国汽油机颗粒物粒径分布特性试验研究

国汽油机颗粒物粒径分布特性试验研究

汽车排气颗粒主要由核状颗粒（典型粒径为3.30，nm）和积累状颗粒（典型粒径为30.50，nm）组成。这是重要的大气污染物之一。研究表明，如果长期暴露在高度密度的颗粒环境中，将导致人体神经系统的严重损伤，尤其是骨瘦细胞的严重沉积。它可以穿过人体的肺部，并经历血液抑制、哮喘、肺癌和其他疾病。目前,国内外学者对机动车尾气颗粒物的相关研究工作主要集中于柴油机,而汽油机尾气颗粒物由于质量浓度较小而较少被关注.然而,城市地区汽油车的数量远远多于柴油车,由汽油车尾气颗粒物产生的环境污染贡献率并不可忽视.Fujita和Gildemeister等证实在美国丹佛和底特律地区汽油车排放的细粒子大约是柴油车的3倍.此外,汽油车尾气颗粒物中主要是对人体伤害较大的细粒子,所以汽油车尾气颗粒物排放应引起高度重视.国外学者对汽油车排放颗粒物的研究较多,Kayes等研究发现,与在计量比模式下运转相比,空燃比、喷油定时和点火定时等发动机运转参数的改变会使汽油机排气颗粒物数密度增加1~3个数量级.Ntziachristos和Zervas等还针对油品理化特性对汽油车颗粒物排放的影响规律以及颗粒物测量结果的重复性等进行了大量研究.然而,国内对机动车排放颗粒物的研究工作还主要集中在柴油车上,有关汽油车排放颗粒物的研究仍然较少,只有高继东等使用ELPI在欧洲测试循环下研究了轻型汽油车颗粒物的分布特性.因此,为能够采取有效措施消除汽油车排放颗粒物对环境的不利影响,有必要针对汽油车排气颗粒物的数密度和粒径分布特性进行深入研究.笔者采用英国Cambustion公司的DMS500快速颗粒取样分析仪在一台排放水平达国Ⅲ的气道喷射汽油机上研究了不同运行工况下颗粒物的数密度、粒径分布特性以及三效催化转换器对颗粒物数量和粒径分布的影响规律.1测试1.1效催化反应器所用发动机为一台四缸水冷进气道多点喷射汽油机,装有三效催化转换器,满足国Ⅲ排放标准,其结构参数如表1所示.该类型汽油机广泛应用于国产轿车.试验用燃料为市售93号无铅汽油.1.2尾气颗粒物测量采用杭州奕科机电有限公司生产的WE33H水力测功机和EM0103P测控系统控制发动机的运行工况.尾气颗粒物的分析仪器为英国Cambustion公司生产的DMS500快速颗粒取样分析仪.DMS500快速颗粒取样分析仪共分22级,粒径测量范围为5~1,000,nm,测量响应时间可达100,ms,带有两级稀释系统,试验设定稀释比分别为4∶1和150∶1,稀释气体为高纯空气.1.3对于尾气颗粒物试验工况,其受害者认为,对于汽车为了消除发动机冷却水温和机油温度对颗粒物测量结果的影响,试验过程中控制冷却水温在(85±1),℃,机油温度在(90±1),℃.由于在城市道路中汽油车常处于怠速和中、低速运行状态,所以选择汽油机怠速和中、低转速进行试验,以反映汽油车在城市道路运行中尾气颗粒物的真实排放状况.试验工况如表2所示.试验过程中,每组数据均在发动机工况稳定后平行测量3次,测量点分布于催化器前、后两端.2试验结果与讨论2.1双峰分布特点.图1为试验汽油机怠速工况下催化器后的颗粒物粒径分布.如图1所示,怠速工况下,汽油机排气颗粒物表现为核态和积聚态颗粒物同时存在的双峰分布特点.其中,积聚态颗粒物所占比重很小,其峰值仅为8.72×106,cm-3;而核态颗粒物所占比重较大、峰值较高,达2.82×108,cm-3.汽油机怠速工况运行时混合气较浓,缸内残余废气量相对较多,并且转速低缸内气体流动较弱,导致燃油蒸发雾化较差,燃烧较不完全,是汽油机怠速时颗粒物排放较高的主要原因.2.2发动机转速活动图2为3种负荷(20%、50%和80%)下,2,000,r/min、3,000,r/min和4,000,r/min转速时催化器后的颗粒物粒径分布.由图可知,3种负荷条件下,核态颗粒物数密度峰值随转速的升高而降低,并且峰值粒径也呈现逐渐减小的趋势.以往研究结果认为核态颗粒物是发动机燃烧过程中生成的初级碳颗粒、硫酸盐以及HC化合物等经过成核现象而形成的.发动机转速升高时不但减少发动机的散热损失,而且增加缸内湍流强度,两者均使缸内混合气更加均匀,有利于抑制燃烧过程中初级碳颗粒和HC化合物等物质的生成,减少核态颗粒物的生成量;另一方面,转速升高时每循环的工作时间变短,燃烧过程中生成的初级碳颗粒和HC化合物等物质的成核机率降低,同时也减弱了HC在这些成核物上的吸附作用,不但抑制了核态颗粒物的生成而且也使峰值粒径减小;两者的共同作用导致了核态颗粒物随转速的变化规律.此外,在80%负荷下,3,000,r/min和4,000,r/min转速时有积聚态颗粒物生成,且4,000,r/min转速时数密度峰值较高,这可能是由于发动机转速升高循环工作时间减短,导致积聚态颗粒物在高温条件下的停留时间减少,减弱了对其的氧化作用,所以4,000,r/min转速时积聚态颗粒物数密度峰值较高.2.3发动机燃烧过程中,标准条件下,未充放电负荷时c图3(a)和(b)为试验汽油机在2,000,r/min和4,000r/min转速下不同负荷时催化器后的颗粒物粒径分布情况.由图可见,试验工况下,汽油机排气颗粒物主要以核态颗粒物为主,仅部分工况存在积聚态颗粒物.低转速时(2,000,r/min),汽油机排气颗粒物主要分布在小于30,nm的粒径范围内,粒径分布呈现为核态的单峰分布(峰值粒径在5~10,nm),无积聚态颗粒物;中等转速(4,000,r/min)时,汽油机排气颗粒物粒径分布范围扩大,主要分布在5~100,nm,排气颗粒物中既存在核态颗粒物(峰值粒径在5~10,nm),也存在积聚态颗粒物(峰值粒径在60~70,nm).从如图3(a)和(b)还可看出,两种转速下,汽油机排气中核态颗粒物数密度在催化器后均表现为中、低负荷时随着发动机负荷的增加而降低,高负荷时又略有增加的趋势.这主要是由于汽油机采用“量”调节的方式,中、低负荷时发动机以计量比混合气组织燃烧,随着发动负荷的增加缸内工质逐渐增多,缸内热量也逐渐增大,燃烧向高温方向发展,燃烧过程中生成的初级碳粒和HC化合物等物质的氧化机率增大,其浓度逐渐降低,导致微小碳粒和HC等物质成核而形成核态颗粒物的倾向减弱,因此在中低负荷时核态颗粒物数密度随着负荷的增加而降低.高负荷时,由于汽油机采用混合气加浓的方式以保持较高的功率输出,导致发动机缸内工质的燃烧质量变差,微小碳粒和HC化合物等物质的生成量增加,成核倾向增强,所以汽油机在高负荷时核态颗粒物的峰值略有增加.这与Maricq等的研究结果基本一致,其结果认为随着汽油机过量空气系数的降低,尾气中颗粒物数量逐渐增加.由图3(a)和(b)可知,积聚态颗粒物仅存在于中间转速(4,000,r/min)高负荷动力加浓工况,最高峰值数密度为2.34×107,cm-3.通常认为积聚态颗粒物是发动机燃烧过程中燃料不完全燃烧而生成的初级碳粒通过团聚并吸附HC、金属灰烬和硫酸盐等物质而成.中、低负荷时,汽油机采用均质混合气,燃烧较为充分,抑制了积聚态颗粒物的生成.而高负荷时采用混合气加浓的方式,空燃比降低,燃烧向缺氧方向发展,加之发动机缸内燃烧温度较高,有利于缸内燃油发生热裂解和脱氢反应生成初级碳烟粒子,这些粒子通过团聚和吸附HC等物质最终长大为粒子直径较大的积聚态颗粒物.低转速时由于颗粒物在高温条件下的停留时间相对较长,增强了积聚态颗粒物的氧化机率,所以低转速高负荷时并无积聚态颗粒物生成,而只在中等转速高负荷时出现积聚态颗粒物.2.4催化器的净化效果为了研究催化器对汽油机颗粒物粒径分布的影响规律,分别对2,000,r/min和4,000,r/min转速下不同负荷时催化器前颗粒物粒径分布进行了测量,如图3(c)和(d)所示.与图3(a)和(b)相比可知,在两种转速不同负荷下经催化器处理后的颗粒物数密度峰值均明显降低,且核态颗粒物峰值降低幅度较大,积聚态颗粒物峰值降低幅度相对较小.这表明催化器对汽油机排气颗粒物具有良好的净化作用,并且对核态颗粒物的净化效果较好,而对积聚态颗粒物的净化效果略差.此外,催化器对低转速下的颗粒物粒径分布影响较为明显,经催化器处理后,小负荷时(20%)峰值粒径略有减小,中、高负荷时峰值粒径均明显增加;而催化器对中等转速下的粒径分布影响较小,仅小负荷时(20%)催化器后峰值粒径略有减小,中、高负荷时催化器前后峰值粒径基本一致.图4为在2,000,r/min和4,000,r/min转速时不同负荷下催化器对汽油机排气颗粒物总数量的转化效率.由图可见,在低转速全部负荷下和中等转速中、低负荷下,催化器对颗粒物的净化效果较好,转化效率在60%以上;只有在中等转速高负荷时转化效果较差,转化效率低于50%.中等转速高负荷时转化效率较低主要是由于此时排气中存在积聚态颗粒物,而催化器对积聚态颗粒物的净化效果较差导致转化效率降低.3不同转速条件下中、低负荷时聚合反应的影响(1)汽油机怠速工况运行时呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布特点,积聚态颗粒物所占比重很小,而核态颗粒物所占比重较大,其峰值达2.82×108,cm-3.(2)汽油机尾气颗粒物主要以核态颗粒物为主,仅部分工况存在积聚态颗粒物.低转速时表现为核态颗粒物的单峰分布,无积聚态颗粒物;中等转速时,粒径分布范围扩大,排气颗粒物中既存在核态颗粒物,也存在积聚态颗粒物.(3)相同转速下,核态颗粒物数密度峰值随着负荷的增加表现为先降低后增加的趋势;在相同负荷下,核态颗粒物数密度峰值和峰值粒径均随着转速的升高而呈现降低的趋势.积聚态颗粒物仅生成