醇基添加剂与柴油混合燃料对柴油机颗粒物排放特性的影响

范爱民，范德新，赵良红

（1.顺德职业技术学院 能源与汽车工程学院，广东 佛山 528333；

（2.天津大学 环境科学与工程学院，天津 300350 ）

我国是柴油消费大国，柴油机在各种动力机械中占有相当大的比例，柴油机富氧且不均匀的燃烧特点导致了氮氧化物和颗粒物的高排放。生态环境部近日发布《中国机动车环境管理年报（2018）》，显示我国已连续九年成为世界机动车产销第一大国，机动车污染已成为我国空气污染的重要来源，汽车是机动车大气污染排放的主要“贡献者”，其排放的CO和HC超过80%，NOx和PM超过90%。按车型分类，货车排放的NOx和PM明显高于客车。按燃料分类，柴油车排放的NOx接近汽车排放总量的70%，PM超过90%；占汽车保有量7.8%的柴油货车，排放了57.3%的NOx和77.8%的PM，是机动车污染防治的重中之重。

柴油机颗粒对人体健康的危害与其特性有着直接关系［1］。控制柴油机排放污染物是目前亟需解决的问题，解决该问题的重要对策之一是在柴油中添加含氧化合物组分［2］，在不改变车辆和发动机结构也不增加装置的前提下，通过改变燃料的物性，使燃料得以充分燃烧，有效改善柴油机的排放性能。对柴油而言，添加组分不仅需要有较高的十六烷值，而且还应与柴油有良好的互溶性、容易降解、成本较低和原料方便易得等特点［3］。

柴油中常见的含氧化合物添加组分有甲醇、乙醇和甲缩醛（DMM）等，其突出优势是能够有效减少燃烧中生成的颗粒物［4-6］，为此，本研究对含有醇基添加剂与柴油混合燃料的颗粒物排放特性进行研究，以期揭示柴油机燃用含醇基添加剂的柴油混合燃料时颗粒物排放特征，找出有效减少柴油发动机颗粒物排放方法。

1 试验用燃料、设备及方案

1.1 试验用燃料

试验用燃料为柴油与醇基添加剂混合成的混合燃料。柴油为市场购买的0号柴油，醇基柴油添加剂以醇基基液与添加剂按不同质量份混合而成；其中醇基基液以乙醇、正丁醇、甲基叔丁基醚、十二烯基丁二酸按不同质量份配制而成；添加剂以二茂铁、乙酰乙酰丙酮铝、纳米氧化镧、纳米氧化铈按不同质量份配制而成。

1.2 柴油机及测试设备主要参数

采用广东顺德柴油机厂生产的 DLH195-D单缸柴油机，额定功率为9.4 KW，发动机冷却方式为水冷，起动方式为起动机，燃料为0号柴油、柴油与醇基添加剂混合成的混合燃料。为了对比不同油品的特点，对柴油机未作任何改变，试验测试设备的主要参数见表1 。

表1 试验测试设备主要参数

1.3 试验方案

1.3.1 优化试验

本研究首先通过对比试验的方法，采用非道路柴油机六工况法排放试验，从不同比例的柴油与醇基添加剂混合成的混合燃料中，找出对减排柴油机颗粒物最佳的醇基添加剂柴油混合燃料配方。

柴油机分别燃用柴油和不同比例配方（见表2、表3、表4、表5）的测试混合燃料，利用 Lighthouse HANDHELD颗粒计数器进行排气颗粒分级取样，每次采样时间均为30 min。进行粒径分级采样时，柴油机运行在2 200 r/min下100%负荷工况，采用Lighthouse HANDHELD颗粒计数器对尾气排放进行颗粒物排放测量。

表2 醇基01号基液与01号不同比例添加剂配方

表3 醇基01号基液与02号不同比例添加剂配方

表4 醇基02号基液与01号不同比例添加剂配方

表5 醇基02号基液与02号不同比例添加剂配方

对以上各种不同比例配方的醇基柴油混合燃料在试验用柴油发动机上进行规定工况下的台架试验，通过排放，对比筛选出尾气颗粒物排放最少的醇基柴油混合燃料。

1.3.2 醇基柴油混合燃料颗粒物排放特性试验

在 DLH195-D 柴油机上分别燃用试验燃料，采用非道路柴油机六工况法排放试验，分析燃料特性对柴油机颗粒物排放特性的影响。选取发动机在最大扭矩转速（2 200 r/min）下，分别以怠速、10%、25%、 50%、 75%和100%等不同负荷作为试验工况。在进行油品切换时，调节发动机至稳态工况点，先让发动机运行 15 min，以消除油路中残余燃油对试验结果的影响，然后再进行试验测量。

2 试验结果与分析

2.1 优化试验结果与分析

按照表6中的20种配方配置醇基柴油混合燃料，将配置好的各种混合燃料在 DLH195-D 柴油机上进行台架试验，按照非道路柴油机六工况法排放试验方法，测试各种混合燃料的尾气颗粒物排放，与没有添加混合燃料的0号柴油，在该发动机上进行同工况台架试验的尾气颗粒物排放进行比较，排放结果见表6。在对发动机功率、扭矩影响不大的情况下，找出尾气颗粒物减排最佳的CJ-0215-0201醇基柴油混合燃料。

表6 20种配方配置醇基柴油混合燃料优化试验排放结果

2.2 结果与分析

图1、图2、图3、图4分别为通过优化试验选出的醇基柴油混合燃料与0号柴油，在采用非道路柴油机六工况法排放试验，进行台架试验得到的尾气排放各种颗粒物对比。图中实线是0号柴油尾气排放的PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM5.0等颗粒物拟合曲线，虚线则是醇基柴油混合燃料尾气排放中对应各种颗粒物拟合曲线。

从图1、图2、图3、图4中可以看出，柴油机燃用醇基柴油混合燃料排放的颗粒中，各种模态颗粒PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM5.0均有较大幅度的减少，尤其是在大负荷（75%以后）工况时，颗粒物的排放趋于平缓，排放减少较多，这是因为醇基柴油混合燃料黏度和表面张力的降低改善了雾化特性，同时促进初次雾化和二次雾化，使燃烧更加充分，减少了燃油和润滑油不完全燃烧产生的一次微粒聚集成团以及碳基吸附可溶性有机物的几率，抑制了因扩散燃烧产生的颗粒物；同时乙醇和正丁醇含氧增加了燃烧过程中活性氧浓度，从而增加活性含氧中间体，促进了碳烟的氧化，减少了各种颗粒物的排放。

图1 PM0.5颗粒物排放对比

图2 PM1.0颗粒物排放对比

图3 PM2.5颗粒物排放对比

图4 PM5.0颗粒物排放对比

3 结论

通过在一台未改动的轻型单缸柴油机上，对柴油和醇基柴油混合燃料进行了燃烧、排放的试验测试，得到了以下结论：

1）醇基柴油混合燃料能较大幅度减少柴油发动机尾气颗粒物的排放。醇基柴油混合燃料黏度和表面张力的降低改善了柴油雾化特性，使燃烧更加充分，从而有效减少尾气颗粒物的排放。

2）醇基柴油混合燃料在柴油机大负荷（75%以上）工况下，其尾气排放各种颗粒物减排效果更加显著。

3）醇基柴油混合燃料中醇基基液与添加剂的配方比例非常重要，对柴油机的动力性和经济性影响较大。