海拨高度对柴油机起动污染物排放的影响

胡志远,于书祥,阚泽超 ,曹志义,楼狄明 (.同济大学汽车学院,上海 0804；.北方发动机研究所,山西大同 037036)

柴油机广泛应用于工业、运输、农业等领域[1].近年来柴油机排放标准不断加严,要求在颗粒物,HC和CO排放较低的情况下,大幅减少NOx排放.减小压缩比是达到排放标准的一个最具前景的技术路线[2].高海拨环境起动困难,起动过程排放物增大是这类低压缩比柴油机面临的关键问题[3].

柴油机冷机起动过程中,不完全燃烧和失火循环较多,造成排气中有大量未燃碳氢,燃油蒸汽和部分氧化反应产物,导致柴油机起动有害物排放远高于正常工作工况,是研究的重点[4-6].目前,学者在柴油机起动排放研究主要集中平原,研究工作涉及柴油机平原冷机,热机起动 HC,CO,颗粒物排放的差异[7-9],冷却液温度及进气温度对柴油冷机起动HC和NOx排放的影响[10-12],起动燃油喷射控制参数优化和匹配[13-15]等.

我国高原面积占总国土面积的 37%,具有高原多,高原海拔高的地理环境特点,高海拔环境下柴油机污染物排放越来越被重视.目前对于柴油机高原的研究主要集中在性能[16-18],对柴油机高原排放的研究较少,对于起动排放的研究几乎是空白.

本文以一台压缩比14.25的柴油机为试验样机,利用高原模拟试验系统,开展 0,1000,2000,3000,3750,4500m 6个海拨高度的冷机起动试验,研究海拔高度对柴油机起动过程中HC,CO, NOx和颗粒物排放的影响,为高原排放污染控制提供参考.

1 材料与方法

试验样机为某涡轮增压直喷柴油机,主要技术参数如表1所示.试验燃料为市售国五0#柴油.依据GB/T 20969.1-2007[19],根据表2所示的环境条件模拟0, 1000, 2000, 3000, 3750, 4500m海拨高度,环境温度25℃(即进气温度25℃),相对湿度25%,进行柴油机起动排放试验,每个海拨高度重复3次.

表1 试验柴油机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of tested engine

试验地点为大同市,时间为2017年5月. HC,CO和 NOx测量采用日本 Horiba公司生产的OBS-2200排放测试仪测量.其中,HC由FID分析仪测量,CO由NDIR 分析仪测量,NOx由CLD分析仪测量,精度≤±2.5%.颗粒物测量采用美国TSI公司生产的颗粒粒径分析仪(Engine Exhaust Particle Sizer, EEPS 3090).EEPS3090粒径分析仪测量范围为 5.6～560nm,它可在 0.1s内快速测取一个完整的颗粒粒径分布图谱,并同步输出32个粒径通道的颗粒数量和粒径分布数据.试验设备及其连接布置如图1所示.

表2 不同海拨高度的环境参数Table 2 Environmental parameter of diffident altitude

在柴油机涡轮增压器之后的排气管上打孔进行样气采集,排气经过排气抽吸设备,一部分排气直接进入OBS 2200气态物排放测量系统对气态物排放进行测量,另一部分排气经过 Dekati 2000射流稀释器,进行两级稀释后进入 EEPS 3090粒径谱仪对颗粒物排放进行测量.

图1 试验系统示意Fig.1 Schematic diagram of test system

2 结果与讨论

2.1 起动过程污染物排放量

柴油机起动过程的污染物质量排放由式(1)计算：

式中：mk为第k种污染物的质量排放, g;Qm,k为第k种污染物的质量流量, kg/h;f为测量仪器的采样频率, Hz;T为起动时间, s.

图2为柴油机冷起动HC,CO,NOx和颗粒物排放随海拨的变化情况.海拨升高,柴油机起动产生的 HC,CO和颗粒物排放增加,NOx排放降低. HC,CO和颗粒物排放分别从 0m海拔的1.1g, 5.4g, 14.6mg增加至4500m海拔的7.8g,14.3g和30.7mg,分别增加7.1, 2.6和2.1倍;NOx从0m海拔的0.26g降低至4500m海拔的0.12g,降低了 53.8%.这是因为,一方面,柴油机冷机起动时,供油量较高,燃烧不完全, HC和CO排放明显升高[20].随着海拔升高,柴机油循环进气量减少,缸内氧气减少,燃烧不完全,缸内温度降低,HC,CO 和颗粒物排放增加,NOx排放降低.另一方面,海拨升高,进气密度降低,柴油机起动时的失火循环和不完全燃烧循环增加[21],做功能力下降,导致该柴油机的起动时间增长,起动污染物排放增加.申立中等[22]进行了不同海拨下增压中冷柴油机常规工况的性能能和排放研究,结果表明柴油机的 HC,CO和颗粒物排放随着海拨的升高而增加.余林啸等[23]利用可移动发动机测试台和便携式排放测试系统分析了重型柴油机在不同海拨地区常规工况的燃烧与排放特性,表明柴油机CO和颗粒随着海拔高度的增加而增大,但 NOx排放随海拨的变化规律不明显.

图2 不同海拨高度柴油机起动HC,CO,NOx和颗粒物排放Fig.2 HC, CO, NOx and PM emission from cold start process of tested diesel engine under different altitude

表3为0～4500m柴油机起动颗粒物排放中粒径≤50nm的核态颗粒和粒径＞50nm的聚集态颗粒物质量,及聚集态颗粒物质量占总颗粒质量排放的比例.可见,柴油机起动排放的聚集态颗粒质量占总颗粒质量的 94%～99%之间,聚集态颗粒在柴油机起动颗粒质量排放中占绝对主导地位.这是因为,柴油机工作时,排放的颗粒物粒径大小与燃烧密切相关,当燃烧较充分时,生成的核态颗粒物增大.例如,当柴油机使用生物柴油等含氧燃料时,燃料含氧特性改善了燃烧,核态颗粒物排放增加[24].柴油机起动时,混合气较浓,燃烧不完全,颗粒物排放主要为聚集态颗粒.楼狄明等[9]分析了柴油轿车平原冷机起动的颗粒物排放特性,结果表明该柴油轿车冷机起动的聚集态颗粒排放较高.

表3 柴油机不同海拔起动分粒径颗粒物排放Table 3 PM emission from cold start process of tested diesel engine under different altitude

2.2 起动过程污染物瞬时排放

该机起动过程中HC,CO,NOx和聚集态颗粒物瞬时排放如图3所示.由图3(a)可见,随着海拔高度的增加,柴油机起动HC峰值排放增大.这是因为,柴油机起动时,失火循环产生大量的未燃HC排放[12],且机体温度低,活塞环和缸壁之间的缝隙较大,机油容易窜入燃烧室[25],HC排放增加;另外,发动机起动过程中,缸壁温度低,冷激效应使得火焰传播到壁面附近时发生淬熄现象[26],形成HC排放;此外,海拔升高导致进气密度下降,缸内循环进气量减少,导致混合气过浓,同时缸内介质密度降低使油束贯穿距增加,雾化效果变差,燃烧不完全[27],HC排放增加.

图3 柴油机起动过程的HC,CO,NOx和颗粒物瞬态排放Fig.3 Transient HC, CO, NOx and PM emission during cold start process of tested diesel engine under different altitude

由图 3(b)可见,随着海拔的升高,柴油机起动过程的 CO峰值排放呈先增加后减小的变化趋势,0～3000m海拔,CO峰值浓度随海拨的升高而增加; 3000～4500m海拔,CO排放浓度随海拨的升高有所降低.这是因为,CO生成主要受混合气氧气浓度和缸内燃烧温度的影响,随着海拔的增加,一方面,柴机油进气密度下降,循环进气量减少,缸内氧气减少,CO氧化受到抑制,导致CO排放增大[23];另一方面,海拔升高导致压缩冲程结束时缸内温度和压力降低,滞燃期增长,预混燃烧比例增加,缸内燃烧温度增加[28],反过来促进 CO的氧化.0～3000m海拔条件下,CO生成主要受缸内混合气氧浓度控制,CO峰值排放随着海拨的升高而增加;3000以上海拔时,缸内温度成为主要因素,生成的CO得以继续氧化为CO2,CO排放降低.

由图 3(c)可见,随着海拔的升高,柴油机起动过程的 NOx峰值排放降低.这是因为,NOx形成的条件为高温,富氧和高温持续时间.随着海拔的升高,一方面,预混燃烧比例增大,缸内燃烧温度升高[28],有利于 NOx生成;另一方面,海拨升高导致缸内氧气量减少,破坏了NOx的生成条件,NOx降低[29].二者综合作用导致NOx随海拨升高而降低.

由图3(d)可见,柴油机起动过程中,5～9s之间,聚集态颗粒数浓度有一个小的峰值;在 9～12s时间段内,聚集态颗粒物排放急剧升高,直到12s达到峰值;12s以后,聚集态颗粒物排放下降,在 20s时达到稳定.这是因为,5s之后的几个着火循环中,喷入的燃油与前期未着火循环累积的燃油一起蒸发燃烧,混合气过浓,聚集态颗粒物排放增加[9];9～12s时间段内,柴油机处于起动升速期,缸内燃烧主要以扩散燃烧为主,燃烧持续期较长,使得火焰锋面生成的碳烟颗粒来不及完全氧化,聚集态颗粒物排放增加;12s以后,随着缸内燃烧状态的进一步改善,聚集态颗粒降低,直至怠速.海拨升高,柴油机的循环进气量减少,混合气过浓,聚集态颗粒排放增加.

2.3 起动过程颗粒物粒径分布

由图 4可见,柴油机不同海拨起动排放的颗粒物呈单峰对数分布,随着海拔的升高,小粒径段颗粒大幅度减少,颗粒的峰值粒径向大粒径方向移动,几何平均粒径增大.这是因为,随着海拨的升高,循环进气量减少,混合气较浓,燃烧不完全,导致小粒径段的核态颗粒生成量减少,大粒径段的聚集态颗粒生成量增加[30].

图4 不同海拔高度柴油机起动颗粒物排放粒径分布Fig.4 The particle size distribution of tested diesel engine during cold start under different altitude

3 结论

3.1 海拨升高,柴油机起动过程 HC,CO 和颗粒物排放增加,NOx排放降低.与 0m海拨相比较,该柴油机高原(4500m)冷机起动 HC,CO和颗粒物排放分别增加7.1,2.6和2.1倍,NOx降低53.8%.

3.2 随着海拔的升高,柴油机起动过程的瞬时HC, CO, NOx和颗粒物排放受混合气浓度,缸内温度等因素的综合影响,HC和聚集态颗粒物峰值排放增加,NOx峰值排放降低,CO峰值排放呈先增加后减小的变化趋势.

3.3 0～4500m 海拨,柴油起动过程排放的颗粒物质量中聚集态颗粒物质量占 94%～99%,颗粒物数量排放呈单峰对数分布.海拨升高,峰值粒径向大粒径方向移动,几何平均粒径增大.

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