柴油、生物柴油后喷燃烧过程中颗粒物粒数粒径

    柴油机因为具有较高的热效率、良好的动力性、经济性和耐久性得到广泛应用，随着柴油车的保有量不断增加，其排放物给自然环境和人类的身心带来严重的负面影响，尤其是其颗粒物排放也成为近年来造成全国大规模雾霾天气的元凶之一．世界各国制定了越来越严格的排放法规来限制颗粒物的排放．对柴油机颗粒物生成机理及排放控制方面的相关研究越来越受到重视．

    伴随着我国经济的快速增长，对能源的需求量也急剧增加，能源供应安全已成为确保我国经济持续稳定增长的重要问题之一．生物柴油作为一种代用燃料，可以在不改变柴油机结构的前提下，获得与柴油接近的动力性能和比柴油更加优越的排放性能[1]．

    大量的试验研究表明，柴油机燃用生物柴油及柴油-生物柴油混合燃料时，柴油机的HC排放量显著降低，CO排放量也有所降低，同时可以有效地降低颗粒物排放[2-5]；Krahl等[6]、Jung等[7]、Di等[8]和Tsolakis[9]的研究结果表明，燃用生物柴油降低颗粒物质量的同时却增加了其总粒子数密度．Di等[8]进行了生物柴油、柴油的掺烧和乙醇、柴油的掺烧试验，通过对比不同掺烧组分对柴油机排放颗粒物的影响发现：增加燃料中的含氧量可以降低尾气颗粒物的质量浓度；而随含氧量的增加，颗粒物的几何平均直径变小；生物柴油、柴油的掺烧所生成的颗粒物总粒子数密度升高，但乙醇、柴油掺烧所产生的颗粒物总粒子数密度却降低，这主要是由于乙醇有更低的黏性，雾化效果更好．

    目前，针对生物柴油及普通柴油颗粒物的研究主要是针对排气中的相关问题，而对于燃烧过程中颗粒物的研究报道很少，鉴于此，本文借助于全气缸取样平台，在一台高压共轨增压柴油机上研究生物柴油后喷燃烧过程中颗粒物的粒数粒径分布，总粒子数密度及质量浓度的变化规律；并与柴油进行对比，探讨生物柴油对颗粒物的生成及氧化的影响．这对深入理解燃烧过程中碳烟微粒的生成、演化机理及控制污染物的排放有非常重要的意义．

    本文借助于全气缸取样平台，在一台由CY6102BQ型柴油机的第6缸改装而成的试验单缸机上进行试验，全气缸系统机构图及发动机主要参数见参考文献[10]．改装后的试验单缸机加装了DENSO电控高压共轨燃油喷射系统，采用ETAS公司的INCA标定软件，能够控制、调节该单缸机的喷油参数．试验台架采用德国产W230型SCHENCK的电涡流测功机控制发动机运行工况．采用大连新风科技有限公司的采样控制系统，在特定的燃烧时刻控制全气缸取样装置打破燃烧空间，使缸内正在燃烧中的气体溢出燃烧室，同时释放高压氮气使燃气迅速降温，“淬灭”其化学反应，经稀释降温的样气沿管路进入取样袋中，然后接发动机废气排放颗粒物粒径谱仪(EEPS-3090)进行粒数粒径的分析测量，或由真空泵以一定的流速将其抽取到特定的滤膜上，而后进行颗粒物的后续处理分析．

    采用美国TSI公司的发动机废气排放颗粒物粒径谱仪(EEPS-3090)分析研究柴油机颗粒物粒数浓度以及粒数粒径分布特性．该仪器基于电迁移性原理，可高精度、实时测量稳态和瞬态工况粒径分布，测量粒径范围为5.6～560,nm，该仪器前级配备了379020型旋转式热稀释仪，稀释比范围为15∶1～3,000∶1．在本次试验的测试过程中，稀释比为260∶1，此稀释比可有效地减弱采样颗粒物的进一步凝并[11]．采样流量为10,L/min．

    颗粒物质量的测定采用称重法．将取样袋中的样气利用真空泵过滤到PALLFLEX公司生产的聚四氟乙烯滤膜上，采样前、后使用电子微量天平(Sartorius ME 5-F)分别称重．以滤膜质量之差作为微粒(particle matter，PM)的质量．称重之后立即进行索氏萃取[12]，去除颗粒物中的可溶性有机物(soluble organic fraction，SOF)；萃取后与取样前滤膜质量差近似为干碳烟(soot)的质量[13]．