海撥高度對柴油機起動污染物排放的影響

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；.北方發動機研究所,山西大同 037036)

柴油機廣泛應用于工業、運輸、農業等領域[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優化和匹配[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境特點,高海拔環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,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,主要技術參數如表1所示.試驗燃料為市售國五0#柴油.依據GB/T 20969.1-2007[19],根據表2所示的環境條件模擬0, 1000, 2000, 3000, 3750, 4500m海撥高度,環境溫度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量和粒徑分布數據.試驗設備及其連接布置如圖1所示.

表2 不同海撥高度的環境參數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,排氣經過排氣抽吸設備,一部分排氣直接進入OBS 2200氣態物排放測量系統對氣態物排放進行測量,另一部分排氣經過 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,柴機油循環進氣量減少,缸內氧氣減少,燃燒不完全,缸內溫度降低,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和不完全燃燒循環增加[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]利用可移動發動機測試臺和便攜式排放測試系統分析了重型柴油機在不同海撥地區常規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的核態顆粒和粒徑＞50nm的聚集態顆粒物質量,及聚集態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顆粒質量占總顆粒質量的 94%～99%之間,聚集態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,失火循環產生大量的未燃HC排放[12],且機體溫度低,活塞環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,發動機起動過程中,缸壁溫度低,冷激效應使得火焰傳播到壁面附近時發生淬熄現象[26],形成HC排放;此外,海拔升高導致進氣密度下降,缸內循環進氣量減少,導致混合氣過濃,同時缸內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,循環進氣量減少,缸內氧氣減少,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溫度和壓力降低,滯燃期增長,預混燃燒比例增加,缸內燃燒溫度增加[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,缸內溫度成為主要因素,生成的CO得以繼續氧化為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,富氧和高溫持續時間.隨著海拔的升高,一方面,預混燃燒比例增大,缸內燃燒溫度升高[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,聚集態顆粒數濃度有一個小的峰值;在 9～12s時間段內,聚集態顆粒物排放急劇升高,直到12s達到峰值;12s以后,聚集態顆粒物排放下降,在 20s時達到穩定.這是因為,5s之后的幾個著火循環中,噴入的燃油與前期未著火循環累積的燃油一起蒸發燃燒,混合氣過濃,聚集態顆粒物排放增加[9];9～12s時間段內,柴油機處于起動升速期,缸內燃燒主要以擴散燃燒為主,燃燒持續期較長,使得火焰鋒面生成的碳煙顆粒來不及完全氧化,聚集態顆粒物排放增加;12s以后,隨著缸內燃燒狀態的進一步改善,聚集態顆粒降低,直至怠速.海撥升高,柴油機的循環進氣量減少,混合氣過濃,聚集態顆粒排放增加.

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,循環進氣量減少,混合氣較濃,燃燒不完全,導致小粒徑段的核態顆粒生成量減少,大粒徑段的聚集態顆粒生成量增加[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,缸內溫度等因素的綜合影響,HC和聚集態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顆粒物質量占 94%～99%,顆粒物數量排放呈單峰對數分布.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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