氮氧化物排放是柴油机的主要排放物之一，它对人体和大气环境危害性极大，氮氧化物排放包括NO_x、NO、NO₂、N₂O 等.在对氮氧化物排放的理论和试验研究中，大部分的研究集中对NO_x排放的研究，并一般只考虑NO和NO₂，很少提及N₂O排放和NO₂/NO比值(Colin et al., 2001).此外，采用柴油/甲醇组合燃烧方式，对降低柴油机的微粒排放效果明显，但对NO、NO₂和N₂O排放的影响如何，报道甚少.

本文采用柴油/甲醇组合燃烧方式，主要讨论柴油/甲醇组合燃烧在柴油机上的排放性能的研究(Yao et al., 2007； 2008).柴油/甲醇组合燃烧方法是在柴油机进气歧管上独立加装供醇系统，采用电控单元装置精确控制醇的喷射时刻和喷射量，在进气歧管内形成甲醇混合气，进入气缸后由柴油引燃，即从进气歧管喷射甲醇，与空气形成均质混合气进入气缸后，与缸内直喷的柴油在气缸内实现双燃料的共同燃烧(Challen et al., 1999；姚春德等，2011；2010；苏岩等，2007).

本试验是在一台六缸高压共轨增压中冷发动机开展的研究，并对其第六缸进行了改造，独立出其进、排气系统，并在独立的进气管上安装了一套甲醇供给喷射系统，由甲醇喷射系统用来实现对甲醇的精确喷射(喷射时刻和喷射量)，实现柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)方式，剩余五缸保持不变，发动机各参数如表 1所示.

表1(Table.1)

表1 实验用发动机参数 Table.1 Experimental engine parameters

表1 实验用发动机参数 Table.1 Experimental engine parameters 参数 取值 缸径/mm 105 行程/mm 125 连杆长度/mm 210 压缩比 17.5 排量/L 1.0818 进气门(关闭时刻)/(°)CA 223 喷孔数 7 喷束夹角/(°) 155 喷射系统 共轨 轨压/MPa 160

图 1为试验系统装置示意图.甲醇泵工作后，将甲醇加压至0.35 MPa，经甲醇喷射系统将甲醇喷入进气歧管，形成混合较均匀的甲醇混合气.试验缸的进气使用外部增压，将进气压力保持在0.15 MPa，温度为28 ℃.甲醇的喷射量和喷射时刻根据发动机转速、冷却水温度和油门位置等参数来决定，并由ECU控制，如图 1所示.

图 1(Fig. 1)

图 1 试验系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental systems

实验所用主要测试设备有：湘仪动力测试仪器有限公司生产的GW160电涡流测功机和FC2000发动机测控系统.AVL公司生产的型号为FTIR-270多组分气体排放分析仪(图 1中为FTIR)，FTIR利用红外线来进行测量.FTIR集成了非常宽的波段，因而所有的排放气体的光谱信息都能同时被收集，利用的波长范围要更大.FTIR是通过测量不同波长的红外线被吸收的程度来反映被测气体的组分.在进一步的数据处理中，傅里叶变换被用来将被吸收程度的值转化为被测气体的浓度.燃烧过程中的NO_x、NO、NO₂等氮氧化物排放量都可以在该排放分析仪上实时读取和记录.如表 2所示为本次试验中采用FTIR设备主要测量的气体成分的量程和精度.

表2(Table.2)

表2 FTIR的测量范围和精度 Table.2 Measurement range and accuracy of the FTIR

表2 FTIR的测量范围和精度 Table.2 Measurement range and accuracy of the FTIR 测量成分 量程/10-6 分辨率/10-6 允许误差 精度 最大偏量/10-6 NO 10000 0.01 0.78% ±0.1% 39.80 NO2 1000 0.01 0.17% ±0.1% 0.87 N2O 1000 0.01 0.17% ±0.1% 0.54

试验中选取发动机工况如下：转速A为1285 r · min^-1，转速B为1698 r · min^-1，转速C为2112 r · min^-1，各转速下负荷分别为25％、50%、75％和100％.在各工况下，先采用原机纯柴油模式，记录该时刻的气缸平均有效压力，保持此转速不变，减少供油量，即使负荷降低.再采用DMCC模式向进气歧管内喷入甲醇，实现柴油/甲醇组合燃烧，达到原先原机模式下的气缸内平均有效压力.通过测量原机纯柴油模式和DMCC模式下第六缸燃烧时各氮氧化物排放量，详细分析其NO_x、NO、NO₂等排放特性.

根据化学反应动力学，高温、富氧和高温持续时间是NO_x 生成的3个重要条件.当在进气歧管内喷入甲醇燃料后，由于甲醇汽化潜热大造成的冷却效应，使得进气温度、缸内燃烧温度和最高燃烧温度都降低.同时甲醇的喷入对缸内燃烧速度有所提高，高温持续时间有所缩短.缸内的最高燃烧温度和平均燃烧温度也会相应下降，从而抑制了NO_x的正向反应速率.

图 2所示为原机纯柴油模式和DMCC模式下，A、B、C 3个转速负荷下的NO_x排放对比.由图可以看出，采用DMCC模式后，NO_x的排放有大幅度的降低，平均下降幅度超过10％，最大降幅达到31.7％；并且相同负荷条件下，转速越高，NO_x排放越低.其主要原因有两个方面：一是甲醇的加入降低了进气温度，使得缸内燃烧温度有所降低，高温持续时间有所缩短；二是转速越高，燃烧持续时间越短.由此可见，在高速、大负荷工况下采用DMCC模式对降低NO_x排放量效果明显.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同模式下的NOx排放 Fig. 2 The NOx emissions of different patterns

NO是一种无色无味、毒性不大的气体，但有轻度刺激性，当浓度较高时会造成中枢神经的中度障碍，NO与血液中的血红素结合能力比CO还要强(龚金科等，2005).在本文中NO量程为10000×10^-6，精度为0.01×10^-6，允许误差为0.78％，最大偏量为39.8×10^-6.NO在发动机排放的NO_x占了绝大部分，NO基本上发生在很浓的混合气中，NO可能生成于离开火焰的已燃气中，也可能生成于火焰前锋面上.当柴油机缸内燃烧时，在高温、高压的条件下，火焰的反应带很薄，时间很短.此外，燃烧期间缸内压力不断的提高，最终使已燃气体的温度提高到比刚结束燃烧的火焰带中达到更高的温度.大部分则是在离开火焰带的已燃气中生成的.因此燃烧过程和NO的形成过程是独立发生的.

图 3所示为原机模式、DMCC模式下，A、B、C 3个转速负荷下的NO排放对比.由图可以看出，采用DMCC模式后，NO的排放有大幅度的降低，平均下降幅度超过40％，最大降幅达到64％；并在相同负荷条件下，转速越高，NO排放越低，尤其在大负荷情况时，NO排放降低幅度更加明显.其主要原因是：NO的生成强烈地依赖温度，氧浓度的提高也使NO生成量增加(周龙保等，1999).在缸内燃烧过程中发动机气缸内达到的最高燃烧温度也对NO的生成起控制作用，在稀混合气氛围中，NO的生成量主要取决于温度.由于进气歧管喷入甲醇，增加了预混的成分，甲醇的汽化吸收了大量的热，对燃烧温度有较大的降低，同时甲醇的火焰传播速度快，气缸内压力上升快，相比之下更接近于等容燃烧，在距离上止点相对较近的时刻完成燃烧，减少了后燃部分的比例，使得排气温度有所下降.在DMCC模式下的排气温度和燃烧温度都明显低于原机纯柴油模式，NO的生成量主要取决于温度，因此DMCC模式有利于大幅度的降低NO的排放.

图 3(Fig. 3)

图 3 不同模式下的NO排放 Fig. 3 The NO emissions of different patterns

NO₂是一种有毒的高活性气体，对呼吸道有强的刺激作用，对人体健康影响较大.人体吸入NO₂后和血红素蛋白Hb结合，降低了血液输氧能力，使得人体内的各个器官受到损害.同时酸雨形成的最主要污染物就是NO₂，而且NO₂还可以形成光化学烟雾.因此，全世界都把NO₂列为重要的污染物，研究甲醇的喷入对NO₂排放的影响将具有重要的意义.在本文中NO₂量程为1000×10^-6，精度为0.01×10^-6，允许误差为0.17％，最大偏量为0.87×10^-6.

NO₂可以由NO和各种氧化物反应生成，与NO相比，NO₂的排放量较少，汽油机尾气排放中的NO₂浓度与NO排放相比基本可以忽略，但在柴油机中，NO₂排放量能占到NO_x排放的10%～30%，NO₂气体生成是一个复杂的反应过程，在火焰区，NO能迅速转换为NO₂，其主要反应机理如下：

实验表明，除了淬冷的NO₂以外，上述反应生成的NO₂可与燃烧区中的氧反应，重新转换为NO.

图 4所示为原机模式、DMCC模式下，A、B、C 3个转速负荷下的NO₂排放对比.从整体上看，原机在各个转速下NO₂的排放随着负荷的增加而降低的，因为NO₂在火焰区生成后，只有火焰被冷空气激冷，NO₂才能保存下来，而使NO₂的浓度增大.采用DMCC模式后，NO₂排放明显比原机柴油模式下有大幅度的升高，最高值达到415.9×10^-6.其主要原因是：DMCC模式下的缸内平均温度比原机模式有大幅度的降低.从汽化潜热的角度看，甲醇是柴油的4倍左右，将甲醇喷入进气歧管后，甲醇汽化吸热，降低了混合气的进气温度.甲醇汽化吸热来源于柴油机自身冷却系统热量，使得缸内燃烧温度有所降低.并且在低温燃烧的火焰后区，由于氧原子减少，生成NO₂的反应比NO₂又转换为NO的反应进行的快.采用DMCC模式后，缸内燃烧中存在较多低温燃烧区域，可以抑制NO₂向NO的再转化而使NO₂的浓度增大.

图 4(Fig. 4)

图 4 不同模式下的NO2排放 Fig. 4 The NO2 emissions of different patterns

图 5所示为原机模式、DMCC模式下，A、B、C(转速A为1285 r · min^-1，转速B为1698 r · min^-1，转速C为2112 r · min^-1)3个转速负荷下的NO₂/NO比值对比.对于原机，NO₂/NO比值较小，并且在每个转速下随着负荷的增加NO₂/NO 比值逐渐减小.从图上也可观察到采用DMCC模式后，使得NO₂/NO比值显著增大，明显高于原机纯柴油模式，氮氧化物排放中NO₂与NO之比平均可达到100%以上，最大达到了210%.其主要原因是：采用DMCC模式时，生成的NO₂被冷流体淬冷的区域更大，温度的降低增加了NO₂到NO这个反应淬熄的可能，导致冻结的NO₂较多的缘故.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同模式下的NO2/NO比值 Fig. 5 The NO2/NO ratio of different patterns

1)与原机纯柴油模式相比，采用DMCC模式后，NO_x和NO的排放量都有大幅度的降低，其中NO_x平均下降幅度超过10％，最大降幅达到31.7％；NO平均下降幅度超过40％，最大降幅达到64％.

2)与原机纯柴油模式相比，采用DMCC模式后，NO₂排放量都有明显大幅度的升高，最大值排放值达到415.9×10^-6.

3)原机NO₂/NO比值最大仅在40%左右，并且在各个转速下随着负荷的增加NO₂/NO 比值逐渐减小.采用DMCC模式后，使得NO₂/NO 比值显著增大，平均可达到100%以上，最大比值高达210%.