甲醇（M100）燃料在压缩点火发动机中的颗粒特性

本研究通过对比甲醇与柴油在单缸压缩点火发动机中的颗粒物排放特性，分析纳米颗粒、气溶胶模式和积聚模式颗粒的数量、粒径分布及金属元素，发现甲醇显著降低颗粒物排放，证实其在减少柴油发动机污染中的潜力。

　　

沙尚克·谢卡尔（Shashank Shekhar）| 阿维纳什·库马尔·阿加瓦尔（Avinash Kumar Agarwal）

印度理工学院坎普尔分校机械工程系发动机研究实验室，印度坎普尔208016

摘要

近年来，由于对空气质量恶化和气候变化的担忧日益加剧，全球范围内减少交通运输领域排放的呼声越来越高。除了车辆释放的其他污染物外，颗粒物（PM）也是一个重要的公共卫生问题。经过超过150年的内燃机发展，引入甲醇等低碳燃料释放了此前未开发的潜力。甲醇是一种碳中和且含氧的燃料，其不存在直接的碳-碳键，从而显著降低了颗粒物排放。在本研究中，我们在专门开发的单缸内燃机中实验性比较了甲醇和基准柴油，以评估基于颗粒数、表面积和质量分布的发动机排放情况。此外，还进行了总颗粒数（TPN）、总颗粒质量（TPM）、颗粒计数平均直径（CMD）、颗粒形态以及痕量金属分析。实验结果表明，使用甲醇作为燃料的发动机排放的纳米颗粒（NP）、成核模式颗粒（NMP）和积聚模式颗粒（AMP）较少，这归因于较低的CMD和总颗粒物质量排放。烟尘形态分析显示，柴油发动机产生的颗粒较大，而甲醇发动机产生的颗粒几乎可以忽略不计。对颗粒物的痕量金属分析表明，甲醇发动机中的钠（Na）、镁（Mg）、铝（Al）、钾（K）和钙（Ca）含量高于基准柴油发动机。本研究通过实验证明，甲醇可以显著减少内燃机的颗粒物排放。

引言

传统的柴油内燃机以其较高的颗粒物（PM）排放量而闻名，这对人类健康和环境有负面影响。尽管柴油汽车是颗粒物排放的重要来源，但内燃机在2040年前仍将在全球交通运输中占据主导地位[1]。颗粒物在肺部的积聚可能导致哮喘、支气管炎和癌症等慢性肺部疾病[2]。因此，开发使用先进燃烧技术的清洁替代燃料发动机以减少对人类健康和环境的不利影响非常重要。柴油废气主要由灰分、聚集体碳质材料、硫和挥发性有机化合物组成[3]。局部富燃料区域的形成有助于碳质聚集体和灰分的形成。同时，润滑油和未能完全氧化的少量燃料以挥发性及半挥发性有机化合物的形式出现在废气中，这些通常被称为可溶性有机组分（SOFs）。SOFs含有含有硫、氧和氮的多环芳烃（PACs）[4]。燃料和润滑油中的金属化合物形成了无机灰分。大多数挥发性物质和较轻的碳氢化合物以气体形式排出废气，随后在废气冷却并与周围空气混合时通过成核、冷凝和吸附作用转化为颗粒物的固态和液态部分[3]。

颗粒物质量的主要部分集中在0.1–0.3微米直径范围内，这些颗粒沉积在气缸和排气系统表面后重新进入气流，形成积聚模式颗粒。碳质聚集体及相关吸附成分也位于这一范围内。通常，0.005–0.05微米直径范围内的颗粒构成核模式颗粒，包括在废气稀释和冷却过程中形成的挥发性有机化合物和硫化合物。这一模式也可能包含固体碳和金属化合物。颗粒物对人类健康的总体影响取决于废气通过尾管的稀释和冷却过程，因为这些因素决定了颗粒物的表面积、大小以及最终在空气中的停留时间[5]。由于颗粒物质量较轻，它们在空气中悬浮的时间更长，从而增加了吸入的风险。通过使用初级醇类等替代燃料可以减少柴油内燃机的颗粒物排放。在这些初级醇类中，甲醇是内燃机的重要燃料[6]、[7]、[8]。甲醇可以通过三种主要方式应用于内燃机：(i) 与柴油混合，(ii) 进气口燃料喷射，(iii) 直接喷射。部分替代柴油可以减少内燃机废气的颗粒物排放[9]。甲醇的燃烧产生的颗粒物和二氧化碳排放量明显较低，因为其碳含量较低，没有碳-碳键，并且氧含量高于基准柴油[6]、[9]、[10]。

随着更严格的排放标准，甲醇可以作为替代传统燃料的选择，以减少颗粒物排放并符合排放法规。来自生物质的醇类是碳中和的、可持续的且可再生的。然而，100%的甲醇由于其极低的十六烷值而不适合内燃机使用。其腐蚀性、较低的粘度和润滑性以及较高的自燃温度要求对燃料喷射系统（FIS）、燃料喷射策略和压缩比（CR）进行修改[6]、[7]、[8]、[11]。对FIS的修改包括使用兼容甲醇的密封件、采用兼容甲醇的材料以及调整燃料喷射压力。100%甲醇喷射的燃料喷射策略包括调整喷射时机、考虑引燃喷射和点火支持措施。增加压缩比是为了补偿甲醇较低的十六烷值和较高的蒸发潜热。表1列出了甲醇和基准柴油的重要物理化学性质。

甲醇较高的蒸发潜热导致燃烧不充分，其较低的十六烷值使其在内燃模式下难以自燃，从而导致点火延迟。对于甲醇的应用，需要对传统柴油发动机进行优化设计，如改进活塞设计、提高压缩比以及增大柱塞-缸体直径。提前燃料喷射时机可以弥补甲醇的喷射延迟和点火延迟。一些关于车辆现场试验的研究表明，通过结合点火辅助硬件、先进的喷射策略和发动机设计改进，甲醇内燃机可以成功运行[10]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。20世纪80年代，MAN公司和底特律柴油公司（DDC）推出了他们的“点火改进型”甲醇内燃机（含有5%体积比的点火改进剂）[16]、[17]、[18]、[19]。芬兰VTT技术研究中心最近的研究在Scania ED95高压缩比发动机（28:1）上测试了MD95概念。MD95是由5%的点火改进剂和95%的甲醇组成的混合物[13]。然而，大多数研究侧重于燃烧效率和排放，而关于M100在内燃机中的详细颗粒物排放数据在公开文献中仍然较少。本研究通过实验表征了在宽BMEP范围内使用高流量FIS和外部蓖麻油润滑系统的甲醇（M100）内燃机的排放情况，将较高的压缩比、高流量FIS和工作负荷与详细的颗粒物排放特性指标联系起来，扩展了目前对甲醇压缩燃烧的理解。本研究比较了经过轻微活塞设计和喷射时机调整的甲醇内燃机与柴油内燃机的颗粒物特性，如颗粒数分布、表面积分布、质量分布、纳米颗粒（NP）、成核模式颗粒（NMP）、积聚模式颗粒（AMP）、总颗粒数（TPN）、总颗粒质量（TPM）、颗粒计数平均直径（CMD）、颗粒形态和痕量金属分析。

实验装置和方法

实验装置包括一台额定功率为7.85千瓦、额定转速为1500转/分钟的单缸发动机、涡流测功机、冷却系统、燃烧分析仪和排放测量系统。图1展示了实验装置的示意图。

在测试发动机热稳定后，在$0-6.63巴尔贝姆普埃$的八个发动机负载条件下进行了实验，发动机转速保持恒定为$1500转分$。测量了发动机废气的浑浊度和颗粒物。

结果与讨论

本研究旨在实验性地表征使用100%甲醇运行的内燃机产生的颗粒物排放和烟尘形态。结果和讨论分为以下几个部分：燃烧特性、颗粒物特性、烟尘形态以及100%甲醇内燃机的颗粒物-烟尘-NOx的参数分析。燃烧研究有助于理解甲醇燃烧过程中产生的颗粒物和烟尘。

结论

在本研究中，我们在专门开发的单缸内燃机中实验性比较了甲醇和基准柴油，利用颗粒数、表面积和质量分布来评估发动机排放。此外，还进行了总颗粒数（TPN）、总颗粒质量（TPM）、颗粒计数平均直径（CMD）、颗粒形态以及痕量金属分析。本研究强调了甲醇内燃机在减少颗粒物排放方面的潜力。

作者贡献声明

沙尚克·谢卡尔（Shashank Shekhar）：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。 阿维纳什·库马尔·阿加瓦尔（Avinash Kumar Agarwal）：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资源管理、项目协调、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。