胡志遠(yuǎn)，楊 奇，譚丕強(qiáng)，樓狄明

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804）

隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，我國細(xì)顆粒物等大氣污染物的排放量已居全球前列.研究表明，顆粒物的危害性大小與顆粒的直徑、數(shù)量密切相關(guān).顆粒越細(xì)，其在空氣中懸浮時(shí)間越長，則越容易吸入人體肺部而引起疾?。?－2］.因此，超細(xì)顆粒物的綜合治理已成為國家政策和民生關(guān)注的焦點(diǎn)，是當(dāng)前社會(huì)各界高度關(guān)注和亟待解決的重大環(huán)境問題.

空氣中的細(xì)顆粒物人為一次排放源主要來自機(jī)動(dòng)車尾氣、燃煤煙塵、建筑揚(yáng)塵以及冶金水泥等，機(jī)動(dòng)車尾氣是目前各大城市大氣細(xì)顆粒污染的最主要來源之一，尤以柴油車的尾氣細(xì)顆粒物排放最為突出.因此，采取措施降低柴油機(jī)的細(xì)顆粒物數(shù)量排放是減少空氣中細(xì)顆粒物數(shù)量的有效途徑之一.

燃油品質(zhì)是影響柴油機(jī)顆粒物排放的重要因素，高品質(zhì)柴油應(yīng)該在適當(dāng)提高十六烷值的同時(shí)較大幅度地降低硫含量［3－5］.目前，國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)柴油機(jī)顆粒排放特性研究主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃用低硫柴油的外特性、負(fù)荷特性等穩(wěn)態(tài)工況顆粒數(shù)量排放特性［6－7］，瞬態(tài)工況煙度 排 放 及 顆 粒 數(shù) 量 排 放 特 性［8－9］，高十六烷值［10］、低芳烴含量［11］對柴油機(jī)顆粒物排放特性的影響等.有關(guān)柴油機(jī)在歐洲穩(wěn)態(tài)工況（ESC）循環(huán)下燃油品質(zhì)對顆粒物數(shù)量和粒徑分布影響的工作少見報(bào)道，仍缺乏ESC 循環(huán)工況下油品硫含量對柴油機(jī)顆粒排放屬性的認(rèn)識(shí).

本文對一臺(tái)在用電控高壓共軌柴油機(jī)分別燃用國二柴油和滬四柴油的超細(xì)顆粒數(shù)量排放特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，系統(tǒng)考察該共軌柴油機(jī)燃用國二柴油、滬四柴油ESC循環(huán)工況下的超細(xì)顆粒數(shù)量、顆粒粒徑分布及質(zhì)量排放特性，考察滬四柴油對在用柴油車超細(xì)顆粒物排放的降低效果.

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及設(shè)備

試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)在用車使用的，滿足國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)、直列四缸四沖程、渦輪增壓中冷、高壓共軌直噴式柴油機(jī).該柴油機(jī)的總排量為5.3L，缸徑和行程分別為114和130mm，壓縮比為18∶1，標(biāo)定功率為132kW（2 300r·min－1），最大轉(zhuǎn)矩為660N·m（1 400～1 600r·min－1）.

顆粒數(shù)量和粒徑分布測試儀器為美國TSI公司的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒數(shù)量和粒徑分析儀（EEPS），該儀器可快速測取柴油機(jī)的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布，測量粒徑范圍為5.6～560nm，在0.1s內(nèi)可測取一個(gè)完整的顆粒粒徑分布圖譜，并同步輸出32個(gè)粒徑通道的顆粒數(shù)量和粒徑分布數(shù)據(jù).排氣顆粒測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示.

圖1 排氣顆粒粒徑分布測試系統(tǒng)Fig.1 Exhaust particle sizer testing system

1.2 試驗(yàn)燃料及方案

試驗(yàn)燃料分別為國二柴油和滬四柴油，其主要理化指標(biāo)如表1所示.

表1 試驗(yàn)燃料的主要理化指標(biāo)Tab.1 Main physical and chemical characteristics of diesel

試驗(yàn)根據(jù)GB17691—2005 規(guī)定的ESC 循環(huán)進(jìn)行，試驗(yàn)中的A，B，C 轉(zhuǎn)速分別為1 425，1 765和2 105r·min－1.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超細(xì)排氣顆粒數(shù)量

圖2為該機(jī)燃用國二柴油和滬四柴油ESC循環(huán)各個(gè)工況的核模態(tài)顆粒（粒徑≤50nm）和聚集態(tài)顆粒（粒徑＞50nm）的數(shù)量排放特性.其中，A25，A50，A75和A100 分別代表ESC 循環(huán)工況A 轉(zhuǎn)速下（1 425r·min－1）負(fù)荷分別為25%，50%，75%和100%的工況點(diǎn)；B25，B50，B75和B100分別代表ESC 循環(huán)工況B 轉(zhuǎn)速（1 765r·min－1）下負(fù)荷分別為25%，50%，75%和100%的工況 點(diǎn)；C25，C50，C75和C100分別代表ESC 循環(huán)工況C 轉(zhuǎn)速（2 105r·min－1）下負(fù)荷分別為25%，50%，75%和100%的工況點(diǎn).

圖2 ESC 循環(huán)各工況下核態(tài)、聚集態(tài)顆粒數(shù)量比排放Fig.2 Emission characteristics of nuclei mode and accumulation mode particles in different cases during ESC

由圖2可見，ESC 循環(huán)A，B，C 轉(zhuǎn)速工況下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，國二柴油和滬四柴油的顆粒數(shù)量比排放降低.這是因?yàn)椋S著負(fù)荷的增加，噴油量增加，排氣顆粒數(shù)量濃度增大；同時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的有效功率增大，其顆粒數(shù)量比排放隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而降低［12］.

由圖2可見，ESC 循環(huán)工況下，與國二柴油比較，滬四柴油的總顆粒數(shù)量比排放、核態(tài)顆粒數(shù)量比排放降低，且核態(tài)顆粒的降低幅度較大.大部分工況的聚集態(tài)顆粒數(shù)量比排放降低，個(gè)別工況（A25）的聚集態(tài)顆粒數(shù)量比排放有所升高.因此，滬四柴油可降低柴油機(jī)的超細(xì)顆粒數(shù)量排放.這是因?yàn)?，核態(tài)顆粒由燃燒室內(nèi)形成的一次顆粒及硫酸鹽、碳?xì)涞任镔|(zhì)成核作用而形成的二次顆粒組成［12］.研究表明，柴油中1%～3%的硫燃燒后直接轉(zhuǎn)化為硫酸鹽［13］，且硫酸鹽是發(fā)動(dòng)機(jī)排放的超細(xì)顆粒物的重要組成部分［14］.由于滬四柴油的硫含量較低，燃燒產(chǎn)生的硫酸鹽排放量較少，超細(xì)顆粒數(shù)量比排放較低.另一方面，直噴式柴油機(jī)未燃碳?xì)涞臐舛入S柴油十六烷值升高而減?。?5］，滬四柴油十六烷值較高，未燃碳?xì)錅p少，降低了由碳?xì)涑珊俗饔枚纬傻亩晤w粒的產(chǎn)生.兩方面因素綜合作用，滬四柴油的核態(tài)顆粒數(shù)量比排放降低.同時(shí)，滬四柴油的運(yùn)動(dòng)黏度低、密度小，噴霧及霧化效果較高，有利于柴油在缸內(nèi)的燃燒，降低柴油機(jī)的聚集態(tài)顆粒排放.同時(shí)，滬四柴油的芳烴含量較低，多環(huán)芳烴是聚集態(tài)顆粒中碳煙的先導(dǎo)物［16］，有利于降低柴油機(jī)的聚集態(tài)顆粒排放.另外，滬四柴油的體積熱值略低，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，需噴入更多體積的柴油，幾個(gè)因素綜合作用，可能是導(dǎo)致部分工況下滬四柴油聚集態(tài)顆粒數(shù)量排放略有增加的原因.

ESC十三工況，該機(jī)燃用國二柴油、滬四柴油的顆粒物數(shù)量比排放如表2所示.可見，ESC循環(huán)工況下，該機(jī)燃用滬四柴油的核態(tài)顆粒、聚集態(tài)顆粒和總顆粒數(shù)量比排放均降低.

表2 ESC 循環(huán)工況超細(xì)顆粒數(shù)量比排放Tab.2 Ultrafine particle number emission during ESC

2.2 超細(xì)排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布

圖3為該機(jī)燃用國二柴油和滬四柴油ESC循環(huán)工況超細(xì)排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布特性.圖中，橫坐標(biāo)表示顆粒粒徑大小，縱坐標(biāo)表示顆粒數(shù)濃度大小，橫、縱坐標(biāo)均為對數(shù)坐標(biāo).

由圖3可見，ESC循環(huán)工況下，該機(jī)燃用國二柴油的排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布呈明顯的雙峰對數(shù)分布，排氣顆粒在核態(tài)顆粒和聚集態(tài)顆粒形成兩個(gè)數(shù)量排放峰值.其中，核態(tài)顆粒數(shù)量峰值對應(yīng)的顆粒粒徑約6～9nm，聚集態(tài)顆粒數(shù)量峰值對應(yīng)的顆粒粒徑約52～60nm.該機(jī)燃用滬四柴油后，除怠速工況外，ESC其他工況排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布呈明顯的單峰對數(shù)分布，排氣顆粒數(shù)量峰值對應(yīng)的顆粒粒徑約45～52nm；與燃用國二柴油相同，該機(jī)燃用滬四柴油怠速工況排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布呈明顯的雙峰對數(shù)分布，核態(tài)顆粒數(shù)量峰值對應(yīng)的顆粒粒徑約9nm，聚集態(tài)顆粒數(shù)量峰值對應(yīng)的顆粒粒徑約52 nm.綜合圖3a～m 可見，該機(jī)燃用滬四柴油后，排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布由雙峰對數(shù)分布調(diào)整為單峰對數(shù)分布，小顆粒（核態(tài)顆粒）數(shù)量排放降低，除個(gè)別工況外，大部分工況的聚集態(tài)顆粒數(shù)量排放亦降低.

2.3 超細(xì)顆粒幾何平均粒徑

幾何平均粒徑既反映了顆粒數(shù)濃度極大值的位置，又綜合了粒徑分布的形態(tài)，其計(jì)算公式如下：

式中：Dg為幾何平均粒徑，nm；ni為第i個(gè)粒徑區(qū)間的顆粒數(shù)；di為第i個(gè)粒徑區(qū)間的特征粒徑，nm；N為總顆粒數(shù)，即∑ni.圖4為ESC 循環(huán)工況，該機(jī)燃用國二柴油和滬四柴油排氣顆粒的幾何平均粒徑.

由圖4可見，ESC 循環(huán)工況，除怠速工況外，該機(jī)燃用國二柴油排氣顆粒的幾何平均粒徑為40～53 nm，燃用滬四柴油排氣顆粒的幾何平均粒徑為42～56nm；怠速工況下，該機(jī)燃用國二柴油的幾何平均粒徑約為14nm，燃用滬四柴油的幾何平均粒徑約為22nm.與國二柴油比較，燃用滬四柴油后，由于核態(tài)顆粒數(shù)量排放的降低，幾何平均粒徑增大.

2.4 超細(xì)顆粒質(zhì)量排放特性

ESC循環(huán)工況，該機(jī)燃用國二柴油、滬四柴油的超細(xì)顆粒物質(zhì)量排放分別為0.083g·（kW·h）－1和0.074g·（kW·h）－1，與國二柴油比較，滬四柴油的顆粒物質(zhì)量排放降低.圖5為ESC循環(huán)工況，該機(jī)燃用國二柴油和滬四柴油排氣顆粒中超細(xì)顆粒的質(zhì)量排放.

由圖5可見，ESC循環(huán)工況，該機(jī)燃用國二柴油與滬四柴油的超細(xì)顆粒物質(zhì)量排放主要為顆粒粒徑＞50nm 的聚集態(tài)顆粒，核態(tài)顆粒質(zhì)量排放僅占其顆粒質(zhì)量排放的3%～10%.與國二柴油比較，該機(jī)燃用滬四柴油后，個(gè)別工況（低轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速全負(fù)荷）的超細(xì)顆粒質(zhì)量排放略有增加，其他工況的超細(xì)顆粒質(zhì)量排放降低.

3 結(jié)論

（1）ESC循環(huán)A，B，C轉(zhuǎn)速工況下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，該機(jī)燃用國二柴油、滬四柴油的超細(xì)顆粒數(shù)量比排放降低.

（2）與國二柴油比較，該機(jī)燃用滬四柴油ESC循環(huán)工況的超細(xì)顆?？倲?shù)量、核態(tài)顆粒數(shù)量比排放降低，且核態(tài)顆粒數(shù)量比排放的降低幅度較大.

（3）ESC循環(huán)工況下，該機(jī)燃用國二柴油超細(xì)顆粒數(shù)量的粒徑分布呈明顯的雙峰對數(shù)分布；燃用滬四柴油怠速工況外超細(xì)顆粒數(shù)量的粒徑分布呈明顯的單峰對數(shù)分布，其他工況超細(xì)顆粒數(shù)量的粒徑分布呈明顯的單峰對數(shù)分布.

（4）ESC循環(huán)工況，該機(jī)燃用國二柴油、滬四柴油超細(xì)顆粒的幾何平均粒徑為40～56nm，怠速工況超細(xì)顆粒的幾何平均粒徑較小.與國二柴油比較，滬四柴油超細(xì)顆粒的幾何平均粒徑增大.

（5）與國二柴油比較，該機(jī)燃用滬四柴油ESC循環(huán)工況低轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速全負(fù)荷的超細(xì)顆粒物質(zhì)量排放略有增加，ESC 循環(huán)工況加權(quán)超細(xì)顆粒質(zhì)量排放降低.

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