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(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車產(chǎn)量迅猛增長(zhǎng)，汽車污染已超過(guò)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(lái)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(zhǎng)期暴露于含有高濃度機(jī)動(dòng)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(rùn)滑性好、可再生性好等特點(diǎn)［2］.研究表明：發(fā)動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)排氣顆粒數(shù)量濃度呈持續(xù)上升趨勢(shì)，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(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ，Ⅳ階段）》（GB18352.3—2005）Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)，對(duì)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(dòng)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(cè)功機(jī)，以及TSI顆粒粒徑分析儀.本研究采用兩級(jí)稀釋對(duì)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(jí)稀釋系統(tǒng)采用TSI公司的專用旋轉(zhuǎn)盤稀釋器，控制初級(jí)稀釋系統(tǒng)的加熱溫度為120℃，稀釋比為200∶1；第二級(jí)稀釋采用一個(gè)流量計(jì)對(duì)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(jiǎn)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(cè)試依據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ，Ⅳ階段）》（GB18352.3—2005）Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行.整個(gè)測(cè)試循環(huán)共持續(xù)1180s。

2 顆粒數(shù)量濃度與速度的時(shí)間對(duì)齊

由于EEPS無(wú)法自動(dòng)集成車輛的速度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)車輛的速度來(lái)自底盤測(cè)功機(jī).為保證工況與顆粒數(shù)量濃度一一對(duì)應(yīng)，需將顆粒數(shù)量濃度與速度在時(shí)間上進(jìn)行對(duì)齊.顆粒數(shù)量濃度與車速的瞬態(tài)對(duì)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(duì)齊方法是將兩者的數(shù)據(jù)對(duì)比，并將數(shù)量濃度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行平移.圖1是經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)間的變化曲線.

由圖2～4可見(jiàn)，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(duì)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(shí)，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(jiàn)，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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(jiàn)，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(shì)，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(dòng)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)由在一定負(fù)荷下工作快速過(guò)渡到怠速，殘留在氣缸或排氣管道中的顆粒物會(huì)被排氣氣流夾帶出來(lái)，因此核模態(tài)顆粒呈先增加后降低的趨勢(shì).

由圖4可見(jiàn)，在GB18352.3—2005Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)的冷起動(dòng)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?dòng)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較低，燃油蒸發(fā)較慢；另外，車輛起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速較低，燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)較慢，燃油空氣混合較差；同時(shí)，生物柴油的粘度較高，霧化質(zhì)量相對(duì)較差.三個(gè)因素綜合作用，導(dǎo)致車輛冷起動(dòng)時(shí)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(duì)排放測(cè)試循環(huán)的顆粒排放的數(shù)量濃度按照時(shí)間進(jìn)行平均，得到整個(gè)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(jiàn)，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(jiàn)，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(dòng)，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(jí)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(jí)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(jiàn)，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(jiàn)，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(shì).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(shì).

（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(dòng)，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.

［1］AndréNel.Air pollution－related illness：effects of particles［J］.Science，2005，308（5723）：804.

［2］吳謀成.生物柴油［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.WU Moucheng.Biodiesel［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2008.

［3］Lapuerta M，Rodriguez－Fernandez J，Agudelo J R.Diesel particulate emissions from used cooking oil biodiesel［J］.Bioresource Technology，2008，99：731.

［4］袁銀南，江清陽(yáng)，孫平，等.柴油機(jī)燃用生物柴油的排放特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003，21（6）：423.YUAN Yinnan，JIANG Qingyang，SUN Ping，et al.Study of emission characteristics of diesel engine fueled with biodiesel［J］.Transactions of CSICE，2003，21（6）：423.

［5］張旭升，王海濱，趙暉，等.共軌柴油機(jī)燃用生物柴油限制與非限制排放特性［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（8）：1.ZHANG Xusheng， WANG Haibing，ZHAO Hui，et al.Characteristics of regulated and unregulated emissions of biodiesel blends in a common rail diesel engine ［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40（8）：1.

［6］譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)，樓狄明.車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的顆粒數(shù)量排放［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2010，1（1）：83.TAN Piqiang，HU Zhiyuan，LOU Diming.Particle number emission from a vehicle diesel engine with biodiesel fuel［J］.J Automotive Safety and Energy，2010，1（1）：83.

［7］趙暉，張旭升，胡宗杰，等.國(guó)Ⅲ柴油機(jī)生物柴油顆粒排放特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30（1）：23.ZHAO Hui，ZHANG Xusheng，HU Zongjie，et al.Particle size distribution of PM emissions in a china－Ⅲdiesel engine fueled with biodiesel［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2009，30（1）：23.

［8］譚丕強(qiáng)，樓狄明，胡志遠(yuǎn).發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的核態(tài)顆粒排放［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，31（7）：1231.TAN Piqiang，LOU Diming，HU Zhiyuan.Nucleation mode particles from a diesel engine with biodiesel fuel［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2010，31（7）：1231.

［9］葛蘊(yùn)珊，何超，韓秀坤，等.生物柴油排放微粒特性的試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2007，8（7）：1632.GE Yunshan，HE Chao，HAN Xiukun，et al.Experimental study on characteristics of biodiesel exhausted ［J］. Particle Environmental Science，2007，8（7）：1632.

［10］王曉燕，李芳，葛蘊(yùn)珊，等.甲醇柴油與生物柴油微粒排放粒徑分布特性［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（8）：7.WANG Xiaoyan，LI Fang，GE Yunshan，et al.Particle size distribution of particulate matter emission from the diesel engine burning methanol－diesel fuel and biodiesel ［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40（8）：7.