生物柴油对柴油机排放细颗粒物及其中多环芳烃的影响

在柴油发动机台架上,考察普通柴油和2种原料不同的生物柴油(B100-1,大豆油为原料;B100-2,废油为原料)在2个固定转速不同负荷的4个工况点的细颗粒物PM2.5及其中多环芳烃(PAHs)的排放特性.用石英滤膜采集了尾气中的细颗粒物,并用GC/MS分析了颗粒物中的PAHs.生物柴油在高负荷时降低了柴油机PM2.5的排放速率,最大降幅达到了37.3%,在低负荷情况下增加了PM2.5排放速率.在所测试的工况下,生物柴油的颗粒相PAHs的排放速率较普通柴油均有不同程度的降低,最大降幅达到77.6%.生物柴油不但降低了PAHs的排放速率,还降低了PAHs在PM2.5中的质量百分比.B100-2的PM2.5和PAHs的平均排放速率比B100-1分别增加14.7%和17.8%.3种燃料排放PM2.5中的PAHs的主要化合物相似,均以小分子量为主,其中以菲的含量最高,2~3环PAHs超过总排放50%.生物柴油排放的PAHs毒性当量与柴油相比有较大程度地下降.     

柴油轿车颗粒多环芳烃的排放特性

以一辆柴油轿车为研究样车,分别使用纯柴油、生物柴油掺混比例为10%的B10燃油,进行了NEDC整车循环工况试验,测取了该车HC、CO、NOx、颗粒等法规限制的排放,利用气相色谱-质谱法对采集的排气颗粒样品进行了分析,重点研究了颗粒中多环芳烃的排放特性.结果表明,与柴油相比,燃用B10燃油的HC、CO、NOx和颗粒等常规排放均有所降低;两种燃料产生的颗粒多环芳烃排放中均以荧蒽和芘最多,与纯柴油相比,燃用B10燃油产生的低环数PAHs排放略有增加,中高环数的PAHs排放降幅明显.苯并[a]芘等效毒性分析结果显示燃用B10燃油的BEQs值比纯柴油降低了21.6%,表明柴油轿车燃用生物柴油后,排气颗粒的多环芳烃毒性有所下降.     

缸内直喷汽油机多环芳烃排放特性的试验研究

在一台缸内直喷(GDI)汽油机上,分别用玻璃纤维滤膜和“聚氨基甲酸乙酯泡沫(PUF)+XAD-2”对尾气中的颗粒相和气相多环芳烃(PAHs)进行了采集,并用色谱-质谱联用仪(GC-MS)对PAHs进行了定性定量分析,研究了点火时刻和废气再循环(EGR)对PAHs排放的影响.结果表明:在缸内直喷汽油机尾气中,气相PAHs浓度远高于颗粒相PAHs浓度,在气相PAHs中主要是2环和3环等小环PAHs,而在颗粒相PAHs中则主要是4环及以上的大环PAHs.随着点火时刻的提前,尾气中PAHs总浓度呈现先减小后增加再减小的变化趋势,气相和颗粒相PAHs浓度也呈现相似的变化趋势.随着EGR率的增大,气相PAHs所占比例先减小后增大,颗粒相PAHs所占比例则先增大后减小,总PAHs的排放在整体上呈现逐渐减小的变化趋势.加入EGR后,GDI汽油机尾气的毒性显著增大.     

车用柴油机燃用棕榈生物柴油的颗粒物排放特性研究

在满足国Ⅳ排放法规的车用柴油机上研究了燃用不同掺混体积比例的棕榈油生物柴油的颗粒物排放特性.试验中棕榈油生物柴油的掺混比例分别为0%、10%、20%、50%和100%,采用DMS500型快速颗粒光谱仪测试分析了发动机在外特性和负荷特性时的颗粒物数量浓度、质量浓度及粒径分布.研究结果表明:随生物柴油掺混比例的增加,颗粒物质量浓度降低.燃用生物柴油后颗粒物的数量浓度在大负荷明显降低,中小负荷呈升高趋势.生物柴油的排气颗粒物呈核态和凝聚态的双峰分布特征,核态数量浓度所占比例高于柴油,凝聚态的质量浓度所占比例略低于柴油.生物柴油颗粒物的几何平均直径小于柴油.     

掺混聚甲氧基二甲醚对柴油机排放的影响

为研究聚甲氧基二甲醚（PODE）/柴油混合燃料对柴油机颗粒物（PM）粒径分布和各模态颗粒捕集效率的影响,将PODE按照体积百分比0%、10%、20%和30%与柴油混合,在不对柴油机做任何改动的情况下,进行排放测试,测量NO_x排放和DPF前后的颗粒粒径分布.结果表明：随着PODE掺混比提高,NO_x排放在10%~50%负荷工况下呈上升趋势,75%~100%负荷工况下呈先上升后下降的趋势;NO₂/NO_x随着PODE掺混比的提高呈上升趋势.PODE的添加可有效降低PM排放.与柴油相比,燃用PODE掺混比20%的混合燃料时,降低PM效果最好;100%负荷工况下,PM总数量浓度降低了18.93%,总体积浓度降低了31.27%.掺混PODE,使DPF对PM的捕集效果减弱,10%~50%负荷工况下较为明显,但捕集率依然可以达到95%以上.     

燃用生物柴油对柴油机颗粒生成和排放特性研究进展

为深入研究生物柴油对柴油机颗粒排放的影响,在总结国内外相关研究进展的基础上,通过研究生物柴油的化学组成和物理特性,讨论了生物柴油产生颗粒的特殊性及其对环境的影响.在此基础上,从PAHs（polycyclic aromatic hydrocarbons,多环芳烃）的形成途径角度简要分析了生物柴油颗粒形成的机理,并从生物柴油的3个关键性质入手,分析了其对颗粒排放的规律和影响.最后,以实际柴油机运行时的5项参数为基础,讨论柴油机实际使用生物柴油对颗粒排放的影响.结果表明:①不同材料和产地生物柴油的理化特性和对颗粒排放的影响有很大不同,但总体有利于减少对人体和环境的有害排放.②生物柴油将改变颗粒形成过程中半挥发性物质在微晶核表面的吸附,富氧作用也使燃烧热解后生成的颗粒尺寸更小,减少40%~50%;同时,纳米结构上的变化增加了生物柴油颗粒的反应活性,形成了更多30 nm以内的核态模式颗粒,更容易被人体吸收.③脂肪酸链的长度、不饱和度和含氧量对生物柴油颗粒排放量的减少发挥了重要作用,而柴油机参数的不同也对生物柴油的颗粒排放十分重要.④生物柴油对颗粒生成机理的关键在于复杂的含碳前驱物的生成路径.使用生物柴油总体上可减少前驱物的排放量,其主要成分为四元环和五元环,占总排放量的58.70%以上,但苯并蒽和?分别上升了44%和340%.研究显示,柴油机燃用生物柴油对颗粒排放有积极的一面,但在超细颗粒和某些特定前驱物控制上仍需引起高度重视.      

BED含氧燃料在不同海拔下对柴油机PM和NOx排放的影响

为研究生物柴油-乙醇-柴油(简称为BED)含氧燃料在不同海拔下对柴油机微粒(PM)和氮氧化物(NO_x)排放的影响,在一台高压共轨柴油机上分别燃用纯柴油和BED含氧燃料,在两种大气压力(81和100 k Pa)下进行了排放试验研究.结果表明,燃用纯柴油和B15E5(15%生物柴油+5%乙醇+80%柴油,体积比)燃料后,在中、低负荷时的PM排放在高气压下基本高于低气压下,最高增幅分别达到26.2%和19.0%;在全负荷时的PM排放在高气压下降低,最高降幅分别达到6.1%和17.0%.燃用B25E5(25%生物柴油+5%乙醇+70%柴油,体积比)燃料后,PM排放在高气压下降低.燃用纯柴油后,柴油机在高气压下的NO_x排放低于低气压下;燃用B15E5和B25E5含氧燃料后,在中、低负荷下的NO_x排放在高气压下降低,在全负荷下的NO_x排放在高气压下升高.在中、低负荷下NO_x排放最高降幅分别达到12.1%和15.3%;在全负荷下,NO_x排放最高增幅分别达到6.5%和5.8%.在不同大气压力下,柴油机燃用纯柴油和BED含氧燃料后,PM与NO_x排放均呈现明显的trade-off关系.相比于在低气压下,随负荷增加引起的PM排放降幅和NO_x排放增幅在高气压下增加.     

不同排放标准公交车燃用生物柴油颗粒物排放特性

基于重型底盘测功机,对比研究了满足国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的柴油公交车分别燃用生物柴油与柴油混合燃料B0/B5/B10在中国典型城市公交车循环下的颗粒物排放特性.结果表明燃用B0/B5/B10时,国Ⅴ车相对国Ⅲ车总颗粒数量和质量排放分别降低约68.1%、56.2%、57.5%和52.7%、64.8%、88.5%,相对国Ⅳ车,总颗粒质量排放分别降低了约43.0%、47.3%和42.1%,但数量排放分别上升了约4.0%、7.6%和14.7%.国Ⅲ车核态颗粒排放主要来自高速行驶工况,而国Ⅳ、国Ⅴ车主要来自中低速行驶工况;国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ车聚集态颗粒排放主要都来自中低速行驶工况.其中在车速较低时,国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车核态颗粒数量和质量排放明显降低,聚积态颗粒也有降低,但国Ⅴ车相对国Ⅳ车改善不明显,核态颗粒数量和质量排放反而增加,且随着生物柴油掺混比例的上升,增幅越明显.在高速时,国Ⅲ车核态颗粒数量和质量排放急剧增加,国Ⅴ、国Ⅳ车略有增加,且国Ⅳ车聚集态颗粒数量和质量排放明显大于国Ⅴ车和国Ⅲ车.燃用生物柴油掺混比例较大的B10时,国Ⅲ车较大粒径颗粒排放急剧恶化,聚集态颗粒数量和质量排放大幅增加,不适合推广应用较大生物柴油掺混比燃油.     

CDPF贵金属负载量对柴油公交车颗粒PAHS影响

基于装有氧化型催化器（DOC）和催化型颗粒捕集器（CDPF）后处理装置的柴油公交车,在中国典型公交车循环（CCBC）下研究了不同贵金属负载量分别为15g/ft³（A型）、25g/ft³（B型）、35g/ft³（C型）的新鲜及老化的CDPF对柴油发动机颗粒多环芳香烃（PAHs）排放特性的影响.结果表明：新鲜及老化的CDPF均能显著降低颗粒PAHs排放量92%以上.且相比于老化的CDPF,3种新鲜的CDPF降低颗粒PAHs排放的效果相差不大,极差仅为0.009ng/cm².3种CDPF老化状态下降低颗粒PAHs毒性的效果都优于其新鲜状态下,且老化的B型CDPF降低颗粒PAHs总量及毒性的效果优于A型及C型CDPF.     

国内民用燃煤烟气中多环芳烃排放因子研究

模拟国内民用燃煤过程.确定燃煤排放烟气中PAHs的排放因子、PAHs在烟气气相与颗粒相之间的分配、特征排放谱以及不同燃烧方式的影响.结果表明:以15种母体PAHs加和计,燃煤排放因子的变化范围为71～882 mg·k8-1,排放因子和有毒PAHs组份排放量由高至低依次为烟煤、蜂窝煤和无烟煤,主要毒性成份存在于颗粒相中.PAH组份的气-固相分配比例与其饱和蒸汽压存在显著的正相关关系.燃煤类型和燃煤中挥发组份对烟气PAHs排放因子、气-固相分配以及排放谱分布具有决定性作用.另外,不同燃烧方式对燃煤排放因子也有一定影响,缺氧条件会导致排放系数升高.     

Unregulated emissions from diesel engine with particulate filter using Fe-based fuel borne catalyst

The alteration and formation of toxic compounds and potential changes in the toxicity of emissions when using after-treatment technologies have gained wide attention. Volatile organic compound（VOC）, carbonyl compound and particle-phase polycyclic aromatic hydrocarbon（PAH） emissions were tested at European Steady State Cycle（ESC） to study unregulated emissions from a diesel engine with a fuel-borne catalyst and diesel particulate filter（FBC–DPF）. An Fe-based fuel-borne catalyst was used for this study. According to the results, brake specific emissions of total VOCs without and with DPF were 4.7 and4.9 mg/kWh, respectively, showing a 4.3% increase. Benzene and n-undecane emissions increased and toluene emission decreased, while other individual VOC emissions basically had no change. When retrofitted with the FBC–DPF, total carbonyl compound emission decreased 15.7%, from 25.8 to 21.8 mg/kWh. The two highest carbonyls, formaldehyde and acetaldehyde, were reduced from 20.0 and 3.7 to 16.5 and 3.3 mg/kWh respectively. The specific reactivity（SR） with DPF was reduced from 6.68 to 6.64 mg/kWh. Total particle-phase PAH emissions decreased 66.4% with DPF compared to that without DPF. However, the Benzo[a]pyrene equivalent（BaPeq） with DPF had increased from 0.016 to 0.030 mg/kWh.Fluoranthene and Pyrene had the greatest decrease, 91.1% and 88.4% respectively. The increase of two- and three-ring PAHs with DPF indicates that the fuel-borne catalyst caused some gas-phase PAHs to adsorb on particles. The results of this study expand the knowledge of the effects of using a particulate filter and a Fe-based fuel-borne catalyst on diesel engine unregulated emissions.     

国Ⅳ柴油机颗粒物与颗粒态多环芳烃排放特征

针对一台轻型柴油机,采用国Ⅳ柴油,在不使用和使用后处理装置的条件下,进行ESC循环工况(分别记为ESC-0、ESC-DP)和ETC循环工况(分别记为ETC-0、ETC-DP)下的发动机台架测试.每次测试用一对滤膜采集颗粒物,采样前后分别称重以确定颗粒物质量,进而计算排放因子.用气相色谱-质谱联机(GC-MS)分别分析每张滤膜上颗粒物的多环芳烃(PAHs)组分.ESC-0、ESC-DP、ETC-0、ETC-DP的颗粒物排放因子分别为0.12,0.05,0.48,0.16 g/(kW·h);相应的PAHs排放因子分别为69,35,174,76 μg/(kW·h).后处理分别使颗粒物和PAHs减排56%~68%和49%~56%.总PAHs中,三环PAHs占比重最大(64%±9%).PHE在总PAHs中占比重最大(54%±9%).PAHs的分布与其物理化学特性、柴油中的芳烃含量有关.PAHs特征比值FA/(FA+PY)为0.37~0.51.     

生物柴油排放微粒特性的试验研究

在1台直喷式增压柴油机上进行了生物柴油和柴油的排放微粒特性试验.用80 L/min定量泵和装有直径90　mm的玻纤滤膜采样器在排气管内采集微粒,利用激光粒度仪和色谱-质谱联用仪,分析了微粒的粒径分布和微粒中的可溶性有机物以及16种多环芳烃.结果表明,生物柴油排放微粒的体积粒径呈单峰分布,其平均直径d₃₂.和中位直径d(0.5)都随转速的增加而减少.高转速时生物柴油排放微粒的d₃₂和d(0.5)均高于柴油,而低转速时均低于柴油.生物柴油的SOF排放质量浓度为12.3～31.5 mg/m³,占微粒质量的38.2％～58.0％,均明显高于柴油.生物柴油排放微粒中的总多环芳烃排放浓度为2.9～4.7 μg/m³,与柴油相比下降29.1％～92.4%.     

FBC-DPF在柴油机颗粒物控制中的应用研究

目前针对加装FBC-DPF(燃油添加剂-柴油机颗粒捕集器)后的柴油机放特性研究较少,并且缺乏FBC-DPF对颗粒物中PAHs排放量的影响效果研究. 为全面评估加装FBC-DPF后柴油机颗粒物排放特性和FBC-DPF对柴油机尾气中的颗粒物排放污染控制效果,在发动机台架上对装有FBC-DPF的重型柴油机进行了颗粒物排放特性试验. 利用电子低压撞击仪(ELPI)测量加装FBC-DPF前、后柴油机颗粒物的数浓度与粒径分布,用玻璃纤维滤膜采集加装FBC-DPF前、后尾气中的固相PAHs,利用色谱质谱联用仪对加装FBC-DPF前、后尾气中的固相PAHs进行定量分析. 结果表明:①加装FBC-DPF后柴油机排放的颗粒物数浓度大幅降低,FBC-DPF对尾气中颗粒物的捕集效率平均值在95%左右;②加装FBC-DPF后柴油机固相PAHs总比排放量有所降低,在大负荷区域降幅在25.0%~88.0%之间;③加装FBC-DPF前的颗粒物中位直径为30~89nm,而加装FBC-DPF后的颗粒物中位直径为41~98nm,平均增幅为38.2%. 对于国Ⅳ及未来国Ⅴ柴油机排放法规,FBC-DPF是解决柴油机颗粒物排放的有效手段;此外,FBC-DPF可以大幅降低柴油机尾气中的有毒成分,并且能够适应高含硫量的燃油环境.      

EGR率对农用单缸柴油机燃用生物柴油的NOx与PM排放特性影响分析

单缸柴油机作为小型农用机械不可或缺的动力源,在使用过程中会产生大量污染物.其中氮氧化合物（NO_x）和颗粒（PM）是气溶胶的主要组成部分,对大气环境造成了严重污染.为有效改善农用单缸柴油机NO_x和PM排放,本研究通过添加生物柴油对柴油进行改质以及采用机内EGR净化技术两种方案,测量了柴油机分别燃用柴油B0,生物柴油调合燃料B20、B50在不同EGR率下的NO_x和PM排放.结果表明,采用EGR技术能够明显改善柴油机的NO_x排放,但同时会引起碳烟排放的增加.通过在柴油中添加生物柴油能够在一定程度上降低碳烟排放,其中高负荷、大EGR率条件下的改善最为明显.在2000 r·min^-1、75%负荷,EGR率为30%时,燃用B50的碳烟排放与燃用B0相比降低了47.3%.总体上柴油中添加生物柴油与EGR技术共同作用能够有效降低柴油机高负荷工况时的颗粒排放总数量.     

催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油发动机排放颗粒理化特性的影响

以某重型柴油机为原机,研究氧化催化转化器(Diesel Oxidation Catalyst,简称"DOC")与催化型颗粒捕集器(Catalyzed Diesel Particulate Filter,简称"CDPF")结合而成的催化型连续再生颗粒捕集器(Catalyzed Continuously Regeneration Trap,简称"CCRT")对燃用B20混合燃料柴油机颗粒排放理化特性的影响.试验结果表明:生物柴油发动机安装CCRT装置后排放的颗粒质量和数量均显著低于原机.CCRT装置对不同粒径颗粒的捕集效率不同,对聚集态颗粒的捕集效果略优于核态颗粒.与原机相比,安装CCRT后PAHs总排放量下降,在检测到的20种PAHs中有17种排放量减少.按环数比较,原机及安装CCRT装置后PAHs均以三环和四环为主.CCRT装置的安装使生物柴油发动机排放颗粒中化学成分毒性降低.     

柴油烃族组分对柴油机排放的影响

柴油烃族组分可影响柴油的理化特性,从而影响柴油机的燃烧过程,进而对排放产生重要影响.本研究针对烃族组分含量不同的14种柴油,开展了排放特性的试验研究,基于试验结果采用主成分分析法及回归分析法揭示影响柴油机排放性能的关键组分及作用规律,并得到了柴油机排放与关键组分的经验公式,可在一定程度上预测排放特性.分析结果表明,总芳烃是影响柴油机排放的关键组分,当其含量介于5%～17%时,可使NO_x、soot(碳烟)、CO、HC排放均处于较低水平.此外,多环芳烃对柴油机排放有重要影响,其中的苊类、苊烯类对NO_x、碳烟、CO排放的影响作用更为显著,而其他烃族组分与柴油机排放的规律性相对较差.不同工况下,柴油机排放规律有所不同,在低负荷下柴油机排放对总芳烃含量更加敏感.