1 引言(Introduction)

据中国石油经济技术研究院2015年1月28日发布的《2014 年国内外油气行业发展报告》显示，2014年中国石油对外依存度接近 60%，天然气对外依存度上升至 32.2%.这不仅严重制约了我国经济的发展，也威胁到国家能源安全.为减少环境污染，提高国家能源安全，我国自20世纪70年代以来就积极开展内燃机替代燃料的研究工作，甲醇因具有来源广泛、易于制取、含氧低碳及燃烧速度快等特点而备受关注(李忠等，2008;Chao et al.，2001).另外，由于目前柴油与甲醇价格存在较大的差距，在使用中具有较高经济性，这也是促使甲醇得到高度重视的一个原因.目前甲醇作为汽油机的替代燃料技术推广较为迅速，但由于甲醇和柴油之间不能互溶、甲醇不易压燃等条件的限制，使其在压燃式发动机上的应用发展缓慢.天津大学姚春德教授提出的柴油甲醇双燃料燃烧技术(Diesel Methanol Compound Combustion简称DMCC)很好地解决了甲醇在压燃式发动机上应用的障碍(Yao et al.，2015)，可实现35%甲醇对柴油的高比例替代.但在以前的研究中，后处理器对柴油甲醇双燃料燃烧技术的影响研究主要是集中在柴油机氧化催化转化器(DOC)和颗粒物氧化催化转化器(POC)，未见有柴油机颗粒物捕集器(DPF)及相应后处理组合方式对掺烧甲醇发动机影响的研究，DPF、DOC及其后处理组合方式的研究主要集中在传统柴油发动机上(唐蛟等，2015；马志豪等，2015；Fang et al.，2004).近年来，国内很多地区雾霾频发，研究表明，这些雾霾的产生与机动车的排气产物有重要联系，吕效谱等(2013)研究指出，交通污染对雾霾天气贡献明显.已有的研究表明，发动机尾气中的颗粒物对大气环境和人类身体会造成严重的危害，会导致人类患肺部疾病、癌症、高血压等并发症(Dockery et al.，1993; Walsh et al.，2001 Warren et al.，2000），而颗粒物捕集器DPF可以最大限度地减少发动机颗粒物的排放，并已逐渐发展成为未来发动机的标配.为全面了解不同后处理方式对柴油甲醇双燃料发动机PM排放特性的影响，本文在满足国III排放电控单体泵发动机上进行不同后处理方式对柴油甲醇发动机PM排放的研究.

2 主要试验设备及实验方案 2.1 实验设备

试验在一台发动机为YC4D140玉柴电控单体泵增压中冷柴油机上进行，表 1是其主要的技术参数，整车排放可以达到国Ⅲ标准.后处理器DOC和带涂覆层的颗粒物捕集器(CDPF)技术参数如表 2所示.试验所用测控仪、测功机和瞬态油耗仪分别为奕科测试仪器有限公司的FET2E测控系统、博皓EMC2020水力测功机、两台奕科FCM-2智能油耗仪用于测量柴油和甲醇消耗，烟度主要是通过AVL 415S烟度计测量，采用薄膜泵取样，通过孔板流量计、温度传感器、压力传感器控制取样流量，保证在一定取样时间内均匀抽取样气.由于AVL415 烟度计可以改变抽气体积，因此，可以在烟度值较小的测量工况保持很高的测量精度，分辨率可达0.01，根据Filter Smoke Number(FSN)和烟度值(C，mg·m^-3)之间的换算公式(1)可以计算出烟度值C，其中，L_Ref为抽气的参考长度(m)， α =5.32， β =0.3062，k=1.

(1)

颗粒物的测量是由Cambution公司生产的DMS500 MKII快速粒径分析仪完成，DMS 500快速颗粒物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，去除粒子直径大于1000 nm的大颗粒，避免大颗粒堵塞仪器，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每个粒子带上预定的电荷，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颗粒物进行分级，分级后的颗粒物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，从而确定不同粒径颗粒物的数密度，粒径测量范围为5~1000 nm.图 1是发动机及仪器的系统简图.

2.2 试验方案

试验采用京五柴油和纯度为99.9%的工业甲醇.选择最大扭矩对应的转速1660 r·min^-1，在每一个工况下，采用进气总管喷入甲醇替代缸内直喷柴油的方法，甲醇替代率隔15%依次递增，直到相应工况的最大替代率(分别参考燃烧分析仪缸内曲线的失火和爆震现象).试验分为3组:无后处理器、CDPF和DOC+CDPF，分别测量后处理器前后颗粒物排放.试验过程中控制进气温度、机油温度和冷却水温度等发动机运行参数保持一致，每个工况点使用DMS500 MKII快速粒径分析仪、快速颗粒物光谱仪采集发动机微粒排放30~35 s.

3 试验结果分析(Results and discussion) 3.1 后处理器对炭烟的影响

因失火和最高爆压的限制，不同的负荷对应有不同的替代率上限，105 N·m替代率上限为45%，210 N·m替代率上限为60%，315 N·m替代率上限为45%，420 N·m替代率上限为30%.以210 N·m及315 N·m为例，不同后处理器、不同负荷及替代率下炭烟的数值如图 2所示.

从图 2可以看出，无后处理时随着甲醇替代率的增加，烟度和FSN逐渐下降.CDPF和DOC+CDPF两种方式都能显著降低干炭烟，且在所有工况下烟度和FSN接近零，随着替代率的增加，后处理器处理后的烟度变化不明显.由于不加后处理器时，发动机烟度排放随着负荷升高不断增加，因此，后处理器对烟度的净化效率随着负荷的增加明显增大，外特性时，经过CDPF后烟度仅为0.03 mg·m^-3，净化效率可以达到99%.最低的效率为90%，对应工况为210 N·m，原机烟度为0.63 mg·m^-3，经过CDPF后为0.07 mg·m^-3.

小负荷工况下，尾气经过DOC+CDPF后处理器组合时，烟度排放略低于CDPF处理后的烟度值；大负荷工况下，CDPF对烟度的净化效果略优于DOC+CDPF后处理器组合.从图 3中可以看出，部分负荷时进气充量多，随着替代率的增加，混合气的稀燃程度较高，由气门重叠期逃逸的甲醇混合气量相对较多(Cheng et al.，2008).这部分混合气进入DOC后会反应产热，致使其温度逐渐增加，当替代率达到45%时排温提升近50 ℃.经过DOC氧化后放出大量热量，从而提高CDPF入口温度.在大负荷时，由于甲醇喷入量增加，甲醇的汽化吸热使进气温度降低，从而导致排气温度也同时降低.此时，因发动机工作在大负荷条件下，进气充量的浓度相对较高及混合气较浓.虽然有部分逃逸的甲醇混合气进入DOC参加反应，但与进气温度下降的幅度相比，DOC处理后的温度还是呈现降低为主，在30%替代率时温度降低20 ℃左右.由于大负荷时甲醇和柴油共燃的充分，发动机排温较高，使HC、CO排放大幅度降低，经DOC后的氧化放热量小于排气经DOC时的散热量.因此，在部分负荷时DOC耦合DPF的效率高，而在大负荷时单独DPF的效率相对较高.

3.2 后处理对颗粒物的影响 3.2.1 后处理器对颗粒物粒径分布的影响

由于发动机在部分负荷时，核态颗粒物所占比例高，在外特性时，积聚态所占的比例高，因此，选择部分负荷的210 N·m和外特性两个工况作为研究不同后处理器对柴油甲醇双燃料发动机颗粒物排放的影响.从图 4和图 5可以看出，颗粒物随粒径的分布成三峰分布形态(Geng et al.，2015)，分别位于4.8~13.3 nm和13.3~56.2 nm之间的核膜态颗粒，以及56.2~1000 nm之间的积聚态颗粒，为讨论方便，3种颗粒在本文中分别称作超核态、核态和积聚态.

经CDPF之后，不同粒径下的颗粒物数量浓度呈明显降低趋势，CDPF耦合处理器DOC之后颗粒物的数量浓度进一步降低，且核态和超核态的颗粒物降低的比例要高于积聚态.这主要是由于核态和积聚态组成物质的差别引起的，核态主要是由挥发性的HC及半挥发物质、硫酸盐等组成，积聚态主要是由元素碳及其吸附物组成(Bonatesta et al，2014)，而氧化型后处理器DOC可以将挥发性物质进一步氧化消除，而DOC对元素碳的影响较小，发动机在运行柴油甲醇双燃料模式之后，部分替代率下核态及超核态的颗粒物数量会超过原机，但经过DOC+CDPF之后颗粒物排放水平同原机加该套后处理设备水平基本相同.

分析各负荷及各个替代率下的颗粒物数量浓度发现，后处理器对不同粒径下的颗粒物捕集效率存在一定的差异，小负荷时其对积聚态的捕集效率最低，超核态捕集效率最高，大负荷时积聚态的捕集效率最高，核态其次，超核态的最低.主要原因是小负荷时小于50 nm的核态颗粒物排放多而大负荷时大于50 nm的积聚态颗粒物排放多，这也说明不同后处理虽对颗粒物净化效率存在有一定的差异，但两者基本可以消除各个工况下的峰值颗粒物.

各工况下，CDPF对颗粒物总数量的捕集效率最低为60%，最高可达95%.后处理方式DOC+CDPF在全粒径下的捕集效率最高，总数量捕集效率最低为85%，最高可以达到97%.DOC+CDPF这种后处理组合方式在捕集超核态、核态和积聚态颗粒物的效率上都比CDPF高50%以上.主要原因在于一方面DOC可以氧化消除掉部分颗粒物，尤其对核态颗粒物影响显著；另一方面，柴油甲醇双燃料发动机排放物中未燃HC的含量要明显高于传统柴油机，因此，尾气在经过DOC之后会在其中氧化放热，使DOC后的温度即CDPF前的温度升高，温度的升高利于CDPF涂覆层效率的提高.相比于核态颗粒物，两种后处理方式对积聚态的影响最为明显，基本可以消除100 nm左右的峰值，这种现象在外特性的时候最为明显.

3.2.2 后处理器对颗粒物几何平均直径(GMD)的影响

微粒几何平均直径(GMD)是表征排气中微粒大小的重要参数，显示了排气微粒平均直径的变化，其计算方法为：

(2)

式中，N为微粒的数目(个·mL^-1)，D_p为微粒直径(nm).由其计算式可知，微粒几何平均直径越小，排气中小粒径微粒所占比例越高.

从图 6可以得出，无后处理工况下，全粒径下颗粒物和核态颗粒物的GMD随着甲醇替代率的增加而减小，而积聚态的颗粒物随着甲醇替代率的增加而增大.主要原因在于随着甲醇的加入，燃烧生成的元素碳减少，相应吸附形成大颗粒物的能力降低，使积聚态颗粒物数量占颗粒总数的比例降低明显，核态颗粒物所占比例增大.根据公式(2)可知，颗粒物GMD整体向小粒径方向偏移，积聚态颗粒物随甲醇的加入峰值数量浓度明显降低(Yao et al.，2014)，这将导致积聚态颗粒物的GMD向大的方向偏移，峰值降的越多，GMD偏移越大.经过后处理后，柴油甲醇双燃料发动机和传统柴油机的颗粒物GMD差异消失，尤其是尾气经过DOC+CDPF后，两者颗粒物的GMD基本相同.主要原因在于各替代率下颗粒物GMD的差异主要是由于颗粒物数量浓度不同导致的.图 7显示，柴油甲醇双燃料模式的NO₂排放明显高于传统柴油机，NO₂是强氧化剂，可氧化经过后处理的颗粒物，强化后处理的作用，尤其是在经过氧化型后处理器DOC后，大幅度氧化核态颗粒物，使其差异降低，使其整体的GMD变化不大.

从图 6可以看出，经过后处理器后，双燃料模式和纯柴油模式的GMD大小基本相同，主要是经过后处理器CDPF之后，不论是纯柴油模式还是双燃料模式，其各粒径下颗粒物数量基本不变，因此，出现双燃料燃烧后平均粒径小于纯柴油，而经过后处理器后两者基本相同.不同工况和不同颗粒物粒径下，后处理器对颗粒物GMD的影响不同.从图 6还可以看出，对于全粒径和核态颗粒物，小负荷时曲线呈凸型，即两种后处理方式都会增加颗粒物的GMD，而大负荷时曲线呈凹型，即两种后处理方式都会降低颗粒物的GMD.对于积聚态颗粒物，小负荷和大负荷时，后处理器都会增大颗粒物的GMD.经过后处理器时，GMD 的差异主要是由后处理器对核态和积聚态捕集效率的不同引起的.小负荷时，发动机排放的颗粒物中以核态为主，而CDPF和DOC+CDPF两种后处理器都能明显消除核态颗粒物(如图 4所示)，因此，增加后处理器GMD增大.而大负荷时情况相反，积聚态颗粒物所占比例大，此时后处理器捕集到绝大部分的积聚态颗粒物，导致GMD减少.

不同工况下，DOC+CDPF同CDPF相比，前者会都增加颗粒物GMD，对于积聚态颗粒物，情况相反.主要原因在CDPF前的氧化型后处理DOC能氧化挥发性和半挥发性的有机物，而这是核态颗粒物重要的组成成分，从而减少核态颗粒物数量，导致全粒径下颗粒物的GMD增大.

4 结论(Conclusions)

1) 甲醇掺烧后，炭烟和颗粒物几何平均直径降低.

2)后处理器CDPF、DOC+CDPF对干炭烟捕集效率很高，效率最高可达99%以上.小负荷时，DOC+CDPF对烟度的净化效果优于CDPF的净化效果，大负荷时相反.

3) 后处理器对不同粒径颗粒物数量的捕集效率不同.小负荷时超核态捕集效率最高，大负荷时，积聚态的捕集效率最高；DOC+CDPF后处理方式的捕集效率比CDPF明显要高.在同一工况下，CDPF后处理方式的颗粒物总数的捕集效率最低为60%，而DOC+CDPF的总数捕集效率最低为85%.在3个粒径分布下(超核态、核态、积聚态)比CDPF效率高50%.

4) 不同工况下后处理器对颗粒物GMD的影响不同，小负荷时CDPF和DOC+CDPF会增加颗粒物GMD，大负荷时会降低颗粒物GMD.相比于CDPF，DOC+CDPF对核态颗粒物的捕集效率更高.