燃烧周期对柴油机碳烟颗粒石墨化程度的影响机制：氢化植物油与柴油的对比研究

《Fuel》：Effect of combustion period on carbon crystallite size of soot particles emitted from a diesel engine with diesel and hydrogenated vegetable oil fuels

本研究针对柴油机碳烟颗粒石墨化程度调控难题，通过系统分析氢化植物油（HVO）与柴油在不同工况下碳微晶尺寸（La）的演变规律，首次揭示燃烧周期高温停留时间（tHT）与La的强相关性（R2>0.9），证实HVO燃料可显著降低碳烟石墨化程度并提升氧化反应活性，为碳中和燃料的颗粒物排放控制提供了关键理论依据。

　　

随着全球碳中和目标的推进，柴油发动机作为重型车辆和工业机械的核心动力装置，面临着严峻的碳排放挑战。虽然氢化植物油（HVO）等碳中和燃料被视为传统柴油的理想替代品，能够显著降低二氧化碳排放，但柴油机固有的扩散燃烧特性使得碳烟颗粒的生成难以完全避免。这些碳烟颗粒不仅直接危害人体健康，还会在柴油机颗粒捕集器（DPF）中积累，需要定期通过高温再生过程清除。而再生过程的能耗效率，很大程度上取决于碳烟颗粒本身的氧化反应活性——活性越低，再生所需能量越高，对发动机热效率的负面影响就越大。因此，深入理解碳烟颗粒的物理化学特性，特别是其纳米尺度上的石墨化程度，对于优化DPF再生策略、提升发动机环保性能具有至关重要的意义。

近日发表于《Fuel》的一项研究，由日本北见工业大学的Kazuki Inaba等人完成，系统探究了柴油机运行参数和燃料性质对碳烟颗粒碳微晶尺寸（L_a）的影响机制，并建立了L_a与燃烧特性之间的定量关系。该研究为通过调控燃烧过程来改善碳烟反应活性提供了新的视角和实验证据。

研究人员为开展此项研究，主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用一台单缸直喷柴油机，在不同喷油正时、喷油压力、发动机负荷和转速下，分别燃烧柴油、HVO以及HVO与甲苯的混合燃料（HVO-T30），并确保不同燃料的着火时刻一致以控制变量。其次，通过石英纤维滤膜收集排气中的碳烟颗粒，并使用二氯甲烷萃取去除可溶有机组分（SOF）。接着，综合运用激光拉曼光谱（Laser Raman Spectroscopy）和高分辨透射电镜（HRTEM）两种互补技术来表征碳烟的纳米结构，其中拉曼光谱通过D峰与G峰的强度比（I_D/I_G）计算L_a，HRTEM则通过图像处理分析碳层条纹（fringe）的平均长度。此外，还利用热重分析（TGA）评估了碳烟颗粒的氧化反应活性，并通过基于缸内压力测量的热平衡分析评估了发动机的热效率表现。

3.1. 发动机运行条件对燃烧特性和发动机性能的影响

研究结果显示，尽管HVO因其较高的十六烷值导致预混燃烧阶段的放热率峰值低于柴油，但在扩散燃烧和后期燃烧阶段，两者的放热率曲线高度相似，表明燃料物理性质差异对整体放热过程影响有限。在热效率方面，两种燃料的差异小于0.5%，且随运行参数变化的趋势一致。排放方面，在高低负荷下，HVO与柴油的氮氧化物（NO）排放相当，但在高负荷条件下，HVO的烟度排放显著低于柴油，这归因于HVO中几乎不含促进碳烟生成的芳香烃成分。

3.2. 拉曼光谱与HRTEM图像分析确定的碳微晶尺寸比较

通过HRTEM观察和图像处理发现，HVO产生的碳烟颗粒中，长度小于0.7纳米的碳层条纹频率显著高于柴油，导致其平均条纹长度更短。拉曼光谱分析同样证实，HVO碳烟的D峰和D2峰强度低于柴油，计算出的L_a值更小。两种分析方法得出的结论高度一致：HVO碳烟的微晶尺寸更小，石墨化程度更低。热重分析进一步证实，HVO碳烟的氧化起始温度和50%质量损失温度均比柴油碳烟低约30-40摄氏度，表明其具有更高的氧化反应活性，这与更小的L_a所代表的较低石墨化程度相符。

3.3. 燃烧周期对碳烟颗粒碳微晶尺寸的影响

研究系统考察了不同运行参数对L_a的影响。结果表明，无论是柴油还是HVO，推迟喷油、提高喷油压力、提高发动机转速或降低发动机负荷，都会导致L_a减小。其中，发动机负荷的影响最为显著。为了探究其内在关联，研究者引入了高温停留时间（t_HT）的概念，即缸内平均气体温度维持在高水平（基于燃烧周期计算）的时间。分析发现，L_a与t_HT之间存在极强的正相关性，决定系数（R2）超过0.9。当t_HT的计算仅基于燃烧周期（CA10至CA90）时，相关性最高；而如果将计算区间扩展至膨胀冲程（如到排气门开启EVO），R2值则显著下降。这表明碳烟微晶的尺寸主要是在燃烧阶段确定的，膨胀冲程中的后续氧化过程对其石墨化程度的改变非常有限。

3.4. 燃料中芳香族化合物对碳微晶尺寸的影响

为了直接验证芳香烃成分的作用，研究制备了HVO与不同比例甲苯的混合燃料（HVO-T10, HVO-T20, HVO-T30）。通过调整喷油正时使HVO-T30的着火特性与柴油基本一致。拉曼光谱测量显示，随着甲苯添加比例的增加，碳烟的L_a值也随之增大。当甲苯添加量达到30%时（HVO-T30），其碳烟L_a甚至略大于柴油燃料。这一结果清晰地表明，燃料中的芳香烃成分是促进碳烟颗粒石墨化的关键因素。

本研究得出结论，柴油机碳烟颗粒的碳微晶尺寸（L_a）与燃烧阶段的高温停留时间（t_HT）高度相关，其结构主要在该阶段定型。使用无芳香烃的HVO燃料能有效抑制碳烟的石墨化，产生微晶更细小、氧化活性更高的碳烟颗粒，这对于降低DPF再生能耗、提升发动机系统效率具有积极意义。然而，研究也指出，膨胀冲程中的氧化过程对改变已形成的碳烟石墨化结构作用有限，因此，未来优化碳烟反应活性的重点应放在燃烧阶段的控制上。该研究不仅深化了对碳烟形成与演化机理的理解，也为开发低排放、易再生的碳中和燃料发动机技术提供了重要的科学依据。