生物柴油排气颗粒物含量及其消光特性

（1. 江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013； 2. 南通大学机械工程学院， 江苏南通226019；3. 江苏江淮动力股份有限公司， 江苏盐城224007）

生物柴油作为一种生物替代燃料，由含氧脂肪酸脂组成，具有可再生、 无毒性、 易降解、 热值高等优势[1-2]。生物柴油与普通柴油具有相似的碳链结构，可以良好互溶， 因此， 生物柴油既可以作为柴油的添加剂，也可以单独用于现有柴油机上，不需要对柴油机进行结构改动[3-4]。目前生物柴油已作为常见的替代燃料，可以有效地减少柴油消耗量并降低碳烟及有害气体排放[5-9]。

大气中的颗粒物能够高效吸收太阳光辐射能， 颗粒物数量也是保持地球表面太阳能辐射平衡的一个重要因素[10]， 然而， 随着机动车保有量的增加， 累积排放的细微-超细颗粒物对大气能见度造成严重的影响，已引起高度关注[11-13]。 柴油机排气颗粒物总体消光特性是颗粒物数量和单体颗粒微观消光特征耦合作用的结果。 朱春等[14]通过Mie理论模型研究不同粒径下单体颗粒物的光学特性， 发现典型机动车排气颗粒物中， 粒径为400～600 nm的单体颗粒物消光作用最大。 Strawa等[15]使用组合腔衰荡和浊度仪器测量了旧金山湾区隧道内机动车排气颗粒物的消光和散射系数， 得到柴油卡车和轻型汽油车排气颗粒物的吸光排放因子分别为（4.4±0.79）和（0.20±0.05） m2·kg-1， 前者约为后者的22倍， 对应地， 二者的平均颗粒质量消光截面分别为（3.14±0.88）和（2.9±1.07） m2·g-1。

目前， 关于颗粒物的光学特性， 多集中于以大气颗粒物为对象的研究， 针对柴油机原排颗粒物光学特性的还较少。 当柴油机燃用生物柴油后， 产生的颗粒物粒径形态会发生显著变化， 因而排气颗粒物的光学特性同样也值得作深入地比较分析研究。 本文中通过实验研究生物柴油与柴油排气颗粒物的光学特性， 利用消光排放因子和平均颗粒质量消光截面表征消光特性， 并结合颗粒物数量粒径分布进行探讨分析， 可以更直观地评估生物燃料应用所产生的气候效应。

1 实验

1.1 方案

实验采用满足国V排放标准的电控高压共轨增压中冷4B28柴油机。 发动机性能测试台架系统如图1所示， 柴油机的主要技术指标如表1所示。 实验使用以棕榈油、 餐饮废油和大豆油等为原料制备的生物柴油（分别记为PB、WB和SB）， 并以市售0#柴油（标记为Diesel）作为对比参照物， 实验燃料的主要理化指标如表2所示。 实验过程中， 柴油机分别稳定运行在1 800和2 400 r·min-1转速下的 50、 100、 150、 200和250 N·m等不同负荷工况， 在专用颗粒捕捉器（DPF）+催化转化器（DOC）复合装置处理前、 后， 应用EEPS-3090粒径谱仪（美国TSI公司）测量排气中的颗粒物数量， 应用AVL439不透光烟度计（奥地利李斯特公司）测量排气的消光系数， 研究不同燃料在不同工况下DPF+DOC后处理装置前、 后排气颗粒物含量（每立方厘米个数，下同）排放规律和消光特性。

图1 发动机测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of engine test system

1.2 光学特性参数

柴油机排气颗粒物的消光系数通过不透光烟度计测量获得，仪器光源波长为550 nm，仪器结构如图2所示。烟度计可以测得光源和接收器之间的光强损失，并基于Beer-Lambert定律计算得到排气颗粒物的消光系数。可见光作为一种电磁辐射，在介质中传播，强度随传播距离的增加而减少。根据Beer-Lambert定律，消光特性如下：

I=I0e-kL，

（1）

式中：I为经过一段测量长度后，经过吸收介质吸收后检测器所测光强，W·m-2；I0为光源光强，在没有吸收介质情况下检测器检测到的光强，W·m-2；k表示吸收介质的消光系数， m-1；L为测量长度，即光源与探测器之间距离，仪器的测量长度为0.430 m。则消光系数k由下式求得：

。

（2）

颗粒物的平均质量消光截面A，亦称作平均质量消光效率，是表征单位质量颗粒在被测波长下消光效率的量，可以通过消光系数与颗粒物质量浓度计算而得：

A=k/ρp

,

（3）

式中：A表示平均颗粒质量消光截面， m2·g-1；ρp为颗粒物质量浓度， g·m-3。

引入消光排放因子E，表征燃烧单位质量燃料产生的消光截面，计算式如下：

E=ρpqvA/B

,

（4）

式中：E为消光排放因子， m2·kg-1；qv为排气体积流量， m3·s-1；B为燃油消耗率，kg·h-1。

表1 柴油机主要技术参数

表2 实验燃料主要理化指标

图2 消光烟度计结构示意图Fig.2 Scheme of optical smoke meter

2 结果与讨论

2.1 颗粒物数浓度和粒径分布

2.1.1 后处理对颗粒物排放的影响

（a）PB

（b）WB

（c）WB

（d）WB

图3所示为柴油机在2 400、 200 N·m工况条件下，使用不同燃料在后处理装置前、后的排气颗粒物含量分布。由图可见，不同燃料燃烧产生的排气颗粒物含量分布曲线皆呈现单峰形态，峰值出现在30～50 nm。其中，核态颗粒物占主要部分，积聚态颗粒物数量较少。在后处理装置后，排气颗粒物含量明显降低，峰值下降且峰值粒径略有向小粒径方向偏移。核态颗粒通常为缸内燃烧形成的一次碳粒以及碳氢化合物和硫酸等前体物经过稀释冷却成核形成的二次颗粒物（成核作用受排气中颗粒比表面积、环境湿度与温度等因素的影响）。观察图3（b）、 （c）可见，WB和SB燃烧排气在后处理之后，积聚态颗粒明显减少，峰值粒径向小粒径方向偏移，然而在超细颗粒物尺度上，颗粒物数量出现了增加。这种现象主要是由于后处理之后大粒径的积聚态颗粒物含量显著减少，致使碳氢化合物或硫酸等气态前体物在积聚态颗粒表面的吸附量减少，在排气和稀释过程中成核效应增加，从而造成细小粒径核态颗粒数量增加。据图3数据统计，PB、 WB、 SB、 Diesel排气颗粒物中核态颗粒物含量占比在后处理之后分别上涨了7.07%、 17.77%、 22.06%、 2.65%。

2.1.2 生物柴油对颗粒物排放的影响

（a）核态颗粒

（b）积聚态颗粒

（c）总颗粒

在同一工况下， 比较不同生物柴油燃料产生的颗粒物排放的差异。 图4所示为2 400 r·min-1、 250 N·m工况下， 不同燃油燃烧产生的核态颗粒、积聚态颗粒、总颗粒的数量排放情况。按照柴油、PB、WB、SB的顺序，排气颗粒物含量都呈现下降的趋势。由图可见，与普通柴油相比，各生物柴油燃料的核态颗粒含量变化幅度明显高于积聚态颗粒含量的变化幅度。由此可见，在颗粒含量方面，生物柴油对柴油机颗粒物排放水平的影响主要体现在核态颗粒物上。

由表2可知，生物柴油的氧质量分数约为11%，而普通柴油几乎不含氧。生物柴油分子中的氧有利于改善扩散燃烧阶段局部过浓混合区域的燃烧，并会促进前期已形成碳烟颗粒的进一步氧化；此外，生物柴油不含芳香烃，也会减少颗粒物前体物的生成，这些因素导致颗粒排放降低。

2.2 消光排放因子

（a）1 800 r·min-1

（b）2 400 r·min-1

图5所示为不同燃料分别在1 800和2 400 r·min-1转速的各个负荷工况下的消光排放因子。 由图可知， 在不同转速下， 4种燃料的消光排放因子均随着负荷增加呈先减少后增大的趋势， 且消光排放因子按SB、 WB、 PB、 Diesel的顺序依次升高。 由图5（a）可见， 在2 400 r·min-1转速下， WB和SB的消光排放因子随负荷变化不大， 分别在0.431 ～0.799 m2·kg-1和0.256～0.564 m2·kg-1之间变化。 其中， WB的消光排放因子在150 N·m工况下呈现最小值， 在250 N·m工况下呈现最大值。 SB的消光排放因子在100 N·m工况下呈现最小值， 在250 N·m工况下呈现最大值。 Diesel和PB 2种燃料的消光排放因子随负荷变化的幅度较大，分别在2.002～3.979 m2·kg-1、 0.472～0.904 m2·kg-1之间变动， 且2种燃料分别在100、 150 N·m工况下消光排放因子呈现最小值， 在250 N·m工况下消光排放因子呈现最大值。 由图5（b）可知， 1 800 r·min-1转速下各燃料的消光排放因子极值所处的负荷与2 400 r·min-1转速下的一致。 Diesel的消光排放因子在1.157 ～2.869 m2·kg-1之间变化， PB、 WB、 SB的消光排放因子分别在0.556 ～1.060、 0.373 ～0.697、 0.236 ～0.515 m2·kg-1之间变化。

显而易见，在各种工况下，生物柴油的消光排放因子皆远小于普通柴油，即燃烧相同质量的燃料，生物柴油颗粒物引起的消光作用远小于普通柴油颗粒物，对大气能见度的影响更小。从消光角度来说，生物柴油是一种更加环境友好型的燃料，这其中，又以SB的消光排放因子最小。总体而言，4种燃料的消光特性按照柴油、 PB、 WB、 SB的顺序逐渐改善，这种趋势与图4中展示出的不同燃油颗粒物数量排放规律一致，所以，可以利用生物柴油对颗粒物影响的结论作为解释4种燃油消光排放因子出现差异的原因。生物柴油由于自身含氧且不含芳香烃等物理化学性质，大大改善了柴油机的颗粒物排放。柴油机在燃用生物柴油后颗粒物含量相较于普通柴油出现了较大的下降，且按照PB、 WB、 SB的顺序改善效果愈加明显。根据Strawa等[15]的研究可知，气溶胶的消光、吸光等光学性质和颗粒物的含量有很强的相关性，颗粒物是尾气中起消光作用的主要因素，因此，4种燃料的消光特性同样按照柴油、 PB、 WB、 SB的顺序逐渐改善。

2.3 平均颗粒质量消光截面

4种不同燃料在1 800 r·min-1转速， 不同负荷工况下后处理装置前、 后的平均颗粒质量消光截面如图6所示。 由图可见， 在后处理装置之前， 4种燃料排气颗粒物的平均颗粒质量消光截面随负荷的增加而减小， 即负荷增大， 单位质量颗粒物的平均消光能力下降。 4种燃油在各种工况下平均颗粒质量消光截面在经过后处理装置后均出现不同程度的上升。 也就是说， 颗粒物在经过后处理装置处理后， 单位质量颗粒物的平均消光能力都提升了。 由图6（a）可见， PB在不经后处理的情况下， 平均颗粒质量消光截面从50 N·m工况下的34.41 m2·g-1减小到250 N·m工况下的16.99 m2·g-1。 经过DPF+DOC后处理装置处理后，平均颗粒质量消光截面平均提高了83.3%。 由图6（b）可见， WB在不经后处理的情况下， 平均颗粒质量消光截面从50 N·m工况下的34.95 m2·g-1下降到250 N·m工况下的16.47 m2·g-1， 经过DPF+DOC后处理装置处理后，平均颗粒质量消光截面平均提高了135.7%。由图6（c）可见，SB在不经后处理的情况下，平均颗粒质量消光截面从50 N·m工况下的35.61 m2·g-1减小到250 N·m工况下的18.22 m2·g-1，经过DPF+DOC后处理装置处理后，平均颗粒质量消光截面平均提高了134.8%。由图6（d）可见，柴油在不经后处理的情况下，平均颗粒质量消光截面从50 N·m工况下的68.88 m2·g-1减小到250 N·m工况下的25.35 m2·g-1，经过DPF+DOC装置处理后，平均颗粒质量消光截面平均提高了252.8%。

4种不同燃料在2 400 r·min-1转速不同负荷工况下后处理装置前、 后的平均颗粒质量消光截面如图7所示。由图可见，颗粒物的平均颗粒质量消光截面呈现出的规律与图6中的相同，均随负荷增大而减小，经后处理之后数值显著提高。

（a）PB

（b）WB

（c）WB

（d）WB

同一转速下，随柴油机负荷增大，每循环的喷油量增大，空燃比减少，燃烧向缺氧方向发展，在缺氧且高温的环境中，燃油经加热分解成小分子碳氢化合物，这些热分解产物一面进行脱氢反应，一面聚合成碳烟粒子，最终成长为积聚态大颗粒。与负荷增大对颗粒物粒径分布的影响相反，根据后处理对颗粒物排放的影响中得出的结论可知，排气经后处理之后颗粒物含量明显减小，峰值下降且峰值粒径向左偏移，即粒径分布向小粒径核态方向偏移，核态颗粒物在总颗粒物中所占比例增加。小粒径颗粒的比表面积要大于大粒径颗粒，相同质量的小粒径颗粒比大粒径颗粒的消光能力更强。这也就解释了负荷与后处理对颗粒物平均颗粒质量消光截面的影响规律。

（a）PB

（b）WB

（c）WB

（d）WB

3 结论

1）经过后处理，4种燃料的排气颗粒物含量下降，并且小粒径颗粒占比增大，其中SB和WB排气中的超细颗粒数量有所增多。

2）不同燃油燃烧排放的核态和积聚态颗粒物的数含量，按照柴油、 PB、 WB、 SB的次序下降。与普通柴油相比，生物柴油燃烧排放的核态颗粒含量变化幅度大于积聚态颗粒含量变化幅度。生物柴油对颗粒物排放的影响主要体现在核态颗粒物上。

3）按照柴油、 PB、 WB、 SB的次序，几种燃料燃烧排气颗粒物的消光性能逐渐改善，说明生物柴油是一种更加环境友好型的燃料。在同一转速下，随着负荷增大，各种燃料燃烧排气颗粒物的平均颗粒质量消光截面减小，但在后处理之后，平均颗粒质量消光截面显著增加。