现代车用柴油机因其较高的热效率、燃油经济性、良好的动力性及较高的可靠性，已经被广泛用于商业运输和城市公共交通车辆.然而，柴油机在工作过程中会生成大量的可吸入微粒，排入大气后对空气环境和人体健康都有很大危害，可造成人体呼吸系统及心脏系统疾病恶化等(Gilmour et al., 1996).因此，降低柴油机的排放尤其是微粒排放正成为研究的重点.

目前，寻求高效、清洁的内燃机替代燃料被认为是降低有害排放和减少石油依赖的有效途径之一(Agarwal，2007).我国现有市售柴油含硫量普遍较高，而选择性催化还原(SCR)路线和柴油机微粒过滤(DPF)路线在应用中仍存在较多问题，难以迅速在现有车辆中推行.机动车微粒排放中，在用柴油车微粒排放占到80%以上，因此，探讨对现有在用车的发动机进行先进燃烧方式的改造，以实现清洁燃烧和排放越来越受到人们的高度重视(姚春德等，2012；石磊，2005).目前，新型的燃烧方式主要是在进气道喷入高辛烷值燃料，然后再在缸内由柴油引燃，此方法已得到全球范围内的高度关注.采用这种技术路线的具体方式包括在进气道喷入甲醇、乙醇、丁醇和汽油等燃料(Zhang et al., 2011; Ajav et al., 1998;Abdelaal et al., 2012;党帅等，2012;尧命发等，2013)，其中以进气喷甲醇方法受到的关注尤甚(姚春德等，2005;2010;2012; Yao et al., 2007; 2008).甲醇凭借不含硫、辛烷值高、抗爆性好、生产原料广泛、着火界限宽、燃烧污染物排放少等优点成为内燃机中最具发展前景的清洁代用燃料之一.目前，甲醇应用于柴油机的一些主要方式包括与柴油直接混合(Huang et al., 2004)、双喷射法(方显忠等，2003)及采用进气管喷射由柴油引燃的双燃料燃烧方式(姚春德等，2005;Yao et al., 2007).前期的研究结果表明，采用进气管喷射甲醇并由柴油引燃的双燃料燃烧方式可使甲醇大幅度替代柴油，并能显著降低氮氧化物和烟度(Yao et al., 2007;2008)，在实现柴油机超低排放上已取得了较好的效果.

针对柴油机增压中冷技术已经普遍应用的现实情况，为进一步了解甲醇柴油双燃料模式对微粒排放的影响，在前期的自然吸气式柴油机工作的基础上(姚春德等，2008a;2010)，本研究围绕采用甲醇柴油双燃料(DMDF)模式的增压中冷式柴油机，全面了解该燃烧模式对其排气中微粒排放特性的影响.同时，研究在排气系统中加装柴油机排气氧化催化器耦合微粒氧化催化器(DOC+POC)作为后处理装置对烟度和微粒排放的影响.以期为新车发动机及在用的增压中冷柴油机通过DMDF模式实现高效清洁化这一技术路线提供科学依据和数据支持.

试验用柴油是市售的0^#柴油，甲醇是纯度99.9%的分析醇(表 1).发动机为一台直列四缸增压中冷机械泵柴油机，该机主要用于城市公交车.原发动机的基本参数见表 2.试验时在柴油机进气总管上安装喷醇器，甲醇由甲醇泵加压至4.0 bar并与增压后的空气形成均质混合气喷入气缸，采集发动机转速、负荷和油门信号，由专门研制的电控单元(ECU)控制甲醇的喷射量和喷射时刻.在排气管上安装的后处理装置为柴油机排气氧化催化器(DOC)和微粒氧化催化器(POC)，用于消除甲醇柴油双燃料燃烧时产生的未燃HC、 CO和可能的 非常规排放物及排气微粒.在本研究工作中，发动机在纯柴油模式和双燃料模式下所使用的测试条件完全相同，原机是排放达到国II排放法规要求的增压中冷机械泵柴油机且无后处理装置，本次试验所使用的 DOC+POC 加装在排气管路上，使发动机以纯柴油或甲醇柴油双燃料工作时处于完全相同的条件，并对两种工作模式下的烟度和微粒排放状况进行比较.

表1(Table 1)

表1 试验用柴油和甲醇特性 Table 1 Properties of tested fuel and methanol

表1 试验用柴油和甲醇特性 Table 1 Properties of tested fuel and methanol 燃料 分子式 相对分子质量 十六烷值 低热值/(MJ·kg-1) 密度/(kg·m-3) 汽化潜热/(kJ·kg-1) 化学计量空燃比 自燃温度/℃ 火焰传播速率/(m·s-1) 注: 密度和汽化潜热均为20 ℃数据. 柴油 C10~C15 190~220 51 42.5 840 260 14.7 316 甲醇 CH3OH 32 ＜5 19.7 790 1178 6.45 464 2~4

发动机的测功使用水力测功机，试验中，对发动机扭矩、转速、冷却水温度、机油温度和压力等参数进行实时监测和控制(表 2)，以确保试验工况的稳定.发动机冷却水温控制在80~90 ℃，润滑油温控制在90~100 ℃.

表2(Table 2)

表2 柴油机主要参数 Table 2 Engine specifications

表2 柴油机主要参数 Table 2 Engine specifications 发动机型号 玉柴 YC4D140-33 型式 直列 气缸数 4 缸径×行程(mm×mm) 108×115 排量(L) 4.2 进气方式 增压中冷 标定功率(kW)/转速(r·min-1) 103/2800 最大扭矩(Nm)/转速(r·min-1) 400/1800 全负荷最低燃油耗(g·kW-1·h-1) ≤203 压缩比 17.1

试验过程中，测控系统为杭州博皓测控技术有限公司生产的发动机测控系统，烟度测量使用AVL公司生产的415滤纸式烟度计，用于测量排气中碳烟浓度.试验发动机台架装置系统如图 1所示.

微粒分析仪采用英国CAMBUSTION公司生产的 DMS500 快速型微粒光谱仪，主要由取样管、稀释器、充电器、分级器、静电计和旋风分离器等组成.测试方法与目前国内外对微粒粒径分布研究的方法相一致(余皎等，2000; 资新运等，2000; 宁智等，2003; Zhang et al., 2011).

图 1(Fig. 1)

图 1 试验装置系统示意图 Fig. 1 Schematic of the experimental apparatus system

DMS500 快速微粒光谱仪的基本原理为：发动机尾气首先由导电橡胶取样管引入旋风分离器，去除微粒直径大于 1000 nm的大微粒，避免大微粒堵塞仪器，再进入稀释器对柴油机进行一级和二级稀释：然后利用电晕原理将稀释后的取样气体中的每个微粒带上预定的电荷，通过充电器进行正电离子充电后进入分级器中，并根据电子迁移率对带电的微粒进行分级，分级后的微粒将在静电计内产生相应的电流，静电计通过测定相应的电流值，从而确定不同粒径微粒的数密度，粒径测量范围为5~1000 nm，共分 22 个粒径分级，测量响应时间可达 300 ms.DMS500 的采样和稀释系统是将两级稀释器和采样系统集成在一起，采样时仪器先初级稀释以避免凝聚和结块；然后进行二级稀释，并且二级稀释比例可在仪器操作界面进行调节，质量流量计实时测量，监测和控制初级稀释器，二级稀释器是一个旋转盘模式稀释器，在任何情况下都可以得到准确的稀释比.根据应用的稀释器，仪器自动修正测量微粒浓度.DMS500快速型微粒光谱仪的技术主要参数见表 3.

表3(Table 3)

表3 DMS500快速型微粒光谱仪的主要技术参数 Table 3 Main parameters of DMS500

表3 DMS500快速型微粒光谱仪的主要技术参数 Table 3 Main parameters of DMS500 参数名称 参数范围 注：采样流速单位slpm为st and ard liters per minute，即标准升/分. 微粒尺寸范围 5~1000 nm 静电检测器数量 22个静电检测器 电迁移率稀释范围 1 : 1~1 : 2000 采样流速 8slpm 仪器凋零 自动凋零 内置HEPA过滤器 响应时间 大约200 ms，数据频率10Hz 最大浓度 1012dN/dlogDp/cm-3(需稀释)

本文选取发动机转速分别为1000 r · min^-1(低转速)和1800 r · min^-1(最大扭矩转速)，负荷分别为25%和75%，使用AVL415烟度计和Cambustion粒度分析仪分别检测了DOC+POC前后的烟度及微粒数量浓度、质量浓度的粒径分布.试验时，保持发动机扭矩不变，通过调整柴油和甲醇的喷射量来改变甲醇对柴油的替代率，分别为15%(15%MeOH)、30%(30%MeOH)、45%(45%MeOH)和60%(60%MeOH).

图 2显示了1000 r · min^-1下25%、75%负荷时，以及1800 r · min^-1下25%、75%负荷时，催化前后不同甲醇替代率下烟度的变化情况.由图可见，在不同工况下，发动机烟度随着甲醇替代率的增加有不同程度的降低.在转速为1000 r · min^-1，负荷为25%，甲醇替代率为30%时，烟度由原机的0.232 FSN降低到0.079 FSN，降幅为65.9%；转速为1000 r · min^-1，负荷为75%，甲醇替代率60%时，烟度由原机的2.36 FSN降低到0.086 FSN，降低幅度达95.9%；转速为1800 r · min^-1，甲醇替代率为60%，负荷为25%时，烟度由原机的0.393 FSN降为0.046 FSN，降幅达88.3%；转速为1800 r · min^-1，甲醇替代率为60%，负荷为75%时，烟度由原机的0.78 FSN降为0.213 FSN，降幅为72.7%.可见纯柴油的烟度排放经过运行DMDF 而得到根本改善.

图 2(Fig. 2)

图 2 1000 r · min-1(a)和1800 r · min-1(b)下的烟度排放 Fig. 2 Smoke opacity emission at 1000 r · min-1(a) and 1800 r · min-1(b)

采用DMDF(Diesel/Methanol Duel Fuel)燃烧方式后降低碳烟生成和烟度排放的原因可能如下：①DMDF延长了滞燃期，扩散燃烧阶段柴油消耗减少，柴油机在扩散燃烧阶段燃烧的柴油量与炭烟的生成量密切相关(Choi et al., 1999)，从而降低了碳核的形成几率和烟度的排放；②甲醇含氧，炭烟在缺氧区域生成，甲醇中的氧可以被有效运送至缺氧区域，从而抑制了炭烟的生成；③甲醇在燃烧过程中燃油分子发生高温氧化和裂解时，产生较少的不饱和小分子碳氢，不饱和的小分子碳氢是形成多环芳香烃(PAH)的先驱物，PAH 又是聚合成炭核的基本单元，双燃料燃烧降低了不饱和小分子碳氢的数量，特别是在柴油机扩散燃烧过程中降低了炭烟的生成(王建昕等，2007)；④甲醇的碳氢比低且不存在C—C，也有利于烟度的降低.甲醇的掺入直接导致柴油燃烧量减少，总燃料的含碳量有所下降，烟度排放必然减小.

后处理装置对纯柴油和DMDF两种模式的催化效率相差很大.纯柴油模式下，不同转速和工况时的发动机烟度分别为0.232、2.36、0.393和0.78 FSN，经过DOC+POC后处理装置，相应的烟度分别降低至0.212、1.836、0.279和0.404 FSN，净化效率为8.6%~48.2%，平均净化效率仅为28%左右，效果不佳.运行DMDF模式后，当替代率为60%时，经过DOC+POC后，烟度大幅下降.此时，DOC+POC对发动机烟度的净化效果最佳，净化效率为75%~96.9%，其他替代率下催化效率也明显提高，平均净化效率在60%以上，效果大大增强.出现上述现象的原因可能是，纯柴油模式下，POC对碳烟的净化更多的是吸附捕集而非氧化，只有少量碳烟在POC内催化剂的作用下被NO₂氧化，显然此时 POC对碳烟的净化能力受到限制.因此，在纯柴油模式下，总体上POC对碳烟的净化效率较低.在DMDF模式下，燃料中甲醇有部分在换气过程中逸出没有燃烧而直接进入排气中，导致排气中生成大量的HC和CO(姚春德等，2007).尤其当甲醇替代率较高时，大量的HC和CO经过DOC催化燃烧放热，使进入POC的排气温度升高，碳烟在被吸附的同时可以与排气中的NO₂和O₂分别发生反应(霍少峰，2010;高新文，2012李树会，2008)，从而使得POC对碳烟总的净化效率大大增加.可见，DOC+POC在DMDF模式下对发动机烟度有更为突出的净化效果.

由于原机为城市公交在用车发动机，其常用工况为低速大负荷，故选取1000 r · min^-1、75%负荷进行分析研究.图 3给出了此工况下不同甲醇替代率对微粒数量浓度的粒径分布的影响.由图可知，随着甲醇替代率的增加，核态微粒，即5~50 nm范围内微粒数量浓度呈现大幅降低趋势，聚集态微粒，即大于50 nm范围内微粒数量浓度基本保持不变但伴有微小幅度的增加.微粒总数浓度降幅明显，达32.9%~60.9%.此时粒径分布曲线没有左右移动，说明DMDF可以有效降低微粒数量浓度，但并不影响原有柴油燃烧的粒径分布规律.

图 3(Fig. 3)

图 3 1000 r · min-1、75%负荷下微粒数量浓度粒径分布 Fig. 3 Particle number-weighted size distributions at 1000 r · min-1 and 75% load

运行DMDF后，微粒数浓度粒径仍呈现双峰分布，随着甲醇的喷入，缸内温度相对降低，核态微粒则比较容易通过表面吸附或其它反应实现微粒的表面增长而形成更大的微粒，两者均使缸内混合气更加均匀，有利于抑制燃烧过程中细小碳粒等物质的生成，致使核态微粒数浓度减少；柴油耗和甲醇耗都逐渐升高，HC、CO 排放逐渐增加，NO_x排放逐渐降低(姚春德等，2004；2006；2008b；Yao et al., 2008；李云强，2004)，以上结果都使微粒的氧化速率小于生成速率，致使聚集态微粒数浓度有微小的增大.随甲醇替代率的进一步增加，扩散阶段的柴油消耗量相对原机减小，直接导致微粒数浓度的大幅降低.由甲醇喷入量对微粒的影响可知，此工况下应加大甲醇替代率从而降低微粒数浓度.

图 4给出了1800 r · min^-1下，25%和75%负荷时微粒数量浓度的粒径分布.由图可知，一方面，随着负荷的增加发动机微粒总数浓度出现降低的情形，降幅为16.1%，此结果区别于以前研究的结论，但也有类似结果出现(王显刚，2011).以前的文献多将微粒数浓度随着发动机负荷增加而增加这一现象归结于随着负荷的增加参与燃烧的燃油质量增加而可以参与燃烧的氧含量相对降低.参照此次试验数据，微粒数浓度与粒径分布随着发动机负荷增加的变化规律与发动机自身也有着密切的关系(Kreso et al., 1998).考虑到发动机为增压柴油机，随负荷增大，发动机进气量有较大幅度增加，缸内的油气混合和燃烧过程亦会极大地影响微粒数浓度及粒径分布.

图 4(Fig. 4)

图 4 1800 r · min-1 下25%和75%负荷时微粒数量浓度粒径分布 Fig. 4 Particle number-weighted size distributions at 1800 r · min-1 25% and 75% load

另一方面，微粒总数浓度随甲醇替代率的增加而降低.其中，核态微粒数浓度呈大幅下降趋势，此结果与1000 r · min^-1、75%负荷下的结果一致，而聚集态微粒的变化趋势则与之前结果相反，呈下降的趋势.随甲醇替代率的增加，初级碳粒的生成受到抑制，聚集态微粒生成来源减少，且甲醇自带氧缓解了局部缺氧也促进焰后氧化过程，同时发动机转速的升高增加了缸内湍流强度，有利于抑制燃烧过程中一次碳粒和HC化合物等前驱体的生成，发动机每循环的工作时间变短，减弱了成核物对HC等的吸附作用，抑制了微粒的生长和吸附，导致聚集态微粒数浓度下降.

小负荷时微粒总的数量浓度降低幅度为4.0%~89.3%，大负荷微粒时总的数量浓度降低幅度为1.0%~49.9%，说明小负荷时甲醇的喷入对微粒的降低效果更加明显.发动机微粒排放主要由碳烟、可溶性有机化合物(SOF)和硫酸盐等组成，小负荷时喷入的柴油可能大部分在预混阶段即被燃烧，从而导致微粒数浓度显著降低.结合文献(Ning et al., 2004)的结论，碳氢化合物对微粒的生成有促进作用，尤其在高负荷时，废气在高温下被冷却，燃烧室激冷区、缝隙等地有可能产生更多的未燃碳氢(姚春德等，2005)，从而导致微粒数量浓度增加.因此，小负荷时微粒数浓度随替代率增大降幅更大.

图 5给出了1000 r · min^-1、75%负荷时，DMDF模式下发动机微粒质量浓度的粒径分布情况.微粒质量浓度的变化趋势基本和数量浓度一致，随着甲醇替代率的增加而降低，对应各替代率下总质量浓度分别降低4.5%~32.3%，加入甲醇后微粒总质量浓度的降幅要明显小于总数浓度.由图 3~5可以看出，核态微粒占发动机总数量排放比例很大，但占发动机总质量排放比例却很小，因此，核态微粒的数量浓度的大量减少并没有使得微粒总质量浓度大幅降低.

图 5(Fig. 5)

图 5 1000 r · min-1、75%负荷下微粒质量浓度粒径分布 Fig. 5 Particle mass-weighted size distributions at 1000 r · min-1 and 75% load

图 6和图 7给出了DOC+POC前后微粒总数浓度和总质量浓度的变化情况.此试验中，经过DOC+POC后，微粒总数浓度和总质量浓度的变化规律基本一致，后处理装置对微粒的净化效果比较显著，总数浓度和总质量浓度下降明显，最大降幅分别为78.7%和82.1%，平均降幅为分别53.8%和61%.纯柴油模式下，微粒总数浓度和总质量浓度平均下降48.3%和53.1%，而DMDF模式下，总数浓度和总质量浓度平均下降55.7%和63.6%，降幅提高，此结果与前文DOC+POC对烟度影响的结果相一致.试验表明，DMDF模式下DOC+POC对排气微粒亦有相对较好的净化效果.

图 6(Fig. 6)

图 6 1000 r · min-1(a)和1800 r · min-1(b)下催化前后微粒总数浓度变化 Fig. 6 Effect of DOC+POC on total particle number concentration at 1000 r · min-1(a) and 1800 r · min-1(b)

图 7(Fig. 7)

图 7 1000 r · min-1(a)和1800 r · min-1(b)下催化前后微粒总质量浓度变化 Fig. 7 Effect of DOC+POC on total particle mass concentration at 1000 r · min-1(a) and 1800 r · min-1(b)

在本试验条件下，对于满足国II排放法规要求的增压中冷机械泵柴油机，将其改装成 DMDF 模式并在排气系统增加了DOC+POC 后处理装置，对其烟度和微粒排放开展研究，得出结论如下：

1)DMDF可显著降低柴油机烟度排放，随着甲醇替代率的增加，烟度降低幅度增大，最大降幅为96.4%.

2)DMDF可有效降低微粒数浓度和质量浓度，随着甲醇替代率的增加，微粒数浓度和质量浓度降低，核态微粒浓度显著降低，聚集态微粒浓度伴有微小波动但基本保持不变.总数浓度和总质量浓度最大降幅分别可达89.3%和50.8%.

3)DMDF可以显著提高DOC+POC对碳烟的净化效率，DOC+POC对纯柴油模式时的碳烟净化效率仅有25%左右，但在DMDF模式下，DOC+POC后烟度平均降幅在60%以上，最大降幅达到96%.

4)DMDF模式下，DOC+POC可进一步降低微粒数浓度和质量浓度.最大降幅分别为78.7%和82.1%，平均降幅分别为53.8%和61.0%.