F—T柴油与汽油混合燃料排放特性研究
【摘要】近年来世界的能源危机和环境污染的愈演愈烈，世界各国对汽车发动机节能减排环保的要求变得越发严格。相较于汽油机，柴油机具有压缩比高、燃烧时过量空气系数大、泵气损失小等特点，使其在车辆上的应用逐年增加[2]。柴油车在车辆上的应用将会越来越受到全世界各国的关注和重视，在未来车用柴油也许会成为主流的发展趋势。在当前柴油车应用范围不断加大的背景下，寻找柴油机的所使用的清洁代用燃料具有非常大的现实意义。
【关键词】柴油 汽油
近年来随着我国汽车工业的蓬勃发展，人们购买汽车数量的增加，环境污染成为了一个不容忽视的问题，它给人们的健康带来了诸多的影响。发动机主要的排放物包含以下几项：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和颗粒物等。如今的污染一大部分来自汽车尾气，PM和NOx减排成为柴油车减排的首要任务。因此，本文重点分析混合燃料的各种排放物的变化规律。
一、柴油机排放性能分析
柴油机燃烧过程中产生的有害气体有氮氧化物NOX（其中大部分是一氧化氮NO，另有部分二氧化氮NO2等）、未燃碳氢化合物THC（指一定高温下为气态的总碳氢）、一氧化碳CO、二氧化硫SO2和碳烟排放等。
如今的污染一大部分来自汽车尾气，PM和NOx减排成为柴油车减排的首要任务。因此，本节重点分析各种排放物的变化规律
二、NOX排放变化分析
（一）转速对NOX排放影响
氮氧化物NOX是燃烧过程中各种氮的化合物的总称。其中以NO的量占多数，NO2次之其余的含量很少。高温、富氧和氧与氮在高温中的滞留时间长，是柴油机燃烧过程中NOX生成的三个主要因素。如图1是本次不同转速下的负荷特性NOX的排放对比图，由图1可知：低负荷下，NOX的排放在最大转矩转速下较低，而在高负荷下，NOX的排放在最大转矩转速下较高；且每个转速下，NOX的排放均随负荷增加而增加。
图1 不同负荷下的NOX排放曲线
出现这种情况的原因：氮氧化物中是以一氧化氮为主的，它的生成分为燃料NO和热NO。我们把燃料中氮生成的NO称为燃料NO，空气中的氮生成的NO称为热NO。汽油燃料NO的生成不多，但F-T柴油产生的NO不可忽视；影响氮氧化合物生成的根本因素是火焰温度、氧的浓度和形成氮氧化物的反应时间。汽油燃料燃烧速度非常快，减少了氮氧化物的反应形成时间，可以抑制NOX的生成。综合来看，根据试验数据显示，同一负荷下，不同转速下发动机缸内温度相差不大，然而缸内混合气浓度的差异造成富氧条件差异，以及不同转速亦会影响缸内混合气的均匀性，造成局部富氧区域产生，以及高温持续时间差异，这些因素共同决定同一负荷，不同转速情况下，NOX的排放规律。在同一转速下，负荷增加意味着缸内燃烧温度增加，这极有利于NOX的排放的生成。
（二）供油时刻对NOX排放影响
图2给出了，不同供油时刻下，NOX的排放规律。我们可以明显看出在此种混合燃料燃烧模式下，供油提前或推迟都将降低NOX的排放；且推迟供油将极大降低NOX的排放。
出现上述情况原因可能为：NOX的排放产生这种变化规律主要跟缸内最高燃烧温度及其相位随供油时刻变化有紧密联系。供油提前，混合燃料在缸內混合时间较长，由于其中F-T柴油具有极高十六烷值，极易被压燃的特性导致缸内燃料着火提前，主燃烧相位集中在上止点附近，燃烧反应迅速；虽然缸内燃烧温度较高，但是高温持续期短，这有利于NOX排放的降低。然而供油时刻推迟，造成缸内燃油喷射时刻推迟，更接近上止点，此时缸内压缩压力提高，缸内温度较高，极大的促进了F-T柴油的较早燃烧，也可缩短高温持续期短，有利于NOX排放的降低。
图2 供油提前角对NOX排放影响曲线
（三）启喷压力对NOX排放影响
图3给出了，不同启喷压力下，NOX的排放规律。我们可以明显看出在此种混合燃料燃烧模式下，启喷压力降低有利于降低NOX的排放。
出现上述情况原因可能为：NOX的排放产生这种变化规律主要跟缸内最高燃烧温度及缸内燃烧最高温度持续时间有紧密联系。喷油压力的降低导致缸内喷油时间增加间接导致燃烧时间的增加，但是喷油压力的降低将导致缸内燃油雾化程度降低，直接降低了缸内混合气的反应速度，使燃烧温度降低，这既有利于降低NOX的排放。
图3 喷油压力对NOX排放影响曲线
三、HC变化分析
内燃机的排气有害物质中，碳氢化合物（简称碳氢，HC）是最复杂的有害物质。排气碳氢化合物中含烷烃44.3%，含烯烃41.8%，含芳烃13.8%（三者和占99.9%）。同时影响HC排放浓度的因素是多方面的，凡是影响其生成机理的都直接或间接的影响HC的排放。HC排放浓度对柴油机燃烧状态和燃油系统的微小变化都相当敏感。而且各影响碳氢化合物排放的因素又互相影响。因此各种对HC排放影响的规律性变化较大，离散型差，只能以大致趋势论述。
（一）转速对HC排放影响
图4所示为转速对HC排放影响。由图4可知：低负荷下，高转速时HC较少，中高负荷下，最大扭矩转速下HC排量较少，提高或降低转速均会降低HC排放。出现这种现象的原因：转速较高时，发动机缸内每循环曲轴转角对应物理时间缩短，未燃HC在缸内氧化时间减少；而转速过低，发动机燃烧不稳定，发动机缸内每循环曲轴转角对应物理时间增加，壁面淬熄效应导致大量混合燃料不完全燃烧所导致HC排放增加。
图4 转速对HC排放影响曲线
（二）供油时刻对HC排放影响
图5为供油时刻对HC排放影响。由图5可知：低负荷下供油时刻对HC排放影响规律不明显；但高负荷下，提前或推迟供油皆有利于HC排放的降低。
出现上述规律的主要原因：低负荷下，缸内燃烧温度较低，壁面淬熄效应、壁面油膜和积碳的吸附效应，以及混合物浓度的不均匀性导致HC排放不稳定。而高负荷下，缸内温度较高，壁面淬熄效应、壁面油膜和积碳吸附效应产生的HC量的多少与供油时刻有着一一对应关系，因此不同供油时刻下，HC排放在高负荷下呈现如此规律。
图5 供油时刻对HC排放影响曲线
（三）启喷压力对HC排放影响
启喷压力为喷油器开始喷油的压力，图6为启喷压力对HC排放影响。由图6可知：启喷压力降低，HC排放明显降低。这主要是因为：高的启喷压力下，燃油雾化较好，在缸内涡流作用下进入活塞及缸盖余隙中的混合燃料较多，且高启喷压力下的燃油燃烧速度快，导致余隙中的混合燃料不完全燃烧几率大，产生大量HC。而低启喷压力下，燃烧持续期较长，余隙中未完全完全燃烧产生的HC 在之后被大量氧化，因此低启喷压力下的HC排放相对较少。
图6 启喷压力对HC排放影响曲线
四、CO的排放分析
（一）转速对CO排放影响
相对于HC ，NOX和CO的生成机理和影响因素是比较简单的。概括来说，它就是烃类燃烧的中间产物和不完全燃烧产物之一。由图7可知：低负荷下，转速对CO影响不大，而高负荷下，最大扭矩转速下的CO排放较高。
出现上述现象的主要原因可能是：低负荷下缸内燃烧温度差距不大，混合气均匀性较一致，而高负荷下，最大扭矩转速下的缸内涡流较强，导致混合气出现局部不均匀现象，在过量空气系数较大区域，燃料中的C由于缺氧而不能被完全氧化，导致大量CO排放的生成。
图7 转速对CO 排放影响曲线
（二）供油时刻对CO 排放影响
由图8可知：提前或推迟供油均会导致CO排放下降。出现上述现象的主要原因：提前供油，缸内压缩压力较低，压缩温度较低，燃料滞燃期延长有利于促进混合气的均匀性，局部缺氧现象减少，有利于降低CO排放产生：推迟供油，缸内压缩压力升高，压缩温度相应提高，缸内涡流强度较大，极大促进了缸内混合气的均匀性，燃料滞燃期缩短，主燃烧相位主要集中在上止点附近，膨胀过程中的不完全燃烧减少，这极大促进了CO排放的降低。
图8 供油时刻对CO 排放影响曲线
（三）启喷压力对CO排放影响
由图9可知：负荷不同，启喷压力对CO排放影响不同。过量空气系数即混合气浓度将直接影响CO排放，不同负荷下缸内温度不尽相同，这将对喷入缸内的混合燃料的着火始点产生极大影响，滞燃期的长短将影响燃料均匀性，并且不同启喷壓力，将影响燃料燃烧持续期，对燃烧相位的影响较大。燃烧终了时的CO浓度取决于燃气温度，，因此启喷压力和负荷共同决定了CO排放。
图9 启喷压力对CO 排放影响曲线
五、碳烟排放分析
碳烟亦称黑烟，它主要是柴油机采用扩散燃烧的方式，在高压燃烧条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氢形成以碳为主要成分的固态小颗粒。而汽油机采用预混合燃烧方式，一般可以认为汽油机极少产生颗粒。柴油机颗粒主要有（干）碳烟（dry soot，DS）、可溶性有机物（soluble organic fraction，SOF）和硫酸盐（sulfate）三部分组成。碳烟只是颗粒的主要组成部分之一。柴油机在高负荷工作时，碳烟在微粒中所占比例较高，而中低负荷时则降低，经常低于SOF所占比例。
试验中所用AVL DISMOKE 4800不透光烟度计是通过测量一束光穿过密度和温度一致的尾气时光的强弱衰减程度，即消光系数和不透光度两个指标来表示尾气中的微粒浓度。其中，不透光度受测量时所使用的光路长度的影响，而消光系数则独立于光路长度，因此，本文利用不透光度来表示微粒排放的浓度。
（一）转速对碳烟排放影响
由图10可知：低转速下碳烟排放较大，中高转速下碳烟排放较小，且不同转速下碳烟排放随负荷增加呈小幅上升趋势。
出现这种情况的原因，低转速下，缸内涡流强度较弱，混合气均匀性较差，其中F-T柴油在高温缺氧条件下裂解，生成大量碳烟。负荷增大时，缸内燃烧速度加快，燃烧持续期缩短，局部易引起缺氧现象导致碳烟产生。
图10 转速对碳烟排放影响曲线
（二）供油时刻对碳烟排放影响
由图11可知：供油时刻对碳烟排放影响不大，只有在大负荷下，推迟供油引起碳烟排放急剧增加。这可能是因为大负荷下缸内燃烧温度较高，且推迟供油，滞燃期缩短使燃油混合均匀性下降，导致局部缺氧现象出现，并且膨胀过程中缸内温度下降，这些共同导致了碳烟排放量增加。
图11 供油时刻对碳烟排放影响曲线
（三）启喷压力对碳烟排放影响
由图12可知，启喷压力降低，碳烟排放急剧增加。出现这种情况的主要原因是，启喷压力降低，燃油雾化效果变差，极易出现高温下局部缺氧的情况，因此碳烟排放急剧增加，并且喷油压力较高时，燃烧持续期较短，整个燃烧过程在气缸内对应曲轴转角较小。因为碳烟在600°C以上高温就可以被氧化，所以较短的燃烧持续期内燃料几乎完全被点燃，在活塞下行时缸内温度仍然高于碳烟氧化温度，因此前期生成的碳烟被大量氧化。
图12 启喷压力对碳烟排放影响曲线
六、小结
通过上述的分析我们不难发现：
（1）双燃料燃烧模式中，不同负荷，不同转速下NOx排放有各自规律，低转速下，负荷增加会增加NOx排放；提前或推迟供油，或者启喷压力降低均有利于降低NOx排放。
（2）HC排放主要与缸内燃烧温度以及主燃烧相位有关，合理的供油时刻及喷油压力将有效降低HC排放，降低喷油压力和提前供油均会减少HC排放。
（3）提前或推迟供油均会导致CO排放下降且不同负荷下合理的喷油压力将导致CO排放降低。
（4）供油时刻对碳烟排放影响不大，只有在大负荷下，推迟供油引起碳烟排放急剧增加。
参考文献：
[1]王晋.电热塞助燃式甲醇发动机的试验研究[D].太原：太原理工大学，2014.
[2] 汪恒.甲醇/F-T柴油混合燃料柴油机的燃烧与排放特性[D].太原：太原理工大学，2013.
[3]刘青妍.进气成分对压燃式发动机燃烧影响的研宄[D].上海交通大学，2007.