在用共轨柴油机燃用沪四柴油的超细颗粒排放

胡志远，杨 奇，谭丕强，楼狄明

（同济大学 汽车学院，上海201804）

随着工业化、城市化进程的高速发展，我国细颗粒物等大气污染物的排放量已居全球前列.研究表明，颗粒物的危害性大小与颗粒的直径、数量密切相关.颗粒越细，其在空气中悬浮时间越长，则越容易吸入人体肺部而引起疾病［1－2］.因此，超细颗粒物的综合治理已成为国家政策和民生关注的焦点，是当前社会各界高度关注和亟待解决的重大环境问题.

空气中的细颗粒物人为一次排放源主要来自机动车尾气、燃煤烟尘、建筑扬尘以及冶金水泥等，机动车尾气是目前各大城市大气细颗粒污染的最主要来源之一，尤以柴油车的尾气细颗粒物排放最为突出.因此，采取措施降低柴油机的细颗粒物数量排放是减少空气中细颗粒物数量的有效途径之一.

燃油品质是影响柴油机颗粒物排放的重要因素，高品质柴油应该在适当提高十六烷值的同时较大幅度地降低硫含量［3－5］.目前，国内外学者有关柴油机颗粒排放特性研究主要包括发动机燃用低硫柴油的外特性、负荷特性等稳态工况颗粒数量排放特性［6－7］，瞬态工况烟度 排 放 及 颗 粒 数 量 排 放 特 性［8－9］，高十六烷值［10］、低芳烃含量［11］对柴油机颗粒物排放特性的影响等.有关柴油机在欧洲稳态工况（ESC）循环下燃油品质对颗粒物数量和粒径分布影响的工作少见报道，仍缺乏ESC 循环工况下油品硫含量对柴油机颗粒排放属性的认识.

本文对一台在用电控高压共轨柴油机分别燃用国二柴油和沪四柴油的超细颗粒数量排放特性进行试验研究，系统考察该共轨柴油机燃用国二柴油、沪四柴油ESC循环工况下的超细颗粒数量、颗粒粒径分布及质量排放特性，考察沪四柴油对在用柴油车超细颗粒物排放的降低效果.

1 试验装置及方法

1.1 试验样机及设备

试验样机为一台在用车使用的，满足国Ⅲ排放标准、直列四缸四冲程、涡轮增压中冷、高压共轨直喷式柴油机.该柴油机的总排量为5.3L，缸径和行程分别为114和130mm，压缩比为18∶1，标定功率为132kW（2 300r·min－1），最大转矩为660N·m（1 400～1 600r·min－1）.

颗粒数量和粒径分布测试仪器为美国TSI公司的发动机排气颗粒数量和粒径分析仪（EEPS），该仪器可快速测取柴油机的排气颗粒数量及粒径分布，测量粒径范围为5.6～560nm，在0.1s内可测取一个完整的颗粒粒径分布图谱，并同步输出32个粒径通道的颗粒数量和粒径分布数据.排气颗粒测试系统示意图如图1所示.

图1 排气颗粒粒径分布测试系统Fig.1 Exhaust particle sizer testing system

1.2 试验燃料及方案

试验燃料分别为国二柴油和沪四柴油，其主要理化指标如表1所示.

表1 试验燃料的主要理化指标Tab.1 Main physical and chemical characteristics of diesel

试验根据GB17691—2005 规定的ESC 循环进行，试验中的A，B，C 转速分别为1 425，1 765和2 105r·min－1.

2 试验结果与分析

2.1 超细排气颗粒数量

图2为该机燃用国二柴油和沪四柴油ESC循环各个工况的核模态颗粒（粒径≤50nm）和聚集态颗粒（粒径＞50nm）的数量排放特性.其中，A25，A50，A75和A100 分别代表ESC 循环工况A 转速下（1 425r·min－1）负荷分别为25%，50%，75%和100%的工况点；B25，B50，B75和B100分别代表ESC 循环工况B 转速（1 765r·min－1）下负荷分别为25%，50%，75%和100%的工况 点；C25，C50，C75和C100分别代表ESC 循环工况C 转速（2 105r·min－1）下负荷分别为25%，50%，75%和100%的工况点.

图2 ESC 循环各工况下核态、聚集态颗粒数量比排放Fig.2 Emission characteristics of nuclei mode and accumulation mode particles in different cases during ESC

由图2可见，ESC 循环A，B，C 转速工况下，随着发动机负荷的增加，国二柴油和沪四柴油的颗粒数量比排放降低.这是因为，随着负荷的增加，喷油量增加，排气颗粒数量浓度增大；同时，随着负荷的增加，发动机产生的有效功率增大，其颗粒数量比排放随着发动机负荷的增加而降低［12］.

由图2可见，ESC 循环工况下，与国二柴油比较，沪四柴油的总颗粒数量比排放、核态颗粒数量比排放降低，且核态颗粒的降低幅度较大.大部分工况的聚集态颗粒数量比排放降低，个别工况（A25）的聚集态颗粒数量比排放有所升高.因此，沪四柴油可降低柴油机的超细颗粒数量排放.这是因为，核态颗粒由燃烧室内形成的一次颗粒及硫酸盐、碳氢等物质成核作用而形成的二次颗粒组成［12］.研究表明，柴油中1%～3%的硫燃烧后直接转化为硫酸盐［13］，且硫酸盐是发动机排放的超细颗粒物的重要组成部分［14］.由于沪四柴油的硫含量较低，燃烧产生的硫酸盐排放量较少，超细颗粒数量比排放较低.另一方面，直喷式柴油机未燃碳氢的浓度随柴油十六烷值升高而减小［15］，沪四柴油十六烷值较高，未燃碳氢减少，降低了由碳氢成核作用而形成的二次颗粒的产生.两方面因素综合作用，沪四柴油的核态颗粒数量比排放降低.同时，沪四柴油的运动黏度低、密度小，喷雾及雾化效果较高，有利于柴油在缸内的燃烧，降低柴油机的聚集态颗粒排放.同时，沪四柴油的芳烃含量较低，多环芳烃是聚集态颗粒中碳烟的先导物［16］，有利于降低柴油机的聚集态颗粒排放.另外，沪四柴油的体积热值略低，为保证发动机的功率，需喷入更多体积的柴油，几个因素综合作用，可能是导致部分工况下沪四柴油聚集态颗粒数量排放略有增加的原因.

ESC十三工况，该机燃用国二柴油、沪四柴油的颗粒物数量比排放如表2所示.可见，ESC循环工况下，该机燃用沪四柴油的核态颗粒、聚集态颗粒和总颗粒数量比排放均降低.

表2 ESC 循环工况超细颗粒数量比排放Tab.2 Ultrafine particle number emission during ESC

2.2 超细排气颗粒数量的粒径分布

图3为该机燃用国二柴油和沪四柴油ESC循环工况超细排气颗粒数量的粒径分布特性.图中，横坐标表示颗粒粒径大小，纵坐标表示颗粒数浓度大小，横、纵坐标均为对数坐标.

由图3可见，ESC循环工况下，该机燃用国二柴油的排气颗粒数量的粒径分布呈明显的双峰对数分布，排气颗粒在核态颗粒和聚集态颗粒形成两个数量排放峰值.其中，核态颗粒数量峰值对应的颗粒粒径约6～9nm，聚集态颗粒数量峰值对应的颗粒粒径约52～60nm.该机燃用沪四柴油后，除怠速工况外，ESC其他工况排气颗粒数量的粒径分布呈明显的单峰对数分布，排气颗粒数量峰值对应的颗粒粒径约45～52nm；与燃用国二柴油相同，该机燃用沪四柴油怠速工况排气颗粒数量的粒径分布呈明显的双峰对数分布，核态颗粒数量峰值对应的颗粒粒径约9nm，聚集态颗粒数量峰值对应的颗粒粒径约52 nm.综合图3a～m 可见，该机燃用沪四柴油后，排气颗粒数量的粒径分布由双峰对数分布调整为单峰对数分布，小颗粒（核态颗粒）数量排放降低，除个别工况外，大部分工况的聚集态颗粒数量排放亦降低.

2.3 超细颗粒几何平均粒径

几何平均粒径既反映了颗粒数浓度极大值的位置，又综合了粒径分布的形态，其计算公式如下：

式中：Dg为几何平均粒径，nm；ni为第i个粒径区间的颗粒数；di为第i个粒径区间的特征粒径，nm；N为总颗粒数，即∑ni.图4为ESC 循环工况，该机燃用国二柴油和沪四柴油排气颗粒的几何平均粒径.

由图4可见，ESC 循环工况，除怠速工况外，该机燃用国二柴油排气颗粒的几何平均粒径为40～53 nm，燃用沪四柴油排气颗粒的几何平均粒径为42～56nm；怠速工况下，该机燃用国二柴油的几何平均粒径约为14nm，燃用沪四柴油的几何平均粒径约为22nm.与国二柴油比较，燃用沪四柴油后，由于核态颗粒数量排放的降低，几何平均粒径增大.

2.4 超细颗粒质量排放特性

ESC循环工况，该机燃用国二柴油、沪四柴油的超细颗粒物质量排放分别为0.083g·（kW·h）－1和0.074g·（kW·h）－1，与国二柴油比较，沪四柴油的颗粒物质量排放降低.图5为ESC循环工况，该机燃用国二柴油和沪四柴油排气颗粒中超细颗粒的质量排放.

由图5可见，ESC循环工况，该机燃用国二柴油与沪四柴油的超细颗粒物质量排放主要为颗粒粒径＞50nm 的聚集态颗粒，核态颗粒质量排放仅占其颗粒质量排放的3%～10%.与国二柴油比较，该机燃用沪四柴油后，个别工况（低转速中低负荷、高转速全负荷）的超细颗粒质量排放略有增加，其他工况的超细颗粒质量排放降低.

3 结论

（1）ESC循环A，B，C转速工况下，随着发动机负荷的增加，该机燃用国二柴油、沪四柴油的超细颗粒数量比排放降低.

（2）与国二柴油比较，该机燃用沪四柴油ESC循环工况的超细颗粒总数量、核态颗粒数量比排放降低，且核态颗粒数量比排放的降低幅度较大.

（3）ESC循环工况下，该机燃用国二柴油超细颗粒数量的粒径分布呈明显的双峰对数分布；燃用沪四柴油怠速工况外超细颗粒数量的粒径分布呈明显的单峰对数分布，其他工况超细颗粒数量的粒径分布呈明显的单峰对数分布.

（4）ESC循环工况，该机燃用国二柴油、沪四柴油超细颗粒的几何平均粒径为40～56nm，怠速工况超细颗粒的几何平均粒径较小.与国二柴油比较，沪四柴油超细颗粒的几何平均粒径增大.

（5）与国二柴油比较，该机燃用沪四柴油ESC循环工况低转速中低负荷、高转速全负荷的超细颗粒物质量排放略有增加，ESC 循环工况加权超细颗粒质量排放降低.

［1］ Johnson T V.Diesel emission control in review ［J］.SAE International Journal of Fuels and Lubricants，2009，1（1）：68.

［2］ Ibald M A， Wichmann H E， Kreyling W， et al.Epidemiological evidence on health effects of ultrafine particles［J］.Aerosol Med，2002，15（2）：189.

［3］ Zannis T C，Hountalas D T，Papagiannakis R G，et al.Effect of fuel chemical structure and properties on diesel engine performance and pollutant emissions：review of the results of four european research programs［J］.International Journal of Fuels and Lubricants，2009，1（1）：384.

［4］ Akasaka Y，Sakurai Y.Effects of fuel properties on exhaust emission from DI diesel engine［J］.JSME International Journal，Series B：Fluids and Thermal Engineering，1998，41（1）：13.

［5］ 陈文淼，吴复甲，王建昕，等.柴油品质对发动机排放性能影响［J］.汽车工程，2008，30（8）：657.CHEN Wenmiao，WU Fujia，WANG Jianxin，et al.The effects of fuel properties on diesel engine emissions［J］.Automotive Engineering，2008，30（8）：657.

［6］ 赵红，王小臣，葛蕴珊，等.柴油硫的质量分数对柴油机微粒特性的影响［J］.内燃机学报，2010，28（4）：351.ZHAO Hong，WANG Xiaochen，GE Yunshan，et al.Efects of sulfur content on particulate matter emitted from diesel engine［J］.Transactions of CSICE，2010，28（4）：351.

［7］ 刘炜，张武高，李新令，等.低硫柴油直喷燃烧超细颗粒排放特性研究［J］.科学通报，2009，54（12）：1773.ZHANG Wei， ZHANG Wugao， LI Xinling， et al.Characteristics of ultrafine particle from a compression ignition engine fueled with low sulfur diesel ［J］.Chinese Science Bulletin，2009，54：1773.

［8］ Daniels T L，Mccormick R L，Graboski M S，et al.Effect of diesel sulfur content and oxidation catalysts on transient emissions at high altitude from a 1995 Detroit Diesel Series 50 urban bus engine［EB／OL］.［1996－10－01］.http：／／papers.sae.org／961974.html，1996－10－01.

［9］ Liu Z G，Vasys V N，Kittelson D B.Nuclei－mode particulate emissions and their response to fuel sulfur content and primary dilution during transient operations of old and modern diesel engines［J］.Environmental Science and Technology，2007，41（18）：6479.

［10］ Alleman T L，Eudy L，Miyasato M，et al.Fuel property，emission test and operability results from a fleet of class 6 vehicles operating on gas－to－liquid fuel and catalyzed diesel particle filters［EB／OL］.［2004－10－25］.http：／／papers.sae.org／2004－01－2959.html，2004－10－25.

［11］ 武涛，黄震，张武高，等.柴油／GTL混合燃料特性及对柴油机排放的影响［J］.汽车工程，2007，29（56）：397.WU Tao，HUANG Zhen，ZHANG Wugao，et al.A study on the properties of diesel／GTL blended fuel and its effects on emissions［J］.Automotive Engineering，2007，29（56）：397.

［12］ 刘志华，葛蕴珊，丁焰，等.柴油机和LNG 发动机排放颗粒物粒径分布特性研究［J］.内燃机学报，2009，27（6）：518.LIU Zhihua，GE Yunshan，DING Yan，et al.The size distribution characteristic of PM emitted from diesel engine and LNG engine［J］.Transactions of CSICE，2009，27（6）：518.

［13］ Wall J C，Hoekman S K.Fuel composition effects on heavyduty diesel particulate emissions ［EB／OL］.［1984－10－01］.http：／／papers.sae.org／841364.html，1984－10－01.

［14］ Schneider J，Hock N，Weimer S，et al.Nucleation particles in diesel exhaust：composition inferred from in situ mass spectrometric analysis ［J］. Environmental Science and Technology.2005，39（16）：6153.

［15］ 陈文淼，吴复甲，王建昕，等.十六烷值对欧Ⅳ柴油机燃烧与排放性能的影响［J］.内燃机工程，2008，29（6）：1.CHEN Wenmiao，WU Fujia，WANG Jianxin，et al.Effect of cetane number on combustion and emission of a Euro－IV diesel ngine［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2008，29（6）：1.

［16］ 王忠，黄慧龙，许广举，等.柴油机单环芳香烃类污染物的试验研究［J］.内燃机学报，2010，28（1）：42.WANG Zhong，HUANG Huilong，XU Guangju，et al.Experimental study on mono－aromatic hydrocarbon emissions of diesel engine［J］.Transactions of CSICE，2010，28（1）：42.