胡志遠(yuǎn),章昊晨,譚丕強(qiáng),樓狄明

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國(guó)Ⅴ公交車燃用生物柴油的顆粒物碳質(zhì)組分排放特性

胡志遠(yuǎn)*,章昊晨,譚丕強(qiáng),樓狄明

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

以一輛國(guó)Ⅴ柴油公交車為研究對(duì)象,在重型底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行中國(guó)典型城市公交循環(huán),研究了純柴油(D100),體積混合比例分別為5%,10%和20%餐廚廢棄油脂制生物柴油-柴油混合燃料(即B5,B10,B20)的顆粒物(PM)碳質(zhì)組分排放特性.結(jié)果表明:國(guó)Ⅴ柴油公交車尾氣顆粒物碳質(zhì)組分包括有機(jī)碳(OC)和元素碳(EC),OC占73%~82%,OC的主要組分是OC2和OC3,生物柴油對(duì)車輛尾氣顆粒物OC組成比例沒有影響;隨著生物柴油混合比例的增加,公交車尾氣顆粒物OC和OC+EC排放呈降低的趨勢(shì),EC排放增加,且B10的OC排放較高;PM0.05～0.1,PM0.1～0.5,PM0.5～2.5,PM2.5～184個(gè)粒徑段顆粒物中,PM0.1～0.5的OC和EC排放最高,PM2.5~18的EC排放幾乎為零,生物柴油可改善公交車尾氣超細(xì)顆粒(PM0.05～0.1)的OC排放,對(duì)公交尾氣顆粒物EC排放基本沒有影響;公交使用生物柴油混合燃料尾氣顆粒物OC/EC減小,且PM0.05～0.1和PM0.5～2.5OC/EC降低幅度明顯,對(duì)大氣二次氣溶膠的影響減弱.

餐廚廢棄油脂制生物柴油；公交車；顆粒物；有機(jī)碳；元素碳；粒徑

機(jī)動(dòng)車排放的顆粒物主要由有機(jī)碳(OC)和元素碳(EC)組成[1].OC和EC主要吸附在空氣中的細(xì)顆粒物,被人體吸入后產(chǎn)生毒害[2].在氣溶膠中OC和EC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%~50%[3].研究表明,國(guó)Ⅱ,國(guó)Ⅲ,國(guó)Ⅳ重型柴油車實(shí)際道路尾氣顆粒物中OC和EC質(zhì)量比分別為38.87%~42.87%和16.22%~ 19.96%[4],北京市柴油車,汽油車排放的可吸入顆粒物PM10中OC+EC質(zhì)量比分別為49.08%和38.38%[5],香港城市隧道和路邊細(xì)顆粒物PM2.5中OC+EC占總顆粒物的70%~82%[6],機(jī)動(dòng)車尾氣顆粒物排放是城市大氣OC和EC主要來(lái)源[7-8].柴油公交車作為城市重要的公共交通工具,消耗巨大能源的同時(shí),產(chǎn)生大量的顆粒物等污染物排放[9],采取措施,降低柴油公交車的碳質(zhì)組分排放,是改善城市大氣環(huán)境的重要措施之一.

餐廚廢棄油脂是生產(chǎn)生物柴油的良好原料之一,餐廚廢棄油脂制生物柴油具有十六烷值高,閃點(diǎn)高,潤(rùn)滑性好等特點(diǎn)[10],公交車燃用餐廚廢棄油脂制生物柴油有利于降低其顆粒物排放[11-14].同時(shí),在城市公交上使用餐廚廢棄油脂制生物柴油有利于餐廚廢棄油脂的集中收集,集中處置和集中使用[15].目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者以發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,開展了大豆油、棉籽油、廢棄油脂等原料制生物柴油的顆粒物碳質(zhì)組分研究.結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物中OC, EC隨大豆油制生物柴油摻混比的升高而降低[16],重型柴油機(jī)使用棉籽油制生物柴油的EC降低64%, OC降低15%[17],廢棄油脂制生物柴油有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的碳質(zhì)組分排放[18].有關(guān)公交車使用生物柴油混合燃料的顆粒物碳質(zhì)組分排放研究較小,僅樓狄明等[19]以國(guó)III柴油公交車為試驗(yàn)樣車,研究了5%, 10%體積混合比例生物柴油混合燃料的顆粒物OC,EC等碳質(zhì)組分排放特性.國(guó)Ⅴ柴油公交車采用缸內(nèi)清潔燃燒降低顆粒物+選擇性催化還原SCR尾氣后處理裝置降低NO的技術(shù)路線,與國(guó)Ⅲ,國(guó)Ⅳ公交車相比,其噴油壓力增大,噴孔數(shù)增多,噴孔直徑減小,燃油霧化效果更好,燃燒更充分,顆粒物排放與國(guó)III,國(guó)Ⅳ柴油公交車存在較大的區(qū)別.

本文以一輛國(guó)Ⅴ柴油公交車為研究對(duì)象,在重型底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行中國(guó)典型城市公交循環(huán),分析柴油,體積混合比例分別為5%,10%和20%餐廚廢棄油脂制生物柴油-柴油混合燃料的顆粒物OC,EC組分特性,以及0.05~0.1μm(PM0.05~0.1),0.1~0.5μm (PM0.1~0.5),0.5~2.5μm(PM0.5~2.5),2.5~18μm(PM2.5~18) 4個(gè)粒徑段顆粒物的碳質(zhì)組分特性,綜合評(píng)價(jià)餐廚廢棄油脂制生物柴油對(duì)國(guó)Ⅴ公交車顆粒物碳質(zhì)組分排放的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣車及燃料

試驗(yàn)樣車為滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車,安裝高壓共軌六缸增壓中冷柴油機(jī),主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.試驗(yàn)燃料為國(guó)Ⅴ柴油(D100),國(guó)Ⅴ柴油與餐廚廢棄油脂制生物柴油按5%,10%,20%體積比混合的柴油-生物柴油混合燃料(簡(jiǎn)稱:B5,B10,B20),在試驗(yàn)之前對(duì)柴油,B5,B10,B20的主要理化指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量,測(cè)量值如表2所示.

表1 試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

表2 柴油、B5、B10、B20主要理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)裝置及循環(huán)

試驗(yàn)裝置包括MAHA-AIP重型底盤測(cè)功機(jī),日本Horiba公司皮托管流量計(jì),Dekati公司FPS-4000尾氣稀釋采樣系統(tǒng),美國(guó)MSP公司11級(jí)微孔均勻沉積式顆粒物多級(jí)碰撞采樣器(MOUDI),DRI2001A型有機(jī)碳/元素碳分析儀等.測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)裝置連接示意

試驗(yàn)時(shí)將公交車固定在底盤測(cè)功機(jī)上,根據(jù)車輛最大總質(zhì)量的70%加載,通過(guò)滑行確定阻力系數(shù), 試驗(yàn)車輛為熱車狀態(tài).試驗(yàn)循環(huán)采用GB/T 19754-2005《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》推薦的中國(guó)典型城市公交循環(huán).該循環(huán)由怠速、低速、勻速、中速和中高速等工況構(gòu)成,運(yùn)行時(shí)間1314s,平均車速16.16km/h,最高車速60km/h.該循環(huán)與公交車實(shí)際行駛時(shí)低平均車速,高比例怠速,發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)矩,低轉(zhuǎn)速等工況特點(diǎn)吻合較好[20].試驗(yàn)時(shí)駕駛員根據(jù)司機(jī)助屏幕顯示的車速-時(shí)間曲線駕駛車輛,車輛速度誤差區(qū)間為該時(shí)目標(biāo)車速的±3km/h.通過(guò)實(shí)際駕駛循環(huán)與理論循環(huán)的相關(guān)性系數(shù)(>0.95)判斷試驗(yàn)的有效性.利用FPS-4000射流稀釋器抽取部分尾氣,稀釋比8.21,稀釋溫度120℃,經(jīng)過(guò)FPS-4000稀釋稀釋后的尾氣進(jìn)入微孔均勻沉積式多級(jí)碰撞采樣器,采樣介質(zhì)為直徑47mm的石英膜,采樣顆粒粒徑范圍為0.056~18μm,共11級(jí).為保證分析顆粒物采集數(shù)量,試驗(yàn)時(shí)連續(xù)進(jìn)行,重復(fù)3次中國(guó)典型城市公交循環(huán).利用DRI2001A型有機(jī)碳/元素碳分析儀根據(jù)IMPROVE(Interagency monitoring of protected visual environment)分析協(xié)議的熱光反射法(Thermal Optical Reflection,TOR)分析采集顆粒的碳質(zhì)組分,測(cè)量范圍為0.20~750μg/cm2.

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒物碳質(zhì)組分排放特性

由圖2可見,該國(guó)Ⅴ柴油公交車燃用不同比例生物柴油混合燃料的OC,EC排放分別為39.6~ 70.9μg/cm2和12.4~15.5μg/cm2,OC組分占73%~82%.隨著生物柴油比例的增加,該柴油公交車顆粒物中OC,OC+EC排放呈降低的趨勢(shì),但B10的OC和OC+EC排放較高.與柴油比較,該國(guó)Ⅴ柴油公交車燃用B5,B20的OC分別降低14.3%和28.8%,B10的OC升高29.1%.這是因?yàn)?一方面,生物柴油含氧,十六烷值高的特點(diǎn)使其顆粒物排放降低[21];另一方面,生物柴油的密度較大,運(yùn)動(dòng)黏度高,導(dǎo)致其噴霧效果變差[22],并且在試驗(yàn)循環(huán)(中國(guó)典型城市公交循環(huán))中發(fā)動(dòng)機(jī)工況以低速、低轉(zhuǎn)矩為主[23],燃料揮發(fā)性成為影響燃燒的主要因素之一[24];兩種因素綜合作用,導(dǎo)致B5,B20的OC排放降低,B10的OC排放升高.

與柴油比較,該國(guó)Ⅴ柴油公交車燃用B5,B10, B20排放的EC分別升高35.0%,53.7%和75.1%,與Tsai等[25]研究結(jié)果類似.這是因?yàn)?EC主要形成于缸內(nèi)高溫高壓濃混合氣區(qū)域,在燃油噴射量較大的條件下,EC的產(chǎn)生比較明顯[24],由于試驗(yàn)循環(huán)(中國(guó)典型城市公交循環(huán))發(fā)動(dòng)機(jī)加速度較大,加速頻繁,缸內(nèi)濃混合氣較多易生成EC,而生物柴油含氧特性對(duì)EC的抑制作用不明顯, EC排放增加.

圖2 公交車燃用不同比例生物柴油的OC,EC排放

OC/EC可以用來(lái)衡量二次有機(jī)氣溶膠在顆粒物中所占的比例,在一定程度上反映了大氣環(huán)境的二次污染[26],OC/EC值越高,二次有機(jī)氣溶膠所占比例越大,顆粒物在大氣進(jìn)程中的作用時(shí)間越長(zhǎng),反之越短.由圖2可見,該國(guó)Ⅴ柴油公交車燃用不同比例生物柴油混合燃料的OC/EC為2.76~4.49,B20的OC/EC為2.27,與陳軍輝等[27]的研究結(jié)果(2.88~3.10)接近,明顯高于何立強(qiáng)等[28](1.17~1.56)的研究結(jié)果.與柴油比較,B5,B20的OC/EC較低,在大氣中生成二次氣溶膠的潛力較低,這與Tsai等[25]研究所得結(jié)果相似;B10的OC/EC較高的原因可能因?yàn)锽10的低揮發(fā)性影響了燃燒,導(dǎo)致在污染物在排氣冷卻過(guò)程中成核或凝結(jié)在已存在的細(xì)小顆粒物上,成為排氣顆粒物中OC的成分[29],OC/EC增大.

Watson等[30]根據(jù)形成條件的不同將EC分為char-EC(焦炭)和soot-EC(煙炭)2種形態(tài),char-EC氧化速率明顯高于soot-EC.一般將EC1定義為char-EC,將EC2+EC3定義為soot-EC.char-EC主要通過(guò)燃料的裂解形成,一般在燃燒溫度較低時(shí)生成,而soot-EC則在較高的缸內(nèi)燃燒溫度下由氣粒轉(zhuǎn)化而成.由圖3可知,試驗(yàn)國(guó)Ⅴ柴油公交車分別燃用D100,B5,B10,B20排放的OC主要組分是OC2和OC3,分別占OC排放的83%和17%,油品對(duì)車輛尾氣OC組成比例沒有影響;EC排放受油品的影響,隨著生物比例的增加,該柴油公交車EC2所占的比例增加,EC3比例降低.D100排放的EC主要組分為EC3,B5和B10排放的EC中EC1,EC2和EC3比例相當(dāng),B20排放的EC主要為EC2.這主要是因?yàn)锽20密度相對(duì)其他3種油品密度較大,運(yùn)動(dòng)黏度最大,導(dǎo)致燃油霧化效果和油氣混合速率較差,抑制燃料的裂解及氧化過(guò)程,使得缸內(nèi)燃燒不佳,從而增加了EC2排放.

圖3 公交車燃用不同比例生物柴油的OC和EC組分

圖4 中國(guó)典型城市公交循環(huán)顆粒數(shù)量排放特性

圖4中循環(huán)工況主要是低速低轉(zhuǎn)矩工況和中速中轉(zhuǎn)矩工況,試驗(yàn)所用生物柴油密度大,運(yùn)動(dòng)黏度高,導(dǎo)致車輛從怠速開始起步加速時(shí),燃料噴霧效果不好,揮發(fā)性較差影響燃燒過(guò)程,特別是在加速時(shí),顆粒物數(shù)量排放明顯上升,相應(yīng)地也影響顆粒物碳質(zhì)組分OC和EC的排放.

2.2 不同粒徑顆粒物碳質(zhì)組分排放特性

為分析柴油公交車顆粒物排放對(duì)大氣顆粒物的貢獻(xiàn),把微孔均勻沉積式顆粒物多級(jí)碰撞采樣器采集的顆粒物根據(jù)粒徑大小分為0.05<D￡0.1μm (PM0.05～0.1),0.1<D￡0.5μm(PM0.1～0.5),0.5<D￡2.5μm (PM0.5～2.5)和2.5<D￡18μm(PM2.5～18)4個(gè)粒徑段,分析不同粒徑段顆粒物的碳質(zhì)組分排放特性,研究生物柴油對(duì)不同粒徑段顆粒物碳質(zhì)組分的影響.

由圖5(a)可見,該國(guó)Ⅴ柴油公交車尾氣顆粒物PM0.05～0.1,PM0.1～0.5,PM0.5～2.5,PM2.5～18的OC組分不同,PM0.1～0.5的OC組分最高,PM0.05~0.1的OC組分最少.與柴油比較,該柴油公交車燃用B5,B10,B20排放的尾氣顆粒物PM0.05~0.1的OC組分分別降低33.6%, 3.6%和36.8%; B5,B20尾氣顆粒物PM0.1~0.5的OC組分分別降低18.3%和26.0%,PM0.5~2.5的OC組分分別降低1.2%和38.3%,PM2.5~18的OC組分分別降低13.9%和15.5%;B10尾氣顆粒物PM0.1~0.5,PM0.5~2.5, PM2.5~18的OC組分分別升高43.7%,30.3%和4%.生物柴油含氧的特點(diǎn)可改善超細(xì)粒徑段(0.05<D￡0.1μm,PM0.05~0.1)的OC排放,受含氧促進(jìn)燃燒和霧化性能變差,不利于燃燒的共同影響,生物柴油混合比例對(duì)車輛尾氣顆粒物PM0.1～0.5,PM0.5～2.5,PM2.5～18中OC排放的影響存在不確定性.

由圖5(b)可見,該國(guó)Ⅴ柴油公交車尾氣顆粒物PM0.05～0.1,PM0.1～0.5,PM0.5～2.5,PM2.5～18的EC排放不同,PM0.1～0.5的EC組分最高,占EC總排放的約70%,PM2.5~18的EC組分幾乎為零.與柴油比較,該柴油公交車燃用B5,B10,B20排放的尾氣顆粒物PM0.05～0.1,PM0.1～0.5,PM0.5～2.5的EC組分增加.王廣華等[31]對(duì)上海市嘉定區(qū)大氣顆粒物研究結(jié)果表明,大氣中粒徑D<0.49μm及D>3.0μm的顆粒排放較高,D<3.0μm顆粒物的OC,EC排放分別占總顆粒物OC,EC的59.8%~80.0%和58.1%~82.4%,EC組分主要集中在D<0.49μm粒徑段;唐小玲等[32]對(duì)廣州大氣顆粒物碳質(zhì)組分研究也得到了類似的結(jié)果.說(shuō)明柴油公交車尾氣顆粒物排放是大氣中粒徑D< 0.49μm顆粒物OC,EC組分的主要來(lái)源.因此,柴油公交車燃用生物柴油可以改善大氣中超細(xì)粒物(0.05<D￡0.1μm,PM0.05~0.1)的OC排放,對(duì)EC排放基本沒有影響.

2.3 不同粒徑段的OC/EC特性

由圖6可見,國(guó)Ⅴ柴油公交車燃用不同比例生物柴油混合燃料尾氣顆粒物PM0.05~0.1,PM0.1~0.5, PM0.5~2.5的OC/EC值不同,所有粒徑段的OC/EC值均大于1,說(shuō)明柴油公交車尾氣顆粒物排放對(duì)大氣中二次氣溶膠的影響大于一次氣溶膠.其中,PM0.05~0.1和PM0.5~2.5的OC/EC值較高,主要對(duì)大氣中二次氣溶膠的影響較大;PM0.1~0.5的OC/EC值相對(duì)較低,對(duì)大氣中一次,二次氣溶膠均產(chǎn)生影響.PM2.5~18的EC排放非常低,該粒徑段的OC/EC結(jié)果沒有參照價(jià)值.與燃用柴油比較,該柴油公交車燃用B5,B10,B20尾氣顆粒物PM0.05~0.1,PM0.1~0.5,PM0.5~2.5的OC/EC降低,且PM0.05~0.1和PM0.5~2.5的OC/EC降低幅度較大,說(shuō)明該柴油公交車燃用生物柴油的尾氣顆粒物排放對(duì)大氣中二次氣溶膠的影響減弱.石曉燕[33]通過(guò)在柴油中添加乙醇研究含氧燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的碳質(zhì)組分特性,結(jié)果表明氧含量導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)工況下PM2.5中OC/EC值升高,與本研究得到的生物柴油尾氣顆粒物OC/EC降低的結(jié)果不同.這是因?yàn)?一方面,乙醇的密度低于柴油,在柴油中添加乙醇有利于燃油的霧化和燃燒,EC降低;另一方面,由于公交車的負(fù)荷較低,生物柴油含氧,有利于燃燒的特點(diǎn)沒有充分體現(xiàn),EC幾乎沒有降低;二種因素綜合作用導(dǎo)致本研究得到的生物柴油尾氣顆粒物OC/EC低于柴油.因此,采取措施改善餐廚廢棄油脂制生物柴油的霧化效果,可進(jìn)一步降低柴油公交車的OC,EC排放.

圖6 公交車燃用不同比例生物柴油分粒徑段OC/EC

3 結(jié)論

3.1 國(guó)Ⅴ柴油公交車燃用不同比例生物柴油混合燃料尾氣顆粒物OC,EC排放不同,與柴油比較,餐廚廢棄油脂制生物柴油混合燃料尾氣顆粒物OC, OC+EC呈降低,EC排放呈增加的變化趨勢(shì), B10的OC排放較高.

3.2 國(guó)Ⅴ柴油公交車燃用不同比例生物柴油混合燃料尾氣顆粒物碳質(zhì)組分主要為OC,占顆粒物排放的73%~82%,OC的主要組分是OC2和OC3,分別占OC排放的83%和17%,油品對(duì)車輛尾氣顆粒物OC組成比例沒有影響;隨著生物柴油比例的增加,尾氣顆粒物的EC2比例增加,EC3降低.

3.3 國(guó)Ⅴ柴油公交車尾氣顆粒物PM0.05~0.1,PM0.1~0.5, PM0.5~2.5,PM2.5~18的OC和EC排放不同,PM0.1~0.5的OC和EC排放最高,PM0.05~0.1的OC排放較少, PM2.5~18的EC排放幾乎為零.生物柴油可改善公交車尾氣超細(xì)顆粒(0.05<D￡0.1μm,PM0.05~0.1)的OC排放,對(duì)顆粒物PM0.1~0.5,PM0.5~2.5,PM2.5~18中OC的影響存在不確定性,對(duì)公交尾氣顆粒物EC排放基本沒有影響.

3.4 國(guó)Ⅴ柴油公交車燃用不同比例生物柴油混合燃料尾氣顆粒物PM0.05~0.1,PM0.1~0.5,PM0.5~2.5,PM2.5~18的OC/EC不同,生物柴油混合燃料的OC/EC較低,且PM0.05~0.1和PM0.5~2.5的OC/EC降低幅度較大,生物柴油公交車尾氣顆粒物排放對(duì)大氣二次氣溶膠的影響減弱.

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Emission of carbonaceous components from a bus fueled with waste cooking oil based biodiesel blends.

HU Zhi-yuan*, ZHANG Hao-chen, TAN Pi-qiang, LOU Di-ming

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)., 2018,38(8)：2921~2926

Research on a diesel bus certified to China V emission standards, run China city bus cycle on a heavy chassis dynamometer, the bus was fueled with D100 (the pure diesel), biodiesel blends B5, B10 and B20 (the volume mixing ratio are 5%, 10% and 20% of waste cooking oil based biodiesel blends), to carry out the emission characteristics of Particulate Matters (PM) carbonaceous components. The results show that China five bus’s exhaust particulate carbonaceous components include Organic Carbon (OC) and Elemental Carbon (EC), where OC account for 73%~82%, and the main components of OC are OC2 and OC3. Biodiesel has no effect on the OC composition ratio of vehicle exhaust particulate matter; With the increase of biodiesel mixing ratio, the emissions of bus exhaust OC and OC+EC have a decreasing trend, EC emissions have increased, wherease B10 has higher OC emissions; In four particle diameters as PM0.05-0.1, PM0.1-0.5, PM0.5-2.5, PM2.5-18, OC and EC have the highest emissions in PM0.1-0.5, EC has almost zero emission in PM2.5-18, biodiesel can improve OC emission of ultrafine bus exhaust particles (PM0.05-0.1), which has virtually no effect on the emission of bus exhaust particulate matter; The OC/EC of using biodiesel decreases, especially in PM0.05-0.1and PM0.5-2.5, which weakens the impact on the secondary air aerosol.

waste cooking oil based biodiesel；bus；particulate matter；organic carbon；element carbon；particle diameter

X513

A

1000-6923(2018)08-2921-06

胡志遠(yuǎn)(1970-),男,河北安國(guó)人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)槠嚹茉醇夹g(shù)及汽車低排放設(shè)計(jì)技術(shù).發(fā)表論文100余篇.

2018-01-07

上海市科委科技攻關(guān)計(jì)劃(16DZ1203001)

* 責(zé)任作者, 副教授, huzhiyuan@#edu.cn