柴油机颗粒物排放特性分析

吕祎，张子阳，向立明(湖北文理学院，湖北 襄阳 441000）

柴油机颗粒物排放特性分析

吕祎，张子阳，向立明
(湖北文理学院，湖北 襄阳 441000）

采用N anom et3内燃机颗粒物分析测试仪对一台单缸柴油机进行了尾气颗粒物排放特性的实验研究。结果表明：在负荷特性实验中，柴油机颗粒物个数、质量、肺表面沉积浓度指标随着扭矩增加呈缓慢上升趋势，颗粒物粒径呈多峰状态；在速度特性实验中，柴油机各项指标均呈多峰分布。在两种工况下，生物柴油燃烧尾气颗粒物浓度比纯柴油要低很多，速度特性实验中颗粒物粒径远大于纯柴油粒径。

柴油机；颗粒物；浓度；粒径

动植物油脂经酯交换工艺转变为直链脂肪酸单酯，称为生物柴油，其燃料特性与石化柴油非常接近[1]。大量的研究结果表明，柴油发动机排放的颗粒物不仅污染环境，而且可能对人体呼气系统造成重大伤害，甚至发生遗传性基因突变[2]。

1 柴油物化性质

1.1 理化指标

生物柴油主要有C、H、O三种元素组成，其主要是由软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸等长链饱和（或不饱和）脂肪酸与醇类物质所形成的脂类化合物。表1为纯生物柴油与纯柴油的理化指标比较。

1.2 燃烧排放特性

柴油机的尾气颗粒物主要成分是碳、碳水化合物和硫化物等[3]。表2为生物柴油和纯柴油的排放特性。

1.3 柴油燃料排放标准

目前国际上通用的柴油机尾气排放标准[4]，均基于对颗粒物质量浓度的测量[5]。表3为欧洲车用柴油及排放标准，我国环保部门制定的柴油机排放标准如表4。

2 颗粒物排放特性对比实验

2.1 实验设备及材料

实验仪器设备见表5 。

2.2 实验结果与分析

在发动机台架上分别进行了1 200 r/min和60%油门开度下的负荷特性和速度特性实验，对比纯柴油和纯生物柴油尾气颗粒物排放。

2.2.1 个数浓度

表1 纯生物柴油PD和纯0号柴油PB的理化特性指标

表2 纯生物柴油PD和纯0号柴油PB的排放特性比较

表3 欧洲车用柴油机排放标准

表4 我国柴油机排放标准

表5 实验仪器设备

图1 颗粒物个数浓度变化曲线

图1a和图1b分别是负荷特性和速度特性实验中尾气颗粒物个数浓度变化曲线。纯生物柴油尾气颗粒物平均个数浓度远低于纯柴油。在1 200 r/min转速下，随着柴油发动机扭矩增大，颗粒物个数浓度先是缓慢增加，至80 N.m后，颗粒物浓度急剧升高，纯柴油最高点浓度约为1.8×108比纯生物柴油颗粒物浓度高出1个数量级。纯柴油燃烧受发动机工况影响较大，其个数浓度变化曲线波动较纯生物柴油多，分别在40 N.m和80 N.m出现两个谷点，纯柴油最低点浓度约为7×107比纯生物柴油颗粒物浓度低1个数量级。

在60%油门开度下，随着柴油发动机转速增大，颗粒物个数浓度呈现多峰[6]，纯柴油尾气颗粒物在900 r/min和1 700 r/min转速下个数浓度数量级达1.7×108。纯生物柴油尾气颗粒物在1 000 r/min和1 500 r/min转速下处于峰值点，且1 500 r/min时浓度比1 000 r/min下降1个数量级。在怠速800 r/min时，纯生物柴油颗粒物个数浓度为6×107，比纯柴油浓度低1个数量级。在1 200 r/min时，纯柴油颗粒物个数浓度急剧下降至5×107，比同工况下纯生物柴油浓度略低。可见，纯生物柴油在怠速和高速工况下，颗粒物个数浓度远比纯柴油低，中低转速颗粒物个数却比纯柴油略高。

2.2.2 颗粒物粒径

图2是两种燃料尾气颗粒物粒径变化曲线。在1 200 r/min负荷特性实验中，随着扭矩增大，纯生物柴油尾气颗粒物粒径逐渐增大，范围约在50~90 nm；纯柴油尾气呈现多峰，在40 N.m时，颗粒物粒径最高至135 nm约为同工况点纯生物柴油颗粒物粒径的2倍，其他工况点的粒径基本保持在60~110 nm之间[7]。

图2 颗粒物粒径变化曲线

在60%油门开度下，纯生物柴油颗粒物平均粒径要比纯柴油大18 nm。在800~1 700 r/min工况点，纯生物柴油颗粒物粒径约为85~105 nm，比相同工况点纯柴油颗粒物粒径大约30 nm。60%/1 700 r/min之后，呈现相反趋势，纯生物柴油颗粒物粒径急剧减小至60 nm，而纯柴油粒径逐渐增大至95 nm。可见，在大负荷高转速工况下，纯生物柴油的粒径逐渐变小，且小于纯柴油颗粒物的粒径。

2.2.3 颗粒物质量浓度

图3e和图3f分别为两种燃料颗粒物质量浓度变化曲线。负荷特性颗粒物质量浓度变化与图1个数浓度变化趋势比较接近。在1 200 r/min时，随着发动机扭矩增大，两种燃料的颗粒物质量浓度均逐渐增大，纯生物柴油在70 N.m以前质量浓度增速较缓，在70 N.m之后急剧升高至40 mg/m3；纯柴油在40 N.m时波动至9.27 mg/m3，至50 N.m时质量浓度最低为2.66 mg/ m3。在图3f中60%油门开度下，两种燃料颗粒物质量浓度都随着柴油机扭矩增大呈现双峰型。纯生物柴油在1 050 r/min和1 550 r/min转速下质量浓度达到56 mg/m3，在1 550 r/min转速后颗粒物质量浓度急剧下降至1.8 mg/m3。纯柴油在900 r/min和1 700 r/min转速下质量浓度分别达到41 mg/m3和59 mg/m3，在1 700 r/min后质量浓度也呈迅速下降趋势。对比两种燃料1 000~1 550 r/min之间的质量浓度，纯柴油在1 100 r/min处的质量浓度最小约为19 mg/m3，比纯生物柴油低约33 mg/m3。可见，在60%油门开度中低转速工况，纯柴油颗粒物质量浓度要远小于纯生物柴油的颗粒物质量浓度，这与此时纯生物柴油个数浓度高有一定相关性。

图3 颗粒物质量浓度变化曲线

2.2.4 颗粒物肺表面沉积浓度

图4g和图4h分别为负荷特性和速度特性实验中颗粒物肺表面沉积浓度变化曲线。在1 200 r/min下，随着发动机扭矩增大，两种燃料的颗粒物肺表面沉积浓度均逐渐增大，纯生物柴油在70 N.m以前沉积浓度增速较缓，在70 N.m之后急剧升高至1.1×105um2/ccm；纯柴油在40 N.m时波动至5.3×104um2/ccm，至50 N.m时质量浓度最低为2.8×104um2/ccm。对比相同工况下颗粒物个数和数量浓度变化，可看出肺表面沉积浓度与这两个参数有很大关系。

在60%油门开度下，两种燃料尾气颗粒物肺表面沉积浓度呈现双峰。纯生物柴油在1 050和1 550 r/min转速下质量浓度达到5.2×105um2/ccm和4.4×105um2/ ccm，在1 550 r/min转速后颗粒物质量浓度急剧下降至6.4×104um2/ccm。纯柴油在900 r/min和1 600 r/min转速下质量浓度分别达到5.6×105um2/ccm和5.4×105um2/ccm，在1 700 r/min后质量浓度也呈迅速下降趋势。对比两种燃料1 000~1 550 r/min之间肺表面沉积浓度，纯柴油在1 150 r/min处沉积浓度最小约为2.2×105um2/ccm，比纯生物柴油低约一倍。由于纯生物柴油平均粒径比纯柴油大约20 nm，使得在怠速和高转速工况下，纯生物柴油颗粒物肺表面沉积浓度远小于纯柴油。

图4 颗粒物肺表面沉积浓度变化曲线

3 结论

（1）在负荷特性实验中，纯柴油颗粒物平均粒径要比纯生物柴油大。在大扭矩工况下，纯柴油的颗粒物个数、质量和肺表面沉积浓度都远大于纯生物柴油。（2）在速度特性实验中，在中等转速工况点，纯生物柴油颗粒物的个数、粒径、质量和肺表面沉积浓度都比纯柴油大。在怠速区和高转速区，纯生物柴油颗粒物的个数浓度和肺表面沉积浓度却比纯柴油的颗粒物要低。（3）经过以上实验验证，纯生物柴油完全可以作为一种新型替代燃料，为了进一步降低中等转速的颗粒物排放浓度，可将两种燃料进行混合配比燃烧。

[1] 陈振斌，蒋盛军，肖明伟，等.生物柴油与石化柴油性能的比较分析[J].中国油脂，2008(33):11.

[2] F J WEINBER G.Electrical Aspects of Aerosed Formation and Control,Proc.R.Soc.Lond.A,1968(307):195~208.

[3] 陈庆平，余明洲.柴油发动机尾气颗粒物研究进展[J].浙江水利水电专科学校学报，2010,22(1):41~42,50

[4] 印菘，刘伟伟，刘微，等.生物柴油的燃烧特性及其排放标准[J].林业机械与木工设备，2008(36):49~51

[5] 岑可法，姚强，等.燃烧理论和污染控制[M].北京:机械工业出版社，2004.

[6] 楼狄明，陈峰，胡志远，等.公交车燃用生物柴油的颗粒物排放特性[J].环境科学，2013,34(10):3749~3754.

[7] 潘锁柱,裴毅强,宋崇林,等.汽油机颗粒物数量排放及粒径的分布特性[J].燃烧科学与技术，2012,18(2):181~185.

TK411

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1671-0711（2016）07（下）-0084-03

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