浅谈柴油机排放中的颗粒与烟度

1、浅谈柴油机排放中的颗粒与烟度王志新1，吉学之1，支怀斌2     (1潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261001；2中国北方发动机研究所，山西大同031000)     摘 要：在比较颗粒与烟的概念、颗粒和烟度的测试手段的基础上，分析了两者的不同和联系。通过欧8与欧13工况试验，分析得出了烟度与颗粒的近似关系：即烟度大时颗粒排放也大，二者表现出正向的对应关系。 Particle and Smoke in Diesel Engines Emission     WANG Zhi

2、xing1，JI Xuezhi1，ZHI Huaibin2     (1WeichaiPower Co.,Ltd.，ShandongWeifang 261001；2China North Engine Research Institute，ShanxiDatong031000)Abstract：Soot and PM were differentiated based on concept and measurement，and analysis the relationship based on experimentsFrom the 8-mode E

3、uroand 13-Mode Euro ETC procedures we got the approximate connection：the PM weight more with high smoke，they show positive matches     Based on the comparison between the concept and measurement of soot and PM，their differences and connections are analyzedThrough the 8-mode Euroa

4、nd 13-Mode Euro test,the approximate connection between soot and PM are discovered：the PM weight more with high smoke，they show positive matches     1 概 念     在最新的国家排放标准(下简称国标)GBl7961-20051中，对颗粒(PM)与烟的定义分别如下：     发动机的排气污染物主要包括气态污染物和颗粒物。颗粒物P

5、M指在温度不超过325K(52)的稀释排气中，由规定的过滤介质上收集到的所有物质。     烟指悬浮在柴油机排气流中，能吸收、反射或折射光线的颗粒。烟度自然是度量烟的一个指标。     2 测试手段不同     由上述的定义可知，PM的测量主要是对排气稀释-过滤-称重。国标中使用两张标准滤纸，启动颗粒物取样系统。在按照规定的工况运行完以后，对滤纸再称重，与之前称重的滤纸净质量之差值即颗粒物总量1。它的测试手段比较单一。     烟度在欧

6、I、欧国标中主要是自由加速烟度和全负荷烟度，在欧中主要是测量ELR循环中的加速烟度。在发动机四个不同的转速下，将发动机的负荷由10%突加到100%，采用某种算法取其中烟度的峰值，作为ELR循环的指标。排气烟度的测试方法不一，测试仪器也比较多，简单介绍如下。     柴油机排气烟度的仪器测量方法主要有两种：过滤法(Filtering Method)：以一定量的排气样气通过滤纸，以滤纸上留下的碳粒重量或以滤纸表面的光反射率来比较测量。光透过法(Light Extinction Method)：利用排气流粒子吸光特性来测量，即以在排气管出口一定距离的直径方向的

7、光的透过度来测量。     国内常用的滤纸式烟度计有两种：一种是Bosch式烟度计，烟度单位是BSU(BSN、Rb)；     另一种是AVL全自动滤纸式烟度计(如AVL415烟度计)，烟度单位是FSN (Filter Smoke Number)。他们之间的经验换算公式为：     FSNO.935×BSU + 0.65 (1)     这种烟度计的缺点是不能测量排气中的蓝烟和白烟，其使用特性与自由加速烟度排放也不能很好匹配，

8、烟度计抽气泵开始抽气时刻受开关的灵敏性、抽气筒活塞运动快慢、取样管长短、滤纸透气性和白度等影响，很难与柴油机自由加速开始冒烟时刻同步，只能测量出自由加速烟度排放大小的特性曲线积分值。所以GB3847-2005新标准规定必须使用不透光烟度计测量烟度排放，以峰值为测量结果。但因为滤纸烟度计能提供永久性的记录，所使用的测试仪器轻巧便于携带，取样装置结构牢靠、简单，能承受试验台上恶劣的工作环境、对技术能力要求又不高，所以在国内应用仍然非常广泛。     不透光烟度计的主要组件为光源、长度一定的测量室、以及放在测量室内光源对面的能将光转变为电流的光电池。它的显示仪

9、表有两种计量单位：一种为绝对光吸收系数单位(或称为不透光系数k)，从0到趋于，单位为m-l；另一种为不透光度的线性分度单位(不透光度N)，从0到100%。两种计量单位的量程，均以光全通过时为0，全遮挡时为满量程，它们之间的关系由Beer-Lambert Law公式给出：      0×e-kL (2)     k (-1/L)×1n(1-N/100) (3)     式中：-出射光通量；      0-入射光通量；

10、     k-不透光系数，m-1；      L-通过被测气体的光通道的有效长度，m；      N-相应的不透光度读数，%。     不透光系数k表示光束被单位长度的排烟衰减的一个系数，它是单位体积内的微粒数n， 微粒的平均投影面积A和微粒的消光系数三者的乘积，大小由排气中碳的质量浓度决定，并呈线性关系，与烟度计的特殊设计结构无关。不透光度N则随着光通道的有效长度L的改变而改变，所以各国法规没有指定烟度计型号时均采用不透光系数k作为烟

11、度限值的单位。     不透光式烟度计既能测量以碳微粒为主的黑烟，又能测量冷起动所产生的白烟和蓝烟，相对于滤纸式烟度计具有准确度高、稳定性好、量值溯源准确可靠、人为影响因素少、操作简便、具有兼容性等优点。因此，过滤法正逐渐被光透过法所取代。     3 二者的联系     我们常不自觉地将烟与颗粒混为一谈，下面简单介绍一下它们的由来及机理。     国外在上世纪70年代，由于城市间长途货运柴油车的增加，排气管冒出的黑烟引起关注，随后制定

12、了控制黑烟的指标。黑烟主要是柴油机在高压燃烧条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氢而成的以碳为主要成分的固态小微粒。柴油机的不均质、异相燃烧，特别是燃烧时燃料分子往往被高温火焰或燃烧产物包围这一特点，决定了生成碳烟的必然性2。应该注意到在燃烧过程中，特别是扩散燃烧期生成的碳烟，并不全部排出机外，大部分在燃烧的后续期间被氧化。碳烟的生成过程十分复杂，至今还没有一个确切的数学表达式来描述其全过程。影响烟度的因素主要是过量空气系数、负荷、喷油提前角、燃烧室类型等。     最近二十多年来，国外柴油发动机排放中PM对大气的污染已经引起了研究部门和政府有关部门越来越多

13、的关注。这是因为PM被有机溶剂萃取后，其馏分(SOF)中多环芳烃化合物(PAC)中的一部分被发现是致癌的。PM大小在10m，其中90%颗粒物小于1m(国标规定滤纸对     03m的DOP的采集效率应至少为95%)，可被人体吸入，造成慢性气管炎和肺气肿。     有试验用玻璃纤维滤纸在温度低于52时所采集的颗粒物用热重分析仪(TGA)进行分析3，得到如图1的结果： 图1 柴油车排放的颗粒物示意图     从图1可以看到颗粒是由燃烧后产生的碳作为核和大量附着在它周围的SOF、少

14、量的H2O、S02、硫酸盐以及硫、金属等其他物质构成。对SOF的大量试验室分析得知：在SOF中燃油占50%90%，润滑油占10%50%，所以燃油和机油是排放中颗粒物的主要成分。颗粒物的影响因素主要是燃烧，未完全燃烧的柴油裂解成的C核为微粒的进一步形成提供载体。值得一提的是另外两个因素：     (1)燃料性质，主要是芳烃和硫含量。燃油含芳烃、硫越多造成的排放物中颗粒物越多，这也是为什么在欧柴油标准中加入芳烃、硫含量限值(芳烃为11%，硫为350×10-6)的原因。在欧洲，EN590建议：到2005年稠环芳烃含量降到1%，硫含量降到50/1021

15、0-64。随着排放标准的进一步加强，上述两个指标将越来越小。     (2)机油消耗。在柴油机燃烧中不可避免地有部分机油进入燃烧室，被部分燃烧或氧化，随后从排气管排出，附着在微粒周围形成颗粒物。机油形成的颗粒约占颗粒排放的1/3，所以降低机油消耗是实现欧排放中的重要一环。经验表明：为达到欧排放标准，一般要将柴油机额定工况时机油耗与柴油耗的比值控制在0.1%以下5。     作者针对某型柴油机按照DB 11/185-2003做了8工况的排放试验，并记录每点的烟度与最后的颗粒测重，结果见表1。   

16、       表1 某柴油机8工况烟度与总颗粒对比单位：m-1 注：采用部分流稀释系统，下同。     假设二者有一定的对应关系，将烟度加权后取和与最终的颗粒对比如图2。图中虽然得不到烟度与颗粒的直接关系，但是大致的趋势是一致的，即烟度大时颗粒排放也大。 图2 欧8工况时颗粒与烟度加权对比曲线     在对某型发动机做欧13工况排放试验时，得到如表2的数据。类似上面的处理方法，得到图3欧 13工况颗粒与烟度加权对比曲线，也可以说明上述观点。  &

17、#160;       表2 某柴油机 13工况烟度与颗粒 单位：m-1     通过上述分析，可得到结论：烟度与最终称重的颗粒数基本表现出同向关系，烟度大颗粒排放也大；烟度降低，颗粒排放少。应该注意：上述结论都是在燃烧室一定的情况下得到的，不同的燃烧因素(喷油器、增压器等)，不能用来比较。关于根据烟度来近似推算颗粒，国内还没有发现公开的经验公式。     图3 欧 13工况颗粒与烟度加权对比曲线     4 结 论

18、     颗粒和烟度都是针对柴油机固态排放物的衡量指标，但测试的方法、原理不一。前者是过滤采集称重，后者是利用了排放物颗粒的吸光特性。二者的排放量都主要与燃烧有关，而且在某种程度上呈现同方向的变化关系。关于两者进一步的对应关系，还需要做更多的工作。          参考文献     1 GB l7961-2005，车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限制及测量方法(中国、V阶段)S    

19、 2 张志华,周松,黎苏文.内燃机排放与噪声控制M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2003     3 沈言谨柴油发动机颗粒排放物的组分研究J车辆与动力技术，2005，100(4)：12-14     4 欧洲清洁柴油标准现状EB/OLwwwpetrostdcom     5 董尧清，纪丽伟，周岳康我国中重型车用柴油机实现欧 排放法规的技术路径J汽车技术，2005(5)：1-6 微粒和碳烟的关系是包含与被包含的关系，碳烟是微粒的主要组成部分，碳烟排放的升高和降低必然

20、导致微粒排放的相应变化，但两者的升高和降低未必成比例。柴油机在高负荷工作时，碳烟在微粒中所占比例升高，而在部分负荷时则有所降低。由于重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附凝聚，很多情况下，碳烟即指微粒。另外，排放法规中规定了微粒排放限值，因而微粒测量是标准的测量方法，但与烟度测量比较，其设备复杂、价格昂贵、测量繁琐，因此难以普及，所以常用烟度作为测量柴油机尾气排放的指标。碳烟是指排出的烟的总称，这些烟是悬浮在空气中的固体，粒径大小不一。颗粒是能被滤纸吸附的碳烟，这些碳烟的粒径较大，比滤纸的缝隙小，因而被吸附在滤纸上，而微粒是排放的各种颗粒的总称，还包括一些金属及其化合物。这是我的理解，呵

21、呵。kevin总结:：蒋德明内燃机燃烧与排放学：碳粒：carbon particulates燃烧生成的碳粒开始时都近似由8个C原子和1个H原子所组成（按质量分数99%为碳，密度为1.8g/cm3）,尺寸大小为2050nm，在膨胀冲程中，这些碳粒聚合，在表面上再吸附碳氢化合物等成为微粒（PM, particulate matter）。总微粒：TPM（total particulate matter）是由固体碳（solids,SOL）、可溶有机成分(soluable organic fraction, SOF)以及可溶于水的硫酸盐（sulfate, m的SOL；在SOL的外面吸收了一层可用有机溶剂

22、溶去的碳氢化合物称为可溶有机成分。mm，由它们组成固体质点并凝聚碳氢化合物生成0.051.0mSO4）三部分组成。起始时固体碳球直径为0.010.08碳烟：soot周龙保内燃机学：微粒PM： m =1000nm。1nm =10-9mmm，1mm。（1mm =1000m柴油机排放的PM，主要成分是碳，其粒度一般小于0.3 。）柴油机PM排放在0.11.0g/km的数量级。柴油机PM组成取决于运转工况，尤其是排气温度。当排气温度超过500时，PM基本上是碳质微球的聚集体，一般称为碳烟（Dry Soot,DS）。当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分（Soluable Organic Fraction, m以下的链状或团絮状的聚集物。mm，属于能长期悬浮在空气中的亚微米颗粒物。（烃分子）不断脱氢，聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟晶核。气相的烃和其他物质在这个晶核表面凝聚，以及晶核相互碰撞发生聚集，使碳烟粒子增大，成为直径2030nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经聚集作用堆积成粒度1mm范围内，其体积平均