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

一、柴油機顆粒物控制技術(shù)

1、燃燒前控制技術(shù)

      燃燒前控制技術(shù)主要是通過改善燃油品質(zhì)，如使用含氧燃料和其他改性燃料實現(xiàn)對顆粒物排放的控制。提高柴油質(zhì)量、改善燃油品質(zhì)可直接降低柴油機顆粒物的排放，同時為后處理裝置做準(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。它可以通過酯交換反應(yīng)過程轉(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，顆粒物中碳煙和無機鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，可溶性有機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研究了滿負(fù)荷工況時燃用純柴油和B10調(diào)合生物柴油對柴油機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發(fā)動機動力性基本一致。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

      含氧燃料通過改進柴油燃料的十六烷值提高燃燒質(zhì)量和點火質(zhì)量，從而降低顆粒著火溫度，各種含氧燃料添加劑往往會改變柴油機顆粒物的物理化學(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柴油機顆粒物組成及其毒性的影響，含氧燃料混合物能有效促進所有尺寸范圍內(nèi)的碳煙氧化和降低柴油機顆粒物濃度，但會伴隨有機碳含量的顯著增加。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，研究了混合燃料對柴油機排氣煙度的影響，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，有機酸酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大。通過添加10%乙縮醛研究了含氧柴油對柴油機排放及顆粒物碳質(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，研究了含氧燃料對柴油機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)過程中，沸點比周圍燃料低的水滴會迅速爆炸，這最終增加了預(yù)混燃燒期和點火延遲期，為燃油-空氣混合創(chuàng)造了更多的時間，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)配對熱解生物油/柴油混合液進行乳化，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，并對乳化燃料和純柴油的排放特性進行了對比，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%。對柴油含水乙醇乳化燃料的理化和燃燒特性進行了研究，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。

      乳化燃料可同時降低柴油機顆粒物和NO?的排放，但由于其對表面活性劑的高度依賴性，使得它在成本上不占優(yōu)勢，限制了自身的商業(yè)化。首次在常規(guī)柴油機中引入無表面活性劑的水-油乳化燃料，柴油和水被存儲在不同的位置，在進入發(fā)動機之前，通過一個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。測試結(jié)果表明：與普通柴油相比，無表面活性劑的乳化燃料制動熱效率提高了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)主要是通過改進燃燒室結(jié)構(gòu)、改進點火系統(tǒng)、改進進氣系統(tǒng)、采用電控噴油技術(shù)等方式實現(xiàn)對顆粒物排放的控制機內(nèi)凈化技術(shù)，其中電控噴油技術(shù)是近年來的研究重點，主要是通過對噴油正時、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

      噴油正時對柴油機排放性能有著顯著影響研究表明：推遲噴油正時會使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組分含量相對較低，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，對噴油正時不敏感。

      當(dāng)增大噴油提前角時，顆粒物排放會降低，這與點火延遲性能有關(guān)。這種情況的原因是，增大噴油提前角會導(dǎo)致預(yù)混燃燒持續(xù)時間的增加，從而增強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使點火延遲的增加，從而增大NO?排放。當(dāng)噴油正時延遲，顆粒物排放增加，NO?排放減少。這種情況的發(fā)生是因為延遲噴射導(dǎo)致點火延遲減少和預(yù)混燃燒持續(xù)時間降低，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內(nèi)凈化技術(shù)是改變噴油壓力。噴油壓力增大時，會形成霧化，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導(dǎo)致NO?排放量的增加和顆粒物的減少，同時，生物柴油對低負(fù)荷狀態(tài)下顆粒物的排放影響更大，對中高負(fù)荷的影響較小。

      噴嘴孔徑也對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展過程，提高碳粒燃燒速率，進而降低柴油機碳煙和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，能夠同時減少氮氧化物和顆粒物的排放。多次噴射技術(shù)可以實現(xiàn)共軌直噴（CRDI），通過使用能夠精確控制噴油壓力和噴油正時的電控電磁閥，進而實現(xiàn)對噴油正時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)噴射過程中噴入一定量的燃料，提高主噴射之前的溫度，降低點火延遲，從而降低主噴射過程中預(yù)混燃燒的燃料燃燒率，最終通過降低峰值壓力來減少爆震。

      研究了多次噴射對重型柴油機性能和排放的影響，預(yù)噴射可以在小負(fù)荷時改善柴油機的NO?、CO和比油耗，但在大負(fù)荷時沒有明顯的影響，多次噴射可以促進油氣混合，提高碳煙的氧化速度，從而降低柴油機的顆粒物排放。由于預(yù)噴射過程中的產(chǎn)物具有較高的溫度和較低的氧含量，會導(dǎo)致大部分時間內(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)主要是通過使用附加裝置或設(shè)備對燃燒產(chǎn)物進行過濾和催化處理的機外凈化技術(shù)。柴油機顆粒物排放控制的物理過濾技術(shù)始于?0世紀(jì)80年代，可用于柴油顆粒捕集的過濾介質(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)氣體通過多孔壁時，這些蜂窩狀的過濾體將顆粒物捕獲。這類過濾器通常被稱為陶瓷壁流過濾器。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，柴油機尾氣進入上游端開口的過濾器孔道后，由于孔道的末端被堵住，迫使氣體流經(jīng)多孔的薄壁進入相鄰的孔道，相鄰孔道在下游端打開，過濾后的氣體從下游端出口排入大氣中。過濾器壁被設(shè)計成適合的孔隙度，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濾下來，沉積在孔壁上。壁流式蜂窩陶瓷單位體積的過濾面積較大，過濾效率較高，通?？蛇_98％以上。

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

      主動再生指的是利用外加能源來提高過濾器內(nèi)的溫度，使積存在過濾體內(nèi)的顆粒升溫、自燃，以減少過濾體內(nèi)的顆粒。主動再生的實現(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。燃燒器再生通過在過濾器前端放置一個燃燒器，使柴油顆粒過濾器再生。在這個系統(tǒng)可以在所有發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下進行再生，再生效率通常在90%以上。當(dāng)碳煙沉積在過濾器上，由一個壓差傳感器監(jiān)測過濾器的背壓值。隨著過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，由該傳感器向ECU發(fā)送信號。ECU給DPF上游的燃料燃燒器發(fā)出信號，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，溫度的升高會加速碳煙的燃燒，從而導(dǎo)致溫度的不可控升高和過慮基體的熔化。

      為了控制再生過程中的溫度，燃燒器可以在再生循環(huán)過程中中途關(guān)閉，確保將濾床溫度梯度和峰值溫度控制在一個臨界水平以下，以防止過濾器的開裂和熔化。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87%以上，電力由同步交流發(fā)電機提供，電加熱系統(tǒng)需要解決運行過程中耗電量高的問題，一般柴油機的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濾體再生的不均勻，造成過濾體的局部過熱而損壞。微波加熱再生是利用微波獨有的選擇加熱和體積加熱特性在過濾體內(nèi)部形成空間分布的熱源，對沉積在過濾體上的碳顆粒進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、顆粒物常見檢測方法

      柴油機廢氣污染對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、哮喘等健康問題。因此，對背景空氣中的顆粒物進行實時、準(zhǔn)確、可靠的檢測和分析至關(guān)重要。本文將介紹幾種常見的顆粒物檢測方法。

1、 激光散射粒度儀法

      激光散射粒度儀是通過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、角度分布、時間分布等指標(biāo)對樣品進行分析。應(yīng)用顆粒物質(zhì)量和散射強度之間的某種關(guān)系進行計算，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快速、準(zhǔn)確度高及范圍廣等特點，而且還能自動測試，無需人工干預(yù)和特殊處理，因此在顆粒物檢測方面應(yīng)用廣泛。

2、移動式煙氣顆粒物質(zhì)量測定儀法

      移動式煙氣顆粒物質(zhì)量測定儀是專門適用于檢測柴油發(fā)電機煙氣、工業(yè)廢氣和工地?fù)P塵等環(huán)境的顆粒物檢測儀器。其主要原理是利用濾紙、毛細(xì)管等材料對顆粒物進行過濾和捕集，再利用重量法檢測質(zhì)量濃度。通過化學(xué)計量式計算顆粒物的質(zhì)量濃度和總質(zhì)量，從而得出其濃度值。移動式煙氣顆粒物質(zhì)量測定儀準(zhǔn)確度高，靈敏度好，適用于在場地實時檢測環(huán)境中的顆粒物污染問題，但由于其不能確定每個顆粒物的粒徑分布及運動狀態(tài)等特征，對于復(fù)雜環(huán)境，其判定方法的準(zhǔn)確性可能會受到一定影響。

3、掃描電子顯微鏡法

      掃描電子顯微鏡可以對高分辨率圖像進行拍攝，圖像中的各種微觀組織與零件都可以通過電子束照射而清晰可見。通過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，該檢測方法一般需要顯微鏡技術(shù)人員進行操作，需要經(jīng)過特殊的實驗室條件，且儀器造價昂貴，一般用于科學(xué)研究領(lǐng)域等實驗室環(huán)境下的顆粒物檢測。

      綜上所述，不同的顆粒物檢測方法各有優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)不同的場合和要求選擇合適的方法進行檢測。人們對空氣質(zhì)量的關(guān)注度越來越高，對于顆粒物的檢測工作，未來的研究還需要不斷提高檢測儀器的準(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儀器。

三、顆粒物控制措施后實驗

1、實驗要求

      柴油發(fā)電機顆粒過濾器如圖1所示，根據(jù)GB17691－2001《壓燃式發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法》和ISO8178規(guī)范要求完成柴油發(fā)電機顆粒物排放的測試。本實驗通過測量柴油發(fā)電機顆粒物排放和有關(guān)性能參數(shù)，使用戶了解柴油發(fā)電機顆粒物的產(chǎn)生機理及顆粒物測試原理和測試系統(tǒng)。要求測試人員完成柴油發(fā)電機臺架的實驗測試并提交記錄報告和計算分析結(jié)果。

2、實驗所用設(shè)備與儀器

      如圖2所示，實驗包括柴油發(fā)電機、測功器及其控制裝置、油耗測量儀、EEPS3090顆粒物分析儀、空壓機、儲氣瓶、干燥器、微量天平、轉(zhuǎn)速傳感器、空氣流量計和各溫度壓力傳感器。

3、實驗步驟

（1）提前一天預(yù)熱微量天平，實驗前至少一小時將每對濾紙置入規(guī)定溫度和濕度的稱重室中進行穩(wěn)定；

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

（3）確定柴油發(fā)電機排氣管上顆粒物取樣點位置并安裝采樣管；