柴油轎車燃用生物柴油的模態(tài)顆粒排放特性

胡志遠(yuǎn)，林建軍，譚丕強(qiáng)，樓狄明

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車產(chǎn)量迅猛增長，汽車污染已超過工業(yè)污染、建筑揚(yáng)塵污染等，成為許多城市空氣污染的主要來源.顆粒物是柴油車的主要污染物排放之一，柴油車排放的顆粒污染物含有大量多環(huán)芳烴等有害物質(zhì)，長期暴露于含有高濃度機(jī)動車排氣顆粒的空氣中，容易引發(fā)嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾?。?］.因此，降低柴油車的顆粒物排放是實(shí)現(xiàn)汽車減排的重要途徑.

生物柴油具有十六烷值高、潤滑性好、可再生性好等特點(diǎn)［2］.研究表明：發(fā)動機(jī)使用生物柴油后，其排氣顆粒質(zhì)量和煙度降低［3－5］，排氣顆粒的尺寸呈單峰或雙峰對數(shù)分布［6］，聚集態(tài)顆粒的數(shù)量濃度降低［7］，但核模態(tài)顆粒的數(shù)量濃度增加［8］.隨著生物柴油混合比例的增加，發(fā)動機(jī)排氣顆粒數(shù)量濃度呈持續(xù)上升趨勢，但生物柴油排放顆粒中的總PAHs排放濃度降低［9］.

本文根據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ，Ⅳ階段）》（GB18352.3—2005）Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)，對帕薩特柴油轎車分別燃用滬Ⅳ柴油、生物柴油混合體積分?jǐn)?shù)分別為5%，10%，20%和50%的滬Ⅳ柴油－生物柴油混合燃料、純生物柴油的模態(tài)顆粒排放特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，系統(tǒng)考察該車燃用生物柴油混合燃料的顆粒數(shù)量濃度、顆粒粒徑排放特性.

1 試驗(yàn)樣車及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣車及設(shè)備

試驗(yàn)樣車為帕薩特柴油轎車，發(fā)動機(jī)為水冷直列四缸兩氣門、電控泵噴嘴、高壓直噴渦輪增壓柴油機(jī)，并配備廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和尾氣氧化催化轉(zhuǎn)換器.其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 柴油轎車主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of diesel car

試驗(yàn)系統(tǒng)包括－20～50℃環(huán)境模擬艙、SCHENCK汽車底盤測功機(jī)，以及TSI顆粒粒徑分析儀.本研究采用兩級稀釋對柴油轎車的排氣顆粒進(jìn)行稀釋，總稀釋比為500∶1.其中，第一級稀釋系統(tǒng)采用TSI公司的專用旋轉(zhuǎn)盤稀釋器，控制初級稀釋系統(tǒng)的加熱溫度為120℃，稀釋比為200∶1；第二級稀釋采用一個流量計(jì)對進(jìn)氣流量進(jìn)行補(bǔ)償，稀釋比為2.5∶1.

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)燃料分別為滬Ⅳ柴油、生物柴油混合體積分?jǐn)?shù)分別為5%，10%，20%和50%的滬Ⅳ柴油－生物柴油混合燃料和純生物柴油，分別簡稱為滬Ⅳ，B5，B10，B20，B50和B100.滬Ⅳ柴油和純生物柴油的主要理化指標(biāo)如表2所示.

表2 試驗(yàn)燃料的理化指標(biāo)Tab.2 Physical and chemical parameters of biodiesel blends

1.3 試驗(yàn)方案

排放測試依據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ，Ⅳ階段）》（GB18352.3—2005）Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行.整個測試循環(huán)共持續(xù)1180s。

2 顆粒數(shù)量濃度與速度的時間對齊

由于EEPS無法自動集成車輛的速度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)車輛的速度來自底盤測功機(jī).為保證工況與顆粒數(shù)量濃度一一對應(yīng)，需將顆粒數(shù)量濃度與速度在時間上進(jìn)行對齊.顆粒數(shù)量濃度與車速的瞬態(tài)對應(yīng)特性很好，其一般的規(guī)律是，顆粒數(shù)量濃度隨車速的升高而升高.所以精確的對齊方法是將兩者的數(shù)據(jù)對比，并將數(shù)量濃度隨時間的變化曲線進(jìn)行平移.圖1是經(jīng)過平移后的B20燃油曲線，從圖中可以看到兩者吻合得很好.按照同樣的方法將其他幾種燃油的數(shù)據(jù)進(jìn)行了前期處理.

圖1 柴油轎車燃用B20顆粒數(shù)量濃度－速度曲線（平移后）Fig.1 Particle number－velocity of diesel car fueled with B20

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 柴油轎車燃用生物柴油顆粒數(shù)量濃度排放特性

圖2為燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100的總顆粒數(shù)量濃度、核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度、聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度隨試驗(yàn)時間的變化曲線.圖3和圖4分別為燃用滬Ⅳ柴油和B100的核模態(tài)和聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度隨試驗(yàn)時間的變化曲線.

由圖2～4可見，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)中，燃用生物柴油后，總顆粒數(shù)量濃度排放特性與燃用滬Ⅳ柴油相近，核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加，聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度降低.這是因?yàn)樯锊裼秃趿扛?，一方面有利于燃燒，促使部分大粒徑碳煙顆粒向小粒徑碳煙顆粒轉(zhuǎn)化，使燃燒后的核模態(tài)顆粒增加，聚集態(tài)顆粒下降；另一方面，生物柴油的聚集態(tài)顆粒數(shù)量減少使聚集態(tài)顆粒對揮發(fā)性組分的吸附能力減弱，導(dǎo)致顆粒成核作用增強(qiáng)，促使核模態(tài)顆粒增加［6］.另外，試驗(yàn)用生物柴油的硫含量高于滬Ⅳ柴油，而硫酸鹽顆粒是核模態(tài)顆粒的主要組成部分.同時，生物柴油的十六烷值高，滯燃期短，有利于燃燒，進(jìn)一步降低了聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度，增加了核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度［10］.

由圖2～4可見，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)的加速階段，燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100的總顆粒數(shù)量濃度、核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度、聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加.同時，加速階段，該車燃用生物柴油核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度的增加幅度大于滬Ⅳ柴油；聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加幅度低于滬Ⅳ柴油.這是因?yàn)樵诩铀俟r下，發(fā)動機(jī)負(fù)荷急劇升高，噴入的燃油顯著增加，空燃比變化大，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，使得總顆粒數(shù)量及聚集態(tài)顆粒數(shù)量排放增加.同時，生物中含氧，在一定程度上改善了燃燒，使聚集態(tài)顆粒排放降低，核模態(tài)顆粒排放增加.

由圖2～4可見，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)的減速階段，燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100的聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度降低，總顆粒數(shù)量濃度和核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度呈先上升后下降的趨勢，生物柴油和滬Ⅳ柴油的變化幅度基本相同.這是因?yàn)樵跍p速工況下，一方面發(fā)動機(jī)負(fù)荷急劇變小，噴入的燃油變少，空燃比變大，產(chǎn)生的碳煙較少，使聚集態(tài)顆粒濃度降低；另一方面，減速時，發(fā)動機(jī)由在一定負(fù)荷下工作快速過渡到怠速，殘留在氣缸或排氣管道中的顆粒物會被排氣氣流夾帶出來，因此核模態(tài)顆粒呈先增加后降低的趨勢.

由圖4可見，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)的冷起動階段，與燃用滬Ⅳ柴油比較，燃用生物柴油的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放較高.這是因?yàn)槔淦饎訝顟B(tài)下，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度較低，燃油蒸發(fā)較慢；另外，車輛起動時轉(zhuǎn)速較低，燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動較慢，燃油空氣混合較差；同時，生物柴油的粘度較高，霧化質(zhì)量相對較差.三個因素綜合作用，導(dǎo)致車輛冷起動時生物柴油出現(xiàn)局部燃燒不充分的現(xiàn)象，聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加.

對排放測試循環(huán)的顆粒排放的數(shù)量濃度按照時間進(jìn)行平均，得到整個GB18352.3—2005Ⅰ型循環(huán)該柴油轎車燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B1006種燃料排放的核模態(tài)顆粒、聚集態(tài)顆粒及總顆粒的平均數(shù)量濃度如圖5所示.可見，燃用生物柴油后，聚集態(tài)顆粒數(shù)量下降，核模態(tài)顆粒數(shù)量上升，總顆粒數(shù)量變化不大.隨著生物柴油混合比例的增加，排氣顆粒的聚集態(tài)顆粒數(shù)量降低，核模態(tài)顆粒數(shù)量增加.與滬Ⅳ柴油比較，燃用純生物柴油（B100）的總顆粒平均數(shù)量濃度降低約7%，聚集態(tài)降低58%，核模態(tài)增加54%.

3.2 柴油轎車燃用生物柴油顆粒粒徑分布特性

3.2.1 顆粒粒徑分布

由圖6可見，燃用生物柴油后，隨著生物柴油配比的增加，顆粒數(shù)量濃度峰值往小粒徑方向移動，并且在小粒徑范圍內(nèi)開始出現(xiàn)峰值.滬Ⅳ柴油排氣顆粒數(shù)量的粒徑呈單峰分布，滬Ⅳ柴油及低生物柴油配比核模態(tài)顆粒數(shù)量峰值在1×1010數(shù)量級以下；B100排氣顆粒數(shù)量的粒徑呈明顯的雙峰分布，其核模態(tài)顆粒數(shù)量峰值達(dá)2.5×1010數(shù)量級以上.

3.2.2 顆粒平均粒徑

燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100排氣顆粒的平均粒徑D可由式下式計(jì)算：

式中：N總為總顆粒數(shù)量濃度；Ni為i粒徑區(qū)間下的顆粒數(shù)量濃度；Di為i粒徑區(qū)間的特征粒徑.

由圖7可見，由于生物柴油具有含硫量高、含氧量高、十六烷值高等特點(diǎn).該車燃用生物柴油后，隨著生物柴油配比增加，GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)排放顆粒的平均粒徑降低.與滬Ⅳ柴油比較，B100的平均粒徑降低37%.

由圖8可見，GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)中，減速工況排氣顆粒的平均粒徑在30～40nm之間，隨著生物柴油配比的增加，減速工況排氣顆粒的平均粒徑變化不大.怠速、加速和勻速工況，隨著生物柴油配比的增加，排氣顆粒的平均粒徑總體呈下降趨勢.與滬Ⅳ柴油比較，B100怠速、加速和勻速工況排氣顆粒的平均粒徑分別降低15%，41%和43%.

4 結(jié)論

（1）燃用生物柴油后，帕薩特柴油轎車總顆粒數(shù)量濃度排放特性與滬Ⅳ柴油相近；隨著生物柴油配比的增加，該車排氣顆粒的核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加，聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度降低.

（2）該柴油轎車燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)加速階段，排氣顆粒物的總顆粒數(shù)量濃度、核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度、聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加；減速階段，排氣顆粒的聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度降低，總顆粒數(shù)量濃度和核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度呈先上升后下降的趨勢.

（3）隨著生物柴油配比的增加，該車燃用生物柴油排氣顆粒的數(shù)量濃度峰值往小粒徑方向移動，并且在小粒徑范圍內(nèi)開始出現(xiàn)峰值；滬Ⅳ柴油排氣顆粒數(shù)量的粒徑呈單峰分布；B100排氣顆粒數(shù)量的粒徑呈明顯的雙峰分布.

（4）隨著生物柴油配比的增加，該車燃用生物柴油試驗(yàn)循環(huán)排氣顆粒的平均粒徑減少；怠速、加速和勻速工況排氣顆粒的平均粒徑降低；減速工況排氣顆粒的平均粒徑變化不大.

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