国Ⅴ公交车燃用生物柴油的颗粒物碳质组分排放特性

胡志远,章昊晨,谭丕强,楼狄明



国Ⅴ公交车燃用生物柴油的颗粒物碳质组分排放特性

胡志远*,章昊晨,谭丕强,楼狄明

(同济大学汽车学院,上海 201804)

以一辆国Ⅴ柴油公交车为研究对象,在重型底盘测功机上运行中国典型城市公交循环,研究了纯柴油(D100),体积混合比例分别为5%,10%和20%餐厨废弃油脂制生物柴油-柴油混合燃料(即B5,B10,B20)的颗粒物(PM)碳质组分排放特性.结果表明:国Ⅴ柴油公交车尾气颗粒物碳质组分包括有机碳(OC)和元素碳(EC),OC占73%~82%,OC的主要组分是OC2和OC3,生物柴油对车辆尾气颗粒物OC组成比例没有影响;随着生物柴油混合比例的增加,公交车尾气颗粒物OC和OC+EC排放呈降低的趋势,EC排放增加,且B10的OC排放较高;PM0.05～0.1,PM0.1～0.5,PM0.5～2.5,PM2.5～184个粒径段颗粒物中,PM0.1～0.5的OC和EC排放最高,PM2.5~18的EC排放几乎为零,生物柴油可改善公交车尾气超细颗粒(PM0.05～0.1)的OC排放,对公交尾气颗粒物EC排放基本没有影响;公交使用生物柴油混合燃料尾气颗粒物OC/EC减小,且PM0.05～0.1和PM0.5～2.5OC/EC降低幅度明显,对大气二次气溶胶的影响减弱.

餐厨废弃油脂制生物柴油；公交车；颗粒物；有机碳；元素碳；粒径

机动车排放的颗粒物主要由有机碳(OC)和元素碳(EC)组成[1].OC和EC主要吸附在空气中的细颗粒物,被人体吸入后产生毒害[2].在气溶胶中OC和EC的质量分数达到20%~50%[3].研究表明,国Ⅱ,国Ⅲ,国Ⅳ重型柴油车实际道路尾气颗粒物中OC和EC质量比分别为38.87%~42.87%和16.22%~ 19.96%[4],北京市柴油车,汽油车排放的可吸入颗粒物PM10中OC+EC质量比分别为49.08%和38.38%[5],香港城市隧道和路边细颗粒物PM2.5中OC+EC占总颗粒物的70%~82%[6],机动车尾气颗粒物排放是城市大气OC和EC主要来源[7-8].柴油公交车作为城市重要的公共交通工具,消耗巨大能源的同时,产生大量的颗粒物等污染物排放[9],采取措施,降低柴油公交车的碳质组分排放,是改善城市大气环境的重要措施之一.

餐厨废弃油脂是生产生物柴油的良好原料之一,餐厨废弃油脂制生物柴油具有十六烷值高,闪点高,润滑性好等特点[10],公交车燃用餐厨废弃油脂制生物柴油有利于降低其颗粒物排放[11-14].同时,在城市公交上使用餐厨废弃油脂制生物柴油有利于餐厨废弃油脂的集中收集,集中处置和集中使用[15].目前,国内外学者以发动机为研究对象,开展了大豆油、棉籽油、废弃油脂等原料制生物柴油的颗粒物碳质组分研究.结果表明发动机排放的颗粒物中OC, EC随大豆油制生物柴油掺混比的升高而降低[16],重型柴油机使用棉籽油制生物柴油的EC降低64%, OC降低15%[17],废弃油脂制生物柴油有利于降低发动机的碳质组分排放[18].有关公交车使用生物柴油混合燃料的颗粒物碳质组分排放研究较小,仅楼狄明等[19]以国III柴油公交车为试验样车,研究了5%, 10%体积混合比例生物柴油混合燃料的颗粒物OC,EC等碳质组分排放特性.国Ⅴ柴油公交车采用缸内清洁燃烧降低颗粒物+选择性催化还原SCR尾气后处理装置降低NO的技术路线,与国Ⅲ,国Ⅳ公交车相比,其喷油压力增大,喷孔数增多,喷孔直径减小,燃油雾化效果更好,燃烧更充分,颗粒物排放与国III,国Ⅳ柴油公交车存在较大的区别.

本文以一辆国Ⅴ柴油公交车为研究对象,在重型底盘测功机上运行中国典型城市公交循环,分析柴油,体积混合比例分别为5%,10%和20%餐厨废弃油脂制生物柴油-柴油混合燃料的颗粒物OC,EC组分特性,以及0.05~0.1µm(PM0.05~0.1),0.1~0.5µm (PM0.1~0.5),0.5~2.5µm(PM0.5~2.5),2.5~18µm(PM2.5~18) 4个粒径段颗粒物的碳质组分特性,综合评价餐厨废弃油脂制生物柴油对国Ⅴ公交车颗粒物碳质组分排放的影响.

1 材料与方法

1.1 试验样车及燃料

试验样车为满足国Ⅴ排放标准的柴油公交车,安装高压共轨六缸增压中冷柴油机,主要技术参数如表1所示.试验燃料为国Ⅴ柴油(D100),国Ⅴ柴油与餐厨废弃油脂制生物柴油按5%,10%,20%体积比混合的柴油-生物柴油混合燃料(简称:B5,B10,B20),在试验之前对柴油,B5,B10,B20的主要理化指标进行实验室测量,测量值如表2所示.

表1 试验样车主要技术参数

表2 柴油、B5、B10、B20主要理化指标

1.2 试验装置及循环

试验装置包括MAHA-AIP重型底盘测功机,日本Horiba公司皮托管流量计,Dekati公司FPS-4000尾气稀释采样系统,美国MSP公司11级微孔均匀沉积式颗粒物多级碰撞采样器(MOUDI),DRI2001A型有机碳/元素碳分析仪等.测试系统如图1所示.

图1 试验装置连接示意

试验时将公交车固定在底盘测功机上,根据车辆最大总质量的70%加载,通过滑行确定阻力系数, 试验车辆为热车状态.试验循环采用GB/T 19754-2005《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》推荐的中国典型城市公交循环.该循环由怠速、低速、匀速、中速和中高速等工况构成,运行时间1314s,平均车速16.16km/h,最高车速60km/h.该循环与公交车实际行驶时低平均车速,高比例怠速,发动机低转矩,低转速等工况特点吻合较好[20].试验时驾驶员根据司机助屏幕显示的车速-时间曲线驾驶车辆,车辆速度误差区间为该时目标车速的±3km/h.通过实际驾驶循环与理论循环的相关性系数(>0.95)判断试验的有效性.利用FPS-4000射流稀释器抽取部分尾气,稀释比8.21,稀释温度120℃,经过FPS-4000稀释稀释后的尾气进入微孔均匀沉积式多级碰撞采样器,采样介质为直径47mm的石英膜,采样颗粒粒径范围为0.056~18µm,共11级.为保证分析颗粒物采集数量,试验时连续进行,重复3次中国典型城市公交循环.利用DRI2001A型有机碳/元素碳分析仪根据IMPROVE(Interagency monitoring of protected visual environment)分析协议的热光反射法(Thermal Optical Reflection,TOR)分析采集颗粒的碳质组分,测量范围为0.20~750µg/cm2.

2 结果与分析

2.1 颗粒物碳质组分排放特性

由图2可见,该国Ⅴ柴油公交车燃用不同比例生物柴油混合燃料的OC,EC排放分别为39.6~ 70.9µg/cm2和12.4~15.5µg/cm2,OC组分占73%~82%.随着生物柴油比例的增加,该柴油公交车颗粒物中OC,OC+EC排放呈降低的趋势,但B10的OC和OC+EC排放较高.与柴油比较,该国Ⅴ柴油公交车燃用B5,B20的OC分别降低14.3%和28.8%,B10的OC升高29.1%.这是因为,一方面,生物柴油含氧,十六烷值高的特点使其颗粒物排放降低[21];另一方面,生物柴油的密度较大,运动黏度高,导致其喷雾效果变差[22],并且在试验循环(中国典型城市公交循环)中发动机工况以低速、低转矩为主[23],燃料挥发性成为影响燃烧的主要因素之一[24];两种因素综合作用,导致B5,B20的OC排放降低,B10的OC排放升高.

与柴油比较,该国Ⅴ柴油公交车燃用B5,B10, B20排放的EC分别升高35.0%,53.7%和75.1%,与Tsai等[25]研究结果类似.这是因为,EC主要形成于缸内高温高压浓混合气区域,在燃油喷射量较大的条件下,EC的产生比较明显[24],由于试验循环(中国典型城市公交循环)发动机加速度较大,加速频繁,缸内浓混合气较多易生成EC,而生物柴油含氧特性对EC的抑制作用不明显, EC排放增加.

图2 公交车燃用不同比例生物柴油的OC,EC排放

OC/EC可以用来衡量二次有机气溶胶在颗粒物中所占的比例,在一定程度上反映了大气环境的二次污染[26],OC/EC值越高,二次有机气溶胶所占比例越大,颗粒物在大气进程中的作用时间越长,反之越短.由图2可见,该国Ⅴ柴油公交车燃用不同比例生物柴油混合燃料的OC/EC为2.76~4.49,B20的OC/EC为2.27,与陈军辉等[27]的研究结果(2.88~3.10)接近,明显高于何立强等[28](1.17~1.56)的研究结果.与柴油比较,B5,B20的OC/EC较低,在大气中生成二次气溶胶的潜力较低,这与Tsai等[25]研究所得结果相似;B10的OC/EC较高的原因可能因为B10的低挥发性影响了燃烧,导致在污染物在排气冷却过程中成核或凝结在已存在的细小颗粒物上,成为排气颗粒物中OC的成分[29],OC/EC增大.

Watson等[30]根据形成条件的不同将EC分为char-EC(焦炭)和soot-EC(烟炭)2种形态,char-EC氧化速率明显高于soot-EC.一般将EC1定义为char-EC,将EC2+EC3定义为soot-EC.char-EC主要通过燃料的裂解形成,一般在燃烧温度较低时生成,而soot-EC则在较高的缸内燃烧温度下由气粒转化而成.由图3可知,试验国Ⅴ柴油公交车分别燃用D100,B5,B10,B20排放的OC主要组分是OC2和OC3,分别占OC排放的83%和17%,油品对车辆尾气OC组成比例没有影响;EC排放受油品的影响,随着生物比例的增加,该柴油公交车EC2所占的比例增加,EC3比例降低.D100排放的EC主要组分为EC3,B5和B10排放的EC中EC1,EC2和EC3比例相当,B20排放的EC主要为EC2.这主要是因为B20密度相对其他3种油品密度较大,运动黏度最大,导致燃油雾化效果和油气混合速率较差,抑制燃料的裂解及氧化过程,使得缸内燃烧不佳,从而增加了EC2排放.

图3 公交车燃用不同比例生物柴油的OC和EC组分

图4 中国典型城市公交循环颗粒数量排放特性

图4中循环工况主要是低速低转矩工况和中速中转矩工况,试验所用生物柴油密度大,运动黏度高,导致车辆从怠速开始起步加速时,燃料喷雾效果不好,挥发性较差影响燃烧过程,特别是在加速时,颗粒物数量排放明显上升,相应地也影响颗粒物碳质组分OC和EC的排放.

2.2 不同粒径颗粒物碳质组分排放特性

为分析柴油公交车颗粒物排放对大气颗粒物的贡献,把微孔均匀沉积式颗粒物多级碰撞采样器采集的颗粒物根据粒径大小分为0.05<D£0.1µm (PM0.05～0.1),0.1<D£0.5µm(PM0.1～0.5),0.5<D£2.5µm (PM0.5～2.5)和2.5<D£18µm(PM2.5～18)4个粒径段,分析不同粒径段颗粒物的碳质组分排放特性,研究生物柴油对不同粒径段颗粒物碳质组分的影响.

由图5(a)可见,该国Ⅴ柴油公交车尾气颗粒物PM0.05～0.1,PM0.1～0.5,PM0.5～2.5,PM2.5～18的OC组分不同,PM0.1～0.5的OC组分最高,PM0.05~0.1的OC组分最少.与柴油比较,该柴油公交车燃用B5,B10,B20排放的尾气颗粒物PM0.05~0.1的OC组分分别降低33.6%, 3.6%和36.8%; B5,B20尾气颗粒物PM0.1~0.5的OC组分分别降低18.3%和26.0%,PM0.5~2.5的OC组分分别降低1.2%和38.3%,PM2.5~18的OC组分分别降低13.9%和15.5%;B10尾气颗粒物PM0.1~0.5,PM0.5~2.5, PM2.5~18的OC组分分别升高43.7%,30.3%和4%.生物柴油含氧的特点可改善超细粒径段(0.05<D£0.1µm,PM0.05~0.1)的OC排放,受含氧促进燃烧和雾化性能变差,不利于燃烧的共同影响,生物柴油混合比例对车辆尾气颗粒物PM0.1～0.5,PM0.5～2.5,PM2.5～18中OC排放的影响存在不确定性.

由图5(b)可见,该国Ⅴ柴油公交车尾气颗粒物PM0.05～0.1,PM0.1～0.5,PM0.5～2.5,PM2.5～18的EC排放不同,PM0.1～0.5的EC组分最高,占EC总排放的约70%,PM2.5~18的EC组分几乎为零.与柴油比较,该柴油公交车燃用B5,B10,B20排放的尾气颗粒物PM0.05～0.1,PM0.1～0.5,PM0.5～2.5的EC组分增加.王广华等[31]对上海市嘉定区大气颗粒物研究结果表明,大气中粒径D<0.49µm及D>3.0µm的颗粒排放较高,D<3.0µm颗粒物的OC,EC排放分别占总颗粒物OC,EC的59.8%~80.0%和58.1%~82.4%,EC组分主要集中在D<0.49µm粒径段;唐小玲等[32]对广州大气颗粒物碳质组分研究也得到了类似的结果.说明柴油公交车尾气颗粒物排放是大气中粒径D< 0.49µm颗粒物OC,EC组分的主要来源.因此,柴油公交车燃用生物柴油可以改善大气中超细粒物(0.05<D£0.1µm,PM0.05~0.1)的OC排放,对EC排放基本没有影响.

2.3 不同粒径段的OC/EC特性

由图6可见,国Ⅴ柴油公交车燃用不同比例生物柴油混合燃料尾气颗粒物PM0.05~0.1,PM0.1~0.5, PM0.5~2.5的OC/EC值不同,所有粒径段的OC/EC值均大于1,说明柴油公交车尾气颗粒物排放对大气中二次气溶胶的影响大于一次气溶胶.其中,PM0.05~0.1和PM0.5~2.5的OC/EC值较高,主要对大气中二次气溶胶的影响较大;PM0.1~0.5的OC/EC值相对较低,对大气中一次,二次气溶胶均产生影响.PM2.5~18的EC排放非常低,该粒径段的OC/EC结果没有参照价值.与燃用柴油比较,该柴油公交车燃用B5,B10,B20尾气颗粒物PM0.05~0.1,PM0.1~0.5,PM0.5~2.5的OC/EC降低,且PM0.05~0.1和PM0.5~2.5的OC/EC降低幅度较大,说明该柴油公交车燃用生物柴油的尾气颗粒物排放对大气中二次气溶胶的影响减弱.石晓燕[33]通过在柴油中添加乙醇研究含氧燃料对发动机颗粒物排放的碳质组分特性,结果表明氧含量导致发动机大多数工况下PM2.5中OC/EC值升高,与本研究得到的生物柴油尾气颗粒物OC/EC降低的结果不同.这是因为,一方面,乙醇的密度低于柴油,在柴油中添加乙醇有利于燃油的雾化和燃烧,EC降低;另一方面,由于公交车的负荷较低,生物柴油含氧,有利于燃烧的特点没有充分体现,EC几乎没有降低;二种因素综合作用导致本研究得到的生物柴油尾气颗粒物OC/EC低于柴油.因此,采取措施改善餐厨废弃油脂制生物柴油的雾化效果,可进一步降低柴油公交车的OC,EC排放.

图6 公交车燃用不同比例生物柴油分粒径段OC/EC

3 结论

3.1 国Ⅴ柴油公交车燃用不同比例生物柴油混合燃料尾气颗粒物OC,EC排放不同,与柴油比较,餐厨废弃油脂制生物柴油混合燃料尾气颗粒物OC, OC+EC呈降低,EC排放呈增加的变化趋势, B10的OC排放较高.

3.2 国Ⅴ柴油公交车燃用不同比例生物柴油混合燃料尾气颗粒物碳质组分主要为OC,占颗粒物排放的73%~82%,OC的主要组分是OC2和OC3,分别占OC排放的83%和17%,油品对车辆尾气颗粒物OC组成比例没有影响;随着生物柴油比例的增加,尾气颗粒物的EC2比例增加,EC3降低.

3.3 国Ⅴ柴油公交车尾气颗粒物PM0.05~0.1,PM0.1~0.5, PM0.5~2.5,PM2.5~18的OC和EC排放不同,PM0.1~0.5的OC和EC排放最高,PM0.05~0.1的OC排放较少, PM2.5~18的EC排放几乎为零.生物柴油可改善公交车尾气超细颗粒(0.05<D£0.1µm,PM0.05~0.1)的OC排放,对颗粒物PM0.1~0.5,PM0.5~2.5,PM2.5~18中OC的影响存在不确定性,对公交尾气颗粒物EC排放基本没有影响.

3.4 国Ⅴ柴油公交车燃用不同比例生物柴油混合燃料尾气颗粒物PM0.05~0.1,PM0.1~0.5,PM0.5~2.5,PM2.5~18的OC/EC不同,生物柴油混合燃料的OC/EC较低,且PM0.05~0.1和PM0.5~2.5的OC/EC降低幅度较大,生物柴油公交车尾气颗粒物排放对大气二次气溶胶的影响减弱.

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Emission of carbonaceous components from a bus fueled with waste cooking oil based biodiesel blends.

HU Zhi-yuan*, ZHANG Hao-chen, TAN Pi-qiang, LOU Di-ming

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)., 2018,38(8)：2921~2926

Research on a diesel bus certified to China V emission standards, run China city bus cycle on a heavy chassis dynamometer, the bus was fueled with D100 (the pure diesel), biodiesel blends B5, B10 and B20 (the volume mixing ratio are 5%, 10% and 20% of waste cooking oil based biodiesel blends), to carry out the emission characteristics of Particulate Matters (PM) carbonaceous components. The results show that China five bus’s exhaust particulate carbonaceous components include Organic Carbon (OC) and Elemental Carbon (EC), where OC account for 73%~82%, and the main components of OC are OC2 and OC3. Biodiesel has no effect on the OC composition ratio of vehicle exhaust particulate matter; With the increase of biodiesel mixing ratio, the emissions of bus exhaust OC and OC+EC have a decreasing trend, EC emissions have increased, wherease B10 has higher OC emissions; In four particle diameters as PM0.05-0.1, PM0.1-0.5, PM0.5-2.5, PM2.5-18, OC and EC have the highest emissions in PM0.1-0.5, EC has almost zero emission in PM2.5-18, biodiesel can improve OC emission of ultrafine bus exhaust particles (PM0.05-0.1), which has virtually no effect on the emission of bus exhaust particulate matter; The OC/EC of using biodiesel decreases, especially in PM0.05-0.1and PM0.5-2.5, which weakens the impact on the secondary air aerosol.

waste cooking oil based biodiesel；bus；particulate matter；organic carbon；element carbon；particle diameter

X513

A

1000-6923(2018)08-2921-06

胡志远(1970-),男,河北安国人,副教授,博士,主要研究方向为汽车能源技术及汽车低排放设计技术.发表论文100余篇.

2018-01-07

上海市科委科技攻关计划(16DZ1203001)

* 责任作者, 副教授, huzhiyuan@tongji.edu.cn