预混比对乙醇/柴油RCCI 排气颗粒物化学成分的影响

班智博，唐国强，韩伟强，罗强，方嘉

（1.广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 530000；2.中车资阳机车有限公司，四川 资阳 641300；3.汽车测控与安全四川省重点实验室（西华大学），四川 成都 610039；4.四川启涅科技有限公司，四川 广元 628000）

内燃机作为一种动力装置因其可靠性、耐用性和更高的燃油热效率等优点被广泛应用于工程、机械以及农业等多个领域。大量柴油机的使用会造成氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）的过高排放，并且排出的颗粒物直径普遍小于1 μm，是PM2.5的主要来源之一[1]。研究发现，颗粒物对全球温室效应的影响仅次于二氧化碳，是名副其实的“暖宝宝”[2]。除此之外，颗粒物还是导致雾霾天气的重要原因，人体吸附有害物质的较小颗粒物容易引发冠心病和呼吸道疾病，还会导致免疫功能受损[3-5]。

学者们致力于从废气再循环（exhaust gas recalculation，EGR）、喷油策略和新型燃烧模式等手段来改善发动机排放[6-8]。其中，新型燃烧模式——活性控制压缩点火（reactivity controlled compression ignition，RCCI）能够有效避免NOx与PM 的彼消此长问题，并且燃料选择具有高度灵活性。研究证实，在特定条件下RCCI 可以实现NOx和PM 同时近零排放，是一种极具发展潜力、燃烧可控和排放友好的柴油机燃烧模式[9-10]，成为了当下学者们的研究热点。

汽油作为一种石油基燃料，有着广泛的市场，因此是第一个在RCCI 发动机上应用的低活性燃料。然而，化石燃料的短缺限制了汽油在RCCI 上的应用。此外，汽油中含有多环芳香烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH），容易形成碳烟[11]。为了解决这个问题，研究人员正在寻找其他替代燃料，醇类燃料因其含氧和可再生，逐渐发展成为潜在的低活性燃料[12-13]。其中，乙醇作为一种二元醇，因其节能环保、价格低廉，被广泛应用于内燃机和汽车领域上，具有很好的推广应用价值。目前，乙醇广泛应用于RCCI 上，在提高热效率和降低排放上极具潜力。Zhu等[8]在一台单缸发动机上进行了正庚烷/汽油类燃料RCCI 发动机燃烧和排放特性的试验研究。结果发现，与汽油相比，乙醇/正庚烷RCCI 的NOx和PM 排放量同时减少了50%。这是因为在相同的喷射策略下，乙醇/正庚烷RCCI 存在更好的冷却效果和更高的氧含量。Hanson等[14]在一台轻型多缸压燃式发动机上进行了RCCI 燃烧试验，结果发现在向汽油中添加20%的乙醇后，制动热效率（BTE）提高了约5%。此外，Hanson 等还发现，与汽油相比，由于乙醇的低反应性增加了反应活性梯度，从而降低了压力上升率（PRR），提高了低负荷下的燃烧效率。

缸内混合气分层和分布受预混比影响很大，学者们发现预混比的提高能够显著降低NOx和PM 排放。Li等[15]在甲醇/柴油RCCI 的参数优化研究中发现，在预混比、EGR 率、喷油定时、进气门关闭时的初始缸内压力和温度几个因素中，初始温度和EGR 率对发动机整体性能和排放的影响最为显著，而预混比和喷油定时通过改变缸内局部富集燃料和高温区域会显著影响NOx和PM 排放。Işik等[16]开展了Rp对乙醇/柴油RCCI燃烧影响的试验，研究发现随着Rp的增加，缸内燃烧温度下降，NOx大幅降低，同时还提高了热效率。

综上所述，乙醇作为低活性燃料应用于RCCI时在降低排放、提高热效率和拓宽负荷上表现优异，是一种具有广阔发展前景的替代燃料。然而，目前研究大多集中在RCCI 燃烧和排放方面，针对颗粒物化学成分的研究比较匮乏，需要进一步探索和揭示。因此，本文基于一台改装过的六缸重型柴油发动机，维持循环总能量为4 000 J/cyc，转速恒定为1 500 r/min，喷油定时为-10°CA ATDC，预混比分别为30%、40%和50%，研究预混比对乙醇/柴油RCCI 排气颗粒物化学成分的影响。本文的试验结果将丰富和发展颗粒物化学成分生成理论，为减少RCCI 颗粒物排放的研究提供参考。

1 实验设备与方法

1.1 实验设备

本研究基于一台六缸高压共轨柴油发动机进行改装，使用两套独立的燃油喷射系统，通过进气道喷射低活性（高辛烷值）乙醇燃料，缸内直接喷射高活性（高十六烷值）柴油燃料，从而实现RCCI 燃烧。实验发动机基本参数如表1所示，涉及燃料主要理化特性如表2所示。低活性燃料喷射系统主要包括低压油轨和低活性燃料喷油器，控制低活性燃料喷油压力为0.5 MPa，选取孔数为4、喷射角度为15°的喷油器。

表1 实验发动机基本参数

图1显示了RCCI 发动机实验平台示意图。该实验平台主要包括发动机动力和测控系统、温度压力监控系统、两套燃油供给系统、ECU 喷油策略控制系统以及颗粒物采集装置系统，发动机工况通过DW630 型电涡流测功机进行控制。

颗粒物采集装置示意图见图2。具体操作如下：首先用胶带将TEM 微栅黏贴在普通定性滤纸上，然后放入取样器中。发动机尾气由真空泵抽取，使得含有颗粒物的尾气流过TEM 微栅，从而使颗粒物直接固定在TEM 微栅上，最后取下TEM 微栅放入微栅盒中，密封后放入冰箱以备检测。本研究采用的TEM 微栅是厚度为15～20 nm 的300目铜网微栅。此外，为了制备合格的颗粒物样品，取样时间和流量应当分别控制在10～15 s和3 L/min。

表2 试验用燃料主要理化特性

图1 RCCI 发动机实验平台示意图

图2 颗粒物采集装置示意图

Talos F200S（S） TEM 可实现具有多功能性和高通量的STEM 成像，可用于精确EDS 分析，如图3所示。为确保样品数据可靠真实，减小不确定性，将曝光时间设置为10 s，能量范围（色散）控制在20 keV（5 eV），成形时间常数3 μs，电子噪声为28 eV。颗粒物元素组成通过能量色散X 射线光谱仪（EDS）半定量分析确定，它可以检测单个粒子中原子序数大于5（B）的元素，由于TEM-EDS 无法检测氢元素，因此该元素不会出现在TEM-EDS 光谱中[17]。本研究一共测量了3 个样本，为了确保所分析的颗粒物能够代表整个尺寸范围，在单个颗粒物上，至少对颗粒物的中心和外围的3 个不同位置进行扫描[18]。此外，EDS 测试时间为30 s，以尽量减少辐射暴露和潜在的电子束流损伤。

图3 Talos F200S 透射电子显微镜

1.2 实验方法

如表3所示，试验期间一系列参数保持不变。发动机转速保持1 500 r/min 不变，柴油直喷压力（direct injection DI） 恒定为100 MPa，而通过进气道进入气缸参与燃烧的乙醇燃料的喷油定时和喷油压力分别为-360°CA ATDC和0.55 MPa。在实验过程中，进气温度保持在30±1 ℃，冷却水和润滑油的温度分别恒定在90±1 ℃和80±1 ℃。为了保证实验的可靠性和真实性，颗粒物的采集是在每个工况下发动机连续稳定运转5 min 后进行的。在本研究中，循环总能量维持在4 000 J/cyc 不变，喷油定时选定-10°CA ATDC。循环总能量是每个循环供应到发动机中的醇类燃料和柴油的能量之和，其定义如公式（1）所示。预混比会对RCCI 燃烧和排放特性有直接影响，进而影响颗粒物的理化特性，因此本研究选择了3 种预混比，即30%、40%和50%。在本研究中，Rp被视为端口醇类燃料能量与Etotal的比值，其计算公式见式（2）。

式中：Ha和Hd分别代表醇类燃料和柴油的低热值（LHVs），MJ/kg；ma是每个发动机循环中注入进气歧管的醇类质量；md是每个发动机循环中喷入气缸的柴油质量，kg/h；Etotal是每个循环供应到发动机中的醇类和柴油的能量总和。

表3 发动机控制参数

2 预混比对RCCI 颗粒物元素成分和含量的影响

颗粒物也称为元素碳或黑碳，是燃料不完全或不充分燃烧的产物，主要由C和O 元素组成。它是由粒径为10～100 nm 的小球形颗粒物团聚而成，以链状、簇状或葡萄状的形式存在，具有很高的辨识度。图4显示了RCCI 典型颗粒物EDS 能谱图，其余工况条件与此类情况相似。由于受到铜网微栅的影响，实际测得的金属铜元素含量偏大，可能为颗粒物实际铜元素和铜网微栅共同作用的结果。尽管测试值不能反映实际真实情况，但考虑是探究某一影响因素对其变化的影响，因此纳入分析中。

图4 RCCI 典型颗粒物EDS 能谱图

图5—9显示了预混比对RCCI 排气颗粒物各元素成分的影响。从图中可以看出，RCCI 颗粒物元素组成主要包括C、O、Si 元素。除此之外，随着Rp的减少，乙醇/柴油RCCI 颗粒物检测出Zr元素。

如图5所示，随着Rp的增加，RCCI 颗粒物C 元素含量小幅增加。这是因为Rp的增加会导致不完全燃烧的增加，从而形成更多的碳烟前驱体，颗粒物相应增加，导致C 元素含量呈小幅增加趋势，这与Lee等[19]的研究一致。

图5 Rp 对RCCI 排气颗粒物C 元素的影响

图6 Rp 对RCCI 排气颗粒物O 元素的影响

图7 Rp 对RCCI 排气颗粒物 Si 元素的影响

图8 Rp 对RCCI 排气颗粒物Cu 元素的影响

图9 Rp 对RCCI 排气颗粒物Zr 元素的影响

如图6所示，随着Rp的增加，RCCI 颗粒物O 元素含量增加。这是因为Rp的增加提高了醇类燃料预混燃烧比例，更多的醇类燃料参与整个燃烧过程，进而提高了颗粒物的O 元素含量。此外，还会增加润滑油在燃烧过程中的氧化速率，特别是在燃烧温度较高的情况下。

如图7所示，随着Rp的增加，RCCI 颗粒物Si 元素含量减少。一些学者在报告中说道，Si 元素可能来自于从生物质提取（如单质醇燃料）过程中的无机成分或有机络合物[20]，在燃烧过程中可以转化为气溶胶。而预混比例增加后，缸内燃料中氧含量增加，改善了燃烧过程，缸内燃烧温度和压力增加，促进Si 元素在燃烧过程中转化为气溶胶，最终导致Si 含量降低。

如图8所示，随着Rp的增加，RCCI 颗粒物Cu 元素含量减少。在柴油发动机排放的PM 中金属元素的主要来源可分为3 部分：燃料、润滑油、金属运动件。本试验所用乙醇燃料为无水乙醇，几乎不含金属元素，因此在柴油发动机使用乙醇替代柴油降低了PM 中的金属元素，从而导致随着预混比例的增加，Cu 含量降低。此外，乙醇预混比例增加后，燃料混合气中氧含量增加，在高燃烧温度下可以提高润滑油在燃烧过程中的氧化速率，因此预混比例增加，Cu 的含量降低。

如图9所示，随着Rp的增加，RCCI 颗粒物Zr 元素含量减少直至消失。在Rp=30%时产生的颗粒物含有特殊金属Zr 元素，这是由于润滑油在高氧浓度和高温环境的协同作用下被氧化，然后这些金属氧化物会促进颗粒物氧化，导致颗粒物晶体结构发生改变。

3 结论

本文在一台改装过的六缸重型高压共轨柴油发动机上，选取乙醇作为低活性燃料实现RCCI 燃烧，探讨了预混比对乙醇/柴油RCCI 排气颗粒物化学成分的影响，主要结论如下。

1）与传统颗粒物不同，RCCI 颗粒物除了主要包括C和O 元素外，还含有Si 元素。

2）随着Rp的减少，RCCI 颗粒物检测出Zr 元素，并引起其余元素含量变化。

3）随着Rp的增大，RCCI 颗粒物C 元素含量呈小幅增加，O 元素含量增加，Si 元素和Cu 元素含量减少，且微量元素Zr 含量减少直至消失。