗態(tài)顆粒排放。從圖3d可知，純甲醇摻混機油后，排氣顆粒主要為核態(tài)顆粒，只在摻混機油體積分數(shù)為4%時，出現(xiàn)少量積聚態(tài)顆粒。

圖3 不同機油摻混體積分數(shù)時顆粒數(shù)濃度與粒徑的變化規(guī)律

圖4示出顆粒總數(shù)濃度隨機油體積分數(shù)的變化。從圖4可以看出，對于同種燃料，隨著機油摻混體積分數(shù)的增加，排氣顆粒總數(shù)濃度明顯上升。97號汽油摻混機油后，顆?？倲?shù)濃度及其增幅都較大，當加入機油體積分數(shù)為4%時，其總數(shù)濃度數(shù)量級已接近1010。隨著燃料中甲醇體積比例的增加，顆粒總數(shù)濃度明顯下降，不同機油摻混體積分數(shù)下顆粒總數(shù)濃度增幅也逐漸減小，由此可知，隨著甲醇摻混比的增大，機油摻混對排氣顆粒數(shù)濃度的影響逐漸降低。這是由于甲醇為含氧燃料，其分子結(jié)構(gòu)中的氧元素可以顯著減少缸內(nèi)燃燒過程中局部混合氣過濃而導致的顆粒物生成。

圖4 顆?？倲?shù)濃度隨機油體積分數(shù)的變化

2.1.2機油消耗對顆粒質(zhì)量濃度的影響

圖5示出不同機油摻混體積分數(shù)時顆粒質(zhì)量濃度與粒徑的變化規(guī)律?？梢钥闯?，摻混機油之后，排氣顆粒質(zhì)量濃度明顯上升。隨著機油摻混體積分數(shù)的增加，排氣中顆粒質(zhì)量濃度增幅也顯著增大。但隨著燃料中甲醇摻混比的增加，排氣顆粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)整體下降趨勢。

圖5 不同機油體積分數(shù)時顆粒質(zhì)量濃度與粒徑的變化規(guī)律

如圖5a至圖5c所示，30～1 000 nm的粒徑范圍為排放顆粒質(zhì)量濃度分布的主要集中區(qū)域。當燃料中機油摻混體積分數(shù)為2%時，顆粒質(zhì)量濃度主要分布在粗態(tài)區(qū)域，呈現(xiàn)單峰分布，其中峰值粒徑分別為640 nm(97號汽油)，650 nm(M10)和650 nm(M25)；而當燃料中機油體積分數(shù)為4%時，顆粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)雙峰分布，且雙峰分別位于積聚態(tài)和粗態(tài)區(qū)域，顆粒的峰值粒徑分別為154 nm和560 nm(97號汽油)，154 nm和560 nm(M10)，74 nm和560 nm(M25)。從圖5c中可知，當燃用M25混合燃料，摻混機油體積分數(shù)為4%時，排氣顆粒質(zhì)量濃度曲線中位于積聚態(tài)區(qū)域的峰值與粗態(tài)區(qū)域峰值相比有較大幅度的下降，分別為2 927.5 μg/cm3和9 175.6 μg/cm3，下降幅度為68.1%。而從圖5a和圖5b可知，發(fā)動機在分別使用97號汽油和M10甲醇汽油作為燃料，且燃料中摻混機油體積分數(shù)為4%時，排氣顆粒質(zhì)量濃度曲線位于積聚態(tài)與核態(tài)區(qū)域的峰值濃度差距較小，燃用97號汽油混合燃料質(zhì)量濃度峰值為130 125.8 μg/cm3和139 490.8 μg/cm3，增幅僅為6.71%；燃用M10混合燃料質(zhì)量濃度峰值為31 489.6 μg/cm3和29 019.6 μg/cm3，降幅僅為8.51%。從圖5d可以看出，排氣顆粒質(zhì)量濃度分布主要集中在50～560 nm的粒徑范圍之內(nèi)。當機油摻混體積分數(shù)為2%時，顆粒質(zhì)量濃度曲線主要呈現(xiàn)單峰狀，分布主要集中在積聚態(tài)區(qū)域，其峰值粒徑為308 nm；而機油摻混體積分數(shù)為4%時，顆粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)雙峰分布，且雙峰都位于積聚態(tài)區(qū)域，峰值粒徑分別為101 nm和316 nm，峰值濃度分別為64.7 μg/cm3和780.8 μg/cm3，第一峰與第二峰相比，峰值濃度有很大幅度的下降，降幅為91.7%。

圖6示出顆?？傎|(zhì)量濃度隨機油體積分數(shù)的變化。從圖6可以看出，對于同種燃料，隨機油摻混體積分數(shù)的增大，排氣顆粒總質(zhì)量濃度明顯上升。97號汽油摻混機油后，排氣顆?？傎|(zhì)量濃度及其增

圖6 顆?？傎|(zhì)量濃度隨機油體積分數(shù)的變化

幅都較大，當加入機油體積分數(shù)為4%時，其總質(zhì)量濃度數(shù)量級已達到106。而對于不同燃料，隨著甲醇比例的增加，排放顆?？傎|(zhì)量濃度明顯下降，不同機油體積分數(shù)下顆粒總質(zhì)量濃度增幅也逐漸減小，由此可知，機油對顆粒質(zhì)量濃度的影響隨著甲醇摻混量的增大而逐漸減弱。

2.2 過量空氣系數(shù)對顆粒排放的影響

為探究過量空氣系數(shù)對顆粒排放的影響規(guī)律，對97號汽油，M10，M25，M100燃料分別在過量空氣系數(shù)為1.1，1.0，0.9的工況下進行了試驗測試。

2.2.1過量空氣系數(shù)對顆粒數(shù)濃度的影響

圖7示出過量空氣系數(shù)對顆粒數(shù)濃度的影響規(guī)律。由圖可見，在不同過量空氣系數(shù)下，顆粒數(shù)濃度隨粒徑的變化大體呈現(xiàn)三峰分布，且顆粒粒徑分布曲線基本相似。顆粒數(shù)濃度的最大值都是在粒徑小于10 nm時出現(xiàn)，即排氣顆粒數(shù)濃度主要集中分布在核態(tài)區(qū)域。顆粒排放對φa變化比較敏感，隨著φa的減小，顆粒排放數(shù)濃度增加，尤其是在過濃混合氣時，發(fā)動機排放中的核態(tài)顆粒數(shù)濃度顯著增大。φa增大時，燃用97號汽油和M10燃料的積聚態(tài)顆粒排放也顯著增多。而對于不同的燃料，隨著燃料中甲醇比例的增加，顆粒排放有規(guī)律地轉(zhuǎn)移和分布到核態(tài)區(qū)域。從圖7a和圖7b同時可以看出，核態(tài)顆粒數(shù)濃度在顆粒中的百分比遠遠高于積聚態(tài)顆粒，而由圖7c和圖7d可見，顆粒數(shù)濃度則全部分布在核態(tài)顆粒范圍內(nèi)。

圖7 不同過量空氣系數(shù)時顆粒數(shù)濃度與粒徑的變化規(guī)律

圖8示出顆?？倲?shù)濃度隨過量空氣系數(shù)的變化?？梢钥闯?，當過量空氣系數(shù)不變時，隨燃料中甲醇量的增加，顆粒總數(shù)濃度呈明顯減小趨勢。其原因為甲醇分子中含有一個氧原子，并且氧原子在相對分子質(zhì)量中占比50%，因此，甲醇燃料屬于低碳高氧燃料。相比于傳統(tǒng)汽油，使用甲醇燃料后，混合氣在缸內(nèi)的燃燒更加充分，對顆粒排放的降低有明顯的促進作用[13]，從而減少了發(fā)動機尾氣顆粒的排放。

圖8 顆?？倲?shù)濃度隨過量空氣系數(shù)的變化

2.2.2過量空氣系數(shù)對顆粒質(zhì)量濃度的影響

圖9示出不同過量空氣系數(shù)時顆粒質(zhì)量濃度與粒徑的變化規(guī)律。由圖可知，隨著混合燃料中甲醇比例的增加，相同過量空氣系數(shù)下，其排氣顆粒質(zhì)量濃度明顯減小。排氣顆粒質(zhì)量濃度主要分布在積聚態(tài)區(qū)域，且積聚態(tài)顆粒在尾氣排放顆粒總質(zhì)量中占比較大。隨著過量空氣系數(shù)增加，顆粒質(zhì)量濃度減小。同時結(jié)合圖7還可以看出，發(fā)動機尾氣顆粒排放中核態(tài)顆粒的數(shù)濃度比積聚態(tài)顆粒的數(shù)濃度高，但兩者的質(zhì)量濃度相比卻恰好相反。

圖9 不同過量空氣系數(shù)時顆粒質(zhì)量濃度與粒徑的變化規(guī)律

圖10示出顆粒總質(zhì)量濃度隨過量空氣系數(shù)的變化。從圖10可以看出，含甲醇混合燃料僅在過濃混合氣有顆粒排放，其他情況下顆粒的排放極少。排氣顆粒的質(zhì)量濃度隨著過量空氣系數(shù)的增加而明顯下降，混合氣由濃到稀，混合氣燃燒更加充分。

圖10 顆?？傎|(zhì)量濃度隨過量空氣系數(shù)的變化

3 結(jié)論

a) 汽油和不同摻混比甲醇汽油燃料添加機油后，顆粒數(shù)濃度呈多峰分布，并出現(xiàn)大量核態(tài)和積聚態(tài)顆粒，顆粒質(zhì)量濃度主要集中于積聚態(tài)和粗態(tài)中；當機油體積分數(shù)為4%時，顆?？倲?shù)濃度數(shù)量級已接近1010，顆?？傎|(zhì)量濃度數(shù)量級接近106；

b) 在同一種摻混比燃料中，隨著過量空氣系數(shù)減小，顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度明顯增大，最大數(shù)濃度峰值粒徑在小于10 nm的范圍內(nèi)；發(fā)動機的顆粒數(shù)濃度主要集中在核態(tài)區(qū)域，顆粒質(zhì)量濃度主要集中在積聚態(tài)和粗態(tài)區(qū)域；

c) 隨著甲醇摻混比的增加，發(fā)動機排氣顆粒數(shù)濃度、總數(shù)濃度、質(zhì)量濃度和總質(zhì)量濃度均降低，但對核態(tài)區(qū)域內(nèi)的排放顆粒數(shù)濃度的降低影響較小。