生物柴油發(fā)動機排氣顆粒分析范文

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《內燃機學報》2016年第二期

摘要：

以某型高壓共軌柴油機為研究對象，研究試驗樣機燃用BD20混合燃料時，DOC＋DPF后處理裝置對其排氣顆粒理化特性的影響．結果表明：外特性工況下，試驗樣機連接DOC＋DPF后，聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度降幅最高達99.4%,，而核態(tài)顆粒數(shù)量濃度降幅不如聚集態(tài)顆粒．隨試驗樣機轉速上升，DOC＋DPF的捕集效率呈上升趨勢．此外，試驗樣機連接DOC＋DPF后，多環(huán)芳烴(polycyclicaromatichydrocarbons，PAH)排放質量下降91.5%,，所檢測的19種PAH組分中，有17種組分排放質量減少，DOC＋DPF可使PAH等效毒性下降93.9%,．

關鍵詞：

顆粒捕集；生物柴油；顆粒排放；理化特性

柴油機由于具有較好的動力性及經濟性，在各類輕、重型車輛上得到了廣泛的應用．然而，顆粒物排放是現(xiàn)代柴油機面臨的挑戰(zhàn)，降低顆粒物排放是現(xiàn)代柴油機需要關注和研究的課題．為解決柴油機顆粒排放問題，近年來針對各種替代燃料的研究正如火如荼地開展．生物柴油作為一種可再生能源，具有十六烷值較高、含氧量高以及含硫量低等優(yōu)點，逐漸成為替代燃料領域的研究熱點[1-9]．已有研究表明，柴油機燃用生物柴油后，顆粒質量排放有所降低，然而卻可能導致顆粒數(shù)量排放升高[10-11]．另一方面，后處理技術是柴油機顆粒排放控制的重要手段，亦可應用于生物柴油發(fā)動機．姚笛等[12-13]對不同后處理技術在生物柴油發(fā)動機上的應用進行了研究，分析了不同后處理技術對生物柴油發(fā)動機顆粒排放的影響．然而，針對單一后處理技術對生物柴油發(fā)動機排氣顆粒理化特質的影響機制，還需要更深入的研究．筆者針對DOC＋DPF連續(xù)再生顆粒捕集系統(tǒng)，以某型高壓共軌重型柴油機為試驗對象，通過臺架試驗結合濾膜采樣分析，研究DOC＋DPF后處理系統(tǒng)對生物柴油發(fā)動機排氣顆粒理化特性的影響，對生物柴油發(fā)動機連接DOC＋DPF后的排氣顆粒數(shù)量濃度及多環(huán)芳烴組分變化規(guī)律進行分析．

1試驗系統(tǒng)及方案

試驗系統(tǒng)如圖1所示，包括試驗用試驗樣機、臺架控制系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、顆粒采樣及分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．

1.1試驗樣機及燃料試驗樣機為某型高壓共軌重型柴油機，其排量為8.8,L，其技術參數(shù)如表1所示．試驗所用燃料為國V超低硫柴油與生物柴油的混合燃料BD20，其中生物柴油通過餐廚廢油經酯化反應制取，其體積分數(shù)為20%，理化特性如表2所示．

1.2試驗方案試驗采用穩(wěn)態(tài)工況測試法，通過AVL-ATA404電力測功機控制試驗樣機轉速、轉矩，使其按外特性工況運行，轉速范圍為1,000～2,200,r/min．

1.3后處理系統(tǒng)試驗樣機后處理系統(tǒng)為DOC＋DPF連續(xù)再生顆粒捕集系統(tǒng)，表3為DOC與DPF技術參數(shù)．

1.4顆粒采樣及分析方法試驗過程中，采用美國TSI公司的EEPS-3090型發(fā)動機廢氣排放顆粒粒徑譜儀，對外特性下穩(wěn)態(tài)工況時顆粒數(shù)量進行采集及分析．該儀器可對粒徑5～560,nm范圍內的顆粒物數(shù)量濃度進行測試，并最多可同步輸出32個粒徑通道測試結果．顆粒化學特性分析采用濾膜采樣方法：試驗樣機轉速固定在1,400,r/min，將其排氣引出，經過稀釋通道后流經濾紙架，采用特氟龍(Teflon)玻璃纖維濾膜采集顆粒樣品，采樣時間為900,s．為消除試驗工況對采樣精度的影響，采樣系統(tǒng)的參數(shù)在各次采樣中保持不變，采樣流量為1.8,g/s，其中包括柴油機排氣流量0.6,kg/s，稀釋氣體流量1.2,kg/s，稀釋通道溫度保持為175,℃．采樣結束后，將濾紙剪碎放入潔凈燒瓶中，加入60,mL二氯甲烷溶液，使樣本完全浸沒在溶劑中，超聲抽提20,min后吸出，經定性濾膜過濾后將其自然濃縮至0.2,mL，經過蒸發(fā)得到分析樣本，最后采用安捷倫(Agilent)7800,GC-5975,MS氣相色譜-質譜聯(lián)用系統(tǒng)對顆粒樣本中的多環(huán)芳烴組分進行檢測，所有樣本處理過程均按上述程序進行．

2試驗結果分析

2.1顆粒物理特性圖2為試驗樣機按外特性運行時，不同轉速下原機與連接DOC＋DPF后排氣顆粒數(shù)量濃度分布．從圖2可以看出，試驗樣機連接DOC＋DPF前后，顆粒數(shù)量濃度粒徑分布有所不同：原機顆粒數(shù)量濃度呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在粒徑60,nm附近，峰值數(shù)量級為106～108；當試驗樣機連接DOC＋DPF后，顆粒數(shù)量濃度分布在粒徑Dp＜50,nm區(qū)間內出現(xiàn)多個峰值，峰值數(shù)量級約為105～107．此外，當試驗樣機連接DOC＋DPF后，在粒徑Dp＞50,nm區(qū)間內顆粒數(shù)量濃度有較明顯下降，而粒徑Dp＜10,nm區(qū)間內顆粒數(shù)量濃度與原機較接近，在低轉速下甚至高于原機，這表明DOC＋DPF對粒徑較大的聚集態(tài)顆粒的捕集效果優(yōu)于粒徑較小的核態(tài)顆粒．造成上述現(xiàn)象的原因與排氣顆粒的形成機理有關：柴油機排氣顆粒中，核態(tài)顆粒主要成分為可溶有機組分及無機鹽，而聚集態(tài)顆粒主要由碳煙聚集形成，表面吸附部分無機鹽及有機組分．當試驗樣機連接DOC＋DPF后，粒徑較大的聚集態(tài)表面吸附的有機組分首先在DOC的作用下發(fā)生氧化分解，之后通過DPF的攔截機理被過濾，促使顆粒粒徑分布向小粒徑方向發(fā)展；另一方面，DOC＋DPF連續(xù)再生過程中生成的NO2具有較強的氧化性，有利于粒徑較小的硫酸鹽顆粒生成．圖3為試驗樣機按外特性運行時，不同轉速下DOC＋DPF對核態(tài)(粒徑Dp＜50,nm)及聚集態(tài)顆粒(50,nm＜Dp＜1,000,nm)的捕集效果．從圖中可以看出，DOC＋DPF對聚集態(tài)顆粒的捕集效果優(yōu)于核態(tài)顆粒：外特性下，DOC＋DPF對核態(tài)顆粒的捕集效率分別為69.2%,、87.3%,、86.4%,、95.2%,和97.8%,，而對聚集態(tài)顆粒的捕集效率則分別為74.7%,、95.3%,、97.1%,、99.1%,和99.4%,．此外，隨著轉速升高，DOC+DPF捕集效率呈上升趨勢．這是由于外特性工況下，隨著轉速上升，試驗樣機排氣溫度不斷升高，而較高的排氣溫度有利于DPF再生．

2.2顆粒化學特性柴油機排氣中的多環(huán)芳烴PAH具有很強的致癌作用，其排放水平決定了排氣顆粒的毒性．因此，在分析顆粒物化學特性時，重點對顆粒相PAH組分進行分析．

2.2.1不同PAH組分質量排放分析過程中，選擇美國環(huán)保局規(guī)定優(yōu)先檢測的19種代表性PAH組分為分析對象，其分子式如圖4所示．其中三環(huán)組分5種：苊烯(Acpy)、苊(Acp)、芴(Flu)、菲(Phe)和蒽(Ant)；四環(huán)組分4種：熒蒽(Flua)、芘(Pyr)、(Chr)和苯并[a]蒽(BaA)；五環(huán)組分7種：苯并[g，h，i]熒蒽(BghiF)、苯[cd]芘(BcdP)、苯并[b]熒蒽(BbF)、苯并[k]熒蒽(BkF)、苯并[e]芘(BeP)、苯并[a]芘(BaP)和二苯并[a，h]蒽(DBA)；六環(huán)組分3種：蒽并蒽(Anth)、茚并[1，2，3-cd]芘(IND)和苯并[g，h，i]苝(BghiP)．分析過程中，將色譜特征相近的苯并[b]熒蒽(BbF)與苯并[k]熒蒽(BkF)合并計算．圖5為試驗樣機連接DOC＋DPF前后PAH各組分的排放質量對比．從圖5可以看出，DOC＋DPF可明顯降低顆粒中PAH的質量：試驗過程中檢測到的19種PAH成分，除苯并[a]蒽及排放量略有上升外，其余17種均有所降低．連接DOC＋DPF后，PAH排放總質量從原機的940,ng下降至79.4,ng，降幅達91.5%,．2.2.2PAH組分環(huán)數(shù)分布圖6為試驗樣機連接DOC＋DPF前后，不同環(huán)數(shù)PAH排放質量變化情況．從圖中可以看出，在DOC氧化及DPF的物理攔截作用下，試驗樣機連接DOC＋DPF后，不同環(huán)數(shù)PAH均有顯著下降：試驗工況下，三環(huán)至六環(huán)PAH排放質量較原機分別下降95.9%,、88.8%,、78.1%,和100%,．

2.2.3PAH毒性分析各PAH組分中，五環(huán)苯并(a)芘具有強致癌性，被認為是致癌多環(huán)芳烴的典型．目前采用苯并(a)芘等效毒性當量來評價PAH組分的毒性，式中：mi為各PAH組分的質量；TEFi為各PAH組分的毒性當量因子(toxicologyequivalentfactor，TEF).Nisbet等[14]以苯并(a)芘為基準，根據(jù)各組分PAH的毒性規(guī)定了不同的TEF值，如表4所示．將表4中各PAH組分的毒性當量因子及圖5中各PAH組分的排放質量代入式(1)，即可求得試驗工況下，試驗樣機連接DOC＋DPF前后PAH排放的等效毒性TE，如圖7所示．從圖7中可以看出，試驗樣機連接DOC＋DPF后，排氣顆粒中PAH等效毒性從原機25.87,ng下降至1.56,ng，降幅達93.9%,，這表明DOC＋DPF可有效降低試驗樣機的排氣顆粒毒性.

3結論

(1)試驗樣機連接DOC＋DPF后，核態(tài)顆粒及聚集態(tài)顆粒均有明顯下降，DOC＋DPF對聚集態(tài)顆粒的捕集效果優(yōu)于核態(tài)顆粒．(2)外特性工況下，隨試驗樣機轉速上升，DOC＋DPF捕集效率呈上升趨勢．(3)DOC＋DPF可顯著降低排氣顆粒中PAH的質量，試驗過程中所檢測的19種PAH組分中，除四環(huán)苯并[a]蒽及外，其余17種排放質量均低于原機，顆粒多環(huán)芳烴排放質量下降91.3%,；試驗樣機連接DOC＋DPF后，不同環(huán)數(shù)PAH排放均低于原機．(4)試驗樣機連接DOC＋DPF后，PAH等效毒性下降93.9%,，DOC+DPF可有效降低排氣顆粒毒性.

作者：方奕棟 樓狄明 胡志遠 譚丕強 單位：同濟大學 機械工程博士后流動站 同濟大學 汽車學院