喻　武， 陳財(cái)森， 張志遠(yuǎn)， 劉艷斌， 王江峰

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院科研部， 北京 100072)

?

柴油機(jī)燃用生物柴油/甲醇的精細(xì)顆粒物排放

喻武1， 陳財(cái)森2， 張志遠(yuǎn)1， 劉艷斌1， 王江峰2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院科研部， 北京 100072)

為研究使用生物柴油/甲醇燃料對(duì)柴油機(jī)精細(xì)顆粒物排放的影響，利用低壓電子沖擊儀(Electrical Low Pressure Impactor,ELPI)測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油、生物柴油、生物柴油/甲醇的排放顆粒物數(shù)目濃度分布、PM2.5總數(shù)目、質(zhì)量濃度分布以及顆粒物總質(zhì)量。研究表明：發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的數(shù)目主要分布在粒徑小于300 nm范圍；燃用柴油和生物柴油時(shí)，顆粒物總質(zhì)量主要集中在粒徑接近0.1 μm的聚集態(tài)顆粒和粒徑超過(guò)2 μm的大顆粒處，而燃用生物柴油/甲醇時(shí)，顆粒物總質(zhì)量則只集中于粒徑超過(guò)2 μm的大顆粒；生物柴油/甲醇燃料中甲醇摻混比例的增加導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的數(shù)目分布曲線向細(xì)小顆粒方向移動(dòng)， PM2.5總數(shù)目減少，顆粒物的幾何平均直徑和總質(zhì)量減小。

生物柴油； 甲醇； 柴油機(jī)； 顆粒物

生物柴油作為柴油機(jī)燃料已得到了一定規(guī)模的推廣和使用，但其黏度高、低溫流動(dòng)性差和NOx排放較高等特點(diǎn)限制了其完全替代柴油的潛力。然而，生物柴油摻混甲醇有助于彌補(bǔ)生物柴油的上述缺陷，這是因?yàn)椋?)甲醇較低的黏度有助于改善生物柴油的噴油霧化效果，且甲醇的沸點(diǎn)比生物柴油低很多，不同沸點(diǎn)的多組分液體噴入高溫高壓氣體后會(huì)產(chǎn)生微爆現(xiàn)象[1]，利于油束與空氣的均勻混合；2)甲醇較低的凝點(diǎn)有助于改善生物柴油的低溫流動(dòng)性[2]，而生物柴油又可適當(dāng)克服甲醇熱值較低的缺點(diǎn)，兩者混合使用可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫啟動(dòng)性能；3)甲醇高氣化潛熱產(chǎn)生的冷卻效果有助于降低缸內(nèi)燃燒溫度，從而降低生物柴油燃料的NOx排放；4)甲醇的含氧量高，且其C—O結(jié)構(gòu)有助于充分提高燃料中的氧原子利用率[3]，因此使用生物柴油/甲醇混合燃料有助于進(jìn)一步減少發(fā)動(dòng)機(jī)的soot排放。

鑒于上述原因，筆者測(cè)量了柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇混合燃料在共軌柴油機(jī)上的性能和常規(guī)污染物排放[4]。但醫(yī)學(xué)研究表明：精細(xì)和超精細(xì)顆?？赡軐?duì)健康帶來(lái)負(fù)面影響，顆粒物的尺寸越小，對(duì)人體的危害越大，粒徑小于2.5 μm的細(xì)小顆粒物(PM2.5)能夠穿透人體的肺部，影響其他器官，引發(fā)動(dòng)脈硬化和血管炎癥，并導(dǎo)致心血管方面的疾病[5]。由于大部分的柴油機(jī)顆粒物都分布在PM2.5的范圍，因此研究柴油機(jī)燃用生物柴油/甲醇燃料對(duì)排放顆粒物的粒徑分布和總數(shù)目的影響具有重要意義。

目前，關(guān)于柴油機(jī)排放顆粒物尺寸分布的研究主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純柴油、生物柴油以及柴油/生物柴油混合燃料上[6-7]，有關(guān)共軌柴油機(jī)燃用生物柴油/甲醇混合燃料的顆粒物排放研究尚未開(kāi)展?；诖耍P者對(duì)比共軌柴油機(jī)燃用柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇燃料的排放顆粒物質(zhì)量和粒徑分布，并驗(yàn)證通過(guò)使用生物柴油/甲醇混合燃料，同時(shí)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)排放和非常規(guī)排放的可能性。

1　實(shí)驗(yàn)裝置和步驟

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

采用的發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)GW2.8TC共軌柴油機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)和測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

排氣中超細(xì)顆粒物的粒徑分布采用芬蘭坦佩雷大學(xué)開(kāi)發(fā)的低壓電子沖擊儀(Electrical Low Pressure Impactor，ELPI)[8]測(cè)量，如圖1所示。ELPI是一種實(shí)時(shí)監(jiān)控氣溶膠顆粒粒徑尺寸分布的儀器，把粒徑0.03～10 μm(空氣動(dòng)力學(xué)直徑)范圍的顆粒分為12個(gè)測(cè)量級(jí)收集，若加上1個(gè)附加級(jí)，其測(cè)量尺寸范圍可延伸至0.007 μm。ELPI各級(jí)測(cè)量范圍如表1所示。

圖1　ELPI實(shí)物圖

表1　ELPI各級(jí)測(cè)量范圍

注：D50%為分割粒徑，在該范圍內(nèi)50%的顆粒能被收集；Di為D50%的幾何平均直徑。

ELPI的工作原理是基于顆粒充電、串級(jí)撞擊器上的慣性分級(jí)以及顆粒物的帶電檢測(cè)，其主要元件包括放電器、低壓串級(jí)撞擊器和多通道靜電計(jì)。工作時(shí)，樣氣首先進(jìn)入一個(gè)單正極放電器，其中的顆粒被放電器產(chǎn)生的細(xì)小離子充電；然后帶電的顆粒被低壓串級(jí)撞擊器依據(jù)顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)直徑進(jìn)行分級(jí)。低壓串級(jí)撞擊器的各級(jí)間都是電絕緣的，并且每一級(jí)都單獨(dú)與靜電計(jì)的一個(gè)通道連接；串級(jí)撞擊器各級(jí)收集到的帶電粒子產(chǎn)生的電流被相應(yīng)的靜電計(jì)通道記錄；每一通道的電流大小正比于收集到的顆粒數(shù)目，同時(shí)也正比于具體尺寸范圍內(nèi)顆粒的濃度。為了模擬較高溫度的燃燒產(chǎn)物與環(huán)境空氣反應(yīng)的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣在進(jìn)入EPLI之前要經(jīng)過(guò)串聯(lián)的兩級(jí)稀釋器[9]的稀釋。為避免氣體中的顆粒冷凝和成核及保證測(cè)量結(jié)果的可靠性，稀釋器的第1級(jí)加熱到200 ℃，第2級(jí)保持環(huán)境溫度不變。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

顆粒粒徑分布圖中的橫坐標(biāo)用Dekati數(shù)據(jù)處理軟件推薦的每一測(cè)量級(jí)的幾何平均直徑Dim表示，它與該測(cè)量級(jí)的分割粒徑D50%(Dp)的關(guān)系為

(1)

式中：m=1,2,…,13，為ELPI測(cè)量級(jí)的級(jí)別。

實(shí)驗(yàn)配置了3種生物柴油/甲醇的混合燃料，其中甲醇的體積分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%，并分別命名為BM10、BM20、BM30。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=1 600、2 600 r/min，負(fù)荷為35、69、102、136、170 N·m，對(duì)應(yīng)的平均有效壓力(BMEP)分別為0.159、0.313、0.463、0.617、0.771 MPa。在每種測(cè)試工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的誤差分別控制在5 r/min和0.1 N·m內(nèi)。每種測(cè)量重復(fù)3次，取其平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1顆粒物數(shù)目濃度分布

圖2為不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)顆粒物數(shù)目濃度分布。其中：縱坐標(biāo)采用顆粒物的數(shù)目隨粒徑的變化關(guān)系dN/dlogDp表示。

圖2　不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)的顆粒物數(shù)目濃度分布

由圖2可見(jiàn)：1)不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料的排放顆粒集中出現(xiàn)在300 nm以下的測(cè)量級(jí)，且多為直徑小于50 nm的核態(tài)顆粒；2)柴油為燃料時(shí)，顆粒物數(shù)目濃度在第2級(jí)達(dá)到峰值，但當(dāng)顆粒粒徑進(jìn)一步減小時(shí)，其數(shù)目濃度迅速下降，排放顆粒在第1級(jí)的數(shù)目濃度與第4級(jí)接近；3)當(dāng)生物柴油完全替代柴油后，顆粒物的數(shù)目濃度降低，雖然顆粒物的數(shù)目濃度曲線仍呈單峰性，但其向粒徑小的方向移動(dòng)，顆粒物在第1級(jí)的數(shù)目濃度已與峰值接近；4)顆粒物的數(shù)目濃度隨生物柴油中甲醇摻混比例的增大而下降，曲線進(jìn)一步向左移動(dòng)，且BM20和BM30燃料排放顆粒物數(shù)目濃度曲線的峰值出現(xiàn)在第1級(jí)，顆粒物更多地分布在小粒徑范圍。

燃用含氧替代燃料后，柴油機(jī)排放顆粒物數(shù)目濃度分布曲線受以下因素影響：1)燃料中氧含量的增加會(huì)使燃料燃燒更徹底，并減少碳煙先驅(qū)物(包括核態(tài)顆粒和大顆粒)的生成；2)含氧燃料中不含硫，燃燒過(guò)程中作為顆粒核的硫化物減少，導(dǎo)致核態(tài)顆粒數(shù)量減少；3)含氧燃料也會(huì)抑制小微粒聚合成大微粒，這有利于顆粒物向小尺寸發(fā)展；4)生物柴油和甲醇氧化過(guò)程中產(chǎn)生的碳?xì)浠衔镆讚]發(fā)形成核態(tài)顆粒的核，造成核態(tài)細(xì)小顆粒的增多。上述因素的共同作用，雖然造成使用含氧燃料后發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物數(shù)目濃度分布曲線向小尺寸方向移動(dòng)，但最小尺寸的第1級(jí)顆粒物數(shù)目濃度降幅并不大。此外，甲醇的含氧比例高于生物柴油，其所含的氧原子抑制soot先驅(qū)體生成的能力也比甲酯氧化物中的氧原子強(qiáng)，同時(shí)甲醇具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，因此，生物柴油摻混甲醇后發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的數(shù)目明顯減少，但第1級(jí)顆粒的數(shù)目變化不大。

從圖2中還可看出：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增加時(shí)，顆粒物數(shù)目濃度減??；而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，顆粒物數(shù)目濃度增大。這是因?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大使得噴油量增加，燃燒時(shí)產(chǎn)生的細(xì)小顆粒凝聚成大顆粒的趨勢(shì)相應(yīng)增大；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，燃料的燃燒時(shí)間縮短、燃燒惡化，且噴油量增加，導(dǎo)致細(xì)小顆粒物的數(shù)目濃度增加。文獻(xiàn)[7]中測(cè)量的柴油機(jī)顆粒物數(shù)目濃度隨負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)和本文結(jié)果一致。

2.2排放的PM2.5總數(shù)目

圖3為不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)排放的PM2.5總數(shù)目?？梢钥闯觯弘S著燃料中含氧量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的PM2.5總數(shù)目與顆粒物數(shù)目濃度的變化規(guī)律一致。發(fā)動(dòng)機(jī)排放的PM2.5總數(shù)目下降表明：利用生物柴油替代柴油以及進(jìn)一步在生物柴油中摻混甲醇，有助于緩解發(fā)動(dòng)機(jī)的PM2.5排放對(duì)環(huán)境造成的污染。

圖3　不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)排放PM2.5總數(shù)目

利用ELPI各級(jí)收集的顆粒物數(shù)目濃度和顆粒物的總數(shù)目可計(jì)算顆粒的幾何平均直徑Dg，即

(2)

式中：km為每一測(cè)量級(jí)收集的顆粒物數(shù)目濃度(cm-3)；N為所有測(cè)量級(jí)收集的顆粒物總數(shù)目濃度(cm-3)。

表2為不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)ELPI采集的所有顆粒物的幾何平均直徑?？梢钥闯觯侯w粒的幾何平均直徑隨著燃料中含氧量的增加而逐漸減小，Di等[7]利用掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀進(jìn)行了柴油摻混不同比例生物柴油或乙醇所排放的顆粒物數(shù)目分布和質(zhì)量分布的系列研究，其測(cè)量結(jié)果也表明在柴油中摻混含氧燃料后，顆粒物的幾何平均直徑有減小的趨勢(shì)。

表2　不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)用不同燃料時(shí)ELPI采集的所有顆粒物的幾何平均直徑　nm

2.3顆粒物質(zhì)量濃度分布

圖4為不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)顆粒物質(zhì)量濃度分布曲線。其中：縱坐標(biāo)采用顆粒物的質(zhì)量隨粒徑的變化關(guān)系dM/dlogDp表示?？梢钥闯觯?)柴油排放顆粒物的質(zhì)量主要集中在粒徑接近0.1 μm的聚集態(tài)顆粒和粒徑超過(guò)2 μm的大顆粒處，這是由于雖然發(fā)動(dòng)機(jī)排放的核態(tài)顆粒數(shù)目最多，但其體積或者質(zhì)量較??；2)隨著燃料中含氧量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的各級(jí)質(zhì)量濃度都呈下降趨勢(shì)，這與顆粒物的數(shù)目濃度分布曲線變化規(guī)律一致；3)燃料中含氧量增加后，聚集態(tài)顆粒的質(zhì)量下降幅度相對(duì)較大，如在含氧量最高的BM30燃料的顆粒物質(zhì)量濃度分布曲線中，聚集態(tài)顆粒的峰值基本觀察不到，這是由于燃料中含氧量增加后，發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物中聚集態(tài)顆粒物的數(shù)目濃度減少得較多。

圖4　不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)排放顆粒物的質(zhì)量濃度分布曲線

2.4排放的顆粒物總質(zhì)量

圖5為不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)排放顆粒物總質(zhì)量?？梢钥闯觯?)顆粒物的總質(zhì)量隨燃料中含氧量的增加而逐漸降低；2)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷一定時(shí)，轉(zhuǎn)速增加使噴油量增加以及燃燒惡化，顆粒物的總質(zhì)量增大；3)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定、負(fù)荷增加時(shí)，因前文所述的細(xì)小顆粒凝結(jié)率增加的緣故，ELPI測(cè)量得到的在其可測(cè)粒徑范圍內(nèi)的顆粒物總質(zhì)量略有減小。而煙度計(jì)測(cè)量的結(jié)果[4]顯示，炭黑隨負(fù)荷的增加而增多，這表明不能完全利用ELPI測(cè)量得到的顆粒物總質(zhì)量替代煙度測(cè)量結(jié)果。此外，由于ELPI計(jì)算顆粒物總質(zhì)量時(shí)，對(duì)所有粒徑大小的顆粒都采用相同的密度，而不同工況下相同大小的顆粒物實(shí)際密度存在差異，這也可能導(dǎo)致ELPI測(cè)得的顆粒物總質(zhì)量與煙度測(cè)量結(jié)果不同。

圖5　不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)排放顆粒物總質(zhì)量

3　結(jié)論

為了研究摻混甲醇對(duì)生物柴油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物粒徑分布的影響，利用靜電低壓撞擊器測(cè)量了共軌柴油機(jī)燃用生物柴油、生物柴油/甲醇的排放顆粒物粒徑分布，并基于測(cè)量結(jié)果分析了燃用不同燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的數(shù)目濃度分布、質(zhì)量濃度分布、PM2.5總數(shù)目以及顆?？傎|(zhì)量的影響，結(jié)果表明：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用上述燃料排放顆粒物的數(shù)目主要分布在粒徑小于300 nm范圍，燃用柴油和生物柴油的顆粒物總質(zhì)量主要集中在粒徑接近0.1 μm的聚集態(tài)顆粒和粒徑超過(guò)2 μm的大顆粒處，燃用其他燃料的顆粒物總質(zhì)量則集中在粒徑超過(guò)2 μm的大顆粒處。

2)利用生物柴油替代柴油，以及生物柴油/甲醇混合燃料中甲醇摻混比例的逐漸增加，均導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的數(shù)目濃度分布曲線向細(xì)小顆粒方向移動(dòng)，且PM2.5總數(shù)目減少，ELPI收集到的所有顆粒物的幾何平均直徑減小，顆粒物的質(zhì)量濃度分布曲線下移，總質(zhì)量減小。

[1]Huang Z, Lu H, Jiang D, et al. Combustion Behaviors of a Compression-ignition Engine Fuelled with Diesel/Methanol Blends under Various Fuel Delivery Advance Angles[J]. Bioresource Technology, 2004, 95(3): 331-341.

[2]Guo Z, Li T, Dong J, et al. Combustion and Emission Characteristics of Blends of Diesel Fuel and Methanol-to-diesel[J]. Fuel, 2011, 90(3): 1305-1308.

[3]Yu W, Chen G, Huang Z H, et al. Experimental and Kinetic Modeling Study of Methyl Butanoate and Methyl Butanoate/Methanol Flames at Different Equivalence Ratios and C/O Ratios[J]. Combustion and Flame, 2012, 159(1): 44-54.

[4]喻武,張志遠(yuǎn),陳財(cái)森.生物柴油/甲醇混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2015，29(3):47-55.

[5]百度百科. PM2.5[EB/OL]. [2013-04-19][2016-01-05]. http://baike.baidu.com./view/4251816.htm?fromtitle=pm2.5&fromid=353332&type=syn.

[6]Tsolakis A. Effects on Particle Size Distribution from the Diesel Engine Operating on RME-biodiesel with EGR[J]. Energy & Fuels, 2006, 20(4): 1418-1424.

[7]Di Y, Cheung C S, Huang Z. Comparison of the Effect of Biodiesel-diesel and Ethanol-diesel on the Gaseous Emission of a Direct-injection Diesel Engine[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43 (17): 2721-2730.

[8]Marjam?ki M, Keskinen J, Chen D R, et al. Performance Evaluation of the Electrical Low-pressure Impactor (ELPI)[J]. Journal of Aerosol Science, 2000, 31(2): 249-261.

[9]Held A, Zerrath A, McKeon U, et al. Aerosol Size Distributions Measured in Urban, Rural and High-alpine Air with an Electrical Low Pressure Impactor (ELPI)[J]. Atmospheric Environment, 2008, 42(36): 8502-8512.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Exhaust of Ultrafine Particles from Diesel Engine Fueled with Biodiesel/Methanol Blends

YU Wu1, CHEN Cai-sen2, ZHANG Zhi-yuan1, LIU Yan-bin1, WANG Jiang-feng2

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To study the influence of using biodiesel/methanol fuel on the ultrafine particles from exhaust gases of diesel engine, number and mass distributions of particles, number of PM2.5 and mass of total particles from exhaust gases of engine fueled with diesel, biodiesel and biodiesel-methanol are measured by Electrical Low Pressure Impactor (ELPI). The number of particles mainly distribute in size below 300 nm. When engine fueled with diesel and biodiesel, the mass of particles are mainly the accumulation mode particles with diameter about 0.1 μm and coarse mode particles with diameter above 2 μm. When engine fueled with other fuels, the mass of particles are mainly the coarse mode particles with diameter above 2 μm. With the increase of methanol fraction in biodiesel-methanol fuel, particle number distribution will shift toward the direction of the smaller size, total number of PM2.5, Geometric Mean Diameter (GMD) and total mass of particles will decrease.

biodiesel; methanol; diesel engine; particles

1672-1497(2016)04-0040-06

2016-03-25

喻武(1984-)，男，工程師，博士。

TK421+.5

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.008