生物柴油排氣顆粒物含量及其消光特性

（1. 江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮(zhèn)江212013； 2. 南通大學機械工程學院， 江蘇南通226019；3. 江蘇江淮動力股份有限公司， 江蘇鹽城224007）

生物柴油作為一種生物替代燃料，由含氧脂肪酸脂組成，具有可再生、 無毒性、 易降解、 熱值高等優(yōu)勢[1-2]。生物柴油與普通柴油具有相似的碳鏈結(jié)構(gòu)，可以良好互溶， 因此， 生物柴油既可以作為柴油的添加劑，也可以單獨用于現(xiàn)有柴油機上，不需要對柴油機進行結(jié)構(gòu)改動[3-4]。目前生物柴油已作為常見的替代燃料，可以有效地減少柴油消耗量并降低碳煙及有害氣體排放[5-9]。

大氣中的顆粒物能夠高效吸收太陽光輻射能， 顆粒物數(shù)量也是保持地球表面太陽能輻射平衡的一個重要因素[10]， 然而， 隨著機動車保有量的增加， 累積排放的細微-超細顆粒物對大氣能見度造成嚴重的影響，已引起高度關注[11-13]。 柴油機排氣顆粒物總體消光特性是顆粒物數(shù)量和單體顆粒微觀消光特征耦合作用的結(jié)果。 朱春等[14]通過Mie理論模型研究不同粒徑下單體顆粒物的光學特性， 發(fā)現(xiàn)典型機動車排氣顆粒物中， 粒徑為400～600 nm的單體顆粒物消光作用最大。 Strawa等[15]使用組合腔衰蕩和濁度儀器測量了舊金山灣區(qū)隧道內(nèi)機動車排氣顆粒物的消光和散射系數(shù)， 得到柴油卡車和輕型汽油車排氣顆粒物的吸光排放因子分別為（4.4±0.79）和（0.20±0.05） m2·kg-1， 前者約為后者的22倍， 對應地， 二者的平均顆粒質(zhì)量消光截面分別為（3.14±0.88）和（2.9±1.07） m2·g-1。

目前， 關于顆粒物的光學特性， 多集中于以大氣顆粒物為對象的研究， 針對柴油機原排顆粒物光學特性的還較少。 當柴油機燃用生物柴油后， 產(chǎn)生的顆粒物粒徑形態(tài)會發(fā)生顯著變化， 因而排氣顆粒物的光學特性同樣也值得作深入地比較分析研究。 本文中通過實驗研究生物柴油與柴油排氣顆粒物的光學特性， 利用消光排放因子和平均顆粒質(zhì)量消光截面表征消光特性， 并結(jié)合顆粒物數(shù)量粒徑分布進行探討分析， 可以更直觀地評估生物燃料應用所產(chǎn)生的氣候效應。

1 實驗

1.1 方案

實驗采用滿足國V排放標準的電控高壓共軌增壓中冷4B28柴油機。 發(fā)動機性能測試臺架系統(tǒng)如圖1所示， 柴油機的主要技術指標如表1所示。 實驗使用以棕櫚油、 餐飲廢油和大豆油等為原料制備的生物柴油（分別記為PB、WB和SB）， 并以市售0#柴油（標記為Diesel）作為對比參照物， 實驗燃料的主要理化指標如表2所示。 實驗過程中， 柴油機分別穩(wěn)定運行在1 800和2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下的 50、 100、 150、 200和250 N·m等不同負荷工況， 在專用顆粒捕捉器（DPF）+催化轉(zhuǎn)化器（DOC）復合裝置處理前、 后， 應用EEPS-3090粒徑譜儀（美國TSI公司）測量排氣中的顆粒物數(shù)量， 應用AVL439不透光煙度計（奧地利李斯特公司）測量排氣的消光系數(shù)， 研究不同燃料在不同工況下DPF+DOC后處理裝置前、 后排氣顆粒物含量（每立方厘米個數(shù)，下同）排放規(guī)律和消光特性。

圖1 發(fā)動機測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of engine test system

1.2 光學特性參數(shù)

柴油機排氣顆粒物的消光系數(shù)通過不透光煙度計測量獲得，儀器光源波長為550 nm，儀器結(jié)構(gòu)如圖2所示。煙度計可以測得光源和接收器之間的光強損失，并基于Beer-Lambert定律計算得到排氣顆粒物的消光系數(shù)?？梢姽庾鳛橐环N電磁輻射，在介質(zhì)中傳播，強度隨傳播距離的增加而減少。根據(jù)Beer-Lambert定律，消光特性如下：

I=I0e-kL，

（1）

式中：I為經(jīng)過一段測量長度后，經(jīng)過吸收介質(zhì)吸收后檢測器所測光強，W·m-2；I0為光源光強，在沒有吸收介質(zhì)情況下檢測器檢測到的光強，W·m-2；k表示吸收介質(zhì)的消光系數(shù)， m-1；L為測量長度，即光源與探測器之間距離，儀器的測量長度為0.430 m。則消光系數(shù)k由下式求得：

。

（2）

顆粒物的平均質(zhì)量消光截面A，亦稱作平均質(zhì)量消光效率，是表征單位質(zhì)量顆粒在被測波長下消光效率的量，可以通過消光系數(shù)與顆粒物質(zhì)量濃度計算而得：

A=k/ρp

,

（3）

式中：A表示平均顆粒質(zhì)量消光截面， m2·g-1；ρp為顆粒物質(zhì)量濃度， g·m-3。

引入消光排放因子E，表征燃燒單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的消光截面，計算式如下：

E=ρpqvA/B

,

（4）

式中：E為消光排放因子， m2·kg-1；qv為排氣體積流量， m3·s-1；B為燃油消耗率，kg·h-1。

表1 柴油機主要技術參數(shù)

表2 實驗燃料主要理化指標

圖2 消光煙度計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Scheme of optical smoke meter

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物數(shù)濃度和粒徑分布

2.1.1 后處理對顆粒物排放的影響

（a）PB

（b）WB

（c）WB

（d）WB

圖3所示為柴油機在2 400、 200 N·m工況條件下，使用不同燃料在后處理裝置前、后的排氣顆粒物含量分布。由圖可見，不同燃料燃燒產(chǎn)生的排氣顆粒物含量分布曲線皆呈現(xiàn)單峰形態(tài)，峰值出現(xiàn)在30～50 nm。其中，核態(tài)顆粒物占主要部分，積聚態(tài)顆粒物數(shù)量較少。在后處理裝置后，排氣顆粒物含量明顯降低，峰值下降且峰值粒徑略有向小粒徑方向偏移。核態(tài)顆粒通常為缸內(nèi)燃燒形成的一次碳粒以及碳氫化合物和硫酸等前體物經(jīng)過稀釋冷卻成核形成的二次顆粒物（成核作用受排氣中顆粒比表面積、環(huán)境濕度與溫度等因素的影響）。觀察圖3（b）、 （c）可見，WB和SB燃燒排氣在后處理之后，積聚態(tài)顆粒明顯減少，峰值粒徑向小粒徑方向偏移，然而在超細顆粒物尺度上，顆粒物數(shù)量出現(xiàn)了增加。這種現(xiàn)象主要是由于后處理之后大粒徑的積聚態(tài)顆粒物含量顯著減少，致使碳氫化合物或硫酸等氣態(tài)前體物在積聚態(tài)顆粒表面的吸附量減少，在排氣和稀釋過程中成核效應增加，從而造成細小粒徑核態(tài)顆粒數(shù)量增加。據(jù)圖3數(shù)據(jù)統(tǒng)計，PB、 WB、 SB、 Diesel排氣顆粒物中核態(tài)顆粒物含量占比在后處理之后分別上漲了7.07%、 17.77%、 22.06%、 2.65%。

2.1.2 生物柴油對顆粒物排放的影響

（a）核態(tài)顆粒

（b）積聚態(tài)顆粒

（c）總顆粒

在同一工況下， 比較不同生物柴油燃料產(chǎn)生的顆粒物排放的差異。 圖4所示為2 400 r·min-1、 250 N·m工況下， 不同燃油燃燒產(chǎn)生的核態(tài)顆粒、積聚態(tài)顆粒、總顆粒的數(shù)量排放情況。按照柴油、PB、WB、SB的順序，排氣顆粒物含量都呈現(xiàn)下降的趨勢。由圖可見，與普通柴油相比，各生物柴油燃料的核態(tài)顆粒含量變化幅度明顯高于積聚態(tài)顆粒含量的變化幅度。由此可見，在顆粒含量方面，生物柴油對柴油機顆粒物排放水平的影響主要體現(xiàn)在核態(tài)顆粒物上。

由表2可知，生物柴油的氧質(zhì)量分數(shù)約為11%，而普通柴油幾乎不含氧。生物柴油分子中的氧有利于改善擴散燃燒階段局部過濃混合區(qū)域的燃燒，并會促進前期已形成碳煙顆粒的進一步氧化；此外，生物柴油不含芳香烴，也會減少顆粒物前體物的生成，這些因素導致顆粒排放降低。

2.2 消光排放因子

（a）1 800 r·min-1

（b）2 400 r·min-1

圖5所示為不同燃料分別在1 800和2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速的各個負荷工況下的消光排放因子。 由圖可知， 在不同轉(zhuǎn)速下， 4種燃料的消光排放因子均隨著負荷增加呈先減少后增大的趨勢， 且消光排放因子按SB、 WB、 PB、 Diesel的順序依次升高。 由圖5（a）可見， 在2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下， WB和SB的消光排放因子隨負荷變化不大， 分別在0.431 ～0.799 m2·kg-1和0.256～0.564 m2·kg-1之間變化。 其中， WB的消光排放因子在150 N·m工況下呈現(xiàn)最小值， 在250 N·m工況下呈現(xiàn)最大值。 SB的消光排放因子在100 N·m工況下呈現(xiàn)最小值， 在250 N·m工況下呈現(xiàn)最大值。 Diesel和PB 2種燃料的消光排放因子隨負荷變化的幅度較大，分別在2.002～3.979 m2·kg-1、 0.472～0.904 m2·kg-1之間變動， 且2種燃料分別在100、 150 N·m工況下消光排放因子呈現(xiàn)最小值， 在250 N·m工況下消光排放因子呈現(xiàn)最大值。 由圖5（b）可知， 1 800 r·min-1轉(zhuǎn)速下各燃料的消光排放因子極值所處的負荷與2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下的一致。 Diesel的消光排放因子在1.157 ～2.869 m2·kg-1之間變化， PB、 WB、 SB的消光排放因子分別在0.556 ～1.060、 0.373 ～0.697、 0.236 ～0.515 m2·kg-1之間變化。

顯而易見，在各種工況下，生物柴油的消光排放因子皆遠小于普通柴油，即燃燒相同質(zhì)量的燃料，生物柴油顆粒物引起的消光作用遠小于普通柴油顆粒物，對大氣能見度的影響更小。從消光角度來說，生物柴油是一種更加環(huán)境友好型的燃料，這其中，又以SB的消光排放因子最小?？傮w而言，4種燃料的消光特性按照柴油、 PB、 WB、 SB的順序逐漸改善，這種趨勢與圖4中展示出的不同燃油顆粒物數(shù)量排放規(guī)律一致，所以，可以利用生物柴油對顆粒物影響的結(jié)論作為解釋4種燃油消光排放因子出現(xiàn)差異的原因。生物柴油由于自身含氧且不含芳香烴等物理化學性質(zhì)，大大改善了柴油機的顆粒物排放。柴油機在燃用生物柴油后顆粒物含量相較于普通柴油出現(xiàn)了較大的下降，且按照PB、 WB、 SB的順序改善效果愈加明顯。根據(jù)Strawa等[15]的研究可知，氣溶膠的消光、吸光等光學性質(zhì)和顆粒物的含量有很強的相關性，顆粒物是尾氣中起消光作用的主要因素，因此，4種燃料的消光特性同樣按照柴油、 PB、 WB、 SB的順序逐漸改善。

2.3 平均顆粒質(zhì)量消光截面

4種不同燃料在1 800 r·min-1轉(zhuǎn)速， 不同負荷工況下后處理裝置前、 后的平均顆粒質(zhì)量消光截面如圖6所示。 由圖可見， 在后處理裝置之前， 4種燃料排氣顆粒物的平均顆粒質(zhì)量消光截面隨負荷的增加而減小， 即負荷增大， 單位質(zhì)量顆粒物的平均消光能力下降。 4種燃油在各種工況下平均顆粒質(zhì)量消光截面在經(jīng)過后處理裝置后均出現(xiàn)不同程度的上升。 也就是說， 顆粒物在經(jīng)過后處理裝置處理后， 單位質(zhì)量顆粒物的平均消光能力都提升了。 由圖6（a）可見， PB在不經(jīng)后處理的情況下， 平均顆粒質(zhì)量消光截面從50 N·m工況下的34.41 m2·g-1減小到250 N·m工況下的16.99 m2·g-1。 經(jīng)過DPF+DOC后處理裝置處理后，平均顆粒質(zhì)量消光截面平均提高了83.3%。 由圖6（b）可見， WB在不經(jīng)后處理的情況下， 平均顆粒質(zhì)量消光截面從50 N·m工況下的34.95 m2·g-1下降到250 N·m工況下的16.47 m2·g-1， 經(jīng)過DPF+DOC后處理裝置處理后，平均顆粒質(zhì)量消光截面平均提高了135.7%。由圖6（c）可見，SB在不經(jīng)后處理的情況下，平均顆粒質(zhì)量消光截面從50 N·m工況下的35.61 m2·g-1減小到250 N·m工況下的18.22 m2·g-1，經(jīng)過DPF+DOC后處理裝置處理后，平均顆粒質(zhì)量消光截面平均提高了134.8%。由圖6（d）可見，柴油在不經(jīng)后處理的情況下，平均顆粒質(zhì)量消光截面從50 N·m工況下的68.88 m2·g-1減小到250 N·m工況下的25.35 m2·g-1，經(jīng)過DPF+DOC裝置處理后，平均顆粒質(zhì)量消光截面平均提高了252.8%。

4種不同燃料在2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速不同負荷工況下后處理裝置前、 后的平均顆粒質(zhì)量消光截面如圖7所示。由圖可見，顆粒物的平均顆粒質(zhì)量消光截面呈現(xiàn)出的規(guī)律與圖6中的相同，均隨負荷增大而減小，經(jīng)后處理之后數(shù)值顯著提高。

（a）PB

（b）WB

（c）WB

（d）WB

同一轉(zhuǎn)速下，隨柴油機負荷增大，每循環(huán)的噴油量增大，空燃比減少，燃燒向缺氧方向發(fā)展，在缺氧且高溫的環(huán)境中，燃油經(jīng)加熱分解成小分子碳氫化合物，這些熱分解產(chǎn)物一面進行脫氫反應，一面聚合成碳煙粒子，最終成長為積聚態(tài)大顆粒。與負荷增大對顆粒物粒徑分布的影響相反，根據(jù)后處理對顆粒物排放的影響中得出的結(jié)論可知，排氣經(jīng)后處理之后顆粒物含量明顯減小，峰值下降且峰值粒徑向左偏移，即粒徑分布向小粒徑核態(tài)方向偏移，核態(tài)顆粒物在總顆粒物中所占比例增加。小粒徑顆粒的比表面積要大于大粒徑顆粒，相同質(zhì)量的小粒徑顆粒比大粒徑顆粒的消光能力更強。這也就解釋了負荷與后處理對顆粒物平均顆粒質(zhì)量消光截面的影響規(guī)律。

（a）PB

（b）WB

（c）WB

（d）WB

3 結(jié)論

1）經(jīng)過后處理，4種燃料的排氣顆粒物含量下降，并且小粒徑顆粒占比增大，其中SB和WB排氣中的超細顆粒數(shù)量有所增多。

2）不同燃油燃燒排放的核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物的數(shù)含量，按照柴油、 PB、 WB、 SB的次序下降。與普通柴油相比，生物柴油燃燒排放的核態(tài)顆粒含量變化幅度大于積聚態(tài)顆粒含量變化幅度。生物柴油對顆粒物排放的影響主要體現(xiàn)在核態(tài)顆粒物上。

3）按照柴油、 PB、 WB、 SB的次序，幾種燃料燃燒排氣顆粒物的消光性能逐漸改善，說明生物柴油是一種更加環(huán)境友好型的燃料。在同一轉(zhuǎn)速下，隨著負荷增大，各種燃料燃燒排氣顆粒物的平均顆粒質(zhì)量消光截面減小，但在后處理之后，平均顆粒質(zhì)量消光截面顯著增加。