负电晕放电对柴油机排气颗粒Zeta电位的影响

肖雪, 孙平, 刘军恒, 万垚峰, 范义

(江苏大学汽车与交通工程学院, 212013, 江苏镇江)

柴油机排气颗粒数量多且粒径微小,大部分小于100 nm,可由呼吸道进入人体体内。研究表明,粒径小于100 nm的颗粒可穿透人体细胞壁,引发血液等多方面的疾病[1-4]。此外,柴油机排气颗粒不易沉降,悬浮在大气中会对环境造成一定的影响。在国Ⅵ阶段重型车污染物排放标准中,新增了颗粒物数量(PN)限值。因此,控制柴油机颗粒排放,尤其是小粒径颗粒排放,具有重要的意义。荷电凝并(electrical agglomeration)是一种比较成熟的技术,已被广泛应用于化工、建材、冶金等领域。荷电凝并技术通过对颗粒物荷电,增强颗粒之间的聚并效应,能促使颗粒直径变大并降低微纳米颗粒的数量[5]。近年来,国内外学者已将这一技术运用于柴油机排气的治理,开辟了柴油机排气颗粒净化的一个新研究领域。Boichot等将荷电凝并技术用于柴油机排气颗粒物的净化处理,研究了带电颗粒物在不同流速下凝并前后的粒径分布及数量减少率[6]。

对颗粒物进行荷电是荷电凝并技术的关键,主要通过气体放电实现,放电形式主要包括电晕放电、辉光放电和介质阻挡放电等[7]。电晕放电可在高温常压下产生大量自由电子,当电子引起碰撞电离后,电子被驱往远离电极的空间,并形成负离子,这些负离子会与颗粒碰撞,使颗粒带电。曾科等利用线筒式荷电装置,采用电晕放电技术对柴油机排气颗粒进行荷电处理,结果表明,在不同工况下加电后排气颗粒波许烟度值明显降低[8]。王培清等研究发现,在电晕放电条件下,柴油机排气颗粒的荷质比与极间电压成正比,且负荷对荷质比的影响比转速的影响更为显著[9]。杜小朋等通过试验,探究了柴油机排气颗粒物荷电效果与排气流速之间的关系[10]。Okubo等利用法拉第筒和电量计对电晕荷电后的柴油机排气颗粒进行了收集与测量,结果表明当气体流速为0.28 m/s时,颗粒荷质比达到最大值-126 μC/g[11]。上述研究表明,采用电晕放电技术可以有效提高柴油机排气颗粒的带电量。带有电荷的细小颗粒具有更高的扩散系数,与其他颗粒的碰撞概率变大,因此电晕放电技术可加强颗粒间的凝并效应,促进颗粒粒径增大,进而在一定程度上降低柴油机排气细小颗粒的数量浓度。

柴油机排气颗粒在电场中荷电时,颗粒荷电量的大小直接影响其运动、凝并等环节[12-13]。尽管目前部分学者对电晕放电条件下柴油机排气颗粒的荷电过程做了相关研究,但有关颗粒荷电量方面的研究却鲜有报道。为了进一步对荷电后的柴油机排气颗粒进行动力学分析,并对其运动及凝并过程进行深入研究,有必要探究柴油机排气颗粒在电晕放电条件下的荷电特性。因此,本研究搭建了电晕放电条件下柴油机排气颗粒荷电试验台架,对柴油机排气颗粒进行预荷电处理,并通过分析颗粒的Zeta电位来表征颗粒物的荷电状态,探究不同因素对颗粒荷电量的影响。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

试验样机为潍柴动力扬州柴油机有限责任公司的YZ4DB1-40型柴油机,主要结构参数及性能如表1所示。试验时不改变原机的喷油时刻、喷油压力等控制参数,燃料为市购国V0号柴油。

表1 柴油机主要性能及结构参数

图1 试验系统示意图

试验系统如图1所示,主要由柴油机、温度控制系统、荷电反应器、电源供给装置和颗粒采集装置等组成。首先通过离心风机对冷凝管进行冷却,以去除排气中的水气,并用陶瓷管加热器对排气进行加热升温,以便向荷电装置提供一定温度的排气,再采用PT100热电阻传感器监控荷电反应器放电区域内部的温度。荷电反应器为同轴线筒结构,荷电区域为直径52 mm的不锈钢管,绝缘介质为内径3 mm、壁厚1.5 mm的陶瓷管,放电电极位于不锈钢管轴心。试验电源为大连泰思科技有限公司的TE4020负高压直流电源(测量精度为1%),在0～50 kV范围内连续可调,最大输出电流为1 mA。在荷电反应器后端配备装有去离子水的洗气瓶用于采集排气颗粒,通过流量计及真空泵对采样气体流量进行控制。

图2 带电颗粒周围粒子分布示意图

1.2 颗粒物荷电量的测量原理及方法

1.2.1 荷电量的测量原理 通过颗粒的Zeta电位来表征颗粒物的荷电状态。Zeta电位是指位于双电层中的扩散层与固体表面斯特恩层之间的滑动界面上的电位,如图2所示。由颗粒在悬浮液中的Zeta电位值,可以推断出其表面电荷的密度和电荷的极性等[14]。分散在去离子水中颗粒的Zeta电位通过Malvern Zetasizer Nano ZS90型电位仪采用电泳法直接测量,通过检测样品散射光频率的移动得到带电颗粒的电泳运动速度,利用Herry方程得到电位[15]。测试溶剂是浓度为0.01 mol/L的NaCl溶液,pH为6,温度控制在(24.5±1.5) ℃,测试电场强度为16 V/cm,重复3次测量取平均值。颗粒表面的电荷密度σ采用Gouy-Chapman公式计算[16-17]

(1)

式中:ξ为颗粒的Zeta电位;εw为水在298 K时的相对介电质常数;ε0为真空介电常数;ρ为NaCl溶液的质量浓度;e为基本电荷量;kB为玻尔兹曼常数;T为测试温度。

假定柴油机排气颗粒为球形,颗粒的荷电量q由下式计算

q=4π(dp/2)2σ

(2)

式中:dp为颗粒粒径;σ为颗粒表面的电荷密度。电位仪测得颗粒在不加电和加电时的Zeta电位分别为ξ0和ξ1,代入式(1)和式(2)中可计算出电量q0和q1,则颗粒因电晕放电而获得的电量

q=q0-q1

(3)

1.2.2 荷电量的测量方法 电晕放电按起晕电极极性可分为正电晕放电和负电晕放电。正电晕放电时,电子崩由光电离产生,电子到达正电晕线即被中和,正离子在空间电场中缓慢运动。负电晕放电时,电子崩主要为碰撞电离,在电晕区产生的负离子继续向外扩散[18]。在相同放电参数下,负电晕放电过程更加稳定,产生的离子浓度也更高[19],故本研究均在负电晕放电下进行。

试验选取柴油机额定转速2 600 r/min,将25%、50%和100%负荷作为工况点。调整柴油机至稳定运行工况,通过陶瓷管加热器将放电区域内部温度分别调节为300、400和500 ℃,随后将高压电源的电压分别调节为0、-5、-10、-15和-20 kV。在0～-20 kV电压范围内,电极电流的范围为0～-0.42 mA,荷电装置消耗的功率范围仅为0～8 W。待荷电装置电压稳定5 min后,打开真空泵并将采气流量控制为10 L/min,采样时间为5 min。

2 试验及计算结果分析

2.1 荷电电压对颗粒Zeta电位的影响

在电晕放电条件下,颗粒的荷电方式分为电场荷电和扩散荷电。粒径大于500 nm的颗粒以电场荷电为主,粒径小于200 nm的颗粒以扩散荷电为主,粒径在200～500 nm之间的颗粒2种荷电均有[20]。柴油机排气颗粒主要集中在小于100 nm的粒径范围内,以扩散荷电为主。

在柴油机转速为2 600 r/min、全负荷、荷电区温度为500 ℃时,排气颗粒的Zeta电位随荷电电压的变化如图3a所示,计算出的颗粒荷电量如图3b所示(图中e为元电荷)。在未加电时,由于颗粒表面的负电性官能团如—OH等的存在,颗粒的Zeta电位为-0.60 mV。随着电压的升高,Zeta电位绝对值和颗粒荷电量都不断增大,当电压由-5 kV上升到-10 kV时,Zeta电位变化明显,绝对值达到0.80 mV,单个颗粒的荷电量也有显著的增加,此时电子崩开始发生,颗粒开始浸润在自由电子和负离子中。随着电压不断升高,注入荷电区的能量增加,空气电离程度加剧,空间平均场强和电荷密度增大,导致颗粒荷电量增加。依据EDLVO理论,颗粒负电性增强导致颗粒间的静电斥力增加,所以颗粒的Zeta电位绝对值增大[21]。

(a)颗粒的Zeta电位

(b)单个颗粒的荷电量图3 荷电电压对颗粒Zeta电位及荷电量的影响

2.2 荷电区温度对颗粒Zeta电位的影响

图4所示为50%负荷时,荷电区温度对柴油机排气颗粒Zeta电位和荷电量的影响。从图4a可以看出:随着温度的升高,Zeta电位对荷电电压的响应速度加快;当荷电区温度为300 ℃、荷电电压由0变为-10 kV时,Zeta电位绝对值的增幅仅为0.02 mV,而当荷电区温度为400 ℃时,Zeta电位绝对值的增幅可达到0.11 mV。这主要是由于高温使气体分子获得了更大的动能,降低了分子电离能,同时电子自由程变大,使电子在电场中的加速距离增加,从而使电子能量提高,所以温度升高时自由电子更容易打开气体分子的外围电子,产生新的自由电子,直至形成电子崩,导致电晕放电[22-23]。因此,高温可有效降低电晕放电时的起晕电压,使得柴油机排气颗粒迅速带上电荷。图4b所示为50%负荷、荷电电压为-15 kV时,不同温度下单个颗粒荷电量的计算结果,从中可以看出,当荷电区温度从300 ℃升高到400 ℃时,柴油机排气颗粒的荷电量明显增加,这与颗粒Zeta电位随温度的变化规律一致;当温度从400 ℃升高到500 ℃时,颗粒的荷电量略有增加,主要是因为温度升高使负离子的迁移率变大,因而在相同电场强度下离子运动速度更快,颗粒与离子碰撞的概率增加,所以颗粒的荷电量有所增加。

(a)颗粒的Zeta电位

(b)单个颗粒的荷电量图4 温度对颗粒Zeta电位及荷电量的影响

2.3 发动机负荷对颗粒Zeta电位的影响

图5a所示是电晕放电时,在25%、50%和100%负荷下柴油机排气颗粒的Zeta电位变化情况,从中可以看出,不加电时颗粒Zeta电位的绝对值在低负荷下较大,25%负荷下为0.65 mV。这主要是由于低负荷下空燃比较高,已生成碳烟与氧气接触的概率增加,这导致更多的碳层边缘原子与自由羟基结合,并且低负荷下温度较低,碳烟颗粒表面附着的羟基的氧化作用减弱,故低负荷下形成的颗粒表面存在较多的羟基官能团(C—OH),负电性较强,Zeta电位的绝对值较大;当给放电电极施加负高压电时,各负荷下颗粒Zeta电位的绝对值随电压的升高呈增加趋势,且当荷电电压达到-10 kV以后,颗粒Zeta电位的绝对值随负荷的升高而增大,表明随着电晕放电的进行,高负荷下柴油机排气颗粒的荷电量更多,其负电性大大增强。图5b所示为荷电电压为15 kV时,不同负荷下的荷电量计算结果,从中可以看出,随着负荷的增加,颗粒荷电量有所增加,全负荷下的荷电效果最好,与颗粒Zeta电位的变化规律相一致。这主要是因为低负荷工况下循环供油量较少,燃烧室内稀燃区域面积增大,且缸内低温增大了燃料的不完全燃烧程度,形成较多未燃HC颗粒,颗粒吸附的可溶性有机物(SOF)的质量分数增大,导致颗粒凝聚和粘结现象严重,因此柴油机在低负荷工况下排气颗粒分布紧密,而在全负荷工况下,颗粒形貌多为分散的树杈形状或链状结构[24]。依据Chang提出的理论,在单极扩散荷电条件下,颗粒荷电量与其表面积及电容正相关[25]。当颗粒迁移直径相同时,分散链状结构颗粒的电容值及表面积更大,因此,全负荷时柴油机排气颗粒由扩散荷电获得的电量更多。

(a)颗粒的Zeta电位

(b)单个颗粒的荷电量图5 负荷对颗粒Zeta电位及荷电量的影响

3 结 论

本研究采用负电晕放电的方式,对柴油机排气颗粒进行了预荷电处理,通过分析柴油机排气颗粒的Zeta电位,从而表征颗粒物的荷电状态。综合考察了荷电电压、荷电区温度和发动机负荷等参数对柴油机排气颗粒Zeta电位的影响,得出如下结论。

(1)在负电晕放电条件下,随荷电电压升高,荷电区域空间离子密度增加,柴油机排气颗粒与负离子碰撞概率增大,荷电量显著提高。颗粒带有的电荷越多,其负电性增强导致颗粒间的静电斥力就越大,表现为颗粒Zeta电位绝对值增大。

(2)高温可有效降低柴油机排气颗粒电晕放电的气晕电压。电晕放电发生后,升高温度有利于负离子迁移率的增加,在一定程度上可以提高颗粒的荷电量。

(3)放电参数相同时,增加柴油机负荷可使颗粒的表面积和电容大大增加,从而可增加颗粒的扩散荷电量。

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