柴油发动机尾气颗粒物研究进展

陈庆平,余明洲

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

柴油发动机颗粒物的排放会对大气环境产生巨大的负面影响.研究结果表明,柴油发动机排放颗粒物可能对人体肺部和脑部造成重大伤害,还可能发生遗传性基因突变[1].所以各国都采用立法的形式要求汽车生产商降低颗粒物排放浓度.目前的发动机虽然在减少颗粒物质量浓度的设计方面取得了长足的进步,但是纳米级颗粒数浓度的上升却成为困扰发动机继续升级的障碍.本文结合国际上对柴油发动机排放物中纳米颗粒研究的最新情况,从颗粒物的物质属性、实验研究背景和数值模拟等方面进行综合论述,讨论了存在的问题并对该领域今后的研究方向进行了展望.

1 柴油发动机排放颗粒物物理化学特性分析

柴油发动机排放颗粒物主要由单质碳、碳水化合物和含硫化合物等组成[2].图1表示为柴油发动机颗粒质量数浓度、颗粒数浓度和沉积率与颗粒粒径的关系[3].测量结果显示,颗粒数浓度遵循对数正态分布,而颗粒质量浓度服从三峰值分布形式.从数量上进行分析,柴油发动机排放颗粒主要处于5～50 nm这一区域.但是,颗粒物的大部分质量却存在于100～300 nm区域.

根据颗粒粒径的不同,排放颗粒可以分为3种模态:核子模态、积聚模态和粗糙模态[2].核子模态中颗粒物主要由一些金属性化合物、单质碳和半挥发性的有机和含硫物质组成,其占据总体颗粒物质量浓度的1%～20%和颗粒数浓度的90%以上.积聚模态中颗粒物粒径主要分布在50～500 nm区域,占据了颗粒质量浓度的绝大部分.粗糙模态颗粒物指的是颗粒物粒径在1 μ m以上,其占据颗粒物总体质量浓度的5%～20%.粒径小于50 nm的颗粒一般被称之为纳米颗粒.研究结果表明,超过90%以上的纳米颗粒由挥发性颗粒前驱物成核而成[4].纳米颗粒在形成过程中极大的受到外界条件的影响,如空气稀释度和颗粒的生存时间.颗粒的形成在这些参数的影响下表现有高度的非线性性,极小的参数改变可能会造成颗粒数浓度指数量级的差异.纳米颗粒的这种性质极大的增加了测量检测的难度.

图1 柴油发动机颗粒质量数浓度、颗粒数浓度和沉积率与颗粒粒径的关系(Kittelson)

2 柴油发动机排放颗粒物实验检测

目前国际上通用的柴油发动机尾气排放标准,均基于对颗粒质量浓度的测量[3].但是随着柴油发动机颗粒物过滤装置技术的不断进步,纳米颗粒的数量在总的颗粒污染物中所占份额越来越大,颗粒愈小对人体造成的伤害也越大.这就需要对排放标准进行重新制定,除了考虑颗粒污染物的质量浓度外,还要对颗粒的粒径分布、颗粒数分布等进行检测[5].

柴油发动机排放颗粒物是由许多不同尺度和不同成分的粒子组成的多谱气溶胶.一台理想的测量仪器,应能自动地、连续地测定粒子尺度,并对每一个粒子进行单独分析,从而有可能测定尺度-成分概率密度函数[6].目前,粒子尺度谱分布和粒子化学成分测量技术已较成熟,粒子实时检测也取得了较大地进步,市面上已经出现响应较快的实时或者近于实时检测的设备.未来测量仪器的发展方向除了向实时检测方向继续进展外,纳米颗粒尺度谱分布、形状、表面积和化学成分等特征参数的测量将是以后测量仪器发展的重点和难点.根据仪器的性能特征,可以分为3类:惯性撞击式、电迁移式和组合式.虽然各种仪器都能对研究污染颗粒物在限度范围内对其进行检测,但是由于仪器本身性能特征的不同,所检测量有较大的差异.例如对于颗粒直径这个常用物理量,就至少有5种不同的等效量作为各种不同仪器的检测对象.这5种等效量分别为质量等效直径、体积等效直径,电迁移等效直径、机械迁移等效直径和空气动力学直径.因此,对于不同仪器所得检测结果,目前还不能有效的进行定量或者定性的比较.由于纳米颗粒对环境造成的影响越来越大,类似Nano-DMA的仪器将会在未来颗粒物检测中占有重要的位置.

3 数值模拟在柴油发动机排放颗粒物研究领域的应用

现代测量仪器和分析技术的改进,已经使我们对柴油发动机排放污染颗粒物的形成机理和物理化学特性有了充分的了解.在此基础上,通过数值模拟的方法对颗粒物的形成、生长、扩散、凝并、凝结和破碎等进行研究,得到一些通过实验方法无法得到的信息,从而寻求更好的减少发动机排放污染的措施.由于排放颗粒物的物理化学变化均存在于气相环境中,所以在数值模拟工作实施过程中,应把颗粒动力学、流体力学和化学动力学等相关学科结合起来进行综合考虑.

目前,对细微颗粒物的研究基本上是基于1917年Smoluchowski提出的一般动力学方程,即GDE方程[2].通过解不同起始条件和边界条件的方程,可以得到相应情况下的颗粒数分布函数.

如果考虑流场、热泳等对颗粒的影响及其颗粒的气-固转换,则GDE方程应表示为:

很明显,GDE方程是一个非线性偏微分积分方程,由于颗粒计算的特殊性,要求对GDE方程进行特殊的处理.截至目前,除了对颗粒分布进行预先假设,得到相应的解析式外,研究者采用的方法均是求解其数值解.需要指出的是,对于类似方程(1)的GDE方程,求解其数值解的工作量是相当巨大的.因为对每一特征粒径的颗粒都要构造一个单独描述其颗粒数浓度变化的GDE方程.所以,在对此问题的处理上,不得不牺牲一些精度上的要求而获得计算效率上的补偿.目前,常用的数值求解方法有矩方法、分区方法和Monte-Carlo法等.

4 结 语

未来的实验测量设备除了要求对颗粒的质量浓度进行测量外,还要顾及颗粒的化学成分、粒径分布等影响人类健康的重要参数.更重要的是,未来的测量仪器应能实现在真实环境中实时的进行工作,以适应更为严格的排放标准.采用数值模拟的方法能够较好的对柴油发动机排放颗粒物的结晶成核、浓度扩散及其颗粒的生长等进行有效的预测,但是鉴于纳米量级颗粒物的形成机理相当复杂,针对柴油发动机的颗粒结晶模型还未完全建立,截至目前,在统一系统中综合考虑各种尺度颗粒的数值模拟工作还需进一步的发展.

[1]F J WEINBERG.Electrical Aspects of Aerosol Formation and Control,Proc.R.Soc.Lond.A,1968(307):195-208.

[2]H BURTSCHER.Physical characterization of particulate emissions from diesel engines:a review.Journal of aerosol science,2005(36):896-932.

[3]岑可法,姚 强,等.燃烧理论与污染控制[M].北京:机械工业出版社,2004.

[4]史绍熙,苏万华.内燃机燃烧研究中的几个前沿问题[J].内燃机学报,1999(2):95-104.

[5]龚金科.汽车排放污染及控制[M].北京:人民交通出版社,2008.

[6]李岳林.汽车排放与噪声控制[M].北京:人民交通出版社,2007.