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      柴油機顆粒物排放特性分析

      2016-08-31 12:34:14呂祎張子陽向立明湖北文理學(xué)院湖北襄陽441000
      中國設(shè)備工程 2016年8期
      關(guān)鍵詞:尾氣個數(shù)顆粒物

      呂祎,張子陽,向立明(湖北文理學(xué)院,湖北 襄陽 441000)

      柴油機顆粒物排放特性分析

      呂祎,張子陽,向立明
      (湖北文理學(xué)院,湖北 襄陽 441000)

      采用N anom et3內(nèi)燃機顆粒物分析測試儀對一臺單缸柴油機進(jìn)行了尾氣顆粒物排放特性的實驗研究。結(jié)果表明:在負(fù)荷特性實驗中,柴油機顆粒物個數(shù)、質(zhì)量、肺表面沉積濃度指標(biāo)隨著扭矩增加呈緩慢上升趨勢,顆粒物粒徑呈多峰狀態(tài);在速度特性實驗中,柴油機各項指標(biāo)均呈多峰分布。在兩種工況下,生物柴油燃燒尾氣顆粒物濃度比純柴油要低很多,速度特性實驗中顆粒物粒徑遠(yuǎn)大于純柴油粒徑。

      柴油機;顆粒物;濃度;粒徑

      動植物油脂經(jīng)酯交換工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橹辨溨舅釂熙?,稱為生物柴油,其燃料特性與石化柴油非常接近[1]。大量的研究結(jié)果表明,柴油發(fā)動機排放的顆粒物不僅污染環(huán)境,而且可能對人體呼氣系統(tǒng)造成重大傷害,甚至發(fā)生遺傳性基因突變[2]。

      1 柴油物化性質(zhì)

      1.1 理化指標(biāo)

      生物柴油主要有C、H、O三種元素組成,其主要是由軟脂酸、硬脂酸、油酸和亞油酸等長鏈飽和(或不飽和)脂肪酸與醇類物質(zhì)所形成的脂類化合物。表1為純生物柴油與純柴油的理化指標(biāo)比較。

      1.2 燃燒排放特性

      柴油機的尾氣顆粒物主要成分是碳、碳水化合物和硫化物等[3]。表2為生物柴油和純柴油的排放特性。

      1.3 柴油燃料排放標(biāo)準(zhǔn)

      目前國際上通用的柴油機尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)[4],均基于對顆粒物質(zhì)量濃度的測量[5]。表3為歐洲車用柴油及排放標(biāo)準(zhǔn),我國環(huán)保部門制定的柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)如表4。

      2 顆粒物排放特性對比實驗

      2.1 實驗設(shè)備及材料

      實驗儀器設(shè)備見表5 。

      2.2 實驗結(jié)果與分析

      在發(fā)動機臺架上分別進(jìn)行了1 200 r/min和60%油門開度下的負(fù)荷特性和速度特性實驗,對比純柴油和純生物柴油尾氣顆粒物排放。

      2.2.1 個數(shù)濃度

      表1 純生物柴油PD和純0號柴油PB的理化特性指標(biāo)

      表2 純生物柴油PD和純0號柴油PB的排放特性比較

      表3 歐洲車用柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)

      表4 我國柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)

      表5 實驗儀器設(shè)備

      圖1 顆粒物個數(shù)濃度變化曲線

      圖1a和圖1b分別是負(fù)荷特性和速度特性實驗中尾氣顆粒物個數(shù)濃度變化曲線。純生物柴油尾氣顆粒物平均個數(shù)濃度遠(yuǎn)低于純柴油。在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下,隨著柴油發(fā)動機扭矩增大,顆粒物個數(shù)濃度先是緩慢增加,至80 N.m后,顆粒物濃度急劇升高,純柴油最高點濃度約為1.8×108比純生物柴油顆粒物濃度高出1個數(shù)量級。純柴油燃燒受發(fā)動機工況影響較大,其個數(shù)濃度變化曲線波動較純生物柴油多,分別在40 N.m和80 N.m出現(xiàn)兩個谷點,純柴油最低點濃度約為7×107比純生物柴油顆粒物濃度低1個數(shù)量級。

      在60%油門開度下,隨著柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大,顆粒物個數(shù)濃度呈現(xiàn)多峰[6],純柴油尾氣顆粒物在900 r/min和1 700 r/min轉(zhuǎn)速下個數(shù)濃度數(shù)量級達(dá)1.7×108。純生物柴油尾氣顆粒物在1 000 r/min和1 500 r/min轉(zhuǎn)速下處于峰值點,且1 500 r/min時濃度比1 000 r/min下降1個數(shù)量級。在怠速800 r/min時,純生物柴油顆粒物個數(shù)濃度為6×107,比純柴油濃度低1個數(shù)量級。在1 200 r/min時,純柴油顆粒物個數(shù)濃度急劇下降至5×107,比同工況下純生物柴油濃度略低??梢姡兩锊裼驮诘∷俸透咚俟r下,顆粒物個數(shù)濃度遠(yuǎn)比純柴油低,中低轉(zhuǎn)速顆粒物個數(shù)卻比純柴油略高。

      2.2.2 顆粒物粒徑

      圖2是兩種燃料尾氣顆粒物粒徑變化曲線。在1 200 r/min負(fù)荷特性實驗中,隨著扭矩增大,純生物柴油尾氣顆粒物粒徑逐漸增大,范圍約在50~90 nm;純柴油尾氣呈現(xiàn)多峰,在40 N.m時,顆粒物粒徑最高至135 nm約為同工況點純生物柴油顆粒物粒徑的2倍,其他工況點的粒徑基本保持在60~110 nm之間[7]。

      圖2 顆粒物粒徑變化曲線

      在60%油門開度下,純生物柴油顆粒物平均粒徑要比純柴油大18 nm。在800~1 700 r/min工況點,純生物柴油顆粒物粒徑約為85~105 nm,比相同工況點純柴油顆粒物粒徑大約30 nm。60%/1 700 r/min之后,呈現(xiàn)相反趨勢,純生物柴油顆粒物粒徑急劇減小至60 nm,而純柴油粒徑逐漸增大至95 nm??梢?,在大負(fù)荷高轉(zhuǎn)速工況下,純生物柴油的粒徑逐漸變小,且小于純柴油顆粒物的粒徑。

      2.2.3 顆粒物質(zhì)量濃度

      圖3e和圖3f分別為兩種燃料顆粒物質(zhì)量濃度變化曲線。負(fù)荷特性顆粒物質(zhì)量濃度變化與圖1個數(shù)濃度變化趨勢比較接近。在1 200 r/min時,隨著發(fā)動機扭矩增大,兩種燃料的顆粒物質(zhì)量濃度均逐漸增大,純生物柴油在70 N.m以前質(zhì)量濃度增速較緩,在70 N.m之后急劇升高至40 mg/m3;純柴油在40 N.m時波動至9.27 mg/m3,至50 N.m時質(zhì)量濃度最低為2.66 mg/ m3。在圖3f中60%油門開度下,兩種燃料顆粒物質(zhì)量濃度都隨著柴油機扭矩增大呈現(xiàn)雙峰型。純生物柴油在1 050 r/min和1 550 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度達(dá)到56 mg/m3,在1 550 r/min轉(zhuǎn)速后顆粒物質(zhì)量濃度急劇下降至1.8 mg/m3。純柴油在900 r/min和1 700 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度分別達(dá)到41 mg/m3和59 mg/m3,在1 700 r/min后質(zhì)量濃度也呈迅速下降趨勢。對比兩種燃料1 000~1 550 r/min之間的質(zhì)量濃度,純柴油在1 100 r/min處的質(zhì)量濃度最小約為19 mg/m3,比純生物柴油低約33 mg/m3。可見,在60%油門開度中低轉(zhuǎn)速工況,純柴油顆粒物質(zhì)量濃度要遠(yuǎn)小于純生物柴油的顆粒物質(zhì)量濃度,這與此時純生物柴油個數(shù)濃度高有一定相關(guān)性。

      圖3 顆粒物質(zhì)量濃度變化曲線

      2.2.4 顆粒物肺表面沉積濃度

      圖4g和圖4h分別為負(fù)荷特性和速度特性實驗中顆粒物肺表面沉積濃度變化曲線。在1 200 r/min下,隨著發(fā)動機扭矩增大,兩種燃料的顆粒物肺表面沉積濃度均逐漸增大,純生物柴油在70 N.m以前沉積濃度增速較緩,在70 N.m之后急劇升高至1.1×105um2/ccm;純柴油在40 N.m時波動至5.3×104um2/ccm,至50 N.m時質(zhì)量濃度最低為2.8×104um2/ccm。對比相同工況下顆粒物個數(shù)和數(shù)量濃度變化,可看出肺表面沉積濃度與這兩個參數(shù)有很大關(guān)系。

      在60%油門開度下,兩種燃料尾氣顆粒物肺表面沉積濃度呈現(xiàn)雙峰。純生物柴油在1 050和1 550 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度達(dá)到5.2×105um2/ccm和4.4×105um2/ ccm,在1 550 r/min轉(zhuǎn)速后顆粒物質(zhì)量濃度急劇下降至6.4×104um2/ccm。純柴油在900 r/min和1 600 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度分別達(dá)到5.6×105um2/ccm和5.4×105um2/ccm,在1 700 r/min后質(zhì)量濃度也呈迅速下降趨勢。對比兩種燃料1 000~1 550 r/min之間肺表面沉積濃度,純柴油在1 150 r/min處沉積濃度最小約為2.2×105um2/ccm,比純生物柴油低約一倍。由于純生物柴油平均粒徑比純柴油大約20 nm,使得在怠速和高轉(zhuǎn)速工況下,純生物柴油顆粒物肺表面沉積濃度遠(yuǎn)小于純柴油。

      圖4 顆粒物肺表面沉積濃度變化曲線

      3 結(jié)論

      (1)在負(fù)荷特性實驗中,純柴油顆粒物平均粒徑要比純生物柴油大。在大扭矩工況下,純柴油的顆粒物個數(shù)、質(zhì)量和肺表面沉積濃度都遠(yuǎn)大于純生物柴油。(2)在速度特性實驗中,在中等轉(zhuǎn)速工況點,純生物柴油顆粒物的個數(shù)、粒徑、質(zhì)量和肺表面沉積濃度都比純柴油大。在怠速區(qū)和高轉(zhuǎn)速區(qū),純生物柴油顆粒物的個數(shù)濃度和肺表面沉積濃度卻比純柴油的顆粒物要低。(3)經(jīng)過以上實驗驗證,純生物柴油完全可以作為一種新型替代燃料,為了進(jìn)一步降低中等轉(zhuǎn)速的顆粒物排放濃度,可將兩種燃料進(jìn)行混合配比燃燒。

      [1] 陳振斌,蔣盛軍,肖明偉,等.生物柴油與石化柴油性能的比較分析[J].中國油脂,2008(33):11.

      [2] F J WEINBER G.Electrical Aspects of Aerosed Formation and Control,Proc.R.Soc.Lond.A,1968(307):195~208.

      [3] 陳慶平,余明洲.柴油發(fā)動機尾氣顆粒物研究進(jìn)展[J].浙江水利水電??茖W(xué)校學(xué)報,2010,22(1):41~42,50

      [4] 印菘,劉偉偉,劉微,等.生物柴油的燃燒特性及其排放標(biāo)準(zhǔn)[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備,2008(36):49~51

      [5] 岑可法,姚強,等.燃燒理論和污染控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

      [6] 樓狄明,陳峰,胡志遠(yuǎn),等.公交車燃用生物柴油的顆粒物排放特性[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(10):3749~3754.

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      TK411

      A

      1671-0711(2016)07(下)-0084-03

      “機電汽車”湖北省優(yōu)勢特色學(xué)科群2016年開放基金項目(XKQ2016014)。

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