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國六OBD重型柴油車移動源減排管理中壓燃式發(fā)動機排放顆粒成分研究

2020-06-12 09:43:50 劉國瓊

當(dāng)下,國六OBD排放標(biāo)準(zhǔn)實施以來,全國上下74個城市空氣質(zhì)量得到大幅改善,但達(dá)標(biāo)情況尚不樂觀,顆粒物超標(biāo)問題尚未解決,NO(二氧化氮)指標(biāo)有反彈、存在超標(biāo)風(fēng)險,O(臭氧)升高、未來存在很大超標(biāo)風(fēng)險,燃油(特別是移動源的使用)產(chǎn)生的NOx(氮氧化物)排放遠(yuǎn)高于美國和歐盟……其中移動源污染物排放占比較高,表現(xiàn)為柴油貨車超標(biāo)排放問題突出,車用燃油和車用尿素不達(dá)標(biāo)情況嚴(yán)重。

 

當(dāng)下,移動源減排政策快速推進(jìn),移動源環(huán)保管理的文件已經(jīng)形成體系,包括1個總文件、3個攻堅方案、3個專項攻堅方案,移動源秋冬攻堅方案多措并舉。監(jiān)管部門在嚴(yán)格落實運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整、加快推進(jìn)老舊車(國三、國四)淘汰、嚴(yán)厲查處機動車排放超標(biāo)行為、加強油品監(jiān)督管理、建設(shè)機動車“天地車人”一體化監(jiān)控系統(tǒng)(在線監(jiān)測系統(tǒng))方面花了大力氣。對于未來排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢,“國六”之后還會有“國七”,針對排放監(jiān)管只會越來越嚴(yán)。眼下排放控制技術(shù)的潛力已經(jīng)能夠支撐超低、近零排放的控制要求,但排放控制技術(shù)的發(fā)展也會帶來全新的挑戰(zhàn),如NO(一氧化二氮)、NH(氨氣)的排放及混合動力的排放問題等。值得關(guān)注的是,溫室氣體協(xié)同減排是我國移動源標(biāo)準(zhǔn)未來需要考慮的問題。

 

其中,在油品管理研究中,發(fā)動機所排放的顆粒物由碳煙團(tuán)聚物及其表面或者間隙中所吸附的半發(fā)揮物質(zhì)組成。半發(fā)揮物質(zhì)一般包括有機碳?xì)浜秃驘o機成分等,碳?xì)涑煞钟职松习俜N劇毒及致癌的復(fù)雜有機化合物,如PAHs等,因此,發(fā)動機排放顆粒物的揮發(fā)性是評價顆粒物危害程度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

 

有機碳(Organic carbon OC)和元素碳(Elemental carbon EC)是組成發(fā)動機排氣顆粒的主要成分,OC中半發(fā)揮性成分有著很大重合部分,EC是影響大氣能見度的重要原因之一,偶遇不同粒徑范圍內(nèi)排氣顆粒的形成機理不盡相同,導(dǎo)致顆粒物的發(fā)揮性及其成分亦與粒徑有關(guān),因此有必要區(qū)分粒徑的基礎(chǔ)上研究不同發(fā)動機條件下排氣顆粒的揮發(fā)性及其成分。

 

速銳得科技專注于行業(yè)應(yīng)用級OBD國五、國六汽車CAN總線數(shù)據(jù)及排放產(chǎn)品開發(fā),在不斷探索行業(yè)應(yīng)用及需求。采用車規(guī)級、分布式、模塊化的底層架構(gòu)設(shè)計。2019年率先采用采用智能自動適配及5G技術(shù),無需對不同品牌車輛進(jìn)行協(xié)議的破解及適配,保證快速高效完成項目測試與實施。2016年在車輛尾氣排放超標(biāo)監(jiān)控技術(shù)與中汽研、清華大學(xué)、環(huán)保部、計量局制定了DB11-1475地方標(biāo)準(zhǔn),2016年布局車輛尾氣排放超標(biāo)在線監(jiān)控技術(shù),就是為了行業(yè)客戶響應(yīng)國家號召,打贏國家“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。為研究油品,我們選擇一臺四缸、自然吸氣、直噴式柴油機上進(jìn)行,發(fā)動機與測功機相連接,通過測功機系統(tǒng)調(diào)整發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩大小,為了保證測試的重復(fù)性和可比較行,發(fā)動機的冷卻水由測試系統(tǒng)自動控制在80攝氏度,誤差為正負(fù)2度,而發(fā)動機的機油溫度控制在90-100度之間。

 


ISUZU 4HF1


ISUZU 4HF1

類型

四缸直列泵

排量

4334/ml

額定功率

88kW(3200r/min)

壓縮比

19.0:1

額定扭矩

285N-m(1800r/min)

噴油時刻

8

缸徑X行程

112mmX110mm



 

選取超低硫柴油(ULSD)、生物柴油(BD)、和低硫柴油(LSD)三種不同燃料研究壓燃式發(fā)動機顆粒物排放特性。超低硫柴油含硫量低于10PPM,生物柴油源于餐飲廢油,購自DP公司,其理化特性符合歐洲生物柴油標(biāo)準(zhǔn)EN14214,低硫柴油含硫量在400PPM左右。

測試數(shù)據(jù)如下表:


ULSD

BD

LSD

十六烷值

52

51

51

低熱值/(MJ/kg)

42.5

37.5

42.5

密度/(kg/m3) :20度

840

871

834

黏度/(MPa s):40度

2.4

4.6

3.03

汽化潛熱/(kJ/kg)

250-290

300

280

碳含量/(% wt)

86.6

77.1

87.4

氧含量/(%  wt)

0

10.8

0

硫含量/(mg/kg)

<10

<10

400

多環(huán)芳徑含量/(mg/kg)

<11

0

27.7

灰分/(mg/kg)

<100

<200

<100

注:20度表示在20度測得,40度表示在40度測得,% wt表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

 

 

燃用生物柴油和超低硫柴油鎖產(chǎn)生的顆粒物發(fā)揮性隨著符合的增大呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢,而低硫柴油顆粒物揮發(fā)性隨著符合的增加呈現(xiàn)單調(diào)增強趨勢。在低負(fù)荷條件下由于較低的缸內(nèi)燃燒溫度,大量未燃碳?xì)浠驖櫥统煞执嬖诎l(fā)動機排氣中,其可在尾氣稀釋和冷凝過程中轉(zhuǎn)化為大量揮發(fā)性顆粒物,此可解釋在低負(fù)荷條件下生物柴油和超低硫柴油顆粒物排放相對較高的揮發(fā)性。

 

在高負(fù)荷條件下由于較高的缸內(nèi)燃燒溫度,未燃的碳?xì)浼皾櫥统煞謱︻w粒物揮發(fā)性的貢獻(xiàn)很少,而較高的燃燒溫度,促進(jìn)了燃料中的硫成分向硫酸或者硫酸鹽的轉(zhuǎn)化過程,因此在高負(fù)荷條件下,硫酸或者硫酸鹽是揮發(fā)性顆粒物重要組成部分。由于相對較高的硫含量,這一揮發(fā)性顆粒物的形成機理在燃用相對較高含硫量的柴油時較為明顯。

 

結(jié)論:

1、燃用生物柴油可有效降低顆粒物數(shù)量、質(zhì)量排放。相對低硫柴油,生物柴油對顆粒物的抑制效果體現(xiàn)在全尺寸粒徑范圍內(nèi),而先對超低硫柴油,主要體現(xiàn)在大尺寸顆粒物。

 

2、基于質(zhì)量和數(shù)量測量的顆粒物揮發(fā)性表明,相對低硫柴油,燃用生物柴油可在全尺寸范圍內(nèi)有效降低揮發(fā)性顆粒物排放,而相對超低硫柴油,生物柴油可導(dǎo)致較高的揮發(fā)性物質(zhì)比排放率,并主要集中在小尺寸范圍內(nèi)。

 

3、對三種不同燃油所產(chǎn)生的顆粒物排放,其揮發(fā)性物質(zhì)質(zhì)量比例均隨顆粒物粒徑增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,而數(shù)量比例隨遷移粒徑的增加單調(diào)減小。

 

4、燃用生物柴油可明顯降低顆粒物種PAHs含量,尤其是對燃燒產(chǎn)生的大分子量PAHs的抑制效果尤為明顯(專業(yè)實驗,只拿到結(jié)果)。

 

5、基于BaPeq的毒性分析表明,小粒徑顆粒物表現(xiàn)出更強的當(dāng)量毒性,燃用生物柴油可明顯降低顆粒物排放當(dāng)量毒性及當(dāng)量毒性濃度。

 

隨著測試技術(shù)不斷進(jìn)去,人們對機動車顆粒物排放的研究已經(jīng)簡單的從煙度測量、質(zhì)量稱重發(fā)展到現(xiàn)在可對數(shù)量濃度、粒徑分布以及各種相關(guān)理化特性做詳細(xì)分析,包含對顆粒物形態(tài)、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、氧化活性、各種詳細(xì)化學(xué)成分及揮發(fā)性等。通過對顆粒物的各種理化特性的分析,有助于更好的研究顆粒物生成機理,對人的危害,消除方法,為國六和未來國七相關(guān)政策法規(guī)制定提供參考依據(jù)。為此,國家生態(tài)環(huán)境局發(fā)文并從2020年1月1日起,對新增輕型汽油車和其余行業(yè)重型柴油車實施國六b排放標(biāo)準(zhǔn)。

 

截至2017年底,截至2017年底,我國汽車保有量2.17億輛,柴油車1690.9萬輛,保有量僅占7.8%,但柴油貨車排放的氮氧化物占整個機動車排放量的57.3%左右,排放的顆粒物占整體水平的77.8%,是機動車污染排放的主要貢獻(xiàn)者。

 

截至2018年底,我國柴油貨車總量為1818萬輛,占汽車保有量的7.9%,氮氧化物排放量卻占總量的57.3%,顆粒物占78%。運輸結(jié)構(gòu)不合理、柴油貨車使用強度高、油品質(zhì)量問題等是造成這一現(xiàn)象的主要原因。