燃用生物柴油对柴油机颗粒生成和排放特性研究进展.pdf

第３２卷 第１１期２０１９年１１月环 境 科 学 研 究Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ＳｃｉｅｎｃｅｓＶｏｌ.３２ꎬＮｏ.１１Ｎｏｖ.ꎬ２０１９收稿日期 ２０１９￣０２￣１７ 修订日期 ２０１９￣０７￣０４作者简介吴刚１９８７￣ꎬ男ꎬ辽宁丹东人ꎬ讲师ꎬ博士ꎬ主要从事内燃机新能源利用及排放控制研究ꎬｗｕｇａｎｇ＠ ｓｈｍｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎ.基金项目上海市科学技术委员会项目Ｎｏ.１８ＤＺ１２０２９０２ꎻ国家自然科学基金项目Ｎｏ.６１４０３２５０Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎꎬ Ｃｈｉｎａ Ｎｏ.１８ＤＺ１２０２９０２ꎻ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ＣｈｉｎａＮｏ.６１４０３２５０燃用生物柴油对柴油机颗粒生成和排放特性研究进展吴 刚ꎬ江国和ꎬ杨智远ꎬ王忠诚ꎬ周伟健上海海事大学ꎬ上海 ２０１３０６摘要为深入研究生物柴油对柴油机颗粒排放的影响ꎬ在总结国内外相关研究进展的基础上ꎬ通过研究生物柴油的化学组成和物理特性ꎬ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ꎬ从ＰＡＨｓｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓꎬ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ꎬ并从生物柴油的３个关键性质入手ꎬ分析了其对颗粒排放的规律和影响.最后ꎬ以实际柴油机运行时的５项参数为基础ꎬ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ꎬ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ꎬ富氧作用也使燃烧热解后生成的颗粒尺寸更小ꎬ减少４０％５０％ꎻ同时ꎬ纳米结构上的变化增加了生物柴油颗粒的反应活性ꎬ形成了更多３０ ｎｍ以内的核态模式颗粒ꎬ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ꎬ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ꎬ其主要成分为四元环和五元环ꎬ占总排放量的５８􀆰 ７０％以上ꎬ但苯并蒽和艹屈分别上升了４４％和３４０％.研究显示ꎬ柴油机燃用生物柴油对颗粒排放有积极的一面ꎬ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.关键词颗粒ꎻ生物柴油ꎻ理化特性ꎻ形态和结构ꎻ柴油机中图分类号 Ｘ５１３ 文章编号 １００１￣６９２９２０１９１１￣１８０９￣０９文献标志码 Ｒ ＤＯＩ １０􀆰 １３１９８∕ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １００１￣６９２９􀆰 ２０１９􀆰 ０７􀆰 １２Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ ＥｎｇｉｎｅＦｕｅｌｅｄ ｂｙ ＢｉｏｄｉｅｓｅｌＷＵ Ｇａｎｇꎬ ＪＩＡＮＧ Ｇｕｏｈｅꎬ ＹＡＮＧ Ｚｈｉｙｕａｎꎬ ＷＡＮＧ Ｚｈｏｎｇｃｈｅｎｇꎬ ＺＨＯＵ ＷｅｉｊｉａｎＳｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６ꎬ ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅꎬ ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ. Ｆｉｒｓｔｌｙꎬ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｆｕｅｌｅｄ ｗｉｔｈ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ. Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓꎬ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗａｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐａｔｈｗａｙ ｏｆ ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ.Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅꎬ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｅｙ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄꎬ ｎａｍｅｌｙ ｃｈａｉｎ ｌｅｎｇｔｈꎬ ｕｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎａｎｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｆａｔｔｙ ａｃｉｄ. Ｆｉｎａｌｌｙꎬ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｕｓｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ １ Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｕｅ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄꎬ ｉｔ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅｔｈｅ ｈａｒｍｆｕｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｔｏ ｈｕｍａｎ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ. ２ Ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｗｉｌｌ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｍｉ￣ｖｏｌａｔｉｌｅ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｏｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ. Ｔｈｅ ｏｘｙｇｅｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ａｌｓｏ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｆｔｅｒ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｙｒｏｌｙｓｉｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｂｏｕｔ ４０％￣５０％. Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅꎬ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｍｏｒｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｍｏｄｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈｉｎ ３０ ｎｍꎬ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｍｏｒｅ ｅａｓｉｌｙ ａｂｓｏｒｂｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ. ３ Ｔｈｅ ｃｈａｉｎｓ ｌｅｎｇｔｈｏｆ ｆａｔｔｙ ａｃｉｄꎬ ｕｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｐｌａｙ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓꎬ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ. ４ Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｗｉｌｌ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓ. Ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄꎬ ｂｕｔ ｔｈｅ ｂｅｎｚａｎｔｈｒａｃｅｎｅ ａｎｄ ｃｈｒｙｓｅｎｅ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｂｙ ４４％ ａｎｄ ３４０％ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ. Ｔｈｅｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｆｏｕｒ￣ｍｅｍｂｅｒｅｄ ｒｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｖｅ￣ｍｅｍｂｅｒｅｄ ｒｉｎｇｓꎬ ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ ｆｏｒ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ环 境 科 学 研 究第３２卷５８􀆰 ７０％ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ. Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈꎬ ｉｔ ｈａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｆｕｅｌｅｄ ｂｙ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ａ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓꎬ ｂｕｔ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ａｓ ｗｅｌｌꎬ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｆｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｓｏｍｅｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒꎻ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌꎻ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎻ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ生物柴油也称为生物质衍生燃料ꎬ ＲｕｄｏｌｐｈＤｉｅｓｅｌ于１９００年首次使用生物柴油为早期的柴油机提供燃料[１].近年来ꎬ生物柴油的使用再次得到广泛关注ꎬ这是因为与普通石化燃料相比ꎬ生物柴油具有可再生性、可降解性和低排放性的特点ꎬ是一种较理想的替代燃料[２].同时ꎬ由于与普通柴油相似的理化特性ꎬ因此在柴油机中ꎬ可将生物柴油与普通柴油以任意比例混合使用ꎬ这也将直接扩大生物柴油的使用范围.混合物中生物柴油所占体积的百分比为Ｘꎬ可被用来命名为生物柴油ＢＸꎬ如Ｂ２０是２０％生物柴油和８０％纯柴油的混合物.现代工艺生产的生物柴油主要来自于植物油或动物脂肪ꎬ一般是一种含长链的脂肪酸烷基酯[３].研究[４]表明ꎬ使用生物柴油可降低柴油机排放ꎬ包括多种有害气体成分和颗粒等ꎬ其中颗粒的质量排放下降率最高可达８０％.实际上ꎬ颗粒不仅危害周围环境ꎬ如导致空气能见度降低、损害人体健康、污染建筑物等ꎬ也会影响柴油机性能.尽管有大量的基础研究ꎬ但由于压燃式柴油机中颗粒的形成相当复杂ꎬ其物理性质、化学性质以及如何影响人类的健康ꎬ依然没有被完全理解.尤其在近１０年中ꎬ由于生物柴油的使用日益增多ꎬ使得人们对柴油机燃用生物柴油产生颗粒的问题变得十分关注.因此ꎬ该研究旨在通过对燃用生物柴油产生颗粒的大量研究进行概括与总结ꎬ以期为进一步的研究工作提供科学的方法和指导.１ 颗粒的基本理化特性１􀆰 １ 化学组成与危害颗粒的化学组成对环境和人体的健康影响十分重要.美国环境保护局将颗粒定义为在柴油机中排放出的颗粒相化合物ꎬ主要由ＥＣｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｃａｒｂｏｎꎬ元素碳、ＯＣｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎꎬ有机碳及少量硫酸盐、微量元素、硝酸盐、水等组分组成[５￣６].其中ꎬＥＣ是指经历热解后ꎬ仅含有碳的碳原子形式[７]ꎻＯＣ则是指那些含有Ｃ键和Ｈ键的分子ꎬ通常也含有氧、硫、氮等少量元素ꎬ主要由未完全燃烧或润滑油燃烧引起.ＯＣ和ＥＣ均会造成颗粒呈现出毒性ꎬ也会造成区域性的烟雾污染和气候变化.根据Ｃｈｕｅｐｅｎｇ[８]研究ꎬ燃用Ｂ３０的ＯＣ排放量大于低硫柴油的ＯＣ排放量.然而ꎬ有些研究对燃用生物柴油后ＯＣ和ＥＣ排放变化趋势却不尽相同. Ｃｈｕｅｎｇ等[９]对颗粒中ＥＣ和ＯＣ成分的研究发现ꎬ燃用大豆制生物柴油的ＥＣ排放量低于轻柴油的ＥＣ排放量ꎬ而ＯＣ排放量却几乎相等. ＳＯＮＧ等[７]发现ꎬ在所有的工况下ꎬ燃用棉籽油的ＥＣ和ＯＣ排放量均有所下降. Ｓｅｉｎｆｅｌｄ等[１０]对颗粒中ＯＣ和ＥＣ比值研究发现ꎬ生物柴油燃烧时ＯＣ∕ＥＣ有所升高ꎬ并且随着生物柴油的混合比例增加而增加.说明在颗粒的产生和氧化中ꎬ生物柴油的含氧属性起着重要作用. Ｗｉｌｌｉａｍｓ等[１１]也发现ＯＣ∕ＥＣ遵循Ｂ１００Ｂ２０柴油的趋势ꎬ而随着生物柴油混合比的增加ꎬＯＣ含量却有所升高.综上ꎬＯＣ和ＥＣ排放量的差异与运行条件、测试方法和燃料性质的不同有关.生产生物柴油最常见的方法是将油与短链醇通常为甲醇在酸、碱等催化剂下ꎬ进行酯化反应[１２]ꎬ得到生物柴油即脂肪酸烷基酯和甘油.所谓的酯化反应ꎬ也可称为醇解反应ꎬ因为该反应类似于水解过程.在酯交换反应中ꎬ首先是将甘油三酯转化为甘油二酯ꎬ然后再将甘油二酯转化为甘油单酯ꎬ而后又将甘油单酯转化为甘油.每一步反应均可得到一种甘油酯和一个甲酯分子.影响酯交换过程的变量有反应温度、反应时间、反应压力、醇与油的比例、催化剂的浓度及类型、混合强度、原料种类等.一般来说ꎬ各国家生产的生物柴油原材料和制备工艺有所不同ꎬ燃料性质也有所差异见表１.同时ꎬ多样的生物柴油来源、复杂的制备方法和差异化的生产工艺也将导致不同的颗粒排放见表２.从环境角度来看ꎬ随着空气中悬浮性颗粒的增多ꎬ颗粒中的有机气溶胶也将会吸收部分太阳光照[２９]ꎬ并改变太阳光散射ꎬ从而降低环境可见度ꎬ产生雾霾ꎻ同时ꎬ颗粒的这种改变光散射的能力甚至可以影响地球大气的辐射能量平衡ꎬ减少到达地面的紫外光ꎬ并引起全球温度下降.不仅如此ꎬ空气中悬浮的颗粒中的凝结核如果和湿空气结合ꎬ也将促进降水云形成ꎬ并改变降水的酸碱性质.另一方面ꎬ颗粒中也附带多种重金属成分ꎬ如Ｐｂ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ａｓ或Ｈｇ等ꎬ这使得颗粒一般具有较高的毒性ꎬ从而严重危害人体健康ꎬ这些疾病常出现在人体的呼吸系统和神经系统ꎬ容易引起心血管疾病和癌症.１􀆰 ２ 物理特性０１８１第１１期吴 刚等燃用生物柴油对柴油机颗粒生成和排放特性研究进展 表１ 不同材料和典型产地生物柴油的理化特性Ｔａｂｌｅ １ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｙｐｉｃａｌ ｏｒｉｇｉｎｓ种类密度∕ｋｇ∕ｍ３黏度∕ｍｍ２∕ｓ十六烷值热值∕ＭＪ∕ｋｇ浊点∕℃闪点∕℃燃点∕℃倾点∕℃数据来源柴油８５０ ２􀆰 ４４２􀆰 ６０ ４７５０ ４２４４􀆰 ３ ６８７５ ８０ －２０文献[１３￣１４]卡兰贾油８８０８９０ ４􀆰 ３７９􀆰 ６ ４８５８ ３６􀆰 １２４２􀆰 １３ －２１４ １７０２０５ －６５文献[１４￣１５]麻树油８７３ ４􀆰 ２３ ４２􀆰 ６７３ １０􀆰 ２ １４８ ４􀆰 ２文献[１６]棉籽油８５０８８５ ６９􀆰 ６ ５２ ３７􀆰 ５４１􀆰 ６８ －２ －４文献[１７]棕榈油８７０８７８ ４􀆰 ５５􀆰 １１ ５０６２ ３７􀆰 ２３９􀆰 ９１ １４ １７３ １８２ ８文献[１８]大豆油８８５９１４ ４􀆰 ０５７３９􀆰 ５ ３７５１􀆰 ３ ３７􀆰 ３３９􀆰 ６６ ６９１６３ 文献[１６￣１８]葵籽油８８０８８５ ４􀆰 ３８１４􀆰 ４ ５０５１􀆰 ６ ３７􀆰 ５３９􀆰 ９５ １８３ 文献[１６￣１７]菜子油８７２８８５ ４􀆰 ５８５１１ ３７􀆰 ６５４􀆰 ５ ３７􀆰 ３３９􀆰 ９ １７７２７５ 文献[１７]花生油８８６􀆰 ４ ５􀆰 ２５１ ５４ ３９􀆰 ７ １９３ 文献[１８]玉米油８８５􀆰 ８ ４􀆰 ３６３ ５５􀆰 ４ ３９􀆰 ８７ １６７ 文献[１８]棕榈仁８７６􀆰 ６ ３􀆰 ２４８ ６２􀆰 １ ３８􀆰 ５３ １３１ 文献[１８]餐厨油８８４􀆰 ２ ４􀆰 ８６９ ５５ ３９􀆰 ６８ １６７ 文献[１９]表２ 不同材料和典型产地的生物柴油对颗粒排放的影响Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ＰＭ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｙｐｉｃａｌ ｏｒｉｇｉｎｓ生物柴油种类颗粒排放量数据来源卡兰贾油Ｂ２０和Ｂ１００分别下降８０％、２０％文献[２０]棉籽油、大豆油、葵花籽油、菜籽油等Ｂ１０、Ｂ２０下降文献[１７]大豆油、花生油、玉米油、葵花籽油等Ｂ１００下降５０％７２􀆰 ７３％文献[１８]油菜籽油、大豆油Ｂ１００下降１２２％文献[１９]印楝油Ｂ１５下降４％文献[１４]凤尾鱼油Ｂ１００下降２２􀆰 ３３％文献[２１]菜籽油Ｂ７０下降４５％、Ｂ１００下降６０％文献[２２]大豆油Ｂ１００下降文献[２３]棉籽油Ｂ７５和Ｂ１００增加ꎬＢ５、Ｂ２０和Ｂ５０下降文献[２４]杏仁油Ｂ１００下降文献[２５]米糠油Ｂ１００增加２７􀆰 ９３％文献[２６]葵花籽油Ｂ１００下降文献[２７]餐厨油Ｂ１００明显增加文献[２８]１􀆰 ２􀆰 １ 颗粒的粒度分布研究[２４]表明ꎬ使用生物柴油可降低柴油机排放的颗粒质量浓度ꎬ满足未来排放法规的要求.但也有研究[３０￣３２]表明ꎬ使用生物柴油将可能对颗粒的粒度分布产生影响ꎬ导致颗粒在微观形态上发生重大改变.颗粒的大小是影响人类健康的关键因素ꎬ因为其直接决定了其在人类呼吸系统中的沉积位置ꎬ对某些疾病的产生有特别重大的影响ꎬ如增加呼吸道疾病发病率、增加心血管死亡率等[３０]. Ｋｉｔｔｅｌｓｏｎ等[３１]将颗粒分成３种尺寸模式ꎬ即核态模式Ｄｐ３０ ｎｍ、凝聚模式３０ ｎｍＤｐ５００ ｎｍ和粗粒模式５００ ｎｍＤｐ １０μｍ.核态模式主要由新成核的颗粒组成ꎬ凝聚模式主要通过含碳团聚集或物理吸附而形成ꎬ粗粒模式包括重新凝聚后的凝聚模式颗粒和烟气等.有研究[３２]认为ꎬ生物柴油对颗粒的粒径没有明显影响.如Ｔｕｒｒｉｏ等[３２]指出ꎬ在一次六缸柴油机试验中ꎬ燃用普通柴油和Ｂ２０生物柴油ꎬ颗粒的大小保持在同一范围内.然而也有研究[３３￣３４]表明ꎬ使用生物柴油将导致凝聚模式的颗粒数量减少ꎬ而核态模式的颗粒数量增加ꎬ这意味着更多更细的微粒被产生ꎬ可能影响人体健康.产生这种现象的原因尚不明确ꎬ可能是由于生物柴油与氧结合后ꎬ使得燃料富集区的热解氧化反应速率有所改变[３３].燃料结合氧后ꎬ芳香烃排放减少ꎬ使得凝聚模式的颗粒有所减少ꎬ并为待吸附的挥发性物质提供较小的表面积ꎬ使挥发性物质倾向于形成核态模式的颗粒.由于生物柴油也具有更高的平均分子量ꎬ所以任何未燃烧的燃料在排气时都更可能受到冷凝作用而产生核态模式颗粒.另一个可能的原因是生物柴油颗粒具有更高的活性[３４].这方面的研究主要得益于对碳烟颗粒微观结构形貌特征研究的发展.１􀆰 ２􀆰 ２ 微观结构形貌特征近年来ꎬ采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜１１８１环 境 科 学 研 究第３２卷对碳烟及颗粒的纳观结构进行图像测量ꎬ有助于对碳烟及颗粒进行更深入的理解表征.目前ꎬ已有一些关于颗粒微观结构的研究[３５￣３８]ꎬ这些研究均表明生物柴油颗粒的微观形态与普通柴油颗粒相比存在一定的差异.不仅如此ꎬ运行工况和燃料性能的差异也极大地影响了单个颗粒的大小. Ｋａｒｉｎ等[３５]研究指出ꎬ生物柴油平均单个颗粒的大小约３０４０ ｎｍ比柴油约５０６０ ｎｍ要小. Ａｉｚａｗａ等[３６]通过定容弹试验也证实ꎬ虽然生物柴油碳烟的总体形态与柴油相似ꎬ但其主要颗粒尺寸、分形维数比碳烟密度均较小.Ｂｏｅｈｍａｎ等[３７]比较了柴油Ｂ２０产生颗粒的纳米结构图像ꎬ发现生物柴油造成凝聚模式颗粒周围的碳氢化合物有所升高.而ＨＲＴＥＭ图像发现ꎬＢ２０的短阶石墨烯片段的无序排列结构和无定形排列结构比较明显.在Ｂ２０颗粒中ꎬ弯曲或起皱的微晶更为明显ꎬ有偏差未对准结构缺陷的微晶也更为明显.与此相反ꎬ柴油颗粒拥有典型的外壳核心结构ꎬ石墨烯层与外部表面平行ꎬ但在中心核心方向是随机的.由于碳烟纳米结构的不同ꎬＢ２０颗粒比柴油颗粒更有反应性.Ｖａｎｄｅｒｗａｌ等[３８]也观察到类似的柴油和生物柴油之间的纳米结构现象.这些研究充分表明ꎬ使用生物柴油对颗粒的形成、生长氧化历程可能均与普通柴油有所不同ꎬ因此ꎬ应着重加强生物柴油颗粒的生成与氧化机理研究.２ 生物柴油颗粒生成机理ＰＡＨｓｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓꎬ多环芳烃在颗粒的生成与氧化中起着重要作用.最小的ＰＡＨｓ是苯ꎬ可通过多种途径形成[３９].在乙炔Ｃ３物质中加入Ｃ４物质可能是产生第一个芳香环最重要的反应.该芳香环通过Ｃ２Ｈ２加成Ｈ抽提反应进一步生长ꎬ如ＨＡＣＡ机理[４０].这样就产生芳香环链ꎬ最终形成了碳ꎬＰＡＨｓ对颗粒形成作用机理如图１所示.图１ ＰＡＨｓ对颗粒形成作用机理Ｆｉｇ.１ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ＰＡＨｓ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ对生物柴油ＰＡＨｓ及其热合成路径的研究对了解颗粒的生成作用具有重要意义ꎬ已经有一些研究开始关注生物柴油ＰＡＨｓ的排放.研究[４１]表明ꎬ使用生物柴油在一定程度上减少了特定的ＰＡＨｓ排放ꎬ这主要是由于生物柴油中芳香烃含量较低导致.而更为重要的是ꎬ生物柴油中的燃料结合氧ꎬ很可能比柴油更能完全燃烧ꎬ从而减少了ＰＡＨｓ的排放. ＬＩＮ等[４１]发现ꎬ与柴油相比ꎬ使用生物柴油将导致ＰＡＨｓ减少.不过燃料本身在ＰＡＨｓ的排放中也起着重要作用ꎬ随着生物柴油的混合ꎬ某些特定的ＰＡＨｓ排放量也相对较高.郑伟等[４２]研究表明ꎬ艹屈和苯并蒽的质量均不降反升ꎬ其中艹屈的质量占燃用Ｂ３０后ＰＡＨｓ质量的５０％左右ꎬ因此ꎬ柴油机ＰＡＨｓ排放的控制重点应在于考虑艹屈和苯并蒽.潘锁柱[４３]对颗粒相的ＰＡＨｓ排放规律研究表明ꎬ４环结构ＰＡＨｓ排放量最高ꎬ其次是５环结构ＰＡＨｓꎬ二者之和占总ＰＡＨｓ排放量５８􀆰 ７０％以上ꎬ２环结构ＰＡＨｓ排放量最少ꎬ低于总ＰＡＨｓ排放量的７􀆰 ５０％.同时ꎬ采用稀混合气、提前喷油时刻等措施均可降低总ＰＡＨｓ排放量.３ 生物柴油对颗粒生成的影响作为脂肪酸甲酯ꎬ生物柴油通常可以写成Ｒ１￣ＣＯＯ￣Ｒ２ꎬ其中Ｒ１、Ｒ２分别代表羧酸烃和醇烃.在这些片段中ꎬ碳链长度和双键的数目位置等特征都不尽一致ꎬ而这些特征又显著影响燃料的物理和化学性质如黏度、十六烷值、热值密度ꎬ对燃烧具有重要影响.此外ꎬ在压燃式柴油机中将燃料喷入气缸后ꎬ生物柴油燃料特性如链长、双键数氧含量的变化也可影响雾化、汽化和燃烧过程并最终导致污染物的排放变化.３􀆰 １ 脂肪酸链的影响通常可用皂化数来表示碳链长度ꎬ即皂化１ ｇ脂肪酸甲酯需要氢氧化钾的质量ꎬ皂化数越高意味着碳链长度越短.一般来说ꎬ脂肪酸烷基酯的燃烧特性与分子的链长度有关ꎬ链长度越长ꎬ滞燃期越短.通过提前发火角可提高发火质量ꎬ对外表现为更平滑的燃料放热率ꎬ这种燃烧从预混合燃烧向扩散燃烧的转变ꎬ也预示着增加了火焰内颗粒生成的可能性.如Ｐｈａｍ等[４４]研究发现ꎬ总的来说ꎬＣ１２Ｃ１８链长下的颗粒排放量差异不大ꎬ而Ｃ１８以后ꎬ随着碳链长度的增加ꎬ颗粒排放量明显升高见图２.据推测ꎬＣ２２分子的黏度较高ꎬ并且燃料的喷射温度高于其熔点２５Ｋꎬ因此导致了喷油雾化不佳ꎬ产生更高的颗粒排放.而脂肪酸链长度的增加也影响了颗粒的尺寸分布ꎬ导致核态模式的颗粒数量和平均大小逐渐增加.３􀆰２ 不饱和度的影响不饱和度可用于反映脂肪酸链中双键数量情况ꎬ双键数量越多表示不饱和度程度越高.碘值通常被用作表征不饱和度的指标ꎬ较高的碘值表示较高的不饱和度.一些研究关注了不饱和度与燃料性质之间的相关性ꎬ研究[４５￣４８]表明ꎬ低热值、黏度、十六烷值、发火质２１８１第１１期吴 刚等燃用生物柴油对柴油机颗粒生成和排放特性研究进展 图２ 恒定喷射时间下碳链长度对颗粒排放量的影响Ｆｉｇ.２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｃｈａｉｎ ｌｅｎｇｔｈ ｏｎ ＰＭ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ａｔｃｏｎｓｔａｎｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｉｍｉｎｇ量氧化稳定性随着不饱和度的增加而下降ꎬ而密度、体积模量、碘值随着不饱和度的增加而增加.不饱和分子增多会导致滞燃期延长ꎬ从而有利于燃料空气在发火之前更充分的混合.这相当于提高了预混合燃烧阶段ꎬ因此燃烧过程中释放出大量的热ꎬ从而导致颗粒生成的减少[４５].然而Ｓｃｈｏｎｂｏｒｎ等[４６]却惊奇地发现ꎬ随着脂肪酸链中双键数目的增加ꎬ颗粒排放量反而增加ꎬ这与Ｇｒａｂｏｓｋｉ等[４７]的结果一致.相反ꎬＬａｐｕｅｒｔａ[４８]等发现ꎬ由于绝热火焰温度升高减少了芳香烃的形成ꎬ双键的数量增加导致颗粒排放减少２０％.造成这种差异的原因现在尚不清楚ꎬ但可能与试验条件的差异有关.对于颗粒排放升高的情况ꎬ可能是受不饱和分子的影响ꎬ不饱和分子容易分解成含碳前驱物ꎬ如Ｃ２Ｈ４Ｃ２Ｈ２ꎬ促进了颗粒的形成.而对于颗粒排放的降低ꎬ可能是由于不饱和燃料的发火质量降低ꎬ导致更长的滞燃期ꎬ从而更增强了燃料空气的混合.３􀆰３ 含氧量的影响燃用生物柴油将导致柴油机排放的颗粒降低.有研究[４９]表明ꎬ生物柴油中的氧有利于抑制颗粒前躯物质的形成ꎬ氧原子很可能通过有效抑制颗粒前驱物反应路径中的碳生成ꎬ从而降低颗粒排放.从元素守恒的角度来说ꎬ燃用生物柴油后ꎬＣＯ的排放量有所增加.由于ＣＯ和ＣＯ２可以直接从燃料中产生ꎬ因此使得用于形成颗粒的碳元素有所减少ꎬ从而导致可用于形成颗粒的碳有所减少[５０].此外ꎬ氧含量的增加通常伴随着燃烧温度的升高ꎬ从而增加燃烧过程中的颗粒氧化[４５].如李莉等[５１]研究表明ꎬ随生物柴油掺混比例的增加ꎬ颗粒质量浓度有所降低.梅德清等[５２]研究表明生物柴油因含氧而减少燃烧过程中碳缺氧的几率ꎬ使得颗粒中碳烟成分少ꎻ同时ꎬ生物柴油颗粒粒径较小ꎬ在聚集状态的表面形貌上表现得更致密.而普通柴油燃烧后产生的颗粒因碳烟成分多ꎬ颗粒粒径较大ꎬ在聚集状态的表面形貌上表现为葡萄球状的粘结.但值得注意的是ꎬ氧含量不是影响生物柴油对颗粒生成的唯一因素ꎬ另一个显著的影响因素是脂肪酸链中的双键数量. Ｒａｈｍａｎ等[５３]试验也证明ꎬ颗粒随燃料氧含量的降低而降低.但是ꎬ燃料中的氧含量随着脂肪酸甲酯碳链长度的减少而增加.因此ꎬ尚不清楚是氧含量还是碳链长度是颗粒减少的驱动力.对于生物柴油燃料来说ꎬ含氧量不仅影响碳链长度的不饱和度ꎬ也会影响燃料的十六烷值.通常ꎬ十六烷值是燃料燃烧率的指标ꎬ而十六烷值较高的燃料具有较短的滞燃期ꎬ因此可为燃料燃烧过程提供更多时间.４ 柴油机对生物柴油颗粒的影响不同的柴油机类型及运行参数的变化都会影响燃油雾化、汽化ꎬ导致不同的燃烧热过程和颗粒生成.这些参数包括柴油机转速、负荷、喷射正时、喷射压力和ＥＧＲｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎꎬ废气再循环率等.４􀆰１ 转速柴油机转速将会对颗粒的排放特性造成很大影响.当柴油机转速增加时ꎬ可用于燃烧的时间有所减少.对于已经形成的颗粒来说ꎬ再氧化或再燃烧的时间也有所减少.因此固定负荷下ꎬ随着转速的增加ꎬ颗粒的浓度应有所增加. Ａｇａｒｗａｌ等[５４]证明ꎬ随着转速的增加ꎬ使用Ｂ２０和Ｂ１００生物柴油ꎬ最大颗粒数浓度逐渐增加. ＺＨＵ等[５５]研究也表明ꎬ总的成核颗粒数浓度随着转速的提高而增加.虽然上述研究表明ꎬ随着转速的提高ꎬ许多未燃烧燃料将形成颗粒ꎬ但不容忽视ꎬ随着转速的增加ꎬ由于传热过程时间减少ꎬ气缸套与壁面间的传热损失有所下降ꎬ缸内温度也有所升高ꎬ因此形成的颗粒可能将更有利于氧化而趋向于减小排放. Ｉｏｒｉｏ等[５６]研究表明ꎬ使用不同比例生物柴油下ꎬ转速由１ ４００ ｒ∕ｍｉｎ升至２ ０００ ｒ∕ｍｉｎ时ꎬ颗粒排放量有所增加ꎬ但由２ ０００ ｒ∕ｍｉｎ升至３ ４００ ｒ∕ｍｉｎ时ꎬ颗粒排放量有所降低.此外ꎬ转速也会影响颗粒排放中的金属浓度.Ａｓｈｒａｆｕｌ等[５７]对不同比例的棕榈生物柴油排放的颗粒进行了比较分析ꎬ结果表明ꎬ随着生物柴油混合比的增加以及柴油机转速的升高ꎬ除了Ｐｂ之外ꎬＺｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎａ、Ｍｇ的浓度也有所增加.这是由润滑油在高温和高氧浓度作用下被氧化而引起的ꎻ同时ꎬ金属氧化物会促进颗粒氧化并引起晶体结构的变化.４􀆰２ 负载一般来说ꎬ随着柴油机负载的提高ꎬ燃烧室内空燃比将有所下降.这是由于在每个循环周期内的燃油喷射量均有所增加ꎬ因此ꎬ将会在燃烧室中产生大量的“富油”区域.如果在这些“富油”区域内没有足够的氧气ꎬ那么颗粒的形成趋势就会得到增强.此外ꎬ随着燃３１８１环 境 科 学 研 究第３２卷油喷入量的增加ꎬ也将增加扩散燃烧持续期ꎬ从而导致更高的燃烧温度.由于扩散燃烧结束后ꎬ氧气量的减少及氧化时间的减少ꎬ都将导致总颗粒数浓度的增加.一些研究[５４￣５５]也证明了柴油机中总颗粒数浓度随着负荷增加而增加的事实.除了上述原因ꎬ生物柴油的理化特性也对不同负荷的颗粒排放有不同的影响.高负荷下ꎬ生物柴油中的氧含量对碳烟的影响大于黏度ꎬ氧含量是控制因素.这是由于气缸内有更多的局部富油区ꎬ因此燃料分子中更多的氧含量在减少颗粒方面更有效ꎬ随着氧含量的增加碳烟排放量减少.低负荷下ꎬ黏度的影响成为主要因素ꎬ可燃混合物实际上为稀薄燃烧ꎬ燃料中的氧元素就变得不那么有用了ꎬ而缸内的低温将进一步导致较差的蒸发雾化ꎬ最终导致颗粒生成对黏度更加敏感.Ｍａｎ等[５８]的研究表明ꎬ低负荷下ꎬ大多数颗粒具有更弯曲更短的石墨烯层结构和更大的尺寸结构ꎬ初级颗粒倾向于在低负荷下形成无序的非晶结构ꎬ并认为在低负荷时ꎬ温度压力条件虽然有利于核化形成ꎬ但不利于颗粒生长到平衡状态.而Ｓｈｕｋｌａ等[５９]发现ꎬ低负荷时计数平均直径有所下降ꎬ这表明低负荷时的小尺寸颗粒的比例较高ꎬ而这可能对人体带来影响ꎬ因此需要深化相关研究.４􀆰３ 喷射压力燃油喷射压力也对颗粒排放特性有着重要的影响.随着燃油喷射压力降低ꎬ燃油喷雾的直径扩大ꎬ进而使燃料的雾化恶化、滞燃期延长ꎬ导致燃烧加剧.相反ꎬ随着燃油喷射压力的增加ꎬ喷雾直径减少ꎬ使得燃料空气的混合质量在发火期间得到改善ꎬ从而提高柴油机的性能.但是ꎬ如果燃油喷射压力过大ꎬ滞燃期就会变得非常短ꎬ最终将导致燃气混合均一性降低及燃烧效率的降低.通常ꎬ喷油压力的适度增加可提升喷油雾化改善和混合气质量增加的可能性ꎬ而这有利于降低颗粒总体排放量.研究表明ꎬ燃用生物柴油与燃用普通柴油粒度分布较为相似ꎬ如ＱＩ等[６０]发现ꎬ喷油压力的增加导致了凝聚模式颗粒浓度的下降.此外ꎬ柴油和生物柴油的粒度分布差异随着燃油喷射压力的增加而减小ꎬ这表明较高的喷射压力可能抵消不同燃料特性对颗粒粒度分布的影响. Ｌａｂｅｃｋｉ等[６１]研究指出ꎬ随着生物柴油喷油压力的增加ꎬ大尺寸颗粒的数量明显下降.４􀆰４ 喷射正时喷射正时的变化也会对燃油雾化、燃烧和排放产生显著的影响.通常情况下ꎬ提前喷射正时预示着更多的燃料将在ＴＤＣ之前已经开始燃烧ꎬ燃烧的提前将导致气缸内的最高压力和温度升高.随着喷射正时的提前ꎬ最大绝热火焰温度也将增加ꎬ膨胀冲程中可用于颗粒氧化的时间也将有所缩短.因此ꎬ可通过提前喷射ꎬ改善混合气的形成、提高均质燃烧比例、降低初级颗粒的直径数量.在传统柴油机中ꎬ随着喷射正时的提高ꎬ初级颗粒粒径有所减小ꎬ这种效应在柴油机低负荷下更为明显.对于凝聚颗粒ꎬ低负荷下喷射正时的变化对颗粒数浓度影响不大ꎬ但在高负荷下喷射正时提前时ꎬ颗粒数浓度有所降低[６２].对生物柴油燃烧的研究也证明ꎬ当喷油时间提前时ꎬ颗粒的质量浓度和总颗粒数量有所下降ꎬ因为提早喷油可增加用于颗粒氧化的时间[４３].Ｌａｂｅｃｋｉ等[６１]研究发现ꎬ引入分次喷射ꎬ可降低菜籽油的颗粒排放ꎬ并且粒子数量分布的峰值ꎬ随预喷射与主喷射之间的间隔增加而增加. Ｓｕｒｙａｗａｎｓｈｉ等[６３]发现ꎬ对于不同比例的卡兰贾生物柴油ꎬ通过延迟喷油正时ꎬ可减少颗粒排放.然而ꎬ喷射正时对生物柴油核态模式颗粒和凝聚模式颗粒的分布影响依然十分复杂.如Ｙｏｎｇｇｙｕ等[６４]指出ꎬ生物柴油混合物中ꎬ所有尺寸颗粒的数量和浓度都随着喷射正时的提前而下降.而Ｌａｂｅｃｋｉ等[６１]发现ꎬ在核态模式下ꎬ喷射正时对颗粒数量与尺寸的影响没有明显的分布趋势.但在低负荷时ꎬ凝聚模式下颗粒数浓度随着喷射正时延迟而略有下降.４􀆰５ 废气循环进入燃烧室的再循环废气通常含有ＣＯ２、Ｈ２Ｏ和一些其他组分等ꎬ可有效提高特定的热容量并降低燃烧温度ꎬ同时工质的氧含量被再循环气体稀释.已有研究[６１]证实ꎬ随着ＥＧＲ率的增加ꎬ颗粒排放显著增加ꎬ因为ＥＧＲ导致氧气浓度的降低并引起气缸中缺氧区域数量的增加ꎬ最终形成相对不完全燃烧高颗粒排放.王忠等[６５]研究表明较高ＥＧＲ率下ꎬ颗粒中的物质种类最多ꎬ化学异相性最强ꎬ而颗粒中的石墨结构减少ꎬ石墨化程度降低ꎻ当ＥＧＲ率升高ꎬ颗粒内部缺陷由空位缺陷向石墨烯边缘缺陷发展ꎬ微晶尺寸逐渐减小ꎬ碳碳键长度基本不变ꎬ这说明碳粒子微观结构参数与燃烧组织措施密切相关. ＣＨＡＩ等[６６]发现ꎬＢ２０生物柴油的颗粒数量质量浓度随着ＥＧＲ率的上升而增加ꎬ并认为Ｂ２０燃烧对ＥＧＲ的适用性比柴油更好.推测这是由于生物柴油中燃料含有较少的ＰＡＨｓꎬ同时燃烧物与氧结合ꎬ最终促进了燃烧并增强了颗粒的氧化过程ꎬ使得高ＥＧＲ率下生物柴油产生的颗粒比柴油更少.５ 结论ａ使用生物柴油混合燃料是未来柴油机实现清４１８１第１１期吴 刚等燃用生物柴油对柴油机颗粒生成和排放特性研究进展 洁燃烧排放的一种有效手段.受热解和氧化过程影响ꎬ不同材料和产地的生物柴油的理化特性及其对颗粒排放量的影响有很大不同ꎬ但总体来说ꎬ使用生物柴油有利于降低对人体和环境的危害.ｂ生物柴油的理化特性对颗粒的产生有重要的影响ꎬ进而影响人体和环境.化学组成上ꎬＯＣ和ＥＣ都会造成颗粒呈现出毒性ꎬ而附带的多种重金属成分也将对人体造成危害ꎬ同时某些特定的ＰＡＨｓ含量有所增加ꎬ这表明需要对ＰＡＨｓ的生成机理进行更多的研究.物理特性上ꎬ生物柴油将改变颗粒形成过程中半挥发性物质的吸附ꎬ进而改变颗粒的粒度分布和纳米结构.更小的尺寸和更弯曲的结构增加了生物柴油颗粒的反应活性ꎬ形成了更多的细颗粒ꎬ需引起高度重视.ｃ不同的柴油机运行工况及复杂的缸内燃烧过程ꎬ都将使得颗粒的形成有所不同ꎬ有必要通过柴油机试验ꎬ深入研究柴油机运行参数对颗粒排放规律的影响.深化异燃烧相过程研究ꎬ如燃料雾化质量、混合气浓度、喷油定时、滞燃期、黏度和氧含量等ꎬ以此阐明各影响因素对颗粒生成的影响.可通过分析柴油机产生的颗粒模式和数量的变化等ꎬ研究柴油机燃用生物柴油后的燃烧特性和颗粒排放特性等规律ꎬ为预防颗粒生成提供科学的依据和指导.参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ[ １ ] ＺＨＯＵ Ｋ ＬꎬＦＥＴ Ａ ＭꎬＭＩＣＨＥＬＳＥＮ Ｏꎬｅｔ ａｌ.Ａ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｉｎ ｒｅｃｒｅａｔｉｏｎａｌ ｂｏａｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ[Ｊ].Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓꎬ Ｐａｒｔ ＭＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ２００３ꎬ２１７６６￣６９.[ ２ ] ＹＵＮＵＳ ＫꎬＡＴＡＢＡＮＩ ＡꎬＢＡＤＲＵＤＤＩＮ Ｉꎬｅｔ ａｌ.Ｒｅｃｅｎｔ ｓｃｅｎａｒｉｏ ａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｔｏ ｕｔｉｌｉｚｅ ｎｏｎ￣ｅｄｉｂｌｅ ｏｉｌｓ ｆｏｒ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ[Ｊ].Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｖｉｅｗｓꎬ２０１４ꎬ３７８４０￣８５１.[ ３ ] ＳＨＡＨＩＤ ＥꎬＪＡＭＡＬ Ｊ. Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌａ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ[Ｊ].Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｕｓｔ