摘要：顆粒物(PM)是柴油發(fā)電機(jī)廢氣中一種有害的物質(zhì)。根據(jù)美國(guó)EPA的定義柴油發(fā)電機(jī)的排氣顆粒物是指稀釋到51.7℃以下的柴油發(fā)電機(jī)排氣流過(guò)帶聚四氟乙烯樹脂的濾紙時(shí)，被濾紙所過(guò)濾下來(lái)的所有物質(zhì)。柴油發(fā)電機(jī)排氣顆粒物分析是研究柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程的一個(gè)重要手段，也是研究和防治發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣造成的環(huán)境污染所必不可少的重要內(nèi)容。針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)顆粒物的排放，世界各國(guó)各地區(qū)制定了相應(yīng)的排放控制法規(guī)。了解柴油發(fā)電機(jī)顆粒物的產(chǎn)生機(jī)理，熟悉顆粒物的測(cè)試原理及注意事項(xiàng)，如何依照法規(guī)完成對(duì)柴油發(fā)電機(jī)顆粒物排放的測(cè)試，并對(duì)柴油發(fā)電機(jī)顆粒物排放水平作出合理的評(píng)價(jià)是該實(shí)驗(yàn)的主要目的。

一、柴油機(jī)顆粒物控制技術(shù)

1、燃燒前控制技術(shù)

      燃燒前控制技術(shù)主要是通過(guò)改善燃油品質(zhì)，如使用含氧燃料和其他改性燃料實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物排放的控制。提高柴油質(zhì)量、改善燃油品質(zhì)可直接降低柴油機(jī)顆粒物的排放，同時(shí)為后處理裝置做準(zhǔn)備。

（1）生物柴油

      生物柴油是從植物油和動(dòng)物脂肪中提取的脂肪酸甲酯或乙酯。它是一種可再生、可生物降解的含氧燃料，由長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸甘油酯（即甘油三酯）和不飽和脂肪酸甘油酯組成。它可以通過(guò)酯交換反應(yīng)過(guò)程轉(zhuǎn)化為甘油單酯。燃料中硫和芳烴含量較低，并含有近10%的氧，有助于燃料的完全燃燒。

      生物柴油作為替代燃料，能夠有效降低顆粒物排放。大量研究表明，隨著生物柴油摻混比例的增加，各粒徑范圍的排氣顆粒物質(zhì)量濃度均下降，顆粒物中碳煙和無(wú)機(jī)鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，可溶性有機(jī)組分中酯類和酸類物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，烷烴類、芳香烴及酚類物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。采用單缸小型柴油機(jī)研究了滿負(fù)荷工況時(shí)燃用純柴油和B10調(diào)合生物柴油對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響，結(jié)果表明：滿負(fù)荷工況下，燃用調(diào)合生物柴油和純柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性基本一致。與純柴油相比，燃用調(diào)合生物柴油的排放性能得到有效改善，CO、碳?xì)浠衔铮℉C）和顆粒物的最大降幅分別為?9.09%、30.43%和35.79%。

（2）含氧燃料添加劑

      含氧燃料通過(guò)改進(jìn)柴油燃料的十六烷值提高燃燒質(zhì)量和點(diǎn)火質(zhì)量，從而降低顆粒著火溫度，各種含氧燃料添加劑往往會(huì)改變柴油機(jī)顆粒物的物理化學(xué)特性，高氧含量的燃料可以大大降低顆粒物排放。

      研究了含有二甘醇二甲醚、棕櫚油甲酯、碳酸二甲酯、己二酸二乙酯和丁醇等五種不同含氧燃料添加劑的混合液對(duì)柴油機(jī)顆粒物組成及其毒性的影響，含氧燃料混合物能有效促進(jìn)所有尺寸范圍內(nèi)的碳煙氧化和降低柴油機(jī)顆粒物濃度，但會(huì)伴隨有機(jī)碳含量的顯著增加。將聚甲氧基二甲醚（PODE）（體積分?jǐn)?shù)10%）摻混于柴油中制備柴油混合燃料，研究了混合燃料對(duì)柴油機(jī)排氣煙度的影響，在額定工況下，混合燃料排放的顆粒物在各粒徑下的質(zhì)量濃度均有不同程度的降低，顆粒物粒徑總體向小粒徑方向偏移，顆粒物中的可溶性有機(jī)組分所占比重增加，其中各類烷烴和多環(huán)芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，有機(jī)酸酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大。通過(guò)添加10%乙縮醛研究了含氧柴油對(duì)柴油機(jī)排放及顆粒物碳質(zhì)組分的影響，與普通柴油排放相比，含氧柴油排放顆粒中PM2.5的排放速率最大降幅達(dá)29%，其中總碳的排放速率最大降幅為24%。以乙醇為添加劑，研究了含氧燃料對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響，含氧燃料能夠降低顆粒數(shù)量和質(zhì)量排放，尤其是抑制了大尺寸顆粒，使得顆粒粒徑分布曲線向小粒徑方向偏移，顆粒平均幾何尺寸降低。

（3）乳化燃料

      乳化燃料是由燃油和水組成的乳化液，乳化燃料排放減少的主要原因是在快速蒸發(fā)過(guò)程中，沸點(diǎn)比周圍燃料低的水滴會(huì)迅速爆炸，這最終增加了預(yù)混燃燒期和點(diǎn)火延遲期，為燃油-空氣混合創(chuàng)造了更多的時(shí)間，從而減少了顆粒物的形成。在相同情況下，水滴蒸發(fā)降低了熱循環(huán)的峰值溫度，這也導(dǎo)致了氮氧化物排放量的減少。利用非離子表面活性劑復(fù)配對(duì)熱解生物油/柴油混合液進(jìn)行乳化，得出生物油/柴油乳化燃料和純柴油的負(fù)荷特性和排放特性曲線，并對(duì)乳化燃料和純柴油的排放特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：生物油體積分?jǐn)?shù)為20%的乳化燃料當(dāng)量油耗率最低，乳化燃料的NO?及碳煙的排放則優(yōu)于純柴油的排放。研究了F-T柴油/甲醇微乳化燃料的燃燒排放特性，與普通柴油相比，乳化燃料CO、NO?和碳煙的排放均有下降，降幅范圍分別為20%～40%、25%～27%和65%～97%。對(duì)柴油含水乙醇乳化燃料的理化和燃燒特性進(jìn)行了研究，隨著含水乙醇含量的增加，含氧量升高，十六烷值和低熱值降低，燃燒火焰自發(fā)光亮度逐漸降低，表征碳煙生成量逐漸減少。

      乳化燃料可同時(shí)降低柴油機(jī)顆粒物和NO?的排放，但由于其對(duì)表面活性劑的高度依賴性，使得它在成本上不占優(yōu)勢(shì)，限制了自身的商業(yè)化。首次在常規(guī)柴油機(jī)中引入無(wú)表面活性劑的水-油乳化燃料，柴油和水被存儲(chǔ)在不同的位置，在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)之前，通過(guò)一個(gè)由高剪切混合器和超聲波混合器組合而成的混合系統(tǒng)產(chǎn)生定量轉(zhuǎn)移和瞬間乳化，得到乳化燃料。測(cè)試結(jié)果表明：與普通柴油相比，無(wú)表面活性劑的乳化燃料制動(dòng)熱效率提高了3.59%，油耗降低3.89%，廢氣中氮氧化物和顆粒物的含量分別降低了31.66%和16.33%。

2、燃燒中控制技術(shù)

      燃燒中控制技術(shù)主要是通過(guò)改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)、改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)、改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)、采用電控噴油技術(shù)等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物排放的控制機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，其中電控噴油技術(shù)是近年來(lái)的研究重點(diǎn)，主要是通過(guò)對(duì)噴油正時(shí)、噴油壓力和噴油方式等噴油參數(shù)的調(diào)整降低顆粒物和氮氧化物等污染物的排放。

（1）噴油正時(shí)

      噴油正時(shí)對(duì)柴油機(jī)排放性能有著顯著影響研究表明：推遲噴油正時(shí)會(huì)使CO和總烴的排放量增加，但由于氣缸容積膨脹和傳熱，曲軸轉(zhuǎn)角間隔增大，NO?排放量顯著減少。早期顆粒物中的可溶性有機(jī)組分含量相對(duì)較低，高溫和局部貧氧導(dǎo)致碳煙排放量較大，隨著曲軸轉(zhuǎn)角間距的增加，煙度排放迅速下降，對(duì)噴油正時(shí)不敏感。

      當(dāng)增大噴油提前角時(shí)，顆粒物排放會(huì)降低，這與點(diǎn)火延遲性能有關(guān)。這種情況的原因是，增大噴油提前角會(huì)導(dǎo)致預(yù)混燃燒持續(xù)時(shí)間的增加，從而增強(qiáng)燃料與空氣的混合均勻性，降低顆粒物排放。但是由于增大噴油提前角會(huì)使點(diǎn)火延遲的增加，從而增大NO?排放。當(dāng)噴油正時(shí)延遲，顆粒物排放增加，NO?排放減少。這種情況的發(fā)生是因?yàn)檠舆t噴射導(dǎo)致點(diǎn)火延遲減少和預(yù)混燃燒持續(xù)時(shí)間降低，從而增加燃料消耗、HC煙霧和顆粒物。

（2）噴油壓力

      另一種用于降低顆粒物的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)是改變噴油壓力。噴油壓力增大時(shí)，會(huì)形成霧化，噴油壓力越高，燃料液滴霧化越均勻，液滴尺寸越小，從而使燃料燃燒越完全，顆粒物大大減少。此外，噴霧貫穿距離隨噴油壓力的增加而增大，從而使空氣得到合理利用，提高燃油空氣混合速度。研究發(fā)現(xiàn)：在所有負(fù)荷條件下，燃料噴射壓力的增加都會(huì)導(dǎo)致NO?排放量的增加和顆粒物的減少，同時(shí)，生物柴油對(duì)低負(fù)荷狀態(tài)下顆粒物的排放影響更大，對(duì)中高負(fù)荷的影響較小。

      噴嘴孔徑也對(duì)顆粒物的排放起到重要影響。減小噴嘴孔徑可加速碳粒燃燒擴(kuò)展過(guò)程，提高碳粒燃燒速率，進(jìn)而降低柴油機(jī)碳煙和CO的排放。

（3）多次噴射

      多次噴射技術(shù)在控制燃燒放熱速率方面比單次噴射具有更大的靈活性，合理的參數(shù)選取可使顆粒物、氮氧化物排放和平均有效壓力之間獲得良好的折衷，能夠同時(shí)減少氮氧化物和顆粒物的排放。多次噴射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)共軌直噴（CRDI），通過(guò)使用能夠精確控制噴油壓力和噴油正時(shí)的電控電磁閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油正時(shí)和噴油量的精確控制。多次噴射技術(shù)包含三種噴射方式，預(yù)噴射、主噴射和后噴射。在預(yù)噴射過(guò)程中噴入一定量的燃料，提高主噴射之前的溫度，降低點(diǎn)火延遲，從而降低主噴射過(guò)程中預(yù)混燃燒的燃料燃燒率，最終通過(guò)降低峰值壓力來(lái)減少爆震。

      研究了多次噴射對(duì)重型柴油機(jī)性能和排放的影響，預(yù)噴射可以在小負(fù)荷時(shí)改善柴油機(jī)的NO?、CO和比油耗，但在大負(fù)荷時(shí)沒(méi)有明顯的影響，多次噴射可以促進(jìn)油氣混合，提高碳煙的氧化速度，從而降低柴油機(jī)的顆粒物排放。由于預(yù)噴射過(guò)程中的產(chǎn)物具有較高的溫度和較低的氧含量，會(huì)導(dǎo)致大部分時(shí)間內(nèi)顆粒物排放量的增加。

3、燃燒后控制技術(shù)

      燃燒后控制技術(shù)主要是通過(guò)使用附加裝置或設(shè)備對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行過(guò)濾和催化處理的機(jī)外凈化技術(shù)。柴油機(jī)顆粒物排放控制的物理過(guò)濾技術(shù)始于?0世紀(jì)80年代，可用于柴油顆粒捕集的過(guò)濾介質(zhì)種類繁多，如金屬絲網(wǎng)、陶瓷纖維、多孔陶瓷載體等。目前應(yīng)用最廣泛的是柴油顆粒過(guò)濾器（DPF），也被稱為柴油顆粒捕集器，其核心部件是由堇青石或碳化硅制成的蜂窩陶瓷載體。當(dāng)氣體通過(guò)多孔壁時(shí)，這些蜂窩狀的過(guò)濾體將顆粒物捕獲。這類過(guò)濾器通常被稱為陶瓷壁流過(guò)濾器。壁流式蜂窩陶瓷有類似普通蜂窩陶瓷的平行孔道，但不同的是相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵孔，柴油機(jī)尾氣進(jìn)入上游端開口的過(guò)濾器孔道后，由于孔道的末端被堵住，迫使氣體流經(jīng)多孔的薄壁進(jìn)入相鄰的孔道，相鄰孔道在下游端打開，過(guò)濾后的氣體從下游端出口排入大氣中。過(guò)濾器壁被設(shè)計(jì)成適合的孔隙度，使得尾氣能順利流通，減小系統(tǒng)的壓力降，而其中的碳煙顆粒被過(guò)濾下來(lái)，沉積在孔壁上。壁流式蜂窩陶瓷單位體積的過(guò)濾面積較大，過(guò)濾效率較高，通?？蛇_(dá)98％以上。

      顆粒物在過(guò)濾器中的過(guò)濾和收集相對(duì)較容易，最困難和最具挑戰(zhàn)性的工作是清除過(guò)濾器中收集的碳煙顆粒。過(guò)濾器在被碳煙顆粒堵塞前需要進(jìn)行再生處理，以使過(guò)濾器恢復(fù)到原來(lái)的清潔狀態(tài)。在再生過(guò)程中，過(guò)濾器中收集的碳煙顆粒氧化成二氧化碳，同時(shí)還要保證陶瓷過(guò)濾基體在再生過(guò)程中產(chǎn)生的高溫下不會(huì)熔化或開裂。根據(jù)再生方法的不同，柴油顆粒過(guò)濾器的再生技術(shù)可分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩大類。

      主動(dòng)再生指的是利用外加能源來(lái)提高過(guò)濾器內(nèi)的溫度，使積存在過(guò)濾體內(nèi)的顆粒升溫、自燃，以減少過(guò)濾體內(nèi)的顆粒。主動(dòng)再生的實(shí)現(xiàn)方式主要有燃燒器再生、電加熱再生、微波加熱再生和紅外加熱再生等。燃燒器再生通過(guò)在過(guò)濾器前端放置一個(gè)燃燒器，使柴油顆粒過(guò)濾器再生。在這個(gè)系統(tǒng)可以在所有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下進(jìn)行再生，再生效率通常在90%以上。當(dāng)碳煙沉積在過(guò)濾器上，由一個(gè)壓差傳感器監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的背壓值。隨著過(guò)濾器中的碳煙顆粒的不斷積聚，當(dāng)背壓值上升到一定程度時(shí)，由該傳感器向ECU發(fā)送信號(hào)。ECU給DPF上游的燃料燃燒器發(fā)出信號(hào)，噴入柴油和二次空氣，燃燒后引燃顆粒，碳煙開始氧化。隨著燃燒的開始，溫度的升高會(huì)加速碳煙的燃燒，從而導(dǎo)致溫度的不可控升高和過(guò)慮基體的熔化。

      為了控制再生過(guò)程中的溫度，燃燒器可以在再生循環(huán)過(guò)程中中途關(guān)閉，確保將濾床溫度梯度和峰值溫度控制在一個(gè)臨界水平以下，以防止過(guò)濾器的開裂和熔化。電加熱再生在原理上與燃燒器再生系統(tǒng)類似，不同之處是電加熱再生系統(tǒng)采用電阻加熱代替了復(fù)雜的燃燒器和電控系統(tǒng)。電加熱系統(tǒng)的再生效率可達(dá)87%以上，電力由同步交流發(fā)電機(jī)提供，電加熱系統(tǒng)需要解決運(yùn)行過(guò)程中耗電量高的問(wèn)題，一般柴油機(jī)的DPF再生系統(tǒng)大概需要3 kW的加熱器。此外，電加熱系統(tǒng)容易由于加熱的不均勻性造成過(guò)濾體再生的不均勻，造成過(guò)濾體的局部過(guò)熱而損壞。微波加熱再生是利用微波獨(dú)有的選擇加熱和體積加熱特性在過(guò)濾體內(nèi)部形成空間分布的熱源，對(duì)沉積在過(guò)濾體上的碳顆粒進(jìn)行原位加熱著火燃燒，具有較高的CO?選擇性和碳煙燃燒效率。

二、顆粒物常見檢測(cè)方法

      柴油機(jī)廢氣污染對(duì)人類健康造成重大影響，顆粒物是廢氣污染的主要組成部分之一。它們小到足以被吸入肺部，甚至滲透進(jìn)血液循環(huán)系統(tǒng)，引發(fā)諸如心血管疾病、癌癥、哮喘等健康問(wèn)題。因此，對(duì)背景空氣中的顆粒物進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的檢測(cè)和分析至關(guān)重要。本文將介紹幾種常見的顆粒物檢測(cè)方法。

1、 激光散射粒度儀法

      激光散射粒度儀是通過(guò)散射光譜分析顆粒物的形態(tài)、大小、濃度及分布情況。該儀器原理借助激光束輻射到顆粒物，吸收部分能量，并向所有方向發(fā)射散射光，再利用散射光強(qiáng)、角度分布、時(shí)間分布等指標(biāo)對(duì)樣品進(jìn)行分析。應(yīng)用顆粒物質(zhì)量和散射強(qiáng)度之間的某種關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，可以得到顆粒物的質(zhì)量濃度及大小分布。激光散射粒度儀具備檢測(cè)快速、準(zhǔn)確度高及范圍廣等特點(diǎn)，而且還能自動(dòng)測(cè)試，無(wú)需人工干預(yù)和特殊處理，因此在顆粒物檢測(cè)方面應(yīng)用廣泛。

2、移動(dòng)式煙氣顆粒物質(zhì)量測(cè)定儀法

      移動(dòng)式煙氣顆粒物質(zhì)量測(cè)定儀是專門適用于檢測(cè)柴油發(fā)電機(jī)煙氣、工業(yè)廢氣和工地?fù)P塵等環(huán)境的顆粒物檢測(cè)儀器。其主要原理是利用濾紙、毛細(xì)管等材料對(duì)顆粒物進(jìn)行過(guò)濾和捕集，再利用重量法檢測(cè)質(zhì)量濃度。通過(guò)化學(xué)計(jì)量式計(jì)算顆粒物的質(zhì)量濃度和總質(zhì)量，從而得出其濃度值。移動(dòng)式煙氣顆粒物質(zhì)量測(cè)定儀準(zhǔn)確度高，靈敏度好，適用于在場(chǎng)地實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中的顆粒物污染問(wèn)題，但由于其不能確定每個(gè)顆粒物的粒徑分布及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等特征，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境，其判定方法的準(zhǔn)確性可能會(huì)受到一定影響。

3、掃描電子顯微鏡法

      掃描電子顯微鏡可以對(duì)高分辨率圖像進(jìn)行拍攝，圖像中的各種微觀組織與零件都可以通過(guò)電子束照射而清晰可見。通過(guò)該儀器可以直接觀察到顆粒物的外觀形態(tài)、粒徑大小、表面微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部形態(tài)，可用于分析顆粒物形態(tài)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部成分、材料組分及其物理化學(xué)性質(zhì)等。但是，該檢測(cè)方法一般需要顯微鏡技術(shù)人員進(jìn)行操作，需要經(jīng)過(guò)特殊的實(shí)驗(yàn)室條件，且儀器造價(jià)昂貴，一般用于科學(xué)研究領(lǐng)域等實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的顆粒物檢測(cè)。

      綜上所述，不同的顆粒物檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)不同的場(chǎng)合和要求選擇合適的方法進(jìn)行檢測(cè)。人們對(duì)空氣質(zhì)量的關(guān)注度越來(lái)越高，對(duì)于顆粒物的檢測(cè)工作，未來(lái)的研究還需要不斷提高檢測(cè)儀器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和適用范圍，并探索更加智能化和便攜化的顆粒物檢測(cè)儀器。

三、顆粒物控制措施后實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)要求

      柴油發(fā)電機(jī)顆粒過(guò)濾器如圖1所示，根據(jù)GB17691－2001《壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》和ISO8178規(guī)范要求完成柴油發(fā)電機(jī)顆粒物排放的測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量柴油發(fā)電機(jī)顆粒物排放和有關(guān)性能參數(shù)，使用戶了解柴油發(fā)電機(jī)顆粒物的產(chǎn)生機(jī)理及顆粒物測(cè)試原理和測(cè)試系統(tǒng)。要求測(cè)試人員完成柴油發(fā)電機(jī)臺(tái)架的實(shí)驗(yàn)測(cè)試并提交記錄報(bào)告和計(jì)算分析結(jié)果。

2、實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備與儀器

      如圖2所示，實(shí)驗(yàn)包括柴油發(fā)電機(jī)、測(cè)功器及其控制裝置、油耗測(cè)量?jī)x、EEPS3090顆粒物分析儀、空壓機(jī)、儲(chǔ)氣瓶、干燥器、微量天平、轉(zhuǎn)速傳感器、空氣流量計(jì)和各溫度壓力傳感器。

3、實(shí)驗(yàn)步驟

（1）提前一天預(yù)熱微量天平，實(shí)驗(yàn)前至少一小時(shí)將每對(duì)濾紙置入規(guī)定溫度和濕度的稱重室中進(jìn)行穩(wěn)定；

（2） AVL-SPC472顆粒物分析儀至少預(yù)熱1小時(shí)，并完成流量計(jì)的標(biāo)定和漏泄檢查；

（3）確定柴油發(fā)電機(jī)排氣管上顆粒物取樣點(diǎn)位置并安裝采樣管；