某型柴油機尾氣排放生成物成分分析

張 俊 魏鵬程 張?zhí)杰?陳 楠 黃 旭

（中國北方發(fā)動機研究所（天津）天津 300400）

引言

柴油機以其較高的熱效率、良好的可靠性、動力性和經(jīng)濟性等，被軍民各行業(yè)廣泛使用[1]。隨著其保有量的不斷增長，柴油機尾氣排放物污染的問題越來越突出，如何控制柴油機的尾氣排放物已被各國列為法規(guī)來實施?？茖W(xué)有效地制定排放后處理措施，使得柴油機排放達到大氣污染物排放標準，是各柴油機企業(yè)越來越重視的問題[2]。解決柴油機的排放污染物的問題，對其排放生成物的成分進行分析，將可高效、準確地滿足大氣污染物排放標準，實現(xiàn)精準處理[3]。本文通過對某型柴油機排放污染物測量結(jié)果的分析，摸清其排放生成物的成分組成，為科學(xué)有效地制定尾氣凈化方案提供數(shù)據(jù)支持。

1 測量原理

柴油機尾氣排放生成物分析是利用微粒試驗測量設(shè)備進行測量，該設(shè)備為DMS500 納米微粒光譜測試儀，如圖1 所示。DMS500 具備實時測量功能，可以完成排放物粒徑分布、與重量法相關(guān)的質(zhì)量以及與PMP 相關(guān)的數(shù)目測量。該設(shè)備采樣點可以安裝在排氣門到部分流稀釋（CVS）系統(tǒng)間的任何位置，滿足發(fā)動機性能和后處理分析研究需要。為便于柴油機測試臺架的使用，通過將柴油機瞬態(tài)排放研究和儀器測試經(jīng)驗以及最新顆粒測試技術(shù)的結(jié)合，解決了因?qū)崟r壓力變化而導(dǎo)致的算法修正引起的測量誤差。DMS500一般在恒壓下測量，在采樣工作時，通過采用截流微孔墊片來防止顆粒的凝聚。從而保證設(shè)備粒徑測量范圍更寬，且設(shè)備響應(yīng)時間更快，同時可以將由于采樣壓力波動對儀器測量結(jié)果的影響有效屏蔽。

圖1 DMS500 工作原理示意圖

DMS500 的工作原理為利用高壓放電，保證每個粒子表面的帶電量與其面積成正比，通過將帶電粒子引導(dǎo)到一個徑向強靜電場分類器，利用靜電場的作用力使粒子偏向靜電探測器。依據(jù)電荷比和空氣阻力的大小，在圓柱內(nèi)壁的不同位置將顆粒探測到。利用10 Hz 采樣頻率對22 級靜電檢測計的輸出信號進行實時處理，用于計算光譜數(shù)據(jù)和其它規(guī)格參數(shù)，如圖2 所示。

圖2 DMS500 對顆粒物分級示意圖

DMS500 的采樣過程主要包括以下幾個步驟：從排煙管上的采樣探頭取出一定容量的廢氣，先經(jīng)干燥空氣的一級稀釋，再利用離心分離器將直徑大于1 000 nm 的微粒分離出來，而后再進行二次稀釋通過旋轉(zhuǎn)圓盤稀釋器，最后進入主機。利用遠程控制的真空泵實現(xiàn)主機中的分類器在一定真空度的環(huán)境下工作。主機中稀釋的樣氣微粒被加上正電荷，微粒所帶電荷的多少與其表面積成正比，其在電場中的運動偏移軌跡與帶電量的多少和空氣阻力相關(guān)。帶電微粒與接地的電極環(huán)接觸后，利用真空泵的作用隨稀釋空氣通過過濾后排到大氣中去。靜電電流和充電模型被處理器檢測到后，再判斷出微粒粒徑的大小。DMS500 的稀釋分為兩級，第一級稀釋比為5∶1，第二級稀釋比為100∶1，采樣溫度為353 K。對尾氣排放物成分的測量，采用某重型柴油機，其供油系統(tǒng)為機械泵，進氣系統(tǒng)為增壓中冷型進氣方式，對柴油機從怠速到標定轉(zhuǎn)速下不同工況進行測量。

2 現(xiàn)場測試方法

在試驗前對DMS500 設(shè)備進行預(yù)熱，使其處于待測狀態(tài)，試驗時待柴油機工況穩(wěn)定后，進行尾氣顆粒物采集，每個工況下的尾氣采集時間均保持在60 s以上，獲得其CO、NOx、THC、碳煙以及顆粒物直徑和數(shù)量的測試數(shù)據(jù)，同時記錄測試數(shù)據(jù)對應(yīng)的發(fā)動機工況以及發(fā)動機的其他常規(guī)排放，便于分析對比。

DMS500 采樣管與試驗柴油機排煙管路垂直連接，以從此處取氣，經(jīng)過采樣管中的旋風(fēng)分離器分離之后，通過采樣管進入DMS500 中，DMS 通過以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸接口與電腦進行通訊。利用電腦的控制軟件進行分析；真空泵系統(tǒng)將進入到設(shè)備的顆粒物抽離設(shè)備，以使設(shè)備可以持續(xù)地進行工作。其設(shè)備連接形式如圖3 所示。

圖3 DMS500 測試布置圖

3 測試結(jié)果分析

圖4 為油耗與排氣溫度的變化曲線。圖5 為碳煙與CO 排放的變化。由圖可知，碳煙與CO 排放整體上呈現(xiàn)降低的趨勢，但是當轉(zhuǎn)速在1 000 r/min 與1 400 r/min 之間時，有一個先升高后降低的現(xiàn)象，這主要是因為發(fā)動機的供油系統(tǒng)為傳統(tǒng)的機械泵，機械泵的供油特性與轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系。轉(zhuǎn)速由800 r/min 升到1 000 r/min 時，其油耗增長得并不多，排氣溫度也基本不變。但是隨著轉(zhuǎn)速的升高，機械泵的供油特性變得更好，從而使得燃油的噴射、霧化及蒸發(fā)過程得到改善。因此碳煙排放降低，同時從CO排放的大幅降低也能說明缸內(nèi)燃燒狀況得到改善。當轉(zhuǎn)速從1 000 r/min 升高到1 300 r/min 時，從圖4中可以看到油耗與排氣溫度迅速增加，此時碳煙與CO 排放惡化，這主要是由于兩方面的原因造成的：一方面隨著轉(zhuǎn)速的升高，機械泵的供油特性得到改善，從而促進缸內(nèi)燃燒的改善；另一方面隨著噴油量的增多，缸內(nèi)濃區(qū)增大，混合氣不均勻程度增大導(dǎo)致燃燒惡化。在轉(zhuǎn)速不斷升高的過程中，以上兩方面原因?qū)τ谔紵熍欧诺挠绊懘讼碎L，從而導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 000 r/min 升高到1 300 r/min 時，碳煙與CO排放呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到額定轉(zhuǎn)速時，CO 排放量持續(xù)降低，而碳煙排放在2 200 r/min 時有一個小幅增長。

圖4 油耗與排溫變化圖

圖5 碳煙與CO 的變化圖

圖6 為NOx與THC 的排放量及變化趨勢，隨著轉(zhuǎn)速的升高NOx的排放量整體上呈現(xiàn)降低的趨勢，但是即使在排放水平最低的2 200 r/min，其排放濃度依然不低，接近1 000×10-6。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的升高，機械泵的噴霧特性得到改善，缸內(nèi)燃燒溫度下降，從而使得NOx排放量降低。

圖6 氮氧化物及THC 排放量變化圖

圖7 為顆粒物總數(shù)及顆粒物質(zhì)量隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢，由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的升高，顆粒物總數(shù)及顆粒物質(zhì)量的變化基本一致，均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

圖7 顆粒物總質(zhì)量及總數(shù)量變化圖

圖8 所示為顆粒物幾何平均直徑隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢，由圖可知顆粒物的幾何平均直徑在怠速工況出現(xiàn)最大值，從1 000 r/min 到1 400 r/min，隨著轉(zhuǎn)速的升高有一個小幅增長，然后持續(xù)降低，整體上也是呈現(xiàn)降低的趨勢。這主要是隨著轉(zhuǎn)速的升高，由于噴霧特性的改善，使得缸內(nèi)局部濃區(qū)減少，有助于抑制soot的生成，并使其對揮發(fā)性物質(zhì)的吸附能力降低，同時顆粒物的平均幾何直徑減小，以致其積聚態(tài)顆粒物生成減少。中低轉(zhuǎn)速下的小幅增長主要是由于在此轉(zhuǎn)速下機械泵的噴油壓力較低，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣形成條件惡化，燃燒變差，致使顆粒物排放小幅增長。

圖8 顆粒物幾何平均直徑變化圖

圖9 為顆粒物粒徑數(shù)量濃度分布，結(jié)合圖7 和圖8 分析可知，在總體上顆粒物粒徑數(shù)量濃度分布與顆粒物總數(shù)量、總質(zhì)量及顆粒物幾何平均直徑變化趨勢基本一致，對于1 000 nm 以下的顆粒物，其直徑主要分布在40～360 nm 之間，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高，顆粒物粒徑分布的重心往左移動，即朝粒徑減小的方向。這主要是由于噴油器與噴油量對缸內(nèi)燃燒的綜合影響所導(dǎo)致的，隨著轉(zhuǎn)速的升高，機械泵的噴油特性得到改善，有利于改善發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒過程，但是機械泵供油量的增加對于缸內(nèi)燃燒有一定影響，使得燃燒過程惡化，從而導(dǎo)致顆粒物排放數(shù)量及質(zhì)量增大。燃燒過程得到改善時，發(fā)動機的大直徑顆粒物排放會顯著降低，但是其小直徑顆粒物的總數(shù)卻不會過分增加，從而有助于改善發(fā)動機的顆粒物排放，這就導(dǎo)致圖7 中隨著轉(zhuǎn)速的升高，曲線往左下方移動。值得注意的是，在不同工況下測試發(fā)動機均未出現(xiàn)明顯的核模態(tài)顆粒物排放。

圖9 顆粒物粒徑數(shù)量濃度分布

4 結(jié)論

通過對柴油機尾氣排放物中CO、NOx、THC、碳煙以及顆粒物直徑和數(shù)量的測試數(shù)據(jù)進行分析比對，獲取柴油機尾氣排放物的成分組成、生成機理和變化規(guī)律。特別是對其生成物中顆粒物幾何直徑和數(shù)量濃度的分析，為科學(xué)制定柴油機尾氣排放物處理方案提供數(shù)據(jù)支撐。