柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒物研究進(jìn)展

陳慶平,余明洲

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物的排放會(huì)對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響.研究結(jié)果表明,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物可能對(duì)人體肺部和腦部造成重大傷害,還可能發(fā)生遺傳性基因突變[1].所以各國(guó)都采用立法的形式要求汽車生產(chǎn)商降低顆粒物排放濃度.目前的發(fā)動(dòng)機(jī)雖然在減少顆粒物質(zhì)量濃度的設(shè)計(jì)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但是納米級(jí)顆粒數(shù)濃度的上升卻成為困擾發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)升級(jí)的障礙.本文結(jié)合國(guó)際上對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中納米顆粒研究的最新情況,從顆粒物的物質(zhì)屬性、實(shí)驗(yàn)研究背景和數(shù)值模擬等方面進(jìn)行綜合論述,討論了存在的問題并對(duì)該領(lǐng)域今后的研究方向進(jìn)行了展望.

1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物物理化學(xué)特性分析

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物主要由單質(zhì)碳、碳水化合物和含硫化合物等組成[2].圖1表示為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒質(zhì)量數(shù)濃度、顆粒數(shù)濃度和沉積率與顆粒粒徑的關(guān)系[3].測(cè)量結(jié)果顯示,顆粒數(shù)濃度遵循對(duì)數(shù)正態(tài)分布,而顆粒質(zhì)量濃度服從三峰值分布形式.從數(shù)量上進(jìn)行分析,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒主要處于5～50 nm這一區(qū)域.但是,顆粒物的大部分質(zhì)量卻存在于100～300 nm區(qū)域.

根據(jù)顆粒粒徑的不同,排放顆?？梢苑譃?種模態(tài):核子模態(tài)、積聚模態(tài)和粗糙模態(tài)[2].核子模態(tài)中顆粒物主要由一些金屬性化合物、單質(zhì)碳和半揮發(fā)性的有機(jī)和含硫物質(zhì)組成,其占據(jù)總體顆粒物質(zhì)量濃度的1%～20%和顆粒數(shù)濃度的90%以上.積聚模態(tài)中顆粒物粒徑主要分布在50～500 nm區(qū)域,占據(jù)了顆粒質(zhì)量濃度的絕大部分.粗糙模態(tài)顆粒物指的是顆粒物粒徑在1 μ m以上,其占據(jù)顆粒物總體質(zhì)量濃度的5%～20%.粒徑小于50 nm的顆粒一般被稱之為納米顆粒.研究結(jié)果表明,超過90%以上的納米顆粒由揮發(fā)性顆粒前驅(qū)物成核而成[4].納米顆粒在形成過程中極大的受到外界條件的影響,如空氣稀釋度和顆粒的生存時(shí)間.顆粒的形成在這些參數(shù)的影響下表現(xiàn)有高度的非線性性,極小的參數(shù)改變可能會(huì)造成顆粒數(shù)濃度指數(shù)量級(jí)的差異.納米顆粒的這種性質(zhì)極大的增加了測(cè)量檢測(cè)的難度.

圖1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒質(zhì)量數(shù)濃度、顆粒數(shù)濃度和沉積率與顆粒粒徑的關(guān)系(Kittelson)

2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

目前國(guó)際上通用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn),均基于對(duì)顆粒質(zhì)量濃度的測(cè)量[3].但是隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物過濾裝置技術(shù)的不斷進(jìn)步,納米顆粒的數(shù)量在總的顆粒污染物中所占份額越來越大,顆粒愈小對(duì)人體造成的傷害也越大.這就需要對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新制定,除了考慮顆粒污染物的質(zhì)量濃度外,還要對(duì)顆粒的粒徑分布、顆粒數(shù)分布等進(jìn)行檢測(cè)[5].

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物是由許多不同尺度和不同成分的粒子組成的多譜氣溶膠.一臺(tái)理想的測(cè)量?jī)x器,應(yīng)能自動(dòng)地、連續(xù)地測(cè)定粒子尺度,并對(duì)每一個(gè)粒子進(jìn)行單獨(dú)分析,從而有可能測(cè)定尺度-成分概率密度函數(shù)[6].目前,粒子尺度譜分布和粒子化學(xué)成分測(cè)量技術(shù)已較成熟,粒子實(shí)時(shí)檢測(cè)也取得了較大地進(jìn)步,市面上已經(jīng)出現(xiàn)響應(yīng)較快的實(shí)時(shí)或者近于實(shí)時(shí)檢測(cè)的設(shè)備.未來測(cè)量?jī)x器的發(fā)展方向除了向?qū)崟r(shí)檢測(cè)方向繼續(xù)進(jìn)展外,納米顆粒尺度譜分布、形狀、表面積和化學(xué)成分等特征參數(shù)的測(cè)量將是以后測(cè)量?jī)x器發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn).根據(jù)儀器的性能特征,可以分為3類:慣性撞擊式、電遷移式和組合式.雖然各種儀器都能對(duì)研究污染顆粒物在限度范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),但是由于儀器本身性能特征的不同,所檢測(cè)量有較大的差異.例如對(duì)于顆粒直徑這個(gè)常用物理量,就至少有5種不同的等效量作為各種不同儀器的檢測(cè)對(duì)象.這5種等效量分別為質(zhì)量等效直徑、體積等效直徑,電遷移等效直徑、機(jī)械遷移等效直徑和空氣動(dòng)力學(xué)直徑.因此,對(duì)于不同儀器所得檢測(cè)結(jié)果,目前還不能有效的進(jìn)行定量或者定性的比較.由于納米顆粒對(duì)環(huán)境造成的影響越來越大,類似Nano-DMA的儀器將會(huì)在未來顆粒物檢測(cè)中占有重要的位置.

3 數(shù)值模擬在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物研究領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器和分析技術(shù)的改進(jìn),已經(jīng)使我們對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染顆粒物的形成機(jī)理和物理化學(xué)特性有了充分的了解.在此基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬的方法對(duì)顆粒物的形成、生長(zhǎng)、擴(kuò)散、凝并、凝結(jié)和破碎等進(jìn)行研究,得到一些通過實(shí)驗(yàn)方法無法得到的信息,從而尋求更好的減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染的措施.由于排放顆粒物的物理化學(xué)變化均存在于氣相環(huán)境中,所以在數(shù)值模擬工作實(shí)施過程中,應(yīng)把顆粒動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)學(xué)科結(jié)合起來進(jìn)行綜合考慮.

目前,對(duì)細(xì)微顆粒物的研究基本上是基于1917年Smoluchowski提出的一般動(dòng)力學(xué)方程,即GDE方程[2].通過解不同起始條件和邊界條件的方程,可以得到相應(yīng)情況下的顆粒數(shù)分布函數(shù).

如果考慮流場(chǎng)、熱泳等對(duì)顆粒的影響及其顆粒的氣-固轉(zhuǎn)換,則GDE方程應(yīng)表示為:

很明顯,GDE方程是一個(gè)非線性偏微分積分方程,由于顆粒計(jì)算的特殊性,要求對(duì)GDE方程進(jìn)行特殊的處理.截至目前,除了對(duì)顆粒分布進(jìn)行預(yù)先假設(shè),得到相應(yīng)的解析式外,研究者采用的方法均是求解其數(shù)值解.需要指出的是,對(duì)于類似方程(1)的GDE方程,求解其數(shù)值解的工作量是相當(dāng)巨大的.因?yàn)閷?duì)每一特征粒徑的顆粒都要構(gòu)造一個(gè)單獨(dú)描述其顆粒數(shù)濃度變化的GDE方程.所以,在對(duì)此問題的處理上,不得不犧牲一些精度上的要求而獲得計(jì)算效率上的補(bǔ)償.目前,常用的數(shù)值求解方法有矩方法、分區(qū)方法和Monte-Carlo法等.

4 結(jié) 語

未來的實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備除了要求對(duì)顆粒的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)量外,還要顧及顆粒的化學(xué)成分、粒徑分布等影響人類健康的重要參數(shù).更重要的是,未來的測(cè)量?jī)x器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中實(shí)時(shí)的進(jìn)行工作,以適應(yīng)更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn).采用數(shù)值模擬的方法能夠較好的對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的結(jié)晶成核、濃度擴(kuò)散及其顆粒的生長(zhǎng)等進(jìn)行有效的預(yù)測(cè),但是鑒于納米量級(jí)顆粒物的形成機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒結(jié)晶模型還未完全建立,截至目前,在統(tǒng)一系統(tǒng)中綜合考慮各種尺度顆粒的數(shù)值模擬工作還需進(jìn)一步的發(fā)展.

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