柴油、生物柴油后噴燃燒過程中顆粒物粒數粒徑

    柴油機因為具有較高的熱效率、良好的動力性、經濟性和耐久性得到廣泛應用，隨著柴油車的保有量不斷增加，其排放物給自然環境和人類的身心帶來嚴重的負面影響，尤其是其顆粒物排放也成為近年來造成全國大規模霧霾天氣的元兇之一．世界各國制定了越來越嚴格的排放法規來限制顆粒物的排放．對柴油機顆粒物生成機理及排放控制方面的相關研究越來越受到重視．

    伴隨著我國經濟的快速增長，對能源的需求量也急劇增加，能源供應安全已成為確保我國經濟持續穩定增長的重要問題之一．生物柴油作為一種代用燃料，可以在不改變柴油機結構的前提下，獲得與柴油接近的動力性能和比柴油更加優越的排放性能[1]．

    大量的試驗研究表明，柴油機燃用生物柴油及柴油-生物柴油混合燃料時，柴油機的HC排放量顯著降低，CO排放量也有所降低，同時可以有效地降低顆粒物排放[2-5]；Krahl等[6]、Jung等[7]、Di等[8]和Tsolakis[9]的研究結果表明，燃用生物柴油降低顆粒物質量的同時卻增加了其總粒子數密度．Di等[8]進行了生物柴油、柴油的摻燒和乙醇、柴油的摻燒試驗，通過對比不同摻燒組分對柴油機排放顆粒物的影響發現：增加燃料中的含氧量可以降低尾氣顆粒物的質量濃度；而隨含氧量的增加，顆粒物的幾何平均直徑變小；生物柴油、柴油的摻燒所生成的顆粒物總粒子數密度升高，但乙醇、柴油摻燒所產生的顆粒物總粒子數密度卻降低，這主要是由于乙醇有更低的黏性，霧化效果更好．

    目前，針對生物柴油及普通柴油顆粒物的研究主要是針對排氣中的相關問題，而對于燃燒過程中顆粒物的研究報道很少，鑒于此，本文借助于全氣缸取樣平臺，在一臺高壓共軌增壓柴油機上研究生物柴油后噴燃燒過程中顆粒物的粒數粒徑分布，總粒子數密度及質量濃度的變化規律；并與柴油進行對比，探討生物柴油對顆粒物的生成及氧化的影響．這對深入理解燃燒過程中碳煙微粒的生成、演化機理及控制污染物的排放有非常重要的意義．

    本文借助于全氣缸取樣平臺，在一臺由CY6102BQ型柴油機的第6缸改裝而成的試驗單缸機上進行試驗，全氣缸系統機構圖及發動機主要參數見參考文獻[10]．改裝后的試驗單缸機加裝了DENSO電控高壓共軌燃油噴射系統，采用ETAS公司的INCA標定軟件，能夠控制、調節該單缸機的噴油參數．試驗臺架采用德國產W230型SCHENCK的電渦流測功機控制發動機運行工況．采用大連新風科技有限公司的采樣控制系統，在特定的燃燒時刻控制全氣缸取樣裝置打破燃燒空間，使缸內正在燃燒中的氣體溢出燃燒室，同時釋放高壓氮氣使燃氣迅速降溫，“淬滅”其化學反應，經稀釋降溫的樣氣沿管路進入取樣袋中，然后接發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀(EEPS-3090)進行粒數粒徑的分析測量，或由真空泵以一定的流速將其抽取到特定的濾膜上，而后進行顆粒物的后續處理分析．

    采用美國TSI公司的發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀(EEPS-3090)分析研究柴油機顆粒物粒數濃度以及粒數粒徑分布特性．該儀器基于電遷移性原理，可高精度、實時測量穩態和瞬態工況粒徑分布，測量粒徑范圍為5.6～560,nm，該儀器前級配備了379020型旋轉式熱稀釋儀，稀釋比范圍為15∶1～3,000∶1．在本次試驗的測試過程中，稀釋比為260∶1，此稀釋比可有效地減弱采樣顆粒物的進一步凝并[11]．采樣流量為10,L/min．

    顆粒物質量的測定采用稱重法．將取樣袋中的樣氣利用真空泵過濾到PALLFLEX公司生產的聚四氟乙烯濾膜上，采樣前、后使用電子微量天平(Sartorius ME 5-F)分別稱重．以濾膜質量之差作為微粒(particle matter，PM)的質量．稱重之后立即進行索氏萃取[12]，去除顆粒物中的可溶性有機物(soluble organic fraction，SOF)；萃取后與取樣前濾膜質量差近似為干碳煙(soot)的質量[13]．