柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的颗粒排放特性*

侯献军　许京　刘近平　杜松泽　李孟孟

(武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室∥汽车零部件技术湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430070)



柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的颗粒排放特性*

侯献军许京刘近平杜松泽李孟孟

(武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室∥汽车零部件技术湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430070)

车用柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料进行试验，采用DMS500快速响应颗粒分析仪进行颗粒物浓度和粒径分布测试，分析乙醇掺混比例、发动机运行工况对颗粒物粒径分布、质量浓度和几何平均直径的影响.研究表明：柴油/乙醇排放的颗粒物呈核态、积聚态双峰对数分布；随掺醇比的增加，小负荷下核态颗粒物数浓度明显降低，中、大负荷下积聚态颗粒物数浓度明显降低，核态颗粒物比例有所增加，颗粒粒径向小粒径方向移动；柴油/乙醇排放颗粒质量浓度普遍低于柴油，颗粒物排放主要集中在积聚态颗粒物；乙醇的掺混能有效降低颗粒物几何平均直径，随掺醇比的增加，颗粒物的几何平均直径呈下降趋势.

柴油机；柴油/乙醇；颗粒物；粒径分布

随着发动机排放控制技术的不断提高，柴油机排放的颗粒物质量已经大量减少，但由于排放颗粒物粒径更加细小，使得颗粒物排放总数量增加[1].据研究，发动机排放的颗粒物粒径越小，对人的健康危害越大[2-3].颗粒物在人体呼吸系统中的沉积速率与颗粒物粒径有直接的联系，1 μm以下的超细颗粒物的沉积情况最为严重，超细颗粒物为潜在致癌物[4].因此，对柴油机排气中颗粒物数浓度及质量浓度分布的研究至关重要.

与柴油相比，乙醇燃料的放热率更低，延长了柴油机的着火时间，使发动机的动力性有一定的下降，但含氧燃料的掺混能够增加柴油机燃烧过程中的氧浓度，减少燃料中的硫含量，有效地改善燃烧过程，并抑制碳烟颗粒凝聚过程[5-6].发动机的运行工况及使用燃料的性质会显著影响喷雾燃烧过程，从而影响颗粒物排放[7-8].以往采用的颗粒质量收集法并不能完整地反映出颗粒物排放对人和环境的影响[9-10].从2011年开始，欧洲实施的第二阶段排放法规要求按每公里的颗粒物数量进行测试[11-12].

文中针对一台车用重型柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料分别在5种负荷和3种转速下进行试验，分析排放的颗粒物数浓度、质量浓度、几何平均直径及粒径分布规律，以期为柴油/乙醇混合燃料应用于满足未来排放法规的柴油机提供理论支持.

1　试验设备

1.1试验发动机

文中所用发动机为YC6J180-42型直列6缸直喷柴油机，满足国Ⅳ排放标准，其主要参数如下：喷油形式为缸内直喷，进气形式为增压中冷，每缸气门数为4，缸径为105 mm，行程为125 mm，额定转速为2 500 r/min，最大输出功率为132 kW，排量为6.494 L.试验选用燃料为市售0号柴油和无水乙醇.

1.2试验设备与仪器

图1　DMS500主机

图2　真空泵系统

2　试验方案

本试验用无水乙醇掺混柴油，4种乙醇掺混体积分数分别为0%、5%、10%和20%，混合燃料柴油/乙醇分别记为PB0、PB5、PB10和PB20.试验工况包括3种转速(1 200、1 500和1 800 r/min)下5种负荷(10%、30%、50%、70%和90%负荷)的对比试验，以便能够全面研究柴油机在实际运行过程中的排放特性.

采样点取在柴油机排气管上，使用具有保温装置的不锈钢导气管直接从发动机原始排放进行采样.为满足测试仪器的温度要求和浓度量程，DMS500快速响应颗粒分析仪采用二级稀释系统，本试验选用的稀释比分别为4∶1和200∶1，稀释气体为干燥的压缩空气，试验台架系统如图3所示.

图3　试验台架系统

3　试验结果及分析

3.1颗粒物数浓度分析

3.1.1颗粒物的粒径分布

在较低的负荷(10%负荷)下，4种燃油的颗粒物排放均以核态颗粒物为主；随着负荷的增大，4种燃油排放的颗粒物数浓度峰值逐渐从核态转移至积聚态；在较高的负荷(90%负荷)下，4种燃油排放的颗粒物仍以积聚态颗粒物为主，但颗粒物数浓度峰值对应的粒径略微减小，核态颗粒物数浓度有所增加.

随乙醇掺混比例的增加，与柴油相比，低负荷下排放的核态颗粒物数浓度明显减少，积聚态颗粒物略有减少，而在中、大负荷下，添加乙醇使得10 nm以下的小粒径颗粒物排放量增加，使柴油/乙醇排放的核态颗粒物数浓度有所增加，积聚态颗粒物数浓度则呈减小趋势.

图4在1 800 r/min转速下不同负荷的颗粒物粒径分布

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

在低负荷下混合气较稀，添加含氧燃料改善燃烧的效果并不明显，积聚态颗粒物数浓度变化较小，柴油机排气中50 nm以下的超细颗粒物较多，核态颗粒物占排放气溶胶数量的大部分，氧浓度的增加有利于碳的转化，使核态颗粒物数浓度大幅减少.而在中、大负荷工况下，更多的喷油燃烧形成高温高浓度的混合气核心，乙醇具有氧化性的羟基(—OH)自由基，对燃烧过程中生成的颗粒物有一定的氧化作用，减少颗粒形成过程中碳烟前驱物的生成，增加了可溶有机物的含量，使初级碳颗粒凝聚的概率降低，排放颗粒物粒径减小.

3.1.2核态颗粒物比例分析

在1 500 r/min转速下，不同负荷的4种燃油排放颗粒物数浓度及核态比例随乙醇掺混比的变化如图5所示.由图可见，柴油燃烧排放的总颗粒物数浓度峰值出现在10%的低负荷工况，而柴油/乙醇排放的总颗粒物数浓度峰值出现在90%的高负荷工况，掺混5%、10%的乙醇能降低总颗粒物数浓度.

在较低的负荷(10%和30%负荷)下，乙醇的掺混使核态颗粒物比例显著降低，尤其较低的掺醇比PB5使其分别降低了39.0%和32.5%；在较高的负荷(70%和90%负荷)下，乙醇的掺混使核态颗粒物数浓度有所增加，颗粒物细化，柴油/乙醇PB20使核态组分比例分别增加了5.1%和12.4%，总颗粒物数浓度略有增加.

3.2颗粒物质量浓度分析

4种燃油在1 200、1 500和1 800 r/min转速和不同负荷下排放的总颗粒物质量浓度如图6所示.由图可知：在一定负荷下，较低的转速(1 200 r/min)时排放的总颗粒物质量浓度普遍最高；在各种工况下，柴油/乙醇排放的总颗粒物质量浓度普遍低于柴油，在较大的掺醇量PB10和PB20时尤为明显.在10%

图5在1 500 r/min转速下不同负荷的颗粒物数浓度和核态比例

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

图6不同工况下总颗粒物的质量浓度

Fig.6Particle mass concentration at different conditions

负荷下，柴油PB0排放的总颗粒物质量浓度最高为0.009 04 μg/cm3，柴油/乙醇PB20排放的总颗粒物质量浓度最高为0.005 26 μg/cm3，降低了41.8%；在90%负荷下，PB0排放的总颗粒物质量浓度最高为0.045 54 μg/cm3，柴油/乙醇PB20排放的总颗粒物质量浓度最高为0.021 32 μg/cm3，降低了53.2%；在中等负荷下排放的颗粒物质量浓度降低得更为明显，达74.7%.

随着混合燃料中乙醇比例的增加，芳香烃和硫酸盐的含量减少，从而减少了碳颗粒的形成和聚集，总颗粒物质量浓度大幅减少.由3.1.2节可知，在较

高负荷(70%和90%负荷)下，乙醇的掺混增大了核态颗粒物的比例，但核态颗粒物粒径很微小，分布在50 nm以下，对颗粒物总质量浓度的贡献并不显著，4种燃料的颗粒物排放主体集中在积聚态颗粒物.

3.3颗粒物几何平均直径分析

4种燃油在1 200、1 500和1 800 r/min 转速和不同负荷下排放的颗粒物几何平均直径如图7所示.由图可知：柴油/乙醇排放的颗粒物的几何平均直径普遍都小于柴油，随乙醇掺混比的增加，颗粒物的几何平均直径总体呈下降趋势，这与核态颗粒物数浓度增加有关.

图7不同工况下颗粒物的几何平均直径

Fig.7 Particle mean diameter at different conditions

4　结论

(1)柴油/乙醇排放的颗粒物粒径分布与柴油相似，呈核态与积聚态双峰对数分布.在低负荷下，颗粒物数浓度峰值处于核态颗粒物；随负荷的增大，颗粒物数浓度峰值逐渐转移至较大粒径的积聚态颗粒物；在大负荷下，颗粒物数浓度峰值向核态颗粒物方向移动.

(2)在柴油中添加一定比例的乙醇能有效降低总颗粒物数浓度.在低负荷下，乙醇的掺混使核态颗粒物比例大幅减小，在中、大负荷下，随着乙醇掺混比例的增加，核态颗粒物比例有所增加，总体颗粒物细化.

(3)柴油/乙醇排放的颗粒物质量浓度普遍低于柴油.在较大的掺醇比PB10和PB20时，颗粒物质量浓度降低的效果更为明显，在部分负荷下，颗粒物质量浓度降低达74.7%，颗粒物排放主体主要集中在积聚态颗粒物，核态颗粒物对颗粒物总质量浓度的贡献并不显著.

(4)柴油/乙醇颗粒物的几何平均直径在各个工况下均小于柴油，且随掺醇比的增加呈下降趋势.

[1]谭丕强，阮谨元，胡志远，等.DOC+POC对发动机燃用柴油与B20排放颗粒的净化性能研究 [J].汽车工程，2015，37(7)：737-742.

TAN Pi-qiang，RUAN Jin-yuan，HU Zhi-yuan，et al.A study on the purification performance of DOC+POC for exhaust particles emitted from a diesel engine fueled with pure diesel and biodiesel diesel [J].Automotive Engineering，2015，37(7)：737-742.

[2]陈仁杰，陈秉衡，阚海东.我国113个城市大气颗粒物污染的健康经济学评价 [J].中国环境科学，2010，30(3)：410-415.CHEN Ren-jie，CHEN Bing-heng，KAN Hai-dong.A health-based economic assessment of particulate air pollution in 113 Chinese cit,ies [J].China Environmental Science，2010，30(3)：410-415.

[3]MATSUZAKIA Tatsu，AMAKAWAA Kazuhisa，YAMAGU-CHIA Kazuhiro，et al.Effect of diesel exhaust particles on human neutrophil activation [J].Experimental Lung Research，2006，32(9)：427-439.

[4]AGARWAL Avinash Kumar，GUPTA Tarun，KOTHARI Abhishek，et al.Particulate emissions from biodiesel vs diesel fuelled compression ignition engine [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15：3278-3300.

[5]鄂加强，张双利，傅学正，等.醇基燃料燃烧器的性能和场协同分析 [J].华南理工大学学报(自然科学版)，2011，39(8)：66-71.

E Jia-qiang，ZHANG Shuang-li，FU Xue-zheng，et al.Performance and field synergy analysis of alcohol-based fuel burner [J].Journal of South China University of Techno-logy(Natural Science Edition)，2011，39(8)： 66-71.

[6]姚春德，刘军恒，阳向兰，等.电控共轨柴油机应用柴油/乙醇组合燃烧的气体排放及燃料经济性 [J].内燃机学报，2011，29(2)：105-111.

YAO Chun-de，LIU Jun-heng，YANG Xiang-lan，et al.Emissions and fuel economy of a common rail engine using diesel/ethanol blended with water compound combustion mode [J].Transactions of CSICE，2011，29(2)： 105-111.

[7]李肖力，梁荣光，简弃非，等.在用柴油车环保节能的对策研究 [J].华南理工大学学报(自然科学版)，2001，29(4)：87-90.

LI Xiao-li，LIANG Rong-guang，JIAN Qi-fei，et al.The countermeasure research on conservation and energy sa-ving of diesel automobile in use [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)，2001，29(4)：87-90．

[8]LEIDENBERGER Ulrich，MÜHLBAUERA Wolfgang，-LOR ENZA Sebastian，et al.Experimental studies on the influence of diesel engine operating parameters on properties of emitted soot particles [J].Combustion Science and Technology，2012，184(1)：1-15.

[9]OTSUKI Yoshinori，TAKEDA Kenji，HARUTA Kazuhiko，et al.A solid particle number measurement system including nanoparticles smaller than 23 nanometers [R].Warrendal：SAE International，2014.

[10]汪家全，孙平，梅德清，等．乙醇柴油发动机的颗粒排放及其热解动力学分析 [J].农业工程学报，2011，27(增刊2)：110-113.

WANG Jia-quan，SUN Ping，MEI De-qing，et al.Particulate matter emission and its pyrolysis kinetic analysis of ethanol-diesel engine [J].Transactions of the CSAE，2011，27(Supp2)：110-113.

[11]KAZUHIRO Yamamoto，KAZUKI Yamauchi.Numerical simulation of continuously regenerating diesel particulate filter [J].Proceedings of the Combustion Institute，2013，34(2)：3083-3090.

[12]葛旸，倪虹，王凤滨，等.国Ⅴ柴油机不同测试循环下的颗粒物数目排放的初步研究 [J].汽车工程，2016，38(4)：410-414.GE Yang，NI Hong，WANG Feng-bin，et al.A preliminary study on the particulate number emissions of a state-V diesel engine under different test cycles [J].Automotive Engineering，2016，38(4)：410-414.

[13]杜家益，李俊，张登攀，等.甲醇-调合生物柴油燃烧及排放微粒粒径分布特性试验 [J].农业工程学报，2016，32(12)：75-80.

DU Jia-yi，LI Jun，ZHANG Deng-pan，et al.Experiments on combustion and emission particulate size distribution characteristics of diesel engine fuelled with methanol-blending biodiesel fuel [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE)，2016，32(12)：75-80.

[14]DESANTES J M，BERMUDEZ V，PASTOR J V，et al.Investigation of the influence of post-injection on diesel exhaust aerosol particle size distributions [J].Aerosol Science and Technology，2006，40(1)：80-96.

[15]KELLY K E，WAGNER D A，LIGHTY J S，et al.Characterization of exhaust particles from military vehicles fueled with diesel，gasoline，and JP-8 [J].Journal of the Air & Waste Management Association，2003，53(3)：273-282.

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

湖北省自然科学基金资助项目(2013CFA104)

侯献军(1973-),男,博士,教授,主要从事汽车及发动机CAD/CAE、发动机排放控制及电控技术研究.E-mail: houxj@whut.edu.cn

TK 411.5

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