生物柴油对柴油机细颗粒物数量排放特性研究.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.016.017 10.16638/ki.1671-7988.2023.016.017 生物柴油对柴油机细颗粒物数量排放特性研究 郭亚辰，隋 航，吴春玲*，景晓军（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）摘要：论文选取一台满足现行国六排放标准的重型柴油机，使用 B7 柴油、B20 柴油两种燃料，在发动机台架上进行污染物排放测试，重点对细颗粒物数量（PN）排放进行分析。结果表明，使用 B7 柴油和 B20 柴油，各国六循环的 PN10 比排放量较 PN23 高 72%132%，与用柴油为燃料时规律近似。随着该两种生物柴油体积比提高，各循环 PN23 和 PN10 基本呈下降趋势，但粒径 1023 nmPN 排放占比依然较大。在冷态世界统一瞬态试验循环（WHTC）的启动阶段 B20 柴油较 B7 柴油的 PN10 更高，这可能与生物柴油密度和运动粘度均高于石化柴油有关，当使用生物柴油时需考虑对喷油器雾化进行进一步优化。关键词：重型柴油机；生物柴油；细颗粒物；颗粒物数量；排放 中图分类号：U262.11 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2023)16-86-05 Study on the Emission Characteristics of Biodiesel on the Fine Particles Number in Diesel Engines GUO Yachen,SUI Hang,WU Chunling*,JING Xiaojun(CATARC Automotive Test Center(Tianjin)Company Limited,Tianjin 300300,China)Abstract:A heavy-duty diesel engine that meets the current China emission standards is selected to run pollutant emission test on the engine test bench,used two fuels including B7 diesel and B20 diesel,with emphasis on the analysis of fine particulate number(PN)emission.The results show that the specific emission of PN10 in each cycle is 72%132%higher than that of PN23 when the two biodiesel fuel are used,which is similar to that when diesel is used as fuel.With the increase of the volume ratio of two kinds of biodiesel,PN23 and PN10 in each cycle basically showed a downward trend,but the PN emission proportion of particle size 1023 nm is still large.At the start-up stage of cold world harmonized transient cycle(WHTC),PN10 of B20 diesel is higher than that of B7 diesel,which may be related to the fact that the density and kinematically viscosity of biodiesel are higher than that of petrochemical diesel.Further optimization of atomization of injector should be considered when using biodiesel.作者简介：郭亚辰（1990），男，助理工程师，研究方向为汽车污染物排放，E-mail:。通信作者：吴春玲（1984），男，硕士，高级工程师，研究方向为汽车发动机排放检测，E-mail:。第 16 期 郭亚辰，等：生物柴油对柴油机细颗粒物数量排放特性研究 87 Keywords:Diesel engine;Biodiesel;Fine particle;Particle number;Emission 生物柴油作为一种生物替代燃料，由含氧脂肪酸脂组成，具有可再生、来源广泛、储运安全等优势1-4。且生物柴油的物理化学性质与传统柴油相当，既可单独用于现有柴油机的燃料，也可以任何比例和柴油混合使用，无需对柴油机结构进行改变即可使用5-6。欧洲作为全球最大的生物柴油生产地，在 2003 年开始批准生物柴油的开发和使用。目前，欧洲车用柴油标准生物柴油加入量为 7%，且一直在进行大比例生物柴油产品研究和标准化工作，以加大生物柴油的利用力度7。生态环境部发布的2022 年中国移动源环境管理年报8数据显示，2021 年全国汽车颗粒物排放量达 6.4 万吨，其中柴油车颗粒物排放量占90%以上。而根据研究报道，燃用生物柴油可以有效降低碳烟及部分尾气污染物排放，在某些工况，燃用地沟油生物柴油最多可降低 85%颗粒物排放9-10。柴油机燃用生物柴油后，比燃用一般柴油产生的颗粒物粒径较小，且不呈现粘结状态11。研究表明细颗粒物更容易在人体内沉积，对人体健康产生更大的危害12。目前，欧盟发布了机动车欧七排放法规议案，对排气颗粒物计数的粒径要求由欧六要求的粒径 23 nm 以上（PN23）扩展到粒径 10 nm 以上（PN 10）13。迄今为止研究人员对柴油机、气体机细颗粒物排放进行了大量的研究，但针对燃用生物柴油的柴油机细颗粒物排放特性的研究较少。本文选取一台满足国六排放标准的重型柴油机，分别使用两种配比生物柴油燃料，开展污染物排放测试对比，主要研究了国六重型柴油机使用生物柴油时细颗粒物数量排放特性，并分析了瞬态循环启动阶段生物柴油对细颗粒物数量排放的影响，为生物柴油的推广应用奠定了基础。1 试验设计 1.1 试验发动机 试验采用满足国六排放标准的电控高压共轨增压中冷柴油机，柴油机的主要技术指标如表 1所示。1.2 试验油品 本次试验使用的生物柴油为 B7 柴油和 B20柴油。其中，B7 柴油是体积比 7%的生物柴油和93%的石化柴油进行调合后所得的调和燃料，B20柴油是体积比 20%的生物柴油和 80%的石化柴油进行调合后所得的调和燃料。其技术参数和检测方法按照欧洲相关标准，且满足我国现行标准要求，使本次研究更具代表性。试验油品与目前我国使用的国六柴油的主要理化指标对比如表 2 所示，由表可知，生物柴油较国六柴油氧含量高，但密度和运动粘度增加。表 1 试验用柴油机的主要技术参数 技术参数 数值 发动机形式 直列、高压共轨 最大净功率/kW 480 排量/L 14.51 容积压缩比(230.5):1 排放标准 国六 最大净扭矩/(Nm)3 177 怠速转速/(r/min)650150 缸数-缸径行程/mm 6-135169 排气后处理系统型式 DOC+DPF+SCR+ASC 表 2 试验油品主要理化指标 试验项目 国六柴油 B7 柴油 B20 柴油 密度(15)/(kg/m3)835.7 837.0 846.4 运动粘度(20)/(mm2/s)3.822 4.116 4.618 净热值/(MJ/kg)42.85 42.47 42.07 碳/%(m/m)86.5 86.4 85.1 氢/%(m/m)13.4 13.0 12.4 氧/%(m/m)0.1 0.6 2.5 1.3 试验设备 本次试验台架主要由测功机、颗粒物测量系统和气态排放分析系统组成。其中颗粒物测量系统中可同时测量排气中的颗粒物 PN10 和 PN23。试验所用主要测试设备如表 3 所示。表 3 主要测试设备 设备名称 型号 电力测功机 ASM 6000/1.6-3.5 油耗仪 AVL 740 发动机进气系统 DET-JK8000 全流稀释通道 DLT-24150W 排放分析仪 MEXA-ONE-DC-OV 颗粒计数器 AVL APC xApp 颗粒采样系统 DLS-ONE 1.4 试验方案 按照国六法规要求，运行世界统一瞬态循环（World Harmonized Transient Cycle,WHTC）和世界统一稳态循环（World Harmonized Steady-state 88 汽 车 实 用 技 术 2023 年 Cycle,WHSC），测量后处理后颗粒物排放及气态污染物排放。为保证后处理尤其柴油颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter,DPF）处于相对一致的工作状态，每次冷态 WHTC 冷机前，需按照发动机标准流程进行预处理，保证后处理状态一致。2 试验结果与分析 2.1 国六柴油和 B7、B20 柴油排放及油耗对比 表 4 列出了该发动机使用 B7 柴油和 B20柴油的冷态 WHTC、热态 WHTC 和 WHSC 的比排放和油耗结果，并与之前使用国六柴油的结果对比。由表 4 可知，该发动机在使用国六柴油和 B7、B20柴油这三种燃油后，排放均满足国六限值要求。表 4 污染物比排放及油耗结果 试验项目 循环 国六柴油 B7 柴油 B20 柴油 THC 比排放/mg/(kWh)WHTC 1.1 0.9 1.2 WHSC 0.7 0.8 0.8 CO 比排放/mg/(kWh)WHTC 1.8 0.9 0.8 WHSC 1.2 0.9 2.1 NOx 比排放/mg/(kWh)WHTC 92.1 166.1 180.7 WHSC 90.9 308.5 311.5 PM 比排放/mg/(kWh)WHTC 3.0 2.8 2.7 WHSC 3.3 3.1 2.5 PN23 比排放/mg/(kWh)WHTC 2.21011 2.11011 2.01011 WHSC 1.61011 1.51011 1.11011 CO2比排放/mg/(kWh)WHTC 624 469 598 447 596 511 WHSC 592 080 572 135 571 982 油耗/g/(kWh)WHTC 201.7 186.1 185.9 WHSC 189.4 178.1 178.3 发动机使用生物柴油后颗粒物（Particulate Matter,PM）、颗粒物数量（Particles Number,PN）比排放整体呈下降趋势。这是因为生物燃料作为富氧燃料，使燃烧更加完全，尤其在燃烧室中局部空燃较低的情况，使燃料充分燃烧，从而减少颗粒物排放。且该发动机因为本身 THC 和 CO 比排放较低，使用生物柴油后，THC 和 CO 比排放维持较低水平。但随着生物柴油的使用，NOx 比排放明显升高，这是由于生物柴油含氧量高，缸内燃烧高温持续时间长等原因造成的14。使用生物柴油除了对污染物排放有影响，还可减少油耗和温室气体 CO2排放。虽然生物柴油热值略低，在高负荷和外特性会导致油耗增加，但生物柴油中的氧可在中低负荷促进燃料加速燃烧，减少燃料消耗，使整个测试循环油耗降低。2.2 B7 柴油和 B20 柴油 PN 排放特性 2.2.1 不同测试循环下 PN 排放对比 图 1 为冷态 WHTC、热态 WHTC 和 WHSC的 PN10 和 PN23 比排放结果。当使用 B7 柴油时，冷态 WHTC 的 PN10 比排放较 PN23 高 72.79%，热态 WHTC 的 PN10 比排放较 PN23 高 86.05%，WHSC 的 PN10 比排放较 PN23 高 111.91%。当使用 B20 时，冷态 WHTC 的 PN10 比排放较 PN23高 79.91%，热态 WHTC 的 PN10 比排放较 PN23高 79.66%，WHSC 的 PN10 比排放较 PN23 高131.36%。该发动机机使用 B7 和 B20 两种柴油为燃料时，各国六循环的 PN10 比排放较 PN23 高72%132%。从上述结果看，其与文献中使用柴油为燃料时，各循环的 PN10 比排放较 PN23 高40%137%规律近似15。图 1 不同测试循环下颗粒物比排放结果 随着生物柴油体积比由 B7 柴油的 7%提高到B20 柴油的 20%，该发动机冷态 WHTC 的 PN10比排放下降 3.32%，热态 WHTC 的 PN10 比排放下降 10.97%，WHSC 的 PN10 比排放下降 19.42%，各循环 PN23 和 PN10 比排放基本都呈下降趋势。但 1023 nm 颗粒数占比依然较大，瞬态循环粒径 1023 nm 颗粒数占总 PN 比排放 45%左右，稳态循环粒径 1023 nm 颗粒数占总 PN 比排放50%以上，并没有明显下降趋势。2.2.2 稳态工况下 PN 排放特性 图 2 为 WHSC 的工况分布图，由图可知，该稳态循环选取了具有代表性的 13 个工况点，除两个怠速工况外，该循环包含了五个不同转速，每个转速对应的扭矩又各不相同，涵盖了低、中、高负荷的测试，可进一步分析稳态工况下不同负荷对 PN 排放特性的影响。图 3 为 WHSC 各工况下 PN 排放对比，由图可知，该发动机在两个怠速工况 PN10 较 PN23 增长较少，其他工况使用 B7 和 B20 两种柴油 PN10第 16 期 郭亚辰，等：生物柴油对柴油机细颗粒物数量排放特性研究 89 较 PN23 都增长明显，尤其在第四、五、七、九、十这几个中高负荷工况增长达 150%以上，最高可达 210%。图 2 WHSC 的工况分布图 图 3 WHSC 中 PN10 和 PN23 排放对比 发动机使用 B20 柴油，在 WHSC 前五个工况和最后一个工况其 PN10 数值与使用 B7 柴油较接近，下降率几乎为 0，甚至在怠速工况 PN10 高于使用 B7 柴油。从 WHSC 第六个工况开始使用 B20柴油，PN10 有明显下降，B20 柴油较 B7 柴油下降率维持在 14%28%范围内。2.2.3 瞬态循环的 PN 排放特性 图 4 为使用 B7 柴油和 B20 柴油的 WHTC 中PN10 和 PN23 排放对比，该发动机在冷热态 WHTC前 400 s，PN10 和 PN23 数值差距并不明显，这一阶段的颗粒物直径主要集中在 23 nm 以上；4001 400 s 阶段，PN10 较 PN23 排放总量有明显增长，直径 1023 nm 范围的颗粒物所占比例开始增加；1 400 s 到循环结束怠速工况前，PN10 排放总量增长速率进一步加快，直径 1023 nm 范围的颗粒物所占比例明显增加。图 5 为 WHTC 中 PN10 排放瞬态值，使用 B7柴油和 B20 柴油该发动机 PN10 排放瞬态值曲线重合度较高，没有明显下降的区域。在一些 PN10突然增加的工况，使用 B20 柴油较 B7 柴油 PN10有所降低，这可能是因为 WHTC 作为瞬态循环，工况变化较快，当发动机从小负荷快速变化到大负荷时，发动机因多喷油导致空燃比低于理论空燃比燃烧变差，此时生物柴油体积比提高带来的氧含量增加，对 PN10 排放增加起到了一定抑制作用。图 4 WHTC 中 PN10 和 PN23 排放对比 图 5 WHTC 中 PN10 排放瞬态值 该发动机在冷态 WHTC 启动阶段 B20 柴油较90 汽 车 实 用 技 术 2023 年 B7 柴油的 PN10 反而更高，这可能与生物柴油密度和运动粘度均高于石化柴油有关，当生物柴油体积比提高时，冷机状态下启动雾化效果变差，随之燃烧变差，PN10 增加。随着发动机温度升高，雾化效果变好，B20 柴油较 B7 柴油的 PN10 开始降低。这一现象在热态 WHTC 并没有出现，只存在于冷态 WHTC 发动机温度较低的情况，当使用生物柴油时需考虑对喷油器冷启动雾化进行进一步优化。3 结论 1）与使用市售国六柴油相比，该发动机在使用生物柴油 B7 和 B20 后 PM、PN 比排放整体呈下降趋势，THC 和 CO 比排放维持较低水平，温室气体 CO2比排放和比油耗减少，NOx 比排放明显升高。2）该发动机使用 B7 柴油，冷态 WHTC、热态 WHTC、WHSC 中 PN10 比排放比 PN23 分别高72.79%、86.05%、111.91%；使用 B20 柴油，冷态 WHTC、热态 WHTC、WHSC 中 PN10 比排放比 PN23 分别高 79.91%、79.66%、131.36%。生物柴油体积比由 7%提高到 20%，各循环 PN23 和PN10 比排放基本都呈下降趋势，其中，WHSC 的PN10 比排放下降可达 26.19%，但粒径 1023 nm的 PN 比排放占比依然较大。3）该发动机在冷热态 WHTC 的 1 400 s 到循环结束怠速工况前范围内，直径 1023 nm 范围的颗粒物占比较高。在冷态 WHTC 的启动阶段 B20柴油较 B7 柴油的 PN10 更高。参考文献 1 袁银男,肖政臻,梅德清,等.生物柴油排气颗粒物含量及其消光特性J.中国粉体技术,2022,28(6):70-77.2 DWIVEDI G,JAIN S,SHARMA M P.Impact Analysis of Biodiesel on Engine Performance:A ReviewJ.RenewableSustainable Energy Reviews,2011,15(9):4633-4641.3 滕虎,牟英,杨天奎,等.生物柴油研究进展J.生物工程学报,2010,26(7):892-902.4 李立琳,王忠,许广举,等.柴油机燃用柴油与生物柴油的雾化特性分析J.农业工程学报,2011,27(S1):299-303.5 BHASKAR S V,BABU G S.Effect of Biodiesel and Their Diesel Blends on Performance and Emission Characteristics of CIDI Engine:A ReviewJ.Interna-tional Journal for Research in Applied Science Engineering Technology,2015,3(12):210-220.6 刘雯清.柴油/生物柴油/正丁醇混合燃料喷雾特性数值模拟D.镇江:江苏大学,2022.7 蔺建民,夏鑫,陶志平.欧洲生物柴油产品标准体系发展对我国的启示J.现代化工,2021,41(8):1-7.8 环境保护编辑部.2022 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