國排放共軌柴油機燃燒工況下超細顆粒特性研究

隨著工業化和城市化進程的加快，我國細顆粒等氣候污染物的排放量在全球為數不多。結果表明，顆粒的有害程度與顆粒的直徑和數量密切相關。顆粒越細，顆粒在空氣中的漂浮時間越長，越容易進入人體肺部引起疾病。因此，精細顆粒的綜合處理已成為國家政策和民生的焦點，也是社會各界高度重視和盡快解決的主要環境問題。空氣中的細顆粒物人為一次排放源主要來自機動車尾氣、燃煤煙塵、建筑揚塵以及冶金水泥等，機動車尾氣是目前各大城市大氣細顆粒污染的最主要來源之一，尤以柴油車的尾氣細顆粒物排放最為突出．因此，采取措施降低柴油機的細顆粒物數量排放是減少空氣中細顆粒物數量的有效途徑之一．燃油品質是影響柴油機顆粒物排放的重要因素，高品質柴油應該在適當提高十六烷值的同時較大幅度地降低硫含量．目前，國內外學者有關柴油機顆粒排放特性研究主要包括發動機燃用低硫柴油的外特性、負荷特性等穩態工況顆粒數量排放特性，瞬態工況煙度排放及顆粒數量排放特性，高十六烷值、低芳烴含量對柴油機顆粒物排放特性的影響等．有關柴油機在歐洲穩態工況（ESC）循環下燃油品質對顆粒物數量和粒徑分布影響的工作少見報道，仍缺乏ESC循環工況下油品硫含量對柴油機顆粒排放屬性的認識．本文對一臺在用電控高壓共軌柴油機分別燃用國二柴油和滬四柴油的超細顆粒數量排放特性進行試驗研究，系統考察該共軌柴油機燃用國二柴油、滬四柴油ESC循環工況下的超細顆粒數量、顆粒粒徑分布及質量排放特性，考察滬四柴油對在用柴油車超細顆粒物排放的降低效果．1試驗安裝和方法1.1粒徑分布試驗樣機為一臺在用車使用的，滿足國Ⅲ排放標準、直列四缸四沖程、渦輪增壓中冷、高壓共軌直噴式柴油機．該柴油機的總排量為5.3L，缸徑和行程分別為114和130mm，壓縮比為18∶1，標定功率為132kW(2300r·min-1），最大轉矩為660N·m顆粒數量和粒徑分布測試儀器為美國TSI公司的發動機排氣顆粒數量和粒徑分析儀（EEPS），該儀器可快速測取柴油機的排氣顆粒數量及粒徑分布，測量粒徑范圍為5.6～560nm，在0.1s內可測取一個完整的顆粒粒徑分布圖譜，并同步輸出32個粒徑通道的顆粒數量和粒徑分布數據．排氣顆粒測試系統示意圖如圖1所示．1.2理化指標的測定試驗燃料分別為國二柴油和滬四柴油，其主要理化指標如表1所示．試驗根據GB17691—2005規定的ESC循環進行，試驗中的A,B,C轉速分別為1425,1765和2試驗結果與分析2.1負荷變化工況下國二柴油和滬四柴油顆粒數量的變化圖2為該機燃用國二柴油和滬四柴油ESC循環各個工況的核模態顆粒（粒徑≤50nm）和聚集態顆粒（粒徑>50nm）的數量排放特性．其中，A25,A50,A75和A100分別代表ESC循環工況A轉速下（1425r·min-1）負荷分別為25%,50%,75%和100%的工況點；B25,B50,B75和B100分別代表ESC循環工況B轉速（1765r·min-1）下負荷分別為25%,50%,75%和100%的工況點；C25,C50,C75和C100分別代表ESC循環工況C轉速（2105r·min-1）下負荷分別為25%,50%,75%和100%的工況點．由圖2可見，ESC循環A,B,C轉速工況下，隨著發動機負荷的增加，國二柴油和滬四柴油的顆粒數量比排放降低．這是因為，隨著負荷的增加，噴油量增加，排氣顆粒數量濃度增大；同時，隨著負荷的增加，發動機產生的有效功率增大，其顆粒數量比排放隨著發動機負荷的增加而降低.由圖2可見，ESC循環工況下，與國二柴油比較，滬四柴油的總顆粒數量比排放、核態顆粒數量比排放降低，且核態顆粒的降低幅度較大．大部分工況的聚集態顆粒數量比排放降低，個別工況（A25）的聚集態顆粒數量比排放有所升高．因此，滬四柴油可降低柴油機的超細顆粒數量排放．這是因為，核態顆粒由燃燒室內形成的一次顆粒及硫酸鹽、碳氫等物質成核作用而形成的二次顆粒組成．研究表明，柴油中1%～3%的硫燃燒后直接轉化為硫酸鹽，且硫酸鹽是發動機排放的超細顆粒物的重要組成部分．由于滬四柴油的硫含量較低，燃燒產生的硫酸鹽排放量較少，超細顆粒數量比排放較低．另一方面，直噴式柴油機未燃碳氫的濃度隨柴油十六烷值升高而減小，滬四柴油十六烷值較高，未燃碳氫減少，降低了由碳氫成核作用而形成的二次顆粒的產生．兩方面因素綜合作用，滬四柴油的核態顆粒數量比排放降低．同時，滬四柴油的運動黏度低、密度小，噴霧及霧化效果較高，有利于柴油在缸內的燃燒，降低柴油機的聚集態顆粒排放．同時，滬四柴油的芳烴含量較低，多環芳烴是聚集態顆粒中碳煙的先導物，有利于降低柴油機的聚集態顆粒排放．另外，滬四柴油的體積熱值略低，為保證發動機的功率，需噴入更多體積的柴油，幾個因素綜合作用，可能是導致部分工況下滬四柴油聚集態顆粒數量排放略有增加的原因．ESC十三工況，該機燃用國二柴油、滬四柴油的顆粒物數量比排放如表2所示．可見，ESC循環工況下，該機燃用滬四柴油的核態顆粒、聚集態顆粒和總顆粒數量比排放均降低．2.2粒徑分布圖3為該機燃用國二柴油和滬四柴油ESC循環工況超細排氣顆粒數量的粒徑分布特性．圖中，橫坐標表示顆粒粒徑大小，縱坐標表示顆粒數濃度大小，橫、縱坐標均為對數坐標．由圖3可見，ESC循環工況下，該機燃用國二柴油的排氣顆粒數量的粒徑分布呈明顯的雙峰對數分布，排氣顆粒在核態顆粒和聚集態顆粒形成兩個數量排放峰值．其中，核態顆粒數量峰值對應的顆粒粒徑約6～9nm，聚集態顆粒數量峰值對應的顆粒粒徑約52～60nm．該機燃用滬四柴油后，除怠速工況外，ESC其他工況排氣顆粒數量的粒徑分布呈明顯的單峰對數分布，排氣顆粒數量峰值對應的顆粒粒徑約45～52nm；與燃用國二柴油相同，該機燃用滬四柴油怠速工況排氣顆粒數量的粒徑分布呈明顯的雙峰對數分布，核態顆粒數量峰值對應的顆粒粒徑約9nm，聚集態顆粒數量峰值對應的顆粒粒徑約52nm．綜合圖3a～m可見，該機燃用滬四柴油后，排氣顆粒數量的粒徑分布由雙峰對數分布調整為單峰對數分布，小顆粒（核態顆粒）數量排放降低，除個別工況外，大部分工況的聚集態顆粒數量排放亦降低．2.3特征粒徑nm幾何平均粒徑既反映了顆粒數濃度極大值的位置，又綜合了粒徑分布的形態，其計算公式如下：式中：Dg為幾何平均粒徑，nm;ni為第i個粒徑區間的顆粒數；di為第i個粒徑區間的特征粒徑，nm;N為總顆粒數，即∑ni．圖4為ESC循環工況，該機燃用國二柴油和滬四柴油排氣顆粒的幾何平均粒徑．由圖4可見，ESC循環工況，除怠速工況外，該機燃用國二柴油排氣顆粒的幾何平均粒徑為40～53nm，燃用滬四柴油排氣顆粒的幾何平均粒徑為42～56nm；怠速工況下，該機燃用國二柴油的幾何平均粒徑約為14nm，燃用滬四柴油的幾何平均粒徑約為22nm．與國二柴油比較，燃用滬四柴油后，由于核態顆粒數量排放的降低，幾何平均粒徑增大．2.4燃用滬四柴油和滬四柴油超細顆粒質量排放對比ESC循環工況，該機燃用國二柴油、滬四柴油的超細顆粒物質量排放分別為0.083g·（kW·h)-1和0.074g·（kW·h)-1，與國二柴油比較，滬四柴油的顆粒物質量排放降低．圖5為ESC循環工況，該機燃用國二柴油和滬四柴油排氣顆粒中超細顆粒的質量排放．由圖5可見，ESC循環工況，該機燃用國二柴油與滬四柴油的超細顆粒物質量排放主要為顆粒粒徑>50nm的聚集態顆粒，核態顆粒質量排放僅占其顆粒質量排放的3%～10%．與國二柴油比較，該機燃用滬四柴油后，個別工況（低轉速中低負荷、高轉速全負荷）的超細顆粒質量排放略有增加，其他工況的超細顆粒質量排放降低．3燃用國二柴油超細顆粒的粒徑分布(1)ESC循環A,B,C轉速工況下，隨著發動機負荷的增加，該機燃用國二柴油、滬四柴油的超細顆粒數量比排放降低．(2）與國二柴油比較，該機燃用滬四柴油ESC循環工況的超細顆粒總數量、核態顆粒數量比排放降低，且核態顆粒數量比排放的降低幅度較大．(3)ESC循環工況下，該機燃用國二柴油超細顆粒數量的粒徑分布呈明顯的雙峰對數分布；燃用滬四柴油怠速工況外超細顆粒數量的粒徑分布呈明顯的單峰對數分布，其他工況超細顆粒數量的