胡志遠,于書祥,闞澤超 ,曹志義,樓狄明 (.同濟大學汽車學院,上海 0804；.北方發(fā)動機研究所,山西大同 037036)

柴油機廣泛應用于工業(yè)、運輸、農(nóng)業(yè)等領域[1].近年來柴油機排放標準不斷加嚴,要求在顆粒物,HC和CO排放較低的情況下,大幅減少NOx排放.減小壓縮比是達到排放標準的一個最具前景的技術路線[2].高海撥環(huán)境起動困難,起動過程排放物增大是這類低壓縮比柴油機面臨的關鍵問題[3].

柴油機冷機起動過程中,不完全燃燒和失火循環(huán)較多,造成排氣中有大量未燃碳氫,燃油蒸汽和部分氧化反應產(chǎn)物,導致柴油機起動有害物排放遠高于正常工作工況,是研究的重點[4-6].目前,學者在柴油機起動排放研究主要集中平原,研究工作涉及柴油機平原冷機,熱機起動 HC,CO,顆粒物排放的差異[7-9],冷卻液溫度及進氣溫度對柴油冷機起動HC和NOx排放的影響[10-12],起動燃油噴射控制參數(shù)優(yōu)化和匹配[13-15]等.

我國高原面積占總國土面積的 37%,具有高原多,高原海拔高的地理環(huán)境特點,高海拔環(huán)境下柴油機污染物排放越來越被重視.目前對于柴油機高原的研究主要集中在性能[16-18],對柴油機高原排放的研究較少,對于起動排放的研究幾乎是空白.

本文以一臺壓縮比14.25的柴油機為試驗樣機,利用高原模擬試驗系統(tǒng),開展 0,1000,2000,3000,3750,4500m 6個海撥高度的冷機起動試驗,研究海拔高度對柴油機起動過程中HC,CO, NOx和顆粒物排放的影響,為高原排放污染控制提供參考.

1 材料與方法

試驗樣機為某渦輪增壓直噴柴油機,主要技術參數(shù)如表1所示.試驗燃料為市售國五0#柴油.依據(jù)GB/T 20969.1-2007[19],根據(jù)表2所示的環(huán)境條件模擬0, 1000, 2000, 3000, 3750, 4500m海撥高度,環(huán)境溫度25℃(即進氣溫度25℃),相對濕度25%,進行柴油機起動排放試驗,每個海撥高度重復3次.

表1 試驗柴油機主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of tested engine

試驗地點為大同市,時間為2017年5月. HC,CO和 NOx測量采用日本 Horiba公司生產(chǎn)的OBS-2200排放測試儀測量.其中,HC由FID分析儀測量,CO由NDIR 分析儀測量,NOx由CLD分析儀測量,精度≤±2.5%.顆粒物測量采用美國TSI公司生產(chǎn)的顆粒粒徑分析儀(Engine Exhaust Particle Sizer, EEPS 3090).EEPS3090粒徑分析儀測量范圍為 5.6～560nm,它可在 0.1s內(nèi)快速測取一個完整的顆粒粒徑分布圖譜,并同步輸出32個粒徑通道的顆粒數(shù)量和粒徑分布數(shù)據(jù).試驗設備及其連接布置如圖1所示.

表2 不同海撥高度的環(huán)境參數(shù)Table 2 Environmental parameter of diffident altitude

在柴油機渦輪增壓器之后的排氣管上打孔進行樣氣采集,排氣經(jīng)過排氣抽吸設備,一部分排氣直接進入OBS 2200氣態(tài)物排放測量系統(tǒng)對氣態(tài)物排放進行測量,另一部分排氣經(jīng)過 Dekati 2000射流稀釋器,進行兩級稀釋后進入 EEPS 3090粒徑譜儀對顆粒物排放進行測量.

圖1 試驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of test system

2 結果與討論

2.1 起動過程污染物排放量

柴油機起動過程的污染物質量排放由式(1)計算：

式中：mk為第k種污染物的質量排放, g;Qm,k為第k種污染物的質量流量, kg/h;f為測量儀器的采樣頻率, Hz;T為起動時間, s.

圖2為柴油機冷起動HC,CO,NOx和顆粒物排放隨海撥的變化情況.海撥升高,柴油機起動產(chǎn)生的 HC,CO和顆粒物排放增加,NOx排放降低. HC,CO和顆粒物排放分別從 0m海拔的1.1g, 5.4g, 14.6mg增加至4500m海拔的7.8g,14.3g和30.7mg,分別增加7.1, 2.6和2.1倍;NOx從0m海拔的0.26g降低至4500m海拔的0.12g,降低了 53.8%.這是因為,一方面,柴油機冷機起動時,供油量較高,燃燒不完全, HC和CO排放明顯升高[20].隨著海拔升高,柴機油循環(huán)進氣量減少,缸內(nèi)氧氣減少,燃燒不完全,缸內(nèi)溫度降低,HC,CO 和顆粒物排放增加,NOx排放降低.另一方面,海撥升高,進氣密度降低,柴油機起動時的失火循環(huán)和不完全燃燒循環(huán)增加[21],做功能力下降,導致該柴油機的起動時間增長,起動污染物排放增加.申立中等[22]進行了不同海撥下增壓中冷柴油機常規(guī)工況的性能能和排放研究,結果表明柴油機的 HC,CO和顆粒物排放隨著海撥的升高而增加.余林嘯等[23]利用可移動發(fā)動機測試臺和便攜式排放測試系統(tǒng)分析了重型柴油機在不同海撥地區(qū)常規(guī)工況的燃燒與排放特性,表明柴油機CO和顆粒隨著海拔高度的增加而增大,但 NOx排放隨海撥的變化規(guī)律不明顯.

圖2 不同海撥高度柴油機起動HC,CO,NOx和顆粒物排放Fig.2 HC, CO, NOx and PM emission from cold start process of tested diesel engine under different altitude

表3為0～4500m柴油機起動顆粒物排放中粒徑≤50nm的核態(tài)顆粒和粒徑＞50nm的聚集態(tài)顆粒物質量,及聚集態(tài)顆粒物質量占總顆粒質量排放的比例.可見,柴油機起動排放的聚集態(tài)顆粒質量占總顆粒質量的 94%～99%之間,聚集態(tài)顆粒在柴油機起動顆粒質量排放中占絕對主導地位.這是因為,柴油機工作時,排放的顆粒物粒徑大小與燃燒密切相關,當燃燒較充分時,生成的核態(tài)顆粒物增大.例如,當柴油機使用生物柴油等含氧燃料時,燃料含氧特性改善了燃燒,核態(tài)顆粒物排放增加[24].柴油機起動時,混合氣較濃,燃燒不完全,顆粒物排放主要為聚集態(tài)顆粒.樓狄明等[9]分析了柴油轎車平原冷機起動的顆粒物排放特性,結果表明該柴油轎車冷機起動的聚集態(tài)顆粒排放較高.

表3 柴油機不同海拔起動分粒徑顆粒物排放Table 3 PM emission from cold start process of tested diesel engine under different altitude

2.2 起動過程污染物瞬時排放

該機起動過程中HC,CO,NOx和聚集態(tài)顆粒物瞬時排放如圖3所示.由圖3(a)可見,隨著海拔高度的增加,柴油機起動HC峰值排放增大.這是因為,柴油機起動時,失火循環(huán)產(chǎn)生大量的未燃HC排放[12],且機體溫度低,活塞環(huán)和缸壁之間的縫隙較大,機油容易竄入燃燒室[25],HC排放增加;另外,發(fā)動機起動過程中,缸壁溫度低,冷激效應使得火焰?zhèn)鞑サ奖诿娓浇鼤r發(fā)生淬熄現(xiàn)象[26],形成HC排放;此外,海拔升高導致進氣密度下降,缸內(nèi)循環(huán)進氣量減少,導致混合氣過濃,同時缸內(nèi)介質密度降低使油束貫穿距增加,霧化效果變差,燃燒不完全[27],HC排放增加.

圖3 柴油機起動過程的HC,CO,NOx和顆粒物瞬態(tài)排放Fig.3 Transient HC, CO, NOx and PM emission during cold start process of tested diesel engine under different altitude

由圖 3(b)可見,隨著海拔的升高,柴油機起動過程的 CO峰值排放呈先增加后減小的變化趨勢,0～3000m海拔,CO峰值濃度隨海撥的升高而增加; 3000～4500m海拔,CO排放濃度隨海撥的升高有所降低.這是因為,CO生成主要受混合氣氧氣濃度和缸內(nèi)燃燒溫度的影響,隨著海拔的增加,一方面,柴機油進氣密度下降,循環(huán)進氣量減少,缸內(nèi)氧氣減少,CO氧化受到抑制,導致CO排放增大[23];另一方面,海拔升高導致壓縮沖程結束時缸內(nèi)溫度和壓力降低,滯燃期增長,預混燃燒比例增加,缸內(nèi)燃燒溫度增加[28],反過來促進 CO的氧化.0～3000m海拔條件下,CO生成主要受缸內(nèi)混合氣氧濃度控制,CO峰值排放隨著海撥的升高而增加;3000以上海拔時,缸內(nèi)溫度成為主要因素,生成的CO得以繼續(xù)氧化為CO2,CO排放降低.

由圖 3(c)可見,隨著海拔的升高,柴油機起動過程的 NOx峰值排放降低.這是因為,NOx形成的條件為高溫,富氧和高溫持續(xù)時間.隨著海拔的升高,一方面,預混燃燒比例增大,缸內(nèi)燃燒溫度升高[28],有利于 NOx生成;另一方面,海撥升高導致缸內(nèi)氧氣量減少,破壞了NOx的生成條件,NOx降低[29].二者綜合作用導致NOx隨海撥升高而降低.

由圖3(d)可見,柴油機起動過程中,5～9s之間,聚集態(tài)顆粒數(shù)濃度有一個小的峰值;在 9～12s時間段內(nèi),聚集態(tài)顆粒物排放急劇升高,直到12s達到峰值;12s以后,聚集態(tài)顆粒物排放下降,在 20s時達到穩(wěn)定.這是因為,5s之后的幾個著火循環(huán)中,噴入的燃油與前期未著火循環(huán)累積的燃油一起蒸發(fā)燃燒,混合氣過濃,聚集態(tài)顆粒物排放增加[9];9～12s時間段內(nèi),柴油機處于起動升速期,缸內(nèi)燃燒主要以擴散燃燒為主,燃燒持續(xù)期較長,使得火焰鋒面生成的碳煙顆粒來不及完全氧化,聚集態(tài)顆粒物排放增加;12s以后,隨著缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的進一步改善,聚集態(tài)顆粒降低,直至怠速.海撥升高,柴油機的循環(huán)進氣量減少,混合氣過濃,聚集態(tài)顆粒排放增加.

2.3 起動過程顆粒物粒徑分布

由圖 4可見,柴油機不同海撥起動排放的顆粒物呈單峰對數(shù)分布,隨著海拔的升高,小粒徑段顆粒大幅度減少,顆粒的峰值粒徑向大粒徑方向移動,幾何平均粒徑增大.這是因為,隨著海撥的升高,循環(huán)進氣量減少,混合氣較濃,燃燒不完全,導致小粒徑段的核態(tài)顆粒生成量減少,大粒徑段的聚集態(tài)顆粒生成量增加[30].

圖4 不同海拔高度柴油機起動顆粒物排放粒徑分布Fig.4 The particle size distribution of tested diesel engine during cold start under different altitude

3 結論

3.1 海撥升高,柴油機起動過程 HC,CO 和顆粒物排放增加,NOx排放降低.與 0m海撥相比較,該柴油機高原(4500m)冷機起動 HC,CO和顆粒物排放分別增加7.1,2.6和2.1倍,NOx降低53.8%.

3.2 隨著海拔的升高,柴油機起動過程的瞬時HC, CO, NOx和顆粒物排放受混合氣濃度,缸內(nèi)溫度等因素的綜合影響,HC和聚集態(tài)顆粒物峰值排放增加,NOx峰值排放降低,CO峰值排放呈先增加后減小的變化趨勢.

3.3 0～4500m 海撥,柴油起動過程排放的顆粒物質量中聚集態(tài)顆粒物質量占 94%～99%,顆粒物數(shù)量排放呈單峰對數(shù)分布.海撥升高,峰值粒徑向大粒徑方向移動,幾何平均粒徑增大.

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