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发动机超细颗粒排放特性及其在排气稀释过程中 变化研究 摘要 近年来，随着我国城市机动车保有量的快速增长，城市机动车污染日趋严重。 由于机动车排放大量的超细颗粒物( 粒径d d o 01l am p r h p r i m a r yd i l u t i o nh u m i d i t y r t p r i m a r yr e s i d e n tt i m e s a e s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r s s o fs o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n t n f a t u m o u rn e c r o s i sf a c t o r t s pt o t a ls u s p e n dp a r t i c l e u f p su l t r a f i n ep a r t i c l e s v o cv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s v i i i 中文 美国癌症协会 二甲醚 欧洲经济委员会 废气再循环 燃料硫含量 一般动力学方程 天然气合成油 碳氢 免疫球蛋白e 白细胞介素8 液化石油气 氮氧化物 初级通道稀释比 初级通道混合气温度 进气道喷射 可吸入颗粒物 细颗粒 粒径大于0 0 1l - tm 的颗粒 初级通道混合气湿度 初级通道停留时间 汽车工程学会 可溶性有机成分 肿瘤坏死因子a 总悬浮颗粒物 超细颗粒 挥发性有机物 符号 字母符号含义单位 d p颗粒直径 n m n颗粒数浓度个c m 3 发动机转速 r m i n 帆粒径为d p ，k 颗粒的数浓度个c m 3 g吉布斯自由能j 仃表面张力k g s z 以 粒径为砩，k 核液滴的成核率 个c m 3 s p 幻粒径为砩 l c 和d p j 两个粒子的凝并系数 m 3 s u空气动力粘度 n s m z o w湍流速度 m s c n总颗粒数浓度 个c m 3 c s总颗粒表面积浓度 n m m j c v总颗粒体积浓度 n l t l c m 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夕 赛千兮 醐：岬 年，立月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人 授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：鸯新拿指导教师签名： 日期：聊年f 2 月日 日期：即年l 钥l j 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类在从事各项生产活动过程中，会不断的向环境排放污染物质。但由于大气、 水、土壤等的扩散、稀释、氧化还原和生物降解等环境自净作用，污染物质的浓度 和毒性会自然降低，如果排放的物质超过了环境的自净能力，环境质量就会发生不 良变化，危害人类健康和生存，这就发生了环境污染。 近二十年来，随着我国经济的高速发展，自然资源消耗量和环境污染物的排放量 大幅度上升，因此我国的资源和环境压力同趋严重，许多地区的污染排放已大大超 过了环境容量，对人民健康安全带来重大影响。目前我国政府正不断加大环保投资， 以确保环境和经济的和谐和健康发展。 1 2 城市大气污染状况 城市是人类在改造自然的基础上而创造出来的高度人口化的生存环境，是社会生 产力发展到一定阶段的产物。随着1 8 世纪产业革命，工业兴起和发展，城市化进程 迅速加快，城市人口不断增长。1 9 0 0 年世界只有1 6 亿人生活在城市，城市人口只 占世界总人口的1 0 。如今，世界人口的一半以上已经居住于城市。我国8 0 年代以 来，随着经济的繁荣和工业化的发展，农村大量人口涌入城市，使城市人口迅速增 加。城市人口占总人口的百分比由1 9 8 0 年的2 0 增加到2 0 0 0 年的3 6 ，2 0 0 6 年达 到4 3 ，远低于同期世界城市人口比例的平均值5 0 ，因此，今后一段时期内中国 的城市人口仍然会不断增长。表1 1 列出了我国城市人口发展状况。 表1 1 中国城市人口发展状况 t a b l e1 - 1d e v e l o p m e n to fc h i n e s eu r b a np o p u l a t i o n 随着我国城市化进程的快速推进，工业和产业得到快速发展，使能源消耗和污染 排放增加，城市大气环境受到挑战。国家环保局( 2 0 0 6 年全国环境质量状况公告 公布【l 】，2 0 0 6 年，全国开展环境空气质量监测的5 5 9 个城市中，空气质量达到一级 标准的城市2 4 个( 占4 3 ) 、二级标准的城市3 2 5 个( 占5 8 1 ) 、三级标准的城市 1 5 9 个( 占2 8 5 ) 、劣于三级标准的城市5 1 个( 占9 1 ) 。显然，有接近4 0 的城 市环境空气质量未达标( 劣于二级标准) 。2 0 0 6 年，全国空气质量达到和优于二级的 射搴缔论 达标城市人口比例为5 2 4 。其中1 0 万以下、1 0 5 0 万、5 0 1 0 0 万、1 0 0 万以 一人口 的堋市t h i达标城市的人口比例依次降低，分别为7 24 、6 3i 、5 43 、4 8o 。 显然，近半数的城市人u 生活f 末达标的环境空气中，且城市规模越大，受污染的 人门比例越大。 仝国3 35 的城市颗粒物年均浓度术满足二线标准( 其中劣于三级标准的城市3 9 个，占70 ) ，i32 的城市s 0 2 f 均浓度未满足二级标准( 其中劣于三级标准的城 市2 0 个，j - 36 ) 。全吲城市n 0 2 的年均浓度均达到一级标准( 其中8 74 的城市 达剑一级) 。显然，颗粒物仍是显著影响蛾l 订空气质量的片耍污染物。 43 固卜1 城市空气质量级别比例 f i g1 - ip r o p o n i o n so fr a n ko f u r b a na i r q u a l i t y 1 2 1 城市机动车排放和污染状况 绌 6 24 圉12 不同空气质量状况下人口比例 f i g 1 2p r o p o r t i o n so f p e o p l eu n d e rd i f f e r e n t a i r q u a l i t y 近年柬，个世界机动牛保订量 夹述埔：l j l i ，2 0 0 0 年术，全世界的汽车保订量已超 过6 亿辆，预计2 0 1 0 年将增加剑1 0 亿辆。近年来，我田机动车行业发胜迅速，根 捌公安部网站公m 统汁数据，戗l e2 0 0 7 年6 月，全固机动车保竹景已达15 亿辆。 其一h 汽1 ：5 3 5 5 万辆，摩托j ：8 3 5 4 万辆，占全同机动1 一保柯黾的8 97 。我国以 汽车和摩托1 沩1 ：的机动车埔加了7 5 78 6 力辆，增长52 2 ，与去年刚捌扪比埔长 ：瞽i j ro4 2 个自分，。l 。2 0 0 6 年，我h 已成为世界第三大汽车q 二产和第一大汽车消费 国，生产汽车7 2 8 万辆。据专家预计，r r _ 田汽车i 盯场需求完全可能保持2 0 年甚至更 长h 问的持续、稳定、快速增k ，2 0 1 0 年全| = 4 汽，r 保午】吊将达到o5 6 亿辆，2 0 2 0 午 将高达i3 1 亿辆。 我同机动下主要集中于少数人城f 仃，机动牟污染也j ：耍反映这部分大城市和特大 口城市。截乍2 0 0 7 年6 月3 1 同，个旧机动车保有晕超过百万辆的城市已有9 个， 其巾北京和 海分别超过3 0 0 万辆和2 0 0 万辆。大城市各种车辆有不同的增幅，以 朔要 卜 第一章绪论 北京和上海为例，截止2 0 0 6 年底，北京市机动车保有量为2 8 7 力辆，比上一年增长 1 1 2 ，民用汽车保有量达到2 4 4 1 万辆，比上一年增长1 3 8 ，私人汽车保有量达 到1 8 1 万辆，比上一年增长1 7 6 ；上海市机动车保有量为2 1 3 万辆，比上一年增 长1 ，民用汽车1 0 7 0 4 万辆，比上一年增长1 2 5 ，私人汽车保有量达到5 0 9 万 辆，比上一年增长了2 4 2 。显然民用汽车，尤其是私人汽车发展迅猛。 1 2 2 机动车排放物的健康危害 机动车排放的大气污染物主要集中在城市主要道路两侧和交通密集区域，与行人 的距离最近，同样的排放量，行人对机动车排放污染物的摄入量远高于对电厂排放 污染物摄入量，许多城市道路两侧空气质量超标严重，且汽车废气的排放主要在 0 3 2m 高度之间，正好是人体的呼吸范围，容易被吸入人体，危害人体健康。 汽车废气含有上千种化学物质，可分为气体和颗粒物两大类，气体包括一氧化碳 ( c o ) 、氮氧化物( n 0 x ) 和碳氢化合物( h c ) ，颗粒物包括碳烟、半挥发性有机和 无机组份以及重金属等。下面分别说明这几种物质可能对人产生的健康危害。 ( 1 ) 一氧化碳 一氧化碳( c o ) 是燃料不完全燃烧所致，它极易与人体内担负输送氧气给身 体各部位任务的血红蛋白结合，从而阻止血红蛋白向人体组织输送氧气，使体内缺 氧，麻痹中枢神经系统，造成头晕、头疼和四肢无力等中毒现象，重者因停止血液 循环而死亡。一氧化碳对人体的危害主要取决于空气中一氧化碳的浓度和接触时间。 长期处于低浓度的c o 污染状态，会出现贫血、心慌、呼吸道病变恶化等症状。c o 浓度越高，接触时间越长，中毒就越严重，当空气中的c o 的浓度达到1 2 5m m 3 时， 在生理上开始有影响，影响神经中枢系统，使判断力受损害；c o 的浓度大于2 5 0 m g m 3 时，会引起头痛；c o 浓度超过7 5 0m g m 3 时，会使人昏迷，再高会引起死 亡。 ( 2 ) 氮氧化物 氮氧化物( n o x ) 是由空气在燃烧室的高温高压下，由氮和氧化合而成。内燃 机排放的n o x ，主要是n o ，也有少量的n o x 。n o 在大气中可氧化为n o z 。n o 刺 激呼吸系统，吸入后与血红蛋白结合能力很强，最容易造成血液缺氧；n 0 2 在水中 第一章绪论 溶解度低，不易被上呼吸道吸收，而深入到下呼吸道和肺部，引起肺部损害，严重 时可以引起肺水肿，甚至危及生命。长期处于低浓度n o x 污染状态，会出现呼吸道 感染，肺功能下降，引起慢性支气管炎、冠心病、心脏病、肺结核、肺炎、哮喘和 神经衰弱等疾病，如果吸入高浓度的n o x 可发生窒息现象，甚至发生死亡。 ( 3 ) 碳氢化合物 烃类( h c ) 是各种碳氢化合物的总称。机动车排放物燃物中烃类成分有2 0 0 多 种，h c 由2 0 0 多种不同组分组成，机动车排放污染物的碳氢化合物中含有醛类( 甲 醛和丙烯醛) 、多环芳烃( 氮芳烃，p n a ) 。甲醛和丙烯醛对人鼻、眼和呼吸道粘膜 有刺激作用，引起炎症；氮芳烃中的一部分被怀疑为致癌物质；苯是一种已知的致 癌物质，可以引起食欲不振、头晕及黏膜出血等症状；由于烃类还是光化学烟雾形 成的重要物质，因此碳氢化合物( h c ) 排放的危害性不可忽视。 ( 4 ) 颗粒物 汽车( 主要是柴油车) 排气颗粒物( p m ) 以聚合的碳粒为核心，呈松散状，颗 粒上吸附了多种h c 等有害物质。汽车排出颗粒物及气体冷凝物的有机提取物均具 有较强的致突变性，还有一些痕量金属，这些金属有可能有基因毒性影响。美国国 家环保局在总结了大量研究资料的基础上发现，长期在柴油机附近工作的工人得肺 癌的比例很大，一些与柴油颗粒物相关的有机化合物可以被肺液吸收，并经此途径 进入血液并到达身体的其它部分。研究还表明【2 j ，长期暴露在高剂量的柴油颗粒物( 包 括元素形态的碳核及其吸附的有机物) 下会导致肺癌。陈薛等【3 】研究发现柴油机排气 颗粒有机可溶成分中的直接致突变物对细胞d n a 具有明显的损伤作用。 1 2 3 超细颗粒的健康危害 上述四种污染物均为公认的大气污染物中，尽管其它污染物与不良健康效应也有 联系，颗粒物与人群健康效应终点的流行病学联系最为密切【4 1 。颗粒物按照粒径分为 总悬浮颗粒物( t s p ，协 1 0 0l x m ) ，可吸入颗粒物( p m l 0 ，眈 1 0r t m ) ，细颗粒物 ( p m 2 5 ，d 口 2 5p m ) 和超细颗粒( u f p s ，d p 1 0 0n m ) 。环境空气中超细颗粒质量 百分比较小，通常低于1 0 ；数量百分比较大，通常大于9 0 ，。 大气中颗粒物与居民发病率和死亡率的联系尤其强烈，且己在全世界不同浓度范 4 第一章绪论 围、不同地区、不同气候条件和其它混杂污染物的情况下得到广泛证刿4 。1 4 1 。这些研 究发现，即使在满足大气质量标准的情况下，大气中p m l 0 、p m 2 5 浓度上升与易感 人群的总死亡数、心血管病、呼吸系统疾病的超死亡数亦存在密切关联。美国癌症 协会( a c s ) 对美国各大城市5 0 万成人暴露于不同水平大气污染后的生存状况进行 了分析【1 3 - 1 4 | ，发现大气p m l 0 每增加0 0 1 m g m 3 ，人群总死亡发生的危险增加4 o 。 钱孝琳等【1 2 j 综合分析了国内外大气中p m 2 5 短期暴露与人群死亡关系的流行病学资 料，得到大气p m 2 5 浓度每升高o 1 m g e m 3 ，居民死亡发生增加的百分比为1 2 0 7 。 不同粒径颗粒产生健康危害的差异与其沉积特性和化学组分有关。图1 3 给出了 不同粒径的吸入颗粒在人体内的沉积特性，显然，越细的颗粒，越容易深入人体肺 部。最近的毒理学研究发现【1 5 - 2 0 ，颗粒物对生物机体的影响作用与颗粒的粒径密切 相关。n y g a a r d 等【2 l j 用粒径为0 0 6 - - 1 1 u m 的柴油机排气颗粒，进行小鼠脚掌皮下注 射实验，研究不同粒径颗粒对致敏卵蛋白过敏反应的佐剂效应的差异，一定的质量 剂量下，o 0 6 0 2p m 的颗粒的血清过敏原特异性i g e 水平远高于1 1 1g m 的颗粒， 线性回归结果表明，颗粒质量浓度与i g e 水平无显著的相关性( r 2 - - 0 0 6 ) ，而颗粒 粒径、颗粒数浓度和颗粒表面积浓度与i g e 水平显著相关( - - 0 5 8 、o 6 2 和0 6 4 ) ， 表明细颗粒比粗颗粒产生更强的过敏反应。超细颗粒粒径小，其表面积较大，易于 吸附多种有害物质，由于超细颗粒主要来自于燃烧源排放，因此其含有更多的有机 碳和多环芳烃等组分。 超细颗粒对机体毒性复杂，其对多个组织或系统会产生影响。超细颗粒对机体呼 吸系统毒性主要表现为：超细颗粒作用于巨噬细胞、i 型肺泡上皮细胞、i i 一型肺泡 上皮细胞，使巨噬细胞吞噬功能下降，改变巨噬细胞的趋向性，并使中性粒细胞聚 集，肺泡渗透性改变，进而引发炎症反应和氧化应激。h a r d e r 等的研究发现1 2 引，健 康大鼠吸入碳黑超细颗粒物2 4h 后，引起轻微的、持续的心率变化，并引起心肌自 主节律性改变。超细颗粒除对心肺系统有不良影响外，由于其粒径小，易于随血流 进入机体其它系统，产生毒性效应。最近研究发现【2 2 1 ，超细颗粒作用于巨噬细胞释 放i l 6 ，能刺激肝细胞分泌纤维蛋白原，使机体血黏度增高，而当血液处于高凝状 态时，易导致心肌缺血缺氧，引发心血管疾病。此外，巨噬细胞释放的t n f 一0 【能通 过旁分泌和自分泌来刺激细胞释放其它细胞因子如i l 1d 、i l 8 、i l 6 、t n f 0 【等。 这些绌胞因子除作用于炎性细胞外，还能使肝脏释放前凝聚因子，而前凝聚因子能 改变血管白细胞的移动，从而导致血液流动性降低，使心血管疾病的发生和死亡增 加。 ! 二! ! ! 图i 一3 不同粒径的嚏八颗粒在人体内的沉积 f i gi - 3 d e p o s i t i o no lu p t a k ep a f l i c l e s w i t hd i f f e r e n ts l z e l nb u m a nb o d y 上进毒理学研究发帆超细撇粒具有比p m l 0 年np m 25 更泓的毒r i ：，超细獭粒会 导致人体多个组织系统发乍痛变。凼此需要深入研究城市地夏超细颗粒的污染特征， 城i l ij k 无人的1 。q k 污染源的地【墨，颗粒物然主来自机动牟7 _ 染，尤其足超细颗 粒，i _ j 现行的机动年排放刊：规士监牿j 。称m 职耻刘颗牲的质甙排做进 j ：限制，空7l 质量标准也足建j ，在小位体积颗粒质f 浓度一圳；卜，井末刈超细霸十t 做任何限制c 最近愀茭锋家柑继j i ：展超细顺牲删试汁划，旨在瞥代或完善现 的排放浊剃所采 1 的颗粒质h 价山池。 1 3 机动车( 或发动机) 超细颗粒排放特性及排气稀释过程中其形成和 变化研究进展 为有效托制超细獭粒的环境污染提供依抓，田内外进 j ：了荚j 机动牟( 或发动 机) 超细颗粒排般特悱办俪的研究，旨往得到机动个( 或发动机) 排7k 超细颗托的 污染特这n o 研宄也括试验和数值_ 【j 拟肌个部分。 1 3 1 机动车( 或发动机) 超细颗粒排放特性试验研究 第一章绪论 机动车( 或发动机) 超细颗粒排放特性试验主要通过实验室台架或转毂试验模拟 实际路况下机动车的运行状况，并将排气引入稀释风洞稀释后进行颗粒数浓度和粒 径分布测试。台架和转毂试验能较好的控制各种参数：如发动机或车辆运行工况( 负 荷和转速等) ，发动机结构参数( 供油提前角、进气温度和喷油系统) 以及稀释条件 ( 温度、湿度和稀释比) 等。 ( 1 ) 机动车( 柴油机) 超细颗粒排放特性试验研究 柴油机排气颗粒按照粒径不同被划分为核模态( d p 5 0n m ) 、积聚模态( 5 0 n m d p 1 0 0 0n m ) 三个模态( 如图1 - 4 ) 。其中排气超细颗 粒由核模态和积聚模态两部分构成。 o 0 1o 1 p a r t i c l ed i a m e t e r 阻m ) 图1 - 4 柴油机排放典型气溶胶粒径分布【2 4 】 f i g 1 - 4t y p i c a ld i e s e la e r o s o ls i z ed i s t r i b u t i o n 核模态主要由有机物和硫份所构成，它主要由半挥发性组分在稀释过程中发生成 核和凝结等动力学作用形成的二次颗粒，同时也包括一定量的固体碳和金属组分。 核模态在总排气颗粒中占有较大的数量百分比( 9 0 以上) 和较小的质量百分比 ( 1 2 0 ) 。同时成核作用受环境温度、湿度、排气中燃烧生成的一次颗粒( 主要是 碳烟) 比表面积以及系统的沉积和挥发等因素影响1 2 4 1 。 积聚模态主要由于燃油或润滑油经不完全燃烧而产生的一次碳粒( 粒径为2a m 左右) 聚积成团并凝结有部分h c 和硫酸等半挥发组份形成的。积聚模态在总排气颗 7 龟qg辇。罄co茹oqlj荔一o mn一协口nil彤1p土joz 第一章绪论 粒中占有较大的质量百分比，占有较小的数量百分比。k l e e m a n 等1 2 5 采用分级撞击式 采样器( m o u d i ) 收集5 0n m 11 t m 柴油机排放颗粒，并对不同粒径段颗粒的化学组 分进行分析，发现柴油机排放积聚模态粒子( 5 0 5 0 0n l t l 粒径范围) 含有6 0 8 0 左 右由元素碳和2 0 3 0 左右的有机组分。k w o n 等【2 6 】采用串联式微分型迁移颗粒粒径 分析仪( t d m a ) 测试了柴油机不同粒径段粒子的组份，并采用透射电镜观察了柴 油机排气颗粒的形貌特性，发现中负荷下5 0n l t l 和7 6 7n l n 两个均相粒径段粒子非挥发 性组份质量百分比大于9 0 ，并发现排气颗粒主要由1 0n r n 左右的初始粒子形成的聚 团构成。 近年来，国外开展了较多关于转速和负荷等对柴油机排气颗粒数浓度和粒径分布 的影响等方面的研究2 7 。0 1 。这些研究表明，柴油机总排气颗粒数浓度通常为1 0 6 一- - 1 0 9 个c m 3 ，转速和负荷显著影响柴油机排气颗粒的数浓度和粒径分布。国内也有少量这 方面的研究1 3 1 - 3 2 1 。 l1 9i 疆l x 辩 毙d 藕e 藏朋城獗d i a m e l e r ( r i m 图1 - 5 废气再循环( e g r ) 率对排气颗粒数浓 度的影响【3 5 l f i g 1 5i n f l u e n c eo fe x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ( e g r ) o ne x h a u s tp a r t i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o n m r n o d e1 0 , 翰9 m8 。w oc 隧f 。、 一r t m d e1 0 , 毹棚8 a 饼 基叼零 铲 亳 秘0 7 占 融 铹 童 薹 t e 0 5 蕾 。基喇 。叼圆 t ； oa o 1l o p 铷m 图1 6 连续可再生颗粒捕集器( c r d p f ) 对颗 粒粒径分布的影响【3 7 】 f i g 1 - 6i n f l u e n c eo fc o n t i n u o u s l yr e g e n e r a t i n g d i e s e lp a r t i c l ef i l t e r ( c r d p f ) o ne x h a u s tp a r t i c l e n u m b e rc o n c e n t r a t i o n 近二十年来，随着柴油机燃烧技术和后处理技术的提高，柴油机颗粒和气体的质 量排放显著降低。然而最近研究发现，一些颗粒质量排放较低的柴油机会排放更多 的超细颗粒或纳米颗粒【3 弼7 。通常采用缸内控制措施，如调整喷油压力、喷油正时 以及喷油提前角，来有效降低碳烟和n o 。的质量排放。使用某些发动机排放控制措施， 如增大喷油压力，在显著降低碳烟或积聚模态粒子的同时，核模态粒子浓度反而显 著增加【3 5 1 。应用废气再循环( e g r ) 等技术在有效降低n o x 排放的同时，碳烟排放显著 增加，由于碳烟对排气中h 2 s 0 4 $ 1 h c 等半挥发性组分的吸附作用，半挥发性组分的 8 。麓嚣盆_恕互鍪毒z盘澎嚣星 第一章绪论 饱和度降低，成核作用受到抑制，因此发动机使用e g r 时，排气中的核模态粒子浓 度显著降低( 如图1 5 ) 。后处理设备同样影响柴油机排气颗粒的数浓度和粒径分布， v a a r a s l a h t i 等【37 】发现柴油机同时加装催化转化器和颗粒捕集器构成，碳烟被有效去 除，核模态粒子浓度反而显著增加( 如图1 6 ) 。 燃料或润滑油中的硫是催化剂毒化成分，高硫含量会导致电喷发动机三元催化器 和颗粒捕集器中毒、失效，并使发动机性能恶化，过多的硫会增加了尾气颗粒物的 排放。燃料硫含量的增加，硫酸盐固体排放增加，同时硫又能催化碳烟生成，使总 的颗粒数量增加，同时硫酸盐的强吸水性也增加了颗粒的排放。郑志刚等【3 8 j 研究发 现，其它组分不变，柴油燃料含硫量由o 2 2 下降到0 1 5 后，柴油机颗粒质量排 放下降l o 左右。因此，降低燃料中的硫含量成为提高车用燃油标准一项重要指标。 表1 2 给出欧洲i 号至号车用燃料标准对柴油燃料中硫含量的限值。最近研究发现 【2 4 3 酬，燃料中的硫含量同样会影响排气超细颗粒的数浓度， 表1 2 欧洲车用柴油燃料标准 t a b l e1 - 2e u r o p e a nf u e ls t a n d a r df o rd i e s e le n g i n e s 研究表明，多环芳烃形成碳粒有两个途径，一是当温度低于1 7 0 0 k 时，多环芳 烃能通过相当快的凝聚作用，形成颗粒物，当温度高于1 8 0 0 k 时，多环芳烃通过一 种较慢的不太直接的路径引起环破裂为碎片，这些碎片聚合形成较大的缺少氢的分 子，最后成核形成颗粒，而烷烃化合物产生颗粒的途径只是通过分裂一聚合。因此， 多环芳烃化合物产生颗粒物比烷烃化合物产生颗粒物要快得多【4 0 1 。沈言i ! 塞1 4 l j 分别比 较燃用a 1 和a 2 两种多环芳烃含量不同的的柴油的颗粒排放，其中a l 和a 2 的多 环芳烃含量分别为1 4 和2 4 ，发现在大部分工况下，燃用多环芳烃含量较高的 a 2 柴油，燃烧每单位柴油所排放的颗粒物质量排放比a 1 时高( 如图1 7 ) 。 9 !：j!生 _ 。! b 薹。 嚣 毒z l露 e 娩油a 1 墨搏讷a 2 468t 0120 e 功牟i k w 囝1 - 7 不同发动d 。工况下颗粗柏排放电k g 。1 4 。 l ? * 1 - 7i n f lu e n c eo f o p e r a t i o nc o n d i t i o no ”p a r t i c l ee m i s s i o nf r o md i e s e le n g i n e s ( 2 ) 机动车( 汽, a h 村t ) 超细颗牲排放特性试骑研究 汽油, g l l _ | d i g ? 的质h l - h i 放j 匝常微低，聚川传统的滤脱称m u j l 乎洲小刊，此现钆 排放法川4 t x , j 汽f j 【w l 的糊柑排放进行限制。随卉颗粒测时于段的捉r ：h ，已柏研宄卉 展了汽洲机颢 0 排放力m 的研究。 o f e e n w o o d 锋1 2 9 _ i t | k a y e s | 4 2 1 分别采川删粒牲栉分析仪测试r 进7l 道- 一负剩( p o r t l u e l i n i e c d o np f i ) 汽汕发动帆排7l 獭牲晌数浓度栅牲榉分析】特m 发现p f i ，l 汕发 动机顺粒总数沭嫂为】0 4 】0 7 个c m 3 ，蕻牲粒粒往分如特4 陀1 j 柴汕机川似，l _ _ j 含有 人爷的超川删一粒。为仃效挺百汽油机的动力什雨l 纤济忡，汽汕m 别土术( g a s o l i n ed i r e c t i n m t i o n ，( i i ) 1 ) 技术丌始被成h j 】：汽汕机上，研究发现删，聚川g d 方式的汽汕发 动机儿柏较“f j 必! 牲数 1 放，仃= 】负甜域冷动况f ，撇牲数：一 1 柴汕机l 本 川j 。，| i | | ：继尔臂_ | 4 4 坼川。搿松何也分别川挺r 汽j | 【】超细融牲排放疗而叶究。 ( 3 ) 机动1 ( 代川燃料发动机) 超细颗粒排放 t 性试验研究 随着1 1 1 ：界i i 汕储：t 的不断减少阻及环境的1 1 蔬恶化，发】f 毫汽j 二7 m 川用燃料，扯 发动机卜实现舟效、低污染n 勺燃烧，拎圳发动机仃v e i l ：放州眦l ；人7e 质 特求的【 ，垃严l 【；：f | 1 影，l 成为能源，环境刊究一内个晕要的研究诛腿。i i 前在，：l 使川较为将她的7 l j 沾1 用燃利丫j ：液化4 i 1 7 l ( ip ( j ) 、天然气( c n g ) 、九然。l , - q - , 戚 汕( g t i ) 角1 含钮燃荆( 如乍物柴油、酣炎和 赶类燃料) 等。 作为1 川燃料l p g 的1 - 要成份足阿烷、烷干少h 烯烃和戊烷。u 1 0 的c o 、 第一章绪论 n o x 等有害排放量低于汽油机排放，基本上消除黑烟和颗粒物( p m ) 。李理光等m 制j 系统研究了燃用l p g 发动机的超细颗粒排放特性，并与汽油机的超细颗粒排放特性 进行了比较，发现两种燃料发动机的尾气排放中都有大量的颗粒排出，且颗粒排放 的粒数浓度基本相当。王嘉松等【4 5 j 比较了分别测试了l p g 车和汽油车的颗粒排放， 发现l p g 车颗粒粒粒径分布与汽油车比较相似。 r i s t o v s k i 掣4 9 】测试了两台大功率点燃式天然气发动机的颗粒粒径分布排放特性， 发现两台发动机排放颗粒数浓度呈显著的对数正态分布特征( 如图1 8 ) ，最大数浓 度均为1 07 个c m 3 ，与某些柴油机颗粒数量排放基本相当，颗粒众位粒径为2 0 一- 6 0 n m 。 g r e e n w o o d 等【2 9 j 分别测试了柴油车、汽油车和天然气车的颗粒粒径分布排放特性， 发现天然气车与汽油车排气颗粒粒径均小于柴油车，低负荷工况下，天然气车和汽 油车颗粒数量排放较低，远低于柴油车，且天然气车排气颗粒的呈显著的双峰分布。 4 x 1 3 1 董叙， z l x l m o b i l 时d i j 射蛾群 n r n 图1 - 8 不同负荷下c n g 发动机排放颗粒粒径分布【4 9 】 f i g 1 - 8i n f l u e n c eo fl o a do np a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nf r o mc n ge n g i n e 采用费托法( f i s c h e r - t r o p s c h ，f t ) 将柴油替代燃料一天然气转化制成的合成油 ( g a st ol i q u i d ，g t l ) 受到了广泛关注。相对于传统柴油，g t l 具有高的十六烷值， 芳烃含量与硫含量接近于零等特点，可以直接在柴油机上使用，不需要对原柴油机 做任何改造，因此被认为是柴油的良好替代品。研究发现1 5 0 。5 2 j ，与燃用传统柴油燃 料相比，发动机燃用g t l 后气体和p m 质量排放均有显著的下降。n o r t o n 等1 5 l j 测试 燃用g t l 和柴油时柴油车的排放，发现燃有g t l 后，柴油车n o x 和p m 质量排放 量分别减少1 6 和2 3 。武涛等【5 2 j 对国产增压柴油机燃用g t l 、柴油g t l 混合燃 料的排放进行了外特性、负荷特性和欧洲e c er 4 9 十三工况法的测试研究，发现燃 用g t l 在所有工况都能够有效降低n o x 和碳烟的排放，且掺混比例愈大，效果愈明 第一章绪论 显，c o 和h c 排放也有一定程度的改善。目前关于g t l 超细颗粒的粒径分布的研 究仅有少量报道【5 3 】，研究发现多数工况下g t l 发动机排放颗粒数浓度低于燃用传统 柴油燃料发动机。 生物柴油是一种可再生能源，它以大豆和油菜籽等可再生植物油加工制取的燃 料。生物柴油硫含量低，含氧量可达1 1 ，高于常规柴油，国内也开展了发动机燃 用生物柴油燃烧与排放方面的研究 5 4 - 6 0 l ，这些研究发现，发动机燃用生物柴油后， 污染物排放显著降低，尤其是颗粒污染物。陆小明等1 6 l j 测试了生物柴油排放颗粒的 粒径分布特性。 醇、醚类燃料包括甲醇、已醇和二甲醚( d i m e t h y le t h e r ，d m e ) 等，由于醇、 醚类燃料自身含氧，在发动机燃烧中可提高氧燃比，几乎无碳烟排放。国内外大量 研究表明| 6 2 - 7 0 】，醇、醚类发动机颗粒质量排放远低于传统柴油或汽油机的颗粒排放。 上述代用燃料与传统柴油燃料相比较，常规排放( 如颗粒或n o x 质量排放) 明 显改善，然而如文献 3 3 3 7 所述，颗粒质量排放较低的柴油机可能排放更多的超细 颗粒或纳米颗粒，因此，对于代用燃料，不仅要研究其常规排放，还需要考察其数 量和粒径分布的排放特性。 1 3 2 排气稀释过程中超细颗粒形成和变化试验研究 研究发现1 7 卜7 2 j ，机动车排气在大气环境条件的稀释过程可分为两个阶段：由“排 气管 到“道路”阶段( 阶段i ) 和由“道路”到“环境 阶段( 阶段i i ) 。阶段i 主要受车辆运动引起的湍流影响，排气在1 3 s 内被稀释1 0 0 0 倍左右，该阶段颗粒 数浓度粒径分布受成核、凝结和凝并等动力学作用影响显著，实验室内将发动机排 气引入稀释通道进行稀释，混合气在通道内停留时间通常为0 5 3 s ，稀释比为 5 0 1 0 0 0 ，由于稀释通道的参数便于控制，实验重复性好，因此可以使用稀释通道模 拟发动机排气由“排气管到“道路 阶段( 阶段i ) 的状念和变化。k i t t l s o n t 7 3 1 发 现典型大气条件下排气由排气管排出1 s 时稀释比为1 0 0 0 左右，实验室内使用稀释 通道进行颗粒测试多采用比实际大气稀释率小的稀释比例，尽管稀释比例有所减小， 通道内颗粒的形成和变化机理是完全相同的；阶段i i 主要受大气湍流的影响，该阶 段稀释比通常为l ：1 1 0 ：1 ，稀释过程约持续3 1 0 m i n 左右，该阶段颗粒数浓度粒径 分布主要受稀释作用影响，同时还受到成核、凝结和凝并等动力学作用的影响。下 文分别对排气稀释的两个阶段超细颗粒形成和变化进行阐述。 ( 1 ) 由“排气管一到“道路( 阶段i ) 排气稀释过程中超细颗粒形成和变化试验 1 2 第一章绪论 研究 k i t t l s o n 等【_ 7 4 】和s h i 等1 7 5 j 测试了稀释通道稀释参数发生变化对柴油机颗粒粒径分 布测试结果的影响，发现通道内混合气的温度( p d t ) 和湿度( p i m ) 等参数对测试 结果产生显著的影响。m a t h i s 等1 76 】发现增加稀释通道内挥发性有机物( v o c ) 的浓度， 核模念浓度会显著增大。w o n g 等 7 7 1 分别采用了微稀释采样系统( m i n i d i l u t i o nt u n n e l s a m p l i n g ，m d t s ) 和新型喷射稀释采样系统( e i e c t o r - d i l u t e rs a m p l i n g ，e d s ) 测试了 柴油机排气颗粒的数浓度粒径分布，m d t s 的稀释空气为常温，e d s 为两级稀释通道， 初级稀释空气为高温气体，温度接近于排气温度，二级通道稀释空气为常温。实验 发现，采用m d t s 测得的粒径小于5 0 n m 的颗粒数浓度低于采用e d s 时，而使用m d t s 时，测得的粒径大于5 0 n m 的颗粒数浓度高于采用e d s 时，测试结果表明，不同稀释 系统会影响超细颗粒的测试结果( 如图1 - 9 5 1 图1 1 0 ) 。国内成晓北等【78 j 和刘双喜等【7 卅 也分别研究了稀释参数变化对柴油机超细颗粒排放测试结果的影响。 1 4 l ! 0 7 1 2 e _ 0 7 毫lo 窆- 0 7 善 气8 。e 一酾 孕60 e - e