柴油轿车燃用生物柴油的模态颗粒排放特性

胡志远，林建军，谭丕强，楼狄明

（同济大学 汽车学院，上海 201804）

随着我国经济的飞速发展，汽车产量迅猛增长，汽车污染已超过工业污染、建筑扬尘污染等，成为许多城市空气污染的主要来源.颗粒物是柴油车的主要污染物排放之一，柴油车排放的颗粒污染物含有大量多环芳烃等有害物质，长期暴露于含有高浓度机动车排气颗粒的空气中，容易引发严重的呼吸系统疾病［1］.因此，降低柴油车的颗粒物排放是实现汽车减排的重要途径.

生物柴油具有十六烷值高、润滑性好、可再生性好等特点［2］.研究表明：发动机使用生物柴油后，其排气颗粒质量和烟度降低［3－5］，排气颗粒的尺寸呈单峰或双峰对数分布［6］，聚集态颗粒的数量浓度降低［7］，但核模态颗粒的数量浓度增加［8］.随着生物柴油混合比例的增加，发动机排气颗粒数量浓度呈持续上升趋势，但生物柴油排放颗粒中的总PAHs排放浓度降低［9］.

本文根据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ，Ⅳ阶段）》（GB18352.3—2005）Ⅰ型试验循环，对帕萨特柴油轿车分别燃用沪Ⅳ柴油、生物柴油混合体积分数分别为5%，10%，20%和50%的沪Ⅳ柴油－生物柴油混合燃料、纯生物柴油的模态颗粒排放特性进行试验研究，系统考察该车燃用生物柴油混合燃料的颗粒数量浓度、颗粒粒径排放特性.

1 试验样车及试验方案

1.1 试验样车及设备

试验样车为帕萨特柴油轿车，发动机为水冷直列四缸两气门、电控泵喷嘴、高压直喷涡轮增压柴油机，并配备废气再循环系统和尾气氧化催化转换器.其主要技术参数如表1所示.

表1 柴油轿车主要技术参数Tab.1 Technical parameters of diesel car

试验系统包括－20～50℃环境模拟舱、SCHENCK汽车底盘测功机，以及TSI颗粒粒径分析仪.本研究采用两级稀释对柴油轿车的排气颗粒进行稀释，总稀释比为500∶1.其中，第一级稀释系统采用TSI公司的专用旋转盘稀释器，控制初级稀释系统的加热温度为120℃，稀释比为200∶1；第二级稀释采用一个流量计对进气流量进行补偿，稀释比为2.5∶1.

1.2 试验燃料

试验燃料分别为沪Ⅳ柴油、生物柴油混合体积分数分别为5%，10%，20%和50%的沪Ⅳ柴油－生物柴油混合燃料和纯生物柴油，分别简称为沪Ⅳ，B5，B10，B20，B50和B100.沪Ⅳ柴油和纯生物柴油的主要理化指标如表2所示.

表2 试验燃料的理化指标Tab.2 Physical and chemical parameters of biodiesel blends

1.3 试验方案

排放测试依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ，Ⅳ阶段）》（GB18352.3—2005）Ⅰ型试验循环进行.整个测试循环共持续1180s。

2 颗粒数量浓度与速度的时间对齐

由于EEPS无法自动集成车辆的速度数据，试验车辆的速度来自底盘测功机.为保证工况与颗粒数量浓度一一对应，需将颗粒数量浓度与速度在时间上进行对齐.颗粒数量浓度与车速的瞬态对应特性很好，其一般的规律是，颗粒数量浓度随车速的升高而升高.所以精确的对齐方法是将两者的数据对比，并将数量浓度随时间的变化曲线进行平移.图1是经过平移后的B20燃油曲线，从图中可以看到两者吻合得很好.按照同样的方法将其他几种燃油的数据进行了前期处理.

图1 柴油轿车燃用B20颗粒数量浓度－速度曲线（平移后）Fig.1 Particle number－velocity of diesel car fueled with B20

3 试验结果与分析

3.1 柴油轿车燃用生物柴油颗粒数量浓度排放特性

图2为燃用沪Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100的总颗粒数量浓度、核模态颗粒数量浓度、聚集态颗粒数量浓度随试验时间的变化曲线.图3和图4分别为燃用沪Ⅳ柴油和B100的核模态和聚集态颗粒数量浓度随试验时间的变化曲线.

由图2～4可见，在GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环中，燃用生物柴油后，总颗粒数量浓度排放特性与燃用沪Ⅳ柴油相近，核模态颗粒数量浓度增加，聚集态颗粒数量浓度降低.这是因为生物柴油含氧量高，一方面有利于燃烧，促使部分大粒径碳烟颗粒向小粒径碳烟颗粒转化，使燃烧后的核模态颗粒增加，聚集态颗粒下降；另一方面，生物柴油的聚集态颗粒数量减少使聚集态颗粒对挥发性组分的吸附能力减弱，导致颗粒成核作用增强，促使核模态颗粒增加［6］.另外，试验用生物柴油的硫含量高于沪Ⅳ柴油，而硫酸盐颗粒是核模态颗粒的主要组成部分.同时，生物柴油的十六烷值高，滞燃期短，有利于燃烧，进一步降低了聚集态颗粒数量浓度，增加了核模态颗粒数量浓度［10］.

由图2～4可见，在GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环的加速阶段，燃用沪Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100的总颗粒数量浓度、核模态颗粒数量浓度、聚集态颗粒数量浓度增加.同时，加速阶段，该车燃用生物柴油核模态颗粒数量浓度的增加幅度大于沪Ⅳ柴油；聚集态颗粒数量浓度增加幅度低于沪Ⅳ柴油.这是因为在加速工况下，发动机负荷急剧升高，喷入的燃油显著增加，空燃比变化大，导致燃烧不稳定，使得总颗粒数量及聚集态颗粒数量排放增加.同时，生物中含氧，在一定程度上改善了燃烧，使聚集态颗粒排放降低，核模态颗粒排放增加.

由图2～4可见，在GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环的减速阶段，燃用沪Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100的聚集态颗粒数量浓度降低，总颗粒数量浓度和核模态颗粒数量浓度呈先上升后下降的趋势，生物柴油和沪Ⅳ柴油的变化幅度基本相同.这是因为在减速工况下，一方面发动机负荷急剧变小，喷入的燃油变少，空燃比变大，产生的碳烟较少，使聚集态颗粒浓度降低；另一方面，减速时，发动机由在一定负荷下工作快速过渡到怠速，残留在气缸或排气管道中的颗粒物会被排气气流夹带出来，因此核模态颗粒呈先增加后降低的趋势.

由图4可见，在GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环的冷起动阶段，与燃用沪Ⅳ柴油比较，燃用生物柴油的聚集态颗粒物数量浓度排放较高.这是因为冷起动状态下，发动机缸内温度较低，燃油蒸发较慢；另外，车辆起动时转速较低，燃烧室内气流运动较慢，燃油空气混合较差；同时，生物柴油的粘度较高，雾化质量相对较差.三个因素综合作用，导致车辆冷起动时生物柴油出现局部燃烧不充分的现象，聚集态颗粒数量浓度增加.

对排放测试循环的颗粒排放的数量浓度按照时间进行平均，得到整个GB18352.3—2005Ⅰ型循环该柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B1006种燃料排放的核模态颗粒、聚集态颗粒及总颗粒的平均数量浓度如图5所示.可见，燃用生物柴油后，聚集态颗粒数量下降，核模态颗粒数量上升，总颗粒数量变化不大.随着生物柴油混合比例的增加，排气颗粒的聚集态颗粒数量降低，核模态颗粒数量增加.与沪Ⅳ柴油比较，燃用纯生物柴油（B100）的总颗粒平均数量浓度降低约7%，聚集态降低58%，核模态增加54%.

3.2 柴油轿车燃用生物柴油颗粒粒径分布特性

3.2.1 颗粒粒径分布

由图6可见，燃用生物柴油后，随着生物柴油配比的增加，颗粒数量浓度峰值往小粒径方向移动，并且在小粒径范围内开始出现峰值.沪Ⅳ柴油排气颗粒数量的粒径呈单峰分布，沪Ⅳ柴油及低生物柴油配比核模态颗粒数量峰值在1×1010数量级以下；B100排气颗粒数量的粒径呈明显的双峰分布，其核模态颗粒数量峰值达2.5×1010数量级以上.

3.2.2 颗粒平均粒径

燃用沪Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100排气颗粒的平均粒径D可由式下式计算：

式中：N总为总颗粒数量浓度；Ni为i粒径区间下的颗粒数量浓度；Di为i粒径区间的特征粒径.

由图7可见，由于生物柴油具有含硫量高、含氧量高、十六烷值高等特点.该车燃用生物柴油后，随着生物柴油配比增加，GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环排放颗粒的平均粒径降低.与沪Ⅳ柴油比较，B100的平均粒径降低37%.

由图8可见，GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环中，减速工况排气颗粒的平均粒径在30～40nm之间，随着生物柴油配比的增加，减速工况排气颗粒的平均粒径变化不大.怠速、加速和匀速工况，随着生物柴油配比的增加，排气颗粒的平均粒径总体呈下降趋势.与沪Ⅳ柴油比较，B100怠速、加速和匀速工况排气颗粒的平均粒径分别降低15%，41%和43%.

4 结论

（1）燃用生物柴油后，帕萨特柴油轿车总颗粒数量浓度排放特性与沪Ⅳ柴油相近；随着生物柴油配比的增加，该车排气颗粒的核模态颗粒数量浓度增加，聚集态颗粒数量浓度降低.

（2）该柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油，B5，B10，B20，B50和B100，在GB18352.3—2005Ⅰ型试验循环加速阶段，排气颗粒物的总颗粒数量浓度、核模态颗粒数量浓度、聚集态颗粒数量浓度增加；减速阶段，排气颗粒的聚集态颗粒数量浓度降低，总颗粒数量浓度和核模态颗粒数量浓度呈先上升后下降的趋势.

（3）随着生物柴油配比的增加，该车燃用生物柴油排气颗粒的数量浓度峰值往小粒径方向移动，并且在小粒径范围内开始出现峰值；沪Ⅳ柴油排气颗粒数量的粒径呈单峰分布；B100排气颗粒数量的粒径呈明显的双峰分布.

（4）随着生物柴油配比的增加，该车燃用生物柴油试验循环排气颗粒的平均粒径减少；怠速、加速和匀速工况排气颗粒的平均粒径降低；减速工况排气颗粒的平均粒径变化不大.

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