生物柴油发动机排气颗粒分析范文

《内燃机学报》2016年第二期

摘要：

以某型高压共轨柴油机为研究对象，研究试验样机燃用BD20混合燃料时，DOC＋DPF后处理装置对其排气颗粒理化特性的影响．结果表明：外特性工况下，试验样机连接DOC＋DPF后，聚集态颗粒数量浓度降幅最高达99.4%,，而核态颗粒数量浓度降幅不如聚集态颗粒．随试验样机转速上升，DOC＋DPF的捕集效率呈上升趋势．此外，试验样机连接DOC＋DPF后，多环芳烃(polycyclicaromatichydrocarbons，PAH)排放质量下降91.5%,，所检测的19种PAH组分中，有17种组分排放质量减少，DOC＋DPF可使PAH等效毒性下降93.9%,．

关键词：

颗粒捕集；生物柴油；颗粒排放；理化特性

柴油机由于具有较好的动力性及经济性，在各类轻、重型车辆上得到了广泛的应用．然而，颗粒物排放是现代柴油机面临的挑战，降低颗粒物排放是现代柴油机需要关注和研究的课题．为解决柴油机颗粒排放问题，近年来针对各种替代燃料的研究正如火如荼地开展．生物柴油作为一种可再生能源，具有十六烷值较高、含氧量高以及含硫量低等优点，逐渐成为替代燃料领域的研究热点[1-9]．已有研究表明，柴油机燃用生物柴油后，颗粒质量排放有所降低，然而却可能导致颗粒数量排放升高[10-11]．另一方面，后处理技术是柴油机颗粒排放控制的重要手段，亦可应用于生物柴油发动机．姚笛等[12-13]对不同后处理技术在生物柴油发动机上的应用进行了研究，分析了不同后处理技术对生物柴油发动机颗粒排放的影响．然而，针对单一后处理技术对生物柴油发动机排气颗粒理化特质的影响机制，还需要更深入的研究．笔者针对DOC＋DPF连续再生颗粒捕集系统，以某型高压共轨重型柴油机为试验对象，通过台架试验结合滤膜采样分析，研究DOC＋DPF后处理系统对生物柴油发动机排气颗粒理化特性的影响，对生物柴油发动机连接DOC＋DPF后的排气颗粒数量浓度及多环芳烃组分变化规律进行分析．

1试验系统及方案

试验系统如图1所示，包括试验用试验样机、台架控制系统、后处理系统、颗粒采样及分析系统和数据采集系统．

1.1试验样机及燃料试验样机为某型高压共轨重型柴油机，其排量为8.8,L，其技术参数如表1所示．试验所用燃料为国V超低硫柴油与生物柴油的混合燃料BD20，其中生物柴油通过餐厨废油经酯化反应制取，其体积分数为20%，理化特性如表2所示．

1.2试验方案试验采用稳态工况测试法，通过AVL-ATA404电力测功机控制试验样机转速、转矩，使其按外特性工况运行，转速范围为1,000～2,200,r/min．

1.3后处理系统试验样机后处理系统为DOC＋DPF连续再生颗粒捕集系统，表3为DOC与DPF技术参数．

1.4颗粒采样及分析方法试验过程中，采用美国TSI公司的EEPS-3090型发动机废气排放颗粒粒径谱仪，对外特性下稳态工况时颗粒数量进行采集及分析．该仪器可对粒径5～560,nm范围内的颗粒物数量浓度进行测试，并最多可同步输出32个粒径通道测试结果．颗粒化学特性分析采用滤膜采样方法：试验样机转速固定在1,400,r/min，将其排气引出，经过稀释通道后流经滤纸架，采用特氟龙(Teflon)玻璃纤维滤膜采集颗粒样品，采样时间为900,s．为消除试验工况对采样精度的影响，采样系统的参数在各次采样中保持不变，采样流量为1.8,g/s，其中包括柴油机排气流量0.6,kg/s，稀释气体流量1.2,kg/s，稀释通道温度保持为175,℃．采样结束后，将滤纸剪碎放入洁净烧瓶中，加入60,mL二氯甲烷溶液，使样本完全浸没在溶剂中，超声抽提20,min后吸出，经定性滤膜过滤后将其自然浓缩至0.2,mL，经过蒸发得到分析样本，最后采用安捷伦(Agilent)7800,GC-5975,MS气相色谱-质谱联用系统对颗粒样本中的多环芳烃组分进行检测，所有样本处理过程均按上述程序进行．

2试验结果分析

2.1颗粒物理特性图2为试验样机按外特性运行时，不同转速下原机与连接DOC＋DPF后排气颗粒数量浓度分布．从图2可以看出，试验样机连接DOC＋DPF前后，颗粒数量浓度粒径分布有所不同：原机颗粒数量浓度呈单峰分布，峰值出现在粒径60,nm附近，峰值数量级为106～108；当试验样机连接DOC＋DPF后，颗粒数量浓度分布在粒径Dp＜50,nm区间内出现多个峰值，峰值数量级约为105～107．此外，当试验样机连接DOC＋DPF后，在粒径Dp＞50,nm区间内颗粒数量浓度有较明显下降，而粒径Dp＜10,nm区间内颗粒数量浓度与原机较接近，在低转速下甚至高于原机，这表明DOC＋DPF对粒径较大的聚集态颗粒的捕集效果优于粒径较小的核态颗粒．造成上述现象的原因与排气颗粒的形成机理有关：柴油机排气颗粒中，核态颗粒主要成分为可溶有机组分及无机盐，而聚集态颗粒主要由碳烟聚集形成，表面吸附部分无机盐及有机组分．当试验样机连接DOC＋DPF后，粒径较大的聚集态表面吸附的有机组分首先在DOC的作用下发生氧化分解，之后通过DPF的拦截机理被过滤，促使颗粒粒径分布向小粒径方向发展；另一方面，DOC＋DPF连续再生过程中生成的NO2具有较强的氧化性，有利于粒径较小的硫酸盐颗粒生成．图3为试验样机按外特性运行时，不同转速下DOC＋DPF对核态(粒径Dp＜50,nm)及聚集态颗粒(50,nm＜Dp＜1,000,nm)的捕集效果．从图中可以看出，DOC＋DPF对聚集态颗粒的捕集效果优于核态颗粒：外特性下，DOC＋DPF对核态颗粒的捕集效率分别为69.2%,、87.3%,、86.4%,、95.2%,和97.8%,，而对聚集态颗粒的捕集效率则分别为74.7%,、95.3%,、97.1%,、99.1%,和99.4%,．此外，随着转速升高，DOC+DPF捕集效率呈上升趋势．这是由于外特性工况下，随着转速上升，试验样机排气温度不断升高，而较高的排气温度有利于DPF再生．

2.2颗粒化学特性柴油机排气中的多环芳烃PAH具有很强的致癌作用，其排放水平决定了排气颗粒的毒性．因此，在分析颗粒物化学特性时，重点对颗粒相PAH组分进行分析．

2.2.1不同PAH组分质量排放分析过程中，选择美国环保局规定优先检测的19种代表性PAH组分为分析对象，其分子式如图4所示．其中三环组分5种：苊烯(Acpy)、苊(Acp)、芴(Flu)、菲(Phe)和蒽(Ant)；四环组分4种：荧蒽(Flua)、芘(Pyr)、(Chr)和苯并[a]蒽(BaA)；五环组分7种：苯并[g，h，i]荧蒽(BghiF)、苯[cd]芘(BcdP)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[k]荧蒽(BkF)、苯并[e]芘(BeP)、苯并[a]芘(BaP)和二苯并[a，h]蒽(DBA)；六环组分3种：蒽并蒽(Anth)、茚并[1，2，3-cd]芘(IND)和苯并[g，h，i]苝(BghiP)．分析过程中，将色谱特征相近的苯并[b]荧蒽(BbF)与苯并[k]荧蒽(BkF)合并计算．图5为试验样机连接DOC＋DPF前后PAH各组分的排放质量对比．从图5可以看出，DOC＋DPF可明显降低颗粒中PAH的质量：试验过程中检测到的19种PAH成分，除苯并[a]蒽及排放量略有上升外，其余17种均有所降低．连接DOC＋DPF后，PAH排放总质量从原机的940,ng下降至79.4,ng，降幅达91.5%,．2.2.2PAH组分环数分布图6为试验样机连接DOC＋DPF前后，不同环数PAH排放质量变化情况．从图中可以看出，在DOC氧化及DPF的物理拦截作用下，试验样机连接DOC＋DPF后，不同环数PAH均有显著下降：试验工况下，三环至六环PAH排放质量较原机分别下降95.9%,、88.8%,、78.1%,和100%,．

2.2.3PAH毒性分析各PAH组分中，五环苯并(a)芘具有强致癌性，被认为是致癌多环芳烃的典型．目前采用苯并(a)芘等效毒性当量来评价PAH组分的毒性，式中：mi为各PAH组分的质量；TEFi为各PAH组分的毒性当量因子(toxicologyequivalentfactor，TEF).Nisbet等[14]以苯并(a)芘为基准，根据各组分PAH的毒性规定了不同的TEF值，如表4所示．将表4中各PAH组分的毒性当量因子及图5中各PAH组分的排放质量代入式(1)，即可求得试验工况下，试验样机连接DOC＋DPF前后PAH排放的等效毒性TE，如图7所示．从图7中可以看出，试验样机连接DOC＋DPF后，排气颗粒中PAH等效毒性从原机25.87,ng下降至1.56,ng，降幅达93.9%,，这表明DOC＋DPF可有效降低试验样机的排气颗粒毒性.

3结论

(1)试验样机连接DOC＋DPF后，核态颗粒及聚集态颗粒均有明显下降，DOC＋DPF对聚集态颗粒的捕集效果优于核态颗粒．(2)外特性工况下，随试验样机转速上升，DOC＋DPF捕集效率呈上升趋势．(3)DOC＋DPF可显著降低排气颗粒中PAH的质量，试验过程中所检测的19种PAH组分中，除四环苯并[a]蒽及外，其余17种排放质量均低于原机，颗粒多环芳烃排放质量下降91.3%,；试验样机连接DOC＋DPF后，不同环数PAH排放均低于原机．(4)试验样机连接DOC＋DPF后，PAH等效毒性下降93.9%,，DOC+DPF可有效降低排气颗粒毒性.

作者：方奕栋 楼狄明 胡志远 谭丕强 单位：同济大学 机械工程博士后流动站 同济大学 汽车学院