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(guò)帶聚四氟乙烯樹(shù)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)電機排氣顆粒物分析是研究柴油發(fā)電機燃燒過(guò)程的一個(gè)重要手段，也是研究和防治發(fā)動(dòng)機廢氣造成的環(huán)境污染所必不可少的重要內容。針對柴油發(fā)電機顆粒物的排放，世界各國各地區制定了相應的排放控制法規。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(jià)是該實(shí)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(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(shí)為后處理裝置做準備。

（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(cháng)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)酯交換反應過(guò)程轉化為甘油單酯。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(zhù)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)機鹽的質(zhì)量分數減小，可溶性有機組分中酯類(lèi)和酸類(lèi)物質(zhì)質(zhì)量分數增加，烷烴類(lèi)、芳香烴及酚類(lèi)物質(zhì)質(zhì)量分數減少。采用單缸小型柴油機研究了滿(mǎn)負荷工況時(shí)燃用純柴油和B10調合生物柴油對柴油機燃燒和排放性能的影響，結果表明：滿(mǎn)負荷工況下，燃用調合生物柴油和純柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性基本一致。與純柴油相比，燃用調合生物柴油的排放性能得到有效改善，CO、碳氫化合物（HC）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(zhù)火溫度，各種含氧燃料添加劑往往會(huì )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(jìn)所有尺寸范圍內的碳煙氧化和降低柴油機顆粒物濃度，但會(huì )伴隨有機碳含量的顯著(zhù)增加。將聚甲氧基二甲醚（PODE）（體積分數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(lèi)烷烴和多環(huán)芳香烴質(zhì)量分數減小，有機酸酯的質(zhì)量分數增大。通過(guò)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(xiàn)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?chē)剂系偷乃螘?huì )迅速爆炸，這最終增加了預混燃燒期和點(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，這也導致了氮氧化物排放量的減少。利用非離子表面活性劑復配對熱解生物油/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荷特性和排放特性曲線(xiàn)，并對乳化燃料和純柴油的排放特性進(jìn)行了對比，結果表明：生物油體積分數為20%的乳化燃料當量油耗率最低，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(jìn)行了研究，隨著(zhù)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)降低柴油機顆粒物和NO?的排放，但由于其對表面活性劑的高度依賴(lài)性，使得它在成本上不占優(yōu)勢，限制了自身的商業(yè)化。首次在常規柴油機中引入無(wú)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(jìn)入發(fā)動(dòng)機之前，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產(chǎn)生定量轉移和瞬間乳化，得到乳化燃料。測試結果表明：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)燃燒室結構、改進(jìn)點(diǎn)火系統、改進(jìn)進(jìn)氣系統、采用電控噴油技術(shù)等方式實(shí)現對顆粒物排放的控制機內凈化技術(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)對噴油正時(shí)、噴油壓力和噴油方式等噴油參數的調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)對柴油機排放性能有著(zhù)顯著(zhù)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，曲軸轉角間隔增大，NO?排放量顯著(zhù)減少。早期顆粒物中的可溶性有機組分含量相對較低，高溫和局部貧氧導致碳煙排放量較大，隨著(zhù)曲軸轉角間距的增加，煙度排放迅速下降，對噴油正時(shí)不敏感。

      當增大噴油提前角時(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 )導致預混燃燒持續時(shí)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(huì )使點(diǎn)火延遲的增加，從而增大NO?排放。當噴油正時(shí)延遲，顆粒物排放增加，NO?排放減少。這種情況的發(fā)生是因為延遲噴射導致點(diǎn)火延遲減少和預混燃燒持續時(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內凈化技術(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：在所有負荷條件下，燃料噴射壓力的增加都會(huì )導致NO?排放量的增加和顆粒物的減少，同時(shí)，生物柴油對低負荷狀態(tài)下顆粒物的排放影響更大，對中高負荷的影響較小。

      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(guò)程，提高碳粒燃燒速率，進(jìn)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)現對噴油正時(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，預噴射、主噴射和后噴射。在預噴射過(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。

      研究了多次噴射對重型柴油機性能和排放的影響，預噴射可以在小負荷時(shí)改善柴油機的NO?、CO和比油耗，但在大負荷時(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，從而降低柴油機的顆粒物排放。由于預噴射過(guò)程中的產(chǎn)物具有較高的溫度和較低的氧含量，會(huì )導致大部分時(shí)間內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)使用附加裝置或設備對燃燒產(chǎn)物進(jìn)行過(guò)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(guò)濾技術(shù)始于?0世紀80年代，可用于柴油顆粒捕集的過(guò)濾介質(zhì)種類(lèi)繁多，如金屬絲網(wǎng)、陶瓷纖維、多孔陶瓷載體等。目前應用最廣泛的是柴油顆粒過(guò)濾器（DPF），也被稱(chēng)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(lèi)過(guò)濾器通常被稱(chēng)為陶瓷壁流過(guò)濾器。壁流式蜂窩陶瓷有類(lèi)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(jìn)入上游端開(kāi)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(kāi)，過(guò)濾后的氣體從下游端出口排入大氣中。過(guò)濾器壁被設計成適合的孔隙度，使得尾氣能順利流通，減小系統的壓力降，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_98％以上。

      顆粒物在過(guò)濾器中的過(guò)濾和收集相對較容易，最困難和最具挑戰性的工作是清除過(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(kāi)裂。根據再生方法的不同，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(lèi)。

      主動(dòng)再生指的是利用外加能源來(lái)提高過(guò)濾器內的溫度，使積存在過(guò)濾體內的顆粒升溫、自燃，以減少過(guò)濾體內的顆粒。主動(dòng)再生的實(shí)現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)系統可以在所有發(fā)動(dòng)機轉速和負荷工況下進(jìn)行再生，再生效率通常在90%以上。當碳煙沉積在過(guò)濾器上，由一個(gè)壓差傳感器監測過(guò)濾器的背壓值。隨著(zhù)過(guò)濾器中的碳煙顆粒的不斷積聚，當背壓值上升到一定程度時(shí)，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(kāi)始氧化。隨著(zhù)燃燒的開(kāi)始，溫度的升高會(huì )加速碳煙的燃燒，從而導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(kāi)裂和熔化。電加熱再生在原理上與燃燒器再生系統類(lèi)似，不同之處是電加熱再生系統采用電阻加熱代替了復雜的燃燒器和電控系統。電加熱系統的再生效率可達87%以上，電力由同步交流發(fā)電機提供，電加熱系統需要解決運行過(guò)程中耗電量高的問(wèn)題，一般柴油機的DPF再生系統大概需要3 kW的加熱器。此外，電加熱系統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有的選擇加熱和體積加熱特性在過(guò)濾體內部形成空間分布的熱源，對沉積在過(guò)濾體上的碳顆粒進(jìn)行原位加熱著(zhù)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(jiàn)檢測方法

      柴油機廢氣污染對人類(lèi)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，引發(fā)諸如心血管疾病、癌癥、哮喘等健康問(wèn)題。因此，對背景空氣中的顆粒物進(jìn)行實(shí)時(shí)、準確、可靠的檢測和分析至關(guān)重要。本文將介紹幾種常見(jiàn)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(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、角度分布、時(shí)間分布等指標對樣品進(jìn)行分析。應用顆粒物質(zhì)量和散射強度之間的某種關(guān)系進(jìn)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、準確度高及范圍廣等特點(diǎn)，而且還能自動(dòng)測試，無(wú)需人工干預和特殊處理，因此在顆粒物檢測方面應用廣泛。

2、移動(dòng)式煙氣顆粒物質(zhì)量測定儀法

      移動(dòng)式煙氣顆粒物質(zhì)量測定儀是專(zhuān)門(mén)適用于檢測柴油發(fā)電機煙氣、工業(yè)廢氣和工地揚塵等環(huán)境的顆粒物檢測儀器。其主要原理是利用濾紙、毛細管等材料對顆粒物進(jìn)行過(guò)濾和捕集，再利用重量法檢測質(zhì)量濃度。通過(guò)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(dòng)式煙氣顆粒物質(zhì)量測定儀準確度高，靈敏度好，適用于在場(chǎng)地實(shí)時(shí)檢測環(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動(dòng)狀態(tài)等特征，對于復雜環(huán)境，其判定方法的準確性可能會(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高分辨率圖像進(jìn)行拍攝，圖像中的各種微觀(guān)組織與零件都可以通過(guò)電子束照射而清晰可見(jiàn)。通過(guò)該儀器可以直接觀(guān)察到顆粒物的外觀(guān)形態(tài)、粒徑大小、表面微觀(guān)結構和內部形態(tài)，可用于分析顆粒物形態(tài)結構、內部成分、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(jìn)行操作，需要經(jīng)過(guò)特殊的實(shí)驗室條件，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(diǎn)，應根據不同的場(chǎng)合和要求選擇合適的方法進(jìn)行檢測。人們對空氣質(zhì)量的關(guān)注度越來(lái)越高，對于顆粒物的檢測工作，未來(lái)的研究還需要不斷提高檢測儀器的準確度、穩定性和適用范圍，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(shí)驗

1、實(shí)驗要求

      柴油發(fā)電機顆粒過(guò)濾器如圖1所示，根據GB17691－2001《壓燃式發(fā)動(dòng)機排氣污染物排放限值及測量方法》和ISO8178規范要求完成柴油發(fā)電機顆粒物排放的測試。本實(shí)驗通過(guò)測量柴油發(fā)電機顆粒物排放和有關(guān)性能參數，使用戶(hù)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。要求測試人員完成柴油發(fā)電機臺架的實(shí)驗測試并提交記錄報告和計算分析結果。

2、實(shí)驗所用設備與儀器

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

3、實(shí)驗步驟

（1）提前一天預熱微量天平，實(shí)驗前至少一小時(shí)將每對濾紙置入規定溫度和濕度的稱(chēng)重室中進(jìn)行穩定；

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

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