柴油轎車燃用生物柴油的模態顆粒排放特性

胡志遠，林建軍，譚丕強，樓狄明

（同濟大學 汽車學院，上海 201804）

隨著我國經濟的飛速發展，汽車產量迅猛增長，汽車污染已超過工業污染、建筑揚塵污染等，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芳烴等有害物質，長期暴露于含有高濃度機動車排氣顆粒的空氣中，容易引發嚴重的呼吸系統疾?。?］.因此，降低柴油車的顆粒物排放是實現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［2］.研究表明：發動機使用生物柴油后，其排氣顆粒質量和煙度降低［3－5］，排氣顆粒的尺寸呈單峰或雙峰對數分布［6］，聚集態顆粒的數量濃度降低［7］，但核模態顆粒的數量濃度增加［8］.隨著生物柴油混合比例的增加，發動機排氣顆粒數量濃度呈持續上升趨勢，但生物柴油排放顆粒中的總PAHs排放濃度降低［9］.

本文根據《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型試驗循環，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數分別為5%，10%，20%和50%的滬Ⅳ柴油－生物柴油混合燃料、純生物柴油的模態顆粒排放特性進行試驗研究，系統考察該車燃用生物柴油混合燃料的顆粒數量濃度、顆粒粒徑排放特性.

1 試驗樣車及試驗方案

1.1 試驗樣車及設備

試驗樣車為帕薩特柴油轎車，發動機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，并配備廢氣再循環系統和尾氣氧化催化轉換器.其主要技術參數如表1所示.

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

試驗系統包括－20～50℃環境模擬艙、SCHENCK汽車底盤測功機，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行稀釋，總稀釋比為500∶1.其中，第一級稀釋系統采用TSI公司的專用旋轉盤稀釋器，控制初級稀釋系統的加熱溫度為120℃，稀釋比為200∶1；第二級稀釋采用一個流量計對進氣流量進行補償，稀釋比為2.5∶1.

1.2 試驗燃料

試驗燃料分別為滬Ⅳ柴油、生物柴油混合體積分數分別為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如表2所示.

表2 試驗燃料的理化指標Tab.2 Physical and chemical parameters of biodiesel blends

1.3 試驗方案

排放測試依據《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型試驗循環進行.整個測試循環共持續1180s。

2 顆粒數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據，試驗車輛的速度來自底盤測功機.為保證工況與顆粒數量濃度一一對應，需將顆粒數量濃度與速度在時間上進行對齊.顆粒數量濃度與車速的瞬態對應特性很好，其一般的規律是，顆粒數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據對比，并將數量濃度隨時間的變化曲線進行平移.圖1是經過平移后的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據進行了前期處理.

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

3 試驗結果與分析

3.1 柴油轎車燃用生物柴油顆粒數量濃度排放特性

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

由圖2～4可見，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗循環中，燃用生物柴油后，總顆粒數量濃度排放特性與燃用滬Ⅳ柴油相近，核模態顆粒數量濃度增加，聚集態顆粒數量濃度降低.這是因為生物柴油含氧量高，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化，使燃燒后的核模態顆粒增加，聚集態顆粒下降；另一方面，生物柴油的聚集態顆粒數量減少使聚集態顆粒對揮發性組分的吸附能力減弱，導致顆粒成核作用增強，促使核模態顆粒增加［6］.另外，試驗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，進一步降低了聚集態顆粒數量濃度，增加了核模態顆粒數量濃度［10］.

由圖2～4可見，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗循環的加速階段，燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100的總顆粒數量濃度、核模態顆粒數量濃度、聚集態顆粒數量濃度增加.同時，加速階段，該車燃用生物柴油核模態顆粒數量濃度的增加幅度大于滬Ⅳ柴油；聚集態顆粒數量濃度增加幅度低于滬Ⅳ柴油.這是因為在加速工況下，發動機負荷急劇升高，噴入的燃油顯著增加，空燃比變化大，導致燃燒不穩定，使得總顆粒數量及聚集態顆粒數量排放增加.同時，生物中含氧，在一定程度上改善了燃燒，使聚集態顆粒排放降低，核模態顆粒排放增加.

由圖2～4可見，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗循環的減速階段，燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100的聚集態顆粒數量濃度降低，總顆粒數量濃度和核模態顆粒數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.這是因為在減速工況下，一方面發動機負荷急劇變小，噴入的燃油變少，空燃比變大，產生的碳煙較少，使聚集態顆粒濃度降低；另一方面，減速時，發動機由在一定負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，因此核模態顆粒呈先增加后降低的趨勢.

由圖4可見，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗循環的冷起動階段，與燃用滬Ⅳ柴油比較，燃用生物柴油的聚集態顆粒物數量濃度排放較高.這是因為冷起動狀態下，發動機缸內溫度較低，燃油蒸發較慢；另外，車輛起動時轉速較低，燃燒室內氣流運動較慢，燃油空氣混合較差；同時，生物柴油的粘度較高，霧化質量相對較差.三個因素綜合作用，導致車輛冷起動時生物柴油出現局部燃燒不充分的現象，聚集態顆粒數量濃度增加.

對排放測試循環的顆粒排放的數量濃度按照時間進行平均，得到整個GB18352.3—2005Ⅰ型循環該柴油轎車燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B1006種燃料排放的核模態顆粒、聚集態顆粒及總顆粒的平均數量濃度如圖5所示.可見，燃用生物柴油后，聚集態顆粒數量下降，核模態顆粒數量上升，總顆粒數量變化不大.隨著生物柴油混合比例的增加，排氣顆粒的聚集態顆粒數量降低，核模態顆粒數量增加.與滬Ⅳ柴油比較，燃用純生物柴油（B100）的總顆粒平均數量濃度降低約7%，聚集態降低58%，核模態增加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，顆粒數量濃度峰值往小粒徑方向移動，并且在小粒徑范圍內開始出現峰值.滬Ⅳ柴油排氣顆粒數量的粒徑呈單峰分布，滬Ⅳ柴油及低生物柴油配比核模態顆粒數量峰值在1×1010數量級以下；B100排氣顆粒數量的粒徑呈明顯的雙峰分布，其核模態顆粒數量峰值達2.5×1010數量級以上.

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可由式下式計算：

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

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.該車燃用生物柴油后，隨著生物柴油配比增加，GB18352.3—2005Ⅰ型試驗循環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型試驗循環中，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 結論

（1）燃用生物柴油后，帕薩特柴油轎車總顆粒數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顆粒數量濃度增加，聚集態顆粒數量濃度降低.

（2）該柴油轎車燃用滬Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗循環加速階段，排氣顆粒物的總顆粒數量濃度、核模態顆粒數量濃度、聚集態顆粒數量濃度增加；減速階段，排氣顆粒的聚集態顆粒數量濃度降低，總顆粒數量濃度和核模態顆粒數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量濃度峰值往小粒徑方向移動，并且在小粒徑范圍內開始出現峰值；滬Ⅳ柴油排氣顆粒數量的粒徑呈單峰分布；B100排氣顆粒數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循環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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