柴油机燃用生物柴油/甲醇的精细颗粒物排放

喻　武， 陈财森， 张志远， 刘艳斌， 王江峰

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院科研部， 北京 100072)



柴油机燃用生物柴油/甲醇的精细颗粒物排放

喻武1， 陈财森2， 张志远1， 刘艳斌1， 王江峰2

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院科研部， 北京 100072)

为研究使用生物柴油/甲醇燃料对柴油机精细颗粒物排放的影响，利用低压电子冲击仪(Electrical Low Pressure Impactor,ELPI)测量了发动机燃用柴油、生物柴油、生物柴油/甲醇的排放颗粒物数目浓度分布、PM2.5总数目、质量浓度分布以及颗粒物总质量。研究表明：发动机排放颗粒物的数目主要分布在粒径小于300 nm范围；燃用柴油和生物柴油时，颗粒物总质量主要集中在粒径接近0.1 μm的聚集态颗粒和粒径超过2 μm的大颗粒处，而燃用生物柴油/甲醇时，颗粒物总质量则只集中于粒径超过2 μm的大颗粒；生物柴油/甲醇燃料中甲醇掺混比例的增加导致发动机排放颗粒物的数目分布曲线向细小颗粒方向移动， PM2.5总数目减少，颗粒物的几何平均直径和总质量减小。

生物柴油； 甲醇； 柴油机； 颗粒物

生物柴油作为柴油机燃料已得到了一定规模的推广和使用，但其黏度高、低温流动性差和NOx排放较高等特点限制了其完全替代柴油的潜力。然而，生物柴油掺混甲醇有助于弥补生物柴油的上述缺陷，这是因为：1)甲醇较低的黏度有助于改善生物柴油的喷油雾化效果，且甲醇的沸点比生物柴油低很多，不同沸点的多组分液体喷入高温高压气体后会产生微爆现象[1]，利于油束与空气的均匀混合；2)甲醇较低的凝点有助于改善生物柴油的低温流动性[2]，而生物柴油又可适当克服甲醇热值较低的缺点，两者混合使用可有效提高发动机的低温启动性能；3)甲醇高气化潜热产生的冷却效果有助于降低缸内燃烧温度，从而降低生物柴油燃料的NOx排放；4)甲醇的含氧量高，且其C—O结构有助于充分提高燃料中的氧原子利用率[3]，因此使用生物柴油/甲醇混合燃料有助于进一步减少发动机的soot排放。

鉴于上述原因，笔者测量了柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇混合燃料在共轨柴油机上的性能和常规污染物排放[4]。但医学研究表明：精细和超精细颗粒可能对健康带来负面影响，颗粒物的尺寸越小，对人体的危害越大，粒径小于2.5 μm的细小颗粒物(PM2.5)能够穿透人体的肺部，影响其他器官，引发动脉硬化和血管炎症，并导致心血管方面的疾病[5]。由于大部分的柴油机颗粒物都分布在PM2.5的范围，因此研究柴油机燃用生物柴油/甲醇燃料对排放颗粒物的粒径分布和总数目的影响具有重要意义。

目前，关于柴油机排放颗粒物尺寸分布的研究主要集中在发动机燃用纯柴油、生物柴油以及柴油/生物柴油混合燃料上[6-7]，有关共轨柴油机燃用生物柴油/甲醇混合燃料的颗粒物排放研究尚未开展。基于此，笔者对比共轨柴油机燃用柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇燃料的排放颗粒物质量和粒径分布，并验证通过使用生物柴油/甲醇混合燃料，同时改进发动机常规排放和非常规排放的可能性。

1　实验装置和步骤

1.1实验装置

采用的发动机是一台GW2.8TC共轨柴油机。发动机的主要参数和测试系统见文献[4]。

排气中超细颗粒物的粒径分布采用芬兰坦佩雷大学开发的低压电子冲击仪(Electrical Low Pressure Impactor，ELPI)[8]测量，如图1所示。ELPI是一种实时监控气溶胶颗粒粒径尺寸分布的仪器，把粒径0.03～10 μm(空气动力学直径)范围的颗粒分为12个测量级收集，若加上1个附加级，其测量尺寸范围可延伸至0.007 μm。ELPI各级测量范围如表1所示。

图1　ELPI实物图

表1　ELPI各级测量范围

注：D50%为分割粒径，在该范围内50%的颗粒能被收集；Di为D50%的几何平均直径。

ELPI的工作原理是基于颗粒充电、串级撞击器上的惯性分级以及颗粒物的带电检测，其主要元件包括放电器、低压串级撞击器和多通道静电计。工作时，样气首先进入一个单正极放电器，其中的颗粒被放电器产生的细小离子充电；然后带电的颗粒被低压串级撞击器依据颗粒的空气动力学直径进行分级。低压串级撞击器的各级间都是电绝缘的，并且每一级都单独与静电计的一个通道连接；串级撞击器各级收集到的带电粒子产生的电流被相应的静电计通道记录；每一通道的电流大小正比于收集到的颗粒数目，同时也正比于具体尺寸范围内颗粒的浓度。为了模拟较高温度的燃烧产物与环境空气反应的情况，发动机尾气在进入EPLI之前要经过串联的两级稀释器[9]的稀释。为避免气体中的颗粒冷凝和成核及保证测量结果的可靠性，稀释器的第1级加热到200 ℃，第2级保持环境温度不变。

1.2实验步骤

颗粒粒径分布图中的横坐标用Dekati数据处理软件推荐的每一测量级的几何平均直径Dim表示，它与该测量级的分割粒径D50%(Dp)的关系为

(1)

式中：m=1,2,…,13，为ELPI测量级的级别。

实验配置了3种生物柴油/甲醇的混合燃料，其中甲醇的体积分数分别为10%、20%、30%，并分别命名为BM10、BM20、BM30。发动机的转速n=1 600、2 600 r/min，负荷为35、69、102、136、170 N·m，对应的平均有效压力(BMEP)分别为0.159、0.313、0.463、0.617、0.771 MPa。在每种测试工况下，发动机转速和负荷的误差分别控制在5 r/min和0.1 N·m内。每种测量重复3次，取其平均值。

2　结果与讨论

2.1颗粒物数目浓度分布

图2为不同工况下发动机燃用不同燃料时颗粒物数目浓度分布。其中：纵坐标采用颗粒物的数目随粒径的变化关系dN/dlogDp表示。

图2　不同工况下发动机燃用不同燃料时的颗粒物数目浓度分布

由图2可见：1)不同工况下发动机燃用不同燃料的排放颗粒集中出现在300 nm以下的测量级，且多为直径小于50 nm的核态颗粒；2)柴油为燃料时，颗粒物数目浓度在第2级达到峰值，但当颗粒粒径进一步减小时，其数目浓度迅速下降，排放颗粒在第1级的数目浓度与第4级接近；3)当生物柴油完全替代柴油后，颗粒物的数目浓度降低，虽然颗粒物的数目浓度曲线仍呈单峰性，但其向粒径小的方向移动，颗粒物在第1级的数目浓度已与峰值接近；4)颗粒物的数目浓度随生物柴油中甲醇掺混比例的增大而下降，曲线进一步向左移动，且BM20和BM30燃料排放颗粒物数目浓度曲线的峰值出现在第1级，颗粒物更多地分布在小粒径范围。

燃用含氧替代燃料后，柴油机排放颗粒物数目浓度分布曲线受以下因素影响：1)燃料中氧含量的增加会使燃料燃烧更彻底，并减少碳烟先驱物(包括核态颗粒和大颗粒)的生成；2)含氧燃料中不含硫，燃烧过程中作为颗粒核的硫化物减少，导致核态颗粒数量减少；3)含氧燃料也会抑制小微粒聚合成大微粒，这有利于颗粒物向小尺寸发展；4)生物柴油和甲醇氧化过程中产生的碳氢化合物易挥发形成核态颗粒的核，造成核态细小颗粒的增多。上述因素的共同作用，虽然造成使用含氧燃料后发动机排放颗粒物数目浓度分布曲线向小尺寸方向移动，但最小尺寸的第1级颗粒物数目浓度降幅并不大。此外，甲醇的含氧比例高于生物柴油，其所含的氧原子抑制soot先驱体生成的能力也比甲酯氧化物中的氧原子强，同时甲醇具有较强的挥发性，因此，生物柴油掺混甲醇后发动机排放颗粒物的数目明显减少，但第1级颗粒的数目变化不大。

从图2中还可看出：当发动机的负荷增加时，颗粒物数目浓度减小；而发动机转速增加时，颗粒物数目浓度增大。这是因为：发动机负荷增大使得喷油量增加，燃烧时产生的细小颗粒凝聚成大颗粒的趋势相应增大；当发动机转速增加时，燃料的燃烧时间缩短、燃烧恶化，且喷油量增加，导致细小颗粒物的数目浓度增加。文献[7]中测量的柴油机颗粒物数目浓度随负荷和转速的变化趋势和本文结果一致。

2.2排放的PM2.5总数目

图3为不同工况下发动机燃用不同燃料时排放的PM2.5总数目。可以看出：随着燃料中含氧量的增加，发动机排放的PM2.5总数目与颗粒物数目浓度的变化规律一致。发动机排放的PM2.5总数目下降表明：利用生物柴油替代柴油以及进一步在生物柴油中掺混甲醇，有助于缓解发动机的PM2.5排放对环境造成的污染。

图3　不同工况下发动机燃用不同燃料时排放PM2.5总数目

利用ELPI各级收集的颗粒物数目浓度和颗粒物的总数目可计算颗粒的几何平均直径Dg，即

(2)

式中：km为每一测量级收集的颗粒物数目浓度(cm-3)；N为所有测量级收集的颗粒物总数目浓度(cm-3)。

表2为不同工况下发动机燃用不同燃料时ELPI采集的所有颗粒物的几何平均直径。可以看出：颗粒的几何平均直径随着燃料中含氧量的增加而逐渐减小，Di等[7]利用扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪进行了柴油掺混不同比例生物柴油或乙醇所排放的颗粒物数目分布和质量分布的系列研究，其测量结果也表明在柴油中掺混含氧燃料后，颗粒物的几何平均直径有减小的趋势。

表2　不同工况下发动机用不同燃料时ELPI采集的所有颗粒物的几何平均直径　nm

2.3颗粒物质量浓度分布

图4为不同工况下发动机燃用不同燃料时颗粒物质量浓度分布曲线。其中：纵坐标采用颗粒物的质量随粒径的变化关系dM/dlogDp表示。可以看出：1)柴油排放颗粒物的质量主要集中在粒径接近0.1 μm的聚集态颗粒和粒径超过2 μm的大颗粒处，这是由于虽然发动机排放的核态颗粒数目最多，但其体积或者质量较小；2)随着燃料中含氧量的增加，发动机排放颗粒物的各级质量浓度都呈下降趋势，这与颗粒物的数目浓度分布曲线变化规律一致；3)燃料中含氧量增加后，聚集态颗粒的质量下降幅度相对较大，如在含氧量最高的BM30燃料的颗粒物质量浓度分布曲线中，聚集态颗粒的峰值基本观察不到，这是由于燃料中含氧量增加后，发动机排放颗粒物中聚集态颗粒物的数目浓度减少得较多。

图4　不同工况下发动机燃用不同燃料时排放颗粒物的质量浓度分布曲线

2.4排放的颗粒物总质量

图5为不同工况下发动机燃用不同燃料时排放颗粒物总质量。可以看出：1)颗粒物的总质量随燃料中含氧量的增加而逐渐降低；2)发动机负荷一定时，转速增加使喷油量增加以及燃烧恶化，颗粒物的总质量增大；3)当发动机转速固定、负荷增加时，因前文所述的细小颗粒凝结率增加的缘故，ELPI测量得到的在其可测粒径范围内的颗粒物总质量略有减小。而烟度计测量的结果[4]显示，炭黑随负荷的增加而增多，这表明不能完全利用ELPI测量得到的颗粒物总质量替代烟度测量结果。此外，由于ELPI计算颗粒物总质量时，对所有粒径大小的颗粒都采用相同的密度，而不同工况下相同大小的颗粒物实际密度存在差异，这也可能导致ELPI测得的颗粒物总质量与烟度测量结果不同。

图5　不同工况下发动机燃用不同燃料时排放颗粒物总质量

3　结论

为了研究掺混甲醇对生物柴油燃料发动机排放颗粒物粒径分布的影响，利用静电低压撞击器测量了共轨柴油机燃用生物柴油、生物柴油/甲醇的排放颗粒物粒径分布，并基于测量结果分析了燃用不同燃料对发动机排放颗粒物的数目浓度分布、质量浓度分布、PM2.5总数目以及颗粒总质量的影响，结果表明：

1)发动机燃用上述燃料排放颗粒物的数目主要分布在粒径小于300 nm范围，燃用柴油和生物柴油的颗粒物总质量主要集中在粒径接近0.1 μm的聚集态颗粒和粒径超过2 μm的大颗粒处，燃用其他燃料的颗粒物总质量则集中在粒径超过2 μm的大颗粒处。

2)利用生物柴油替代柴油，以及生物柴油/甲醇混合燃料中甲醇掺混比例的逐渐增加，均导致发动机排放颗粒物的数目浓度分布曲线向细小颗粒方向移动，且PM2.5总数目减少，ELPI收集到的所有颗粒物的几何平均直径减小，颗粒物的质量浓度分布曲线下移，总质量减小。

[1]Huang Z, Lu H, Jiang D, et al. Combustion Behaviors of a Compression-ignition Engine Fuelled with Diesel/Methanol Blends under Various Fuel Delivery Advance Angles[J]. Bioresource Technology, 2004, 95(3): 331-341.

[2]Guo Z, Li T, Dong J, et al. Combustion and Emission Characteristics of Blends of Diesel Fuel and Methanol-to-diesel[J]. Fuel, 2011, 90(3): 1305-1308.

[3]Yu W, Chen G, Huang Z H, et al. Experimental and Kinetic Modeling Study of Methyl Butanoate and Methyl Butanoate/Methanol Flames at Different Equivalence Ratios and C/O Ratios[J]. Combustion and Flame, 2012, 159(1): 44-54.

[4]喻武,张志远,陈财森.生物柴油/甲醇混合燃料发动机的性能和排放[J].装甲兵工程学院学报,2015，29(3):47-55.

[5]百度百科. PM2.5[EB/OL]. [2013-04-19][2016-01-05]. http://baike.baidu.com./view/4251816.htm?fromtitle=pm2.5&fromid=353332&type=syn.

[6]Tsolakis A. Effects on Particle Size Distribution from the Diesel Engine Operating on RME-biodiesel with EGR[J]. Energy & Fuels, 2006, 20(4): 1418-1424.

[7]Di Y, Cheung C S, Huang Z. Comparison of the Effect of Biodiesel-diesel and Ethanol-diesel on the Gaseous Emission of a Direct-injection Diesel Engine[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43 (17): 2721-2730.

[8]Marjamäki M, Keskinen J, Chen D R, et al. Performance Evaluation of the Electrical Low-pressure Impactor (ELPI)[J]. Journal of Aerosol Science, 2000, 31(2): 249-261.

[9]Held A, Zerrath A, McKeon U, et al. Aerosol Size Distributions Measured in Urban, Rural and High-alpine Air with an Electrical Low Pressure Impactor (ELPI)[J]. Atmospheric Environment, 2008, 42(36): 8502-8512.

(责任编辑: 尚菲菲)

Exhaust of Ultrafine Particles from Diesel Engine Fueled with Biodiesel/Methanol Blends

YU Wu1, CHEN Cai-sen2, ZHANG Zhi-yuan1, LIU Yan-bin1, WANG Jiang-feng2

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To study the influence of using biodiesel/methanol fuel on the ultrafine particles from exhaust gases of diesel engine, number and mass distributions of particles, number of PM2.5 and mass of total particles from exhaust gases of engine fueled with diesel, biodiesel and biodiesel-methanol are measured by Electrical Low Pressure Impactor (ELPI). The number of particles mainly distribute in size below 300 nm. When engine fueled with diesel and biodiesel, the mass of particles are mainly the accumulation mode particles with diameter about 0.1 μm and coarse mode particles with diameter above 2 μm. When engine fueled with other fuels, the mass of particles are mainly the coarse mode particles with diameter above 2 μm. With the increase of methanol fraction in biodiesel-methanol fuel, particle number distribution will shift toward the direction of the smaller size, total number of PM2.5, Geometric Mean Diameter (GMD) and total mass of particles will decrease.

biodiesel; methanol; diesel engine; particles

1672-1497(2016)04-0040-06

2016-03-25

喻武(1984-)，男，工程师，博士。

TK421+.5

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.008