柴油機燃用生物柴油/甲醇的精細顆粒物排放

喻　武， 陳財森， 張志遠， 劉艷斌， 王江峰

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院科研部， 北京 100072)

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柴油機燃用生物柴油/甲醇的精細顆粒物排放

喻武1， 陳財森2， 張志遠1， 劉艷斌1， 王江峰2

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院科研部， 北京 100072)

為研究使用生物柴油/甲醇燃料對柴油機精細顆粒物排放的影響，利用低壓電子沖擊儀(Electrical Low Pressure Impactor,ELPI)測量了發動機燃用柴油、生物柴油、生物柴油/甲醇的排放顆粒物數目濃度分布、PM2.5總數目、質量濃度分布以及顆粒物總質量。研究表明：發動機排放顆粒物的數目主要分布在粒徑小于300 nm范圍；燃用柴油和生物柴油時，顆粒物總質量主要集中在粒徑接近0.1 μm的聚集態顆粒和粒徑超過2 μm的大顆粒處，而燃用生物柴油/甲醇時，顆粒物總質量則只集中于粒徑超過2 μm的大顆粒；生物柴油/甲醇燃料中甲醇摻混比例的增加導致發動機排放顆粒物的數目分布曲線向細小顆粒方向移動， PM2.5總數目減少，顆粒物的幾何平均直徑和總質量減小。

生物柴油； 甲醇； 柴油機； 顆粒物

生物柴油作為柴油機燃料已得到了一定規模的推廣和使用，但其黏度高、低溫流動性差和NOx排放較高等特點限制了其完全替代柴油的潛力。然而，生物柴油摻混甲醇有助于彌補生物柴油的上述缺陷，這是因為：1)甲醇較低的黏度有助于改善生物柴油的噴油霧化效果，且甲醇的沸點比生物柴油低很多，不同沸點的多組分液體噴入高溫高壓氣體后會產生微爆現象[1]，利于油束與空氣的均勻混合；2)甲醇較低的凝點有助于改善生物柴油的低溫流動性[2]，而生物柴油又可適當克服甲醇熱值較低的缺點，兩者混合使用可有效提高發動機的低溫啟動性能；3)甲醇高氣化潛熱產生的冷卻效果有助于降低缸內燃燒溫度，從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結構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進一步減少發動機的soot排放。

鑒于上述原因，筆者測量了柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇混合燃料在共軌柴油機上的性能和常規污染物排放[4]。但醫學研究表明：精細和超精細顆粒可能對健康帶來負面影響，顆粒物的尺寸越小，對人體的危害越大，粒徑小于2.5 μm的細小顆粒物(PM2.5)能夠穿透人體的肺部，影響其他器官，引發動脈硬化和血管炎癥，并導致心血管方面的疾病[5]。由于大部分的柴油機顆粒物都分布在PM2.5的范圍，因此研究柴油機燃用生物柴油/甲醇燃料對排放顆粒物的粒徑分布和總數目的影響具有重要意義。

目前，關于柴油機排放顆粒物尺寸分布的研究主要集中在發動機燃用純柴油、生物柴油以及柴油/生物柴油混合燃料上[6-7]，有關共軌柴油機燃用生物柴油/甲醇混合燃料的顆粒物排放研究尚未開展。基于此，筆者對比共軌柴油機燃用柴油、生物柴油和生物柴油/甲醇燃料的排放顆粒物質量和粒徑分布，并驗證通過使用生物柴油/甲醇混合燃料，同時改進發動機常規排放和非常規排放的可能性。

1　實驗裝置和步驟

1.1實驗裝置

采用的發動機是一臺GW2.8TC共軌柴油機。發動機的主要參數和測試系統見文獻[4]。

排氣中超細顆粒物的粒徑分布采用芬蘭坦佩雷大學開發的低壓電子沖擊儀(Electrical Low Pressure Impactor，ELPI)[8]測量，如圖1所示。ELPI是一種實時監控氣溶膠顆粒粒徑尺寸分布的儀器，把粒徑0.03～10 μm(空氣動力學直徑)范圍的顆粒分為12個測量級收集，若加上1個附加級，其測量尺寸范圍可延伸至0.007 μm。ELPI各級測量范圍如表1所示。

圖1　ELPI實物圖

表1　ELPI各級測量范圍

注：D50%為分割粒徑，在該范圍內50%的顆粒能被收集；Di為D50%的幾何平均直徑。

ELPI的工作原理是基于顆粒充電、串級撞擊器上的慣性分級以及顆粒物的帶電檢測，其主要元件包括放電器、低壓串級撞擊器和多通道靜電計。工作時，樣氣首先進入一個單正極放電器，其中的顆粒被放電器產生的細小離子充電；然后帶電的顆粒被低壓串級撞擊器依據顆粒的空氣動力學直徑進行分級。低壓串級撞擊器的各級間都是電絕緣的，并且每一級都單獨與靜電計的一個通道連接；串級撞擊器各級收集到的帶電粒子產生的電流被相應的靜電計通道記錄；每一通道的電流大小正比于收集到的顆粒數目，同時也正比于具體尺寸范圍內顆粒的濃度。為了模擬較高溫度的燃燒產物與環境空氣反應的情況，發動機尾氣在進入EPLI之前要經過串聯的兩級稀釋器[9]的稀釋。為避免氣體中的顆粒冷凝和成核及保證測量結果的可靠性，稀釋器的第1級加熱到200 ℃，第2級保持環境溫度不變。

1.2實驗步驟

顆粒粒徑分布圖中的橫坐標用Dekati數據處理軟件推薦的每一測量級的幾何平均直徑Dim表示，它與該測量級的分割粒徑D50%(Dp)的關系為

(1)

式中：m=1,2,…,13，為ELPI測量級的級別。

實驗配置了3種生物柴油/甲醇的混合燃料，其中甲醇的體積分數分別為10%、20%、30%，并分別命名為BM10、BM20、BM30。發動機的轉速n=1 600、2 600 r/min，負荷為35、69、102、136、170 N·m，對應的平均有效壓力(BMEP)分別為0.159、0.313、0.463、0.617、0.771 MPa。在每種測試工況下，發動機轉速和負荷的誤差分別控制在5 r/min和0.1 N·m內。每種測量重復3次，取其平均值。

2　結果與討論

2.1顆粒物數目濃度分布

圖2為不同工況下發動機燃用不同燃料時顆粒物數目濃度分布。其中：縱坐標采用顆粒物的數目隨粒徑的變化關系dN/dlogDp表示。

圖2　不同工況下發動機燃用不同燃料時的顆粒物數目濃度分布

由圖2可見：1)不同工況下發動機燃用不同燃料的排放顆粒集中出現在300 nm以下的測量級，且多為直徑小于50 nm的核態顆粒；2)柴油為燃料時，顆粒物數目濃度在第2級達到峰值，但當顆粒粒徑進一步減小時，其數目濃度迅速下降，排放顆粒在第1級的數目濃度與第4級接近；3)當生物柴油完全替代柴油后，顆粒物的數目濃度降低，雖然顆粒物的數目濃度曲線仍呈單峰性，但其向粒徑小的方向移動，顆粒物在第1級的數目濃度已與峰值接近；4)顆粒物的數目濃度隨生物柴油中甲醇摻混比例的增大而下降，曲線進一步向左移動，且BM20和BM30燃料排放顆粒物數目濃度曲線的峰值出現在第1級，顆粒物更多地分布在小粒徑范圍。

燃用含氧替代燃料后，柴油機排放顆粒物數目濃度分布曲線受以下因素影響：1)燃料中氧含量的增加會使燃料燃燒更徹底，并減少碳煙先驅物(包括核態顆粒和大顆粒)的生成；2)含氧燃料中不含硫，燃燒過程中作為顆粒核的硫化物減少，導致核態顆粒數量減少；3)含氧燃料也會抑制小微粒聚合成大微粒，這有利于顆粒物向小尺寸發展；4)生物柴油和甲醇氧化過程中產生的碳氫化合物易揮發形成核態顆粒的核，造成核態細小顆粒的增多。上述因素的共同作用，雖然造成使用含氧燃料后發動機排放顆粒物數目濃度分布曲線向小尺寸方向移動，但最小尺寸的第1級顆粒物數目濃度降幅并不大。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先驅體生成的能力也比甲酯氧化物中的氧原子強，同時甲醇具有較強的揮發性，因此，生物柴油摻混甲醇后發動機排放顆粒物的數目明顯減少，但第1級顆粒的數目變化不大。

從圖2中還可看出：當發動機的負荷增加時，顆粒物數目濃度減小；而發動機轉速增加時，顆粒物數目濃度增大。這是因為：發動機負荷增大使得噴油量增加，燃燒時產生的細小顆粒凝聚成大顆粒的趨勢相應增大；當發動機轉速增加時，燃料的燃燒時間縮短、燃燒惡化，且噴油量增加，導致細小顆粒物的數目濃度增加。文獻[7]中測量的柴油機顆粒物數目濃度隨負荷和轉速的變化趨勢和本文結果一致。

2.2排放的PM2.5總數目

圖3為不同工況下發動機燃用不同燃料時排放的PM2.5總數目。可以看出：隨著燃料中含氧量的增加，發動機排放的PM2.5總數目與顆粒物數目濃度的變化規律一致。發動機排放的PM2.5總數目下降表明：利用生物柴油替代柴油以及進一步在生物柴油中摻混甲醇，有助于緩解發動機的PM2.5排放對環境造成的污染。

圖3　不同工況下發動機燃用不同燃料時排放PM2.5總數目

利用ELPI各級收集的顆粒物數目濃度和顆粒物的總數目可計算顆粒的幾何平均直徑Dg，即

(2)

式中：km為每一測量級收集的顆粒物數目濃度(cm-3)；N為所有測量級收集的顆粒物總數目濃度(cm-3)。

表2為不同工況下發動機燃用不同燃料時ELPI采集的所有顆粒物的幾何平均直徑。可以看出：顆粒的幾何平均直徑隨著燃料中含氧量的增加而逐漸減小，Di等[7]利用掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀進行了柴油摻混不同比例生物柴油或乙醇所排放的顆粒物數目分布和質量分布的系列研究，其測量結果也表明在柴油中摻混含氧燃料后，顆粒物的幾何平均直徑有減小的趨勢。

表2　不同工況下發動機用不同燃料時ELPI采集的所有顆粒物的幾何平均直徑　nm

2.3顆粒物質量濃度分布

圖4為不同工況下發動機燃用不同燃料時顆粒物質量濃度分布曲線。其中：縱坐標采用顆粒物的質量隨粒徑的變化關系dM/dlogDp表示。可以看出：1)柴油排放顆粒物的質量主要集中在粒徑接近0.1 μm的聚集態顆粒和粒徑超過2 μm的大顆粒處，這是由于雖然發動機排放的核態顆粒數目最多，但其體積或者質量較小；2)隨著燃料中含氧量的增加，發動機排放顆粒物的各級質量濃度都呈下降趨勢，這與顆粒物的數目濃度分布曲線變化規律一致；3)燃料中含氧量增加后，聚集態顆粒的質量下降幅度相對較大，如在含氧量最高的BM30燃料的顆粒物質量濃度分布曲線中，聚集態顆粒的峰值基本觀察不到，這是由于燃料中含氧量增加后，發動機排放顆粒物中聚集態顆粒物的數目濃度減少得較多。

圖4　不同工況下發動機燃用不同燃料時排放顆粒物的質量濃度分布曲線

2.4排放的顆粒物總質量

圖5為不同工況下發動機燃用不同燃料時排放顆粒物總質量。可以看出：1)顆粒物的總質量隨燃料中含氧量的增加而逐漸降低；2)發動機負荷一定時，轉速增加使噴油量增加以及燃燒惡化，顆粒物的總質量增大；3)當發動機轉速固定、負荷增加時，因前文所述的細小顆粒凝結率增加的緣故，ELPI測量得到的在其可測粒徑范圍內的顆粒物總質量略有減小。而煙度計測量的結果[4]顯示，炭黑隨負荷的增加而增多，這表明不能完全利用ELPI測量得到的顆粒物總質量替代煙度測量結果。此外，由于ELPI計算顆粒物總質量時，對所有粒徑大小的顆粒都采用相同的密度，而不同工況下相同大小的顆粒物實際密度存在差異，這也可能導致ELPI測得的顆粒物總質量與煙度測量結果不同。

圖5　不同工況下發動機燃用不同燃料時排放顆粒物總質量

3　結論

為了研究摻混甲醇對生物柴油燃料發動機排放顆粒物粒徑分布的影響，利用靜電低壓撞擊器測量了共軌柴油機燃用生物柴油、生物柴油/甲醇的排放顆粒物粒徑分布，并基于測量結果分析了燃用不同燃料對發動機排放顆粒物的數目濃度分布、質量濃度分布、PM2.5總數目以及顆粒總質量的影響，結果表明：

1)發動機燃用上述燃料排放顆粒物的數目主要分布在粒徑小于300 nm范圍，燃用柴油和生物柴油的顆粒物總質量主要集中在粒徑接近0.1 μm的聚集態顆粒和粒徑超過2 μm的大顆粒處，燃用其他燃料的顆粒物總質量則集中在粒徑超過2 μm的大顆粒處。

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摻混比例的逐漸增加，均導致發動機排放顆粒物的數目濃度分布曲線向細小顆粒方向移動，且PM2.5總數目減少，ELPI收集到的所有顆粒物的幾何平均直徑減小，顆粒物的質量濃度分布曲線下移，總質量減小。

[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.

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[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,張志遠,陳財森.生物柴油/甲醇混合燃料發動機的性能和排放[J].裝甲兵工程學院學報,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.

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[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.

(責任編輯: 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，工程師，博士。

TK421+.5

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.008