柴油機顆粒物排放特性分析

呂祎，張子陽，向立明(湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽 441000）

柴油機顆粒物排放特性分析

呂祎，張子陽，向立明
(湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽 441000）

采用N anom et3內(nèi)燃機顆粒物分析測試儀對一臺單缸柴油機進(jìn)行了尾氣顆粒物排放特性的實驗研究。結(jié)果表明：在負(fù)荷特性實驗中，柴油機顆粒物個數(shù)、質(zhì)量、肺表面沉積濃度指標(biāo)隨著扭矩增加呈緩慢上升趨勢，顆粒物粒徑呈多峰狀態(tài)；在速度特性實驗中，柴油機各項指標(biāo)均呈多峰分布。在兩種工況下，生物柴油燃燒尾氣顆粒物濃度比純柴油要低很多，速度特性實驗中顆粒物粒徑遠(yuǎn)大于純柴油粒徑。

柴油機；顆粒物；濃度；粒徑

動植物油脂經(jīng)酯交換工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橹辨溨舅釂熙?，稱為生物柴油，其燃料特性與石化柴油非常接近[1]。大量的研究結(jié)果表明，柴油發(fā)動機排放的顆粒物不僅污染環(huán)境，而且可能對人體呼氣系統(tǒng)造成重大傷害，甚至發(fā)生遺傳性基因突變[2]。

1 柴油物化性質(zhì)

1.1 理化指標(biāo)

生物柴油主要有C、H、O三種元素組成，其主要是由軟脂酸、硬脂酸、油酸和亞油酸等長鏈飽和（或不飽和）脂肪酸與醇類物質(zhì)所形成的脂類化合物。表1為純生物柴油與純柴油的理化指標(biāo)比較。

1.2 燃燒排放特性

柴油機的尾氣顆粒物主要成分是碳、碳水化合物和硫化物等[3]。表2為生物柴油和純柴油的排放特性。

1.3 柴油燃料排放標(biāo)準(zhǔn)

目前國際上通用的柴油機尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)[4]，均基于對顆粒物質(zhì)量濃度的測量[5]。表3為歐洲車用柴油及排放標(biāo)準(zhǔn)，我國環(huán)保部門制定的柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)如表4。

2 顆粒物排放特性對比實驗

2.1 實驗設(shè)備及材料

實驗儀器設(shè)備見表5 。

2.2 實驗結(jié)果與分析

在發(fā)動機臺架上分別進(jìn)行了1 200 r/min和60%油門開度下的負(fù)荷特性和速度特性實驗，對比純柴油和純生物柴油尾氣顆粒物排放。

2.2.1 個數(shù)濃度

表1 純生物柴油PD和純0號柴油PB的理化特性指標(biāo)

表2 純生物柴油PD和純0號柴油PB的排放特性比較

表3 歐洲車用柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)

表4 我國柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)

表5 實驗儀器設(shè)備

圖1 顆粒物個數(shù)濃度變化曲線

圖1a和圖1b分別是負(fù)荷特性和速度特性實驗中尾氣顆粒物個數(shù)濃度變化曲線。純生物柴油尾氣顆粒物平均個數(shù)濃度遠(yuǎn)低于純柴油。在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，隨著柴油發(fā)動機扭矩增大，顆粒物個數(shù)濃度先是緩慢增加，至80 N.m后，顆粒物濃度急劇升高，純柴油最高點濃度約為1.8×108比純生物柴油顆粒物濃度高出1個數(shù)量級。純柴油燃燒受發(fā)動機工況影響較大，其個數(shù)濃度變化曲線波動較純生物柴油多，分別在40 N.m和80 N.m出現(xiàn)兩個谷點，純柴油最低點濃度約為7×107比純生物柴油顆粒物濃度低1個數(shù)量級。

在60%油門開度下，隨著柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大，顆粒物個數(shù)濃度呈現(xiàn)多峰[6]，純柴油尾氣顆粒物在900 r/min和1 700 r/min轉(zhuǎn)速下個數(shù)濃度數(shù)量級達(dá)1.7×108。純生物柴油尾氣顆粒物在1 000 r/min和1 500 r/min轉(zhuǎn)速下處于峰值點，且1 500 r/min時濃度比1 000 r/min下降1個數(shù)量級。在怠速800 r/min時，純生物柴油顆粒物個數(shù)濃度為6×107，比純柴油濃度低1個數(shù)量級。在1 200 r/min時，純柴油顆粒物個數(shù)濃度急劇下降至5×107，比同工況下純生物柴油濃度略低?？梢姡兩锊裼驮诘∷俸透咚俟r下，顆粒物個數(shù)濃度遠(yuǎn)比純柴油低，中低轉(zhuǎn)速顆粒物個數(shù)卻比純柴油略高。

2.2.2 顆粒物粒徑

圖2是兩種燃料尾氣顆粒物粒徑變化曲線。在1 200 r/min負(fù)荷特性實驗中，隨著扭矩增大，純生物柴油尾氣顆粒物粒徑逐漸增大，范圍約在50~90 nm；純柴油尾氣呈現(xiàn)多峰，在40 N.m時，顆粒物粒徑最高至135 nm約為同工況點純生物柴油顆粒物粒徑的2倍，其他工況點的粒徑基本保持在60~110 nm之間[7]。

圖2 顆粒物粒徑變化曲線

在60%油門開度下，純生物柴油顆粒物平均粒徑要比純柴油大18 nm。在800~1 700 r/min工況點，純生物柴油顆粒物粒徑約為85~105 nm，比相同工況點純柴油顆粒物粒徑大約30 nm。60%/1 700 r/min之后，呈現(xiàn)相反趨勢，純生物柴油顆粒物粒徑急劇減小至60 nm，而純柴油粒徑逐漸增大至95 nm?？梢?，在大負(fù)荷高轉(zhuǎn)速工況下，純生物柴油的粒徑逐漸變小，且小于純柴油顆粒物的粒徑。

2.2.3 顆粒物質(zhì)量濃度

圖3e和圖3f分別為兩種燃料顆粒物質(zhì)量濃度變化曲線。負(fù)荷特性顆粒物質(zhì)量濃度變化與圖1個數(shù)濃度變化趨勢比較接近。在1 200 r/min時，隨著發(fā)動機扭矩增大，兩種燃料的顆粒物質(zhì)量濃度均逐漸增大，純生物柴油在70 N.m以前質(zhì)量濃度增速較緩，在70 N.m之后急劇升高至40 mg/m3；純柴油在40 N.m時波動至9.27 mg/m3，至50 N.m時質(zhì)量濃度最低為2.66 mg/ m3。在圖3f中60%油門開度下，兩種燃料顆粒物質(zhì)量濃度都隨著柴油機扭矩增大呈現(xiàn)雙峰型。純生物柴油在1 050 r/min和1 550 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度達(dá)到56 mg/m3，在1 550 r/min轉(zhuǎn)速后顆粒物質(zhì)量濃度急劇下降至1.8 mg/m3。純柴油在900 r/min和1 700 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度分別達(dá)到41 mg/m3和59 mg/m3，在1 700 r/min后質(zhì)量濃度也呈迅速下降趨勢。對比兩種燃料1 000~1 550 r/min之間的質(zhì)量濃度，純柴油在1 100 r/min處的質(zhì)量濃度最小約為19 mg/m3，比純生物柴油低約33 mg/m3。可見，在60%油門開度中低轉(zhuǎn)速工況，純柴油顆粒物質(zhì)量濃度要遠(yuǎn)小于純生物柴油的顆粒物質(zhì)量濃度，這與此時純生物柴油個數(shù)濃度高有一定相關(guān)性。

圖3 顆粒物質(zhì)量濃度變化曲線

2.2.4 顆粒物肺表面沉積濃度

圖4g和圖4h分別為負(fù)荷特性和速度特性實驗中顆粒物肺表面沉積濃度變化曲線。在1 200 r/min下，隨著發(fā)動機扭矩增大，兩種燃料的顆粒物肺表面沉積濃度均逐漸增大，純生物柴油在70 N.m以前沉積濃度增速較緩，在70 N.m之后急劇升高至1.1×105um2/ccm；純柴油在40 N.m時波動至5.3×104um2/ccm，至50 N.m時質(zhì)量濃度最低為2.8×104um2/ccm。對比相同工況下顆粒物個數(shù)和數(shù)量濃度變化，可看出肺表面沉積濃度與這兩個參數(shù)有很大關(guān)系。

在60%油門開度下，兩種燃料尾氣顆粒物肺表面沉積濃度呈現(xiàn)雙峰。純生物柴油在1 050和1 550 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度達(dá)到5.2×105um2/ccm和4.4×105um2/ ccm，在1 550 r/min轉(zhuǎn)速后顆粒物質(zhì)量濃度急劇下降至6.4×104um2/ccm。純柴油在900 r/min和1 600 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度分別達(dá)到5.6×105um2/ccm和5.4×105um2/ccm，在1 700 r/min后質(zhì)量濃度也呈迅速下降趨勢。對比兩種燃料1 000~1 550 r/min之間肺表面沉積濃度，純柴油在1 150 r/min處沉積濃度最小約為2.2×105um2/ccm，比純生物柴油低約一倍。由于純生物柴油平均粒徑比純柴油大約20 nm，使得在怠速和高轉(zhuǎn)速工況下，純生物柴油顆粒物肺表面沉積濃度遠(yuǎn)小于純柴油。

圖4 顆粒物肺表面沉積濃度變化曲線

3 結(jié)論

（1）在負(fù)荷特性實驗中，純柴油顆粒物平均粒徑要比純生物柴油大。在大扭矩工況下，純柴油的顆粒物個數(shù)、質(zhì)量和肺表面沉積濃度都遠(yuǎn)大于純生物柴油。（2）在速度特性實驗中，在中等轉(zhuǎn)速工況點，純生物柴油顆粒物的個數(shù)、粒徑、質(zhì)量和肺表面沉積濃度都比純柴油大。在怠速區(qū)和高轉(zhuǎn)速區(qū)，純生物柴油顆粒物的個數(shù)濃度和肺表面沉積濃度卻比純柴油的顆粒物要低。（3）經(jīng)過以上實驗驗證，純生物柴油完全可以作為一種新型替代燃料，為了進(jìn)一步降低中等轉(zhuǎn)速的顆粒物排放濃度，可將兩種燃料進(jìn)行混合配比燃燒。

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“機電汽車”湖北省優(yōu)勢特色學(xué)科群2016年開放基金項目(XKQ2016014)。