康明斯动力设备（深圳）有限公司

摘要：颗粒物(PM)是柴油发电机废气中一种有害的物质。根据美国EPA的定义柴油发电机的排气颗粒物是指稀释到51.7℃以下的柴油发电机排气流过带聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质。柴油发电机排气颗粒物分析是研究柴油发电机燃烧过程的一个重要手段，也是研究和防治发动机废气造成的环境污染所必不可少的重要内容。针对柴油发电机颗粒物的排放，世界各国各地区制定了相应的排放控制法规。了解柴油发电机颗粒物的产生机理，熟悉颗粒物的测试原理及注意事项，如何依照法规完成对柴油发电机颗粒物排放的测试，并对柴油发电机颗粒物排放水平作出合理的评价是该实验的主要目的。

一、柴油机颗粒物控制技术

1、燃烧前控制技术

      燃烧前控制技术主要是通过改善燃油品质，如使用含氧燃料和其他改性燃料实现对颗粒物排放的控制。提高柴油质量、改善燃油品质可直接降低柴油机颗粒物的排放，同时为后处理装置做准备。

（1）生物柴油

      生物柴油是从植物油和动物脂肪中提取的脂肪酸甲酯或乙酯。它是一种可再生、可生物降解的含氧燃料，由长链饱和脂肪酸甘油酯（即甘油三酯）和不饱和脂肪酸甘油酯组成。它可以通过酯交换反应过程转化为甘油单酯。燃料中硫和芳烃含量较低，并含有近10%的氧，有助于燃料的完全燃烧。

      生物柴油作为替代燃料，能够有效降低颗粒物排放。大量研究表明，随着生物柴油掺混比例的增加，各粒径范围的排气颗粒物质量浓度均下降，颗粒物中碳烟和无机盐的质量分数减小，可溶性有机组分中酯类和酸类物质质量分数增加，烷烃类、芳香烃及酚类物质质量分数减少。采用单缸小型柴油机研究了满负荷工况时燃用纯柴油和B10调合生物柴油对柴油机燃烧和排放性能的影响，结果表明：满负荷工况下，燃用调合生物柴油和纯柴油时发动机动力性基本一致。与纯柴油相比，燃用调合生物柴油的排放性能得到有效改善，CO、碳氢化合物（HC）和颗粒物的最大降幅分别为₂9.09%、30.43%和35.79%。

（2）含氧燃料添加剂

      含氧燃料通过改进柴油燃料的十六烷值提高燃烧质量和点火质量，从而降低颗粒着火温度，各种含氧燃料添加剂往往会改变柴油机颗粒物的物理化学特性，高氧含量的燃料可以大大降低颗粒物排放。

      研究了含有二甘醇二甲醚、棕榈油甲酯、碳酸二甲酯、己二酸二乙酯和丁醇等五种不同含氧燃料添加剂的混合液对柴油机颗粒物组成及其毒性的影响，含氧燃料混合物能有效促进所有尺寸范围内的碳烟氧化和降低柴油机颗粒物浓度，但会伴随有机碳含量的显著增加。将聚甲氧基二甲醚（PODE）（体积分数10%）掺混于柴油中制备柴油混合燃料，研究了混合燃料对柴油机排气烟度的影响，在额定工况下，混合燃料排放的颗粒物在各粒径下的质量浓度均有不同程度的降低，颗粒物粒径总体向小粒径方向偏移，颗粒物中的可溶性有机组分所占比重增加，其中各类烷烃和多环芳香烃质量分数减小，有机酸酯的质量分数增大。通过添加10%乙缩醛研究了含氧柴油对柴油机排放及颗粒物碳质组分的影响，与普通柴油排放相比，含氧柴油排放颗粒中PM2.5的排放速率最大降幅达29%，其中总碳的排放速率最大降幅为24%。以乙醇为添加剂，研究了含氧燃料对柴油机燃烧和排放性能的影响，含氧燃料能够降低颗粒数量和质量排放，尤其是抑制了大尺寸颗粒，使得颗粒粒径分布曲线向小粒径方向偏移，颗粒平均几何尺寸降低。

（3）乳化燃料

      乳化燃料是由燃油和水组成的乳化液，乳化燃料排放减少的主要原因是在快速蒸发过程中，沸点比周围燃料低的水滴会迅速爆炸，这最终增加了预混燃烧期和点火延迟期，为燃油-空气混合创造了更多的时间，从而减少了颗粒物的形成。在相同情况下，水滴蒸发降低了热循环的峰值温度，这也导致了氮氧化物排放量的减少。利用非离子表面活性剂复配对热解生物油/柴油混合液进行乳化，得出生物油/柴油乳化燃料和纯柴油的负荷特性和排放特性曲线，并对乳化燃料和纯柴油的排放特性进行了对比，结果表明：生物油体积分数为20%的乳化燃料当量油耗率最低，乳化燃料的NOₓ及碳烟的排放则优于纯柴油的排放。研究了F-T柴油/甲醇微乳化燃料的燃烧排放特性，与普通柴油相比，乳化燃料CO、NOₓ和碳烟的排放均有下降，降幅范围分别为20%～40%、25%～27%和65%～97%。对柴油含水乙醇乳化燃料的理化和燃烧特性进行了研究，随着含水乙醇含量的增加，含氧量升高，十六烷值和低热值降低，燃烧火焰自发光亮度逐渐降低，表征碳烟生成量逐渐减少。

      乳化燃料可同时降低柴油机颗粒物和NOₓ的排放，但由于其对表面活性剂的高度依赖性，使得它在成本上不占优势，限制了自身的商业化。首次在常规柴油机中引入无表面活性剂的水-油乳化燃料，柴油和水被存储在不同的位置，在进入发动机之前，通过一个由高剪切混合器和超声波混合器组合而成的混合系统产生定量转移和瞬间乳化，得到乳化燃料。测试结果表明：与普通柴油相比，无表面活性剂的乳化燃料制动热效率提高了3.59%，油耗降低3.89%，废气中氮氧化物和颗粒物的含量分别降低了31.66%和16.33%。

2、燃烧中控制技术

      燃烧中控制技术主要是通过改进燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控喷油技术等方式实现对颗粒物排放的控制机内净化技术，其中电控喷油技术是近年来的研究重点，主要是通过对喷油正时、喷油压力和喷油方式等喷油参数的调整降低颗粒物和氮氧化物等污染物的排放。

（1）喷油正时

      喷油正时对柴油机排放性能有着显著影响研究表明：推迟喷油正时会使CO和总烃的排放量增加，但由于气缸容积膨胀和传热，曲轴转角间隔增大，NOₓ排放量显著减少。早期颗粒物中的可溶性有机组分含量相对较低，高温和局部贫氧导致碳烟排放量较大，随着曲轴转角间距的增加，烟度排放迅速下降，对喷油正时不敏感。

      当增大喷油提前角时，颗粒物排放会降低，这与点火延迟性能有关。这种情况的原因是，增大喷油提前角会导致预混燃烧持续时间的增加，从而增强燃料与空气的混合均匀性，降低颗粒物排放。但是由于增大喷油提前角会使点火延迟的增加，从而增大NOₓ排放。当喷油正时延迟，颗粒物排放增加，NOₓ排放减少。这种情况的发生是因为延迟喷射导致点火延迟减少和预混燃烧持续时间降低，从而增加燃料消耗、HC烟雾和颗粒物。

（2）喷油压力

      另一种用于降低颗粒物的机内净化技术是改变喷油压力。喷油压力增大时，会形成雾化，喷油压力越高，燃料液滴雾化越均匀，液滴尺寸越小，从而使燃料燃烧越完全，颗粒物大大减少。此外，喷雾贯穿距离随喷油压力的增加而增大，从而使空气得到合理利用，提高燃油空气混合速度。研究发现：在所有负荷条件下，燃料喷射压力的增加都会导致NOₓ排放量的增加和颗粒物的减少，同时，生物柴油对低负荷状态下颗粒物的排放影响更大，对中高负荷的影响较小。

      喷嘴孔径也对颗粒物的排放起到重要影响。减小喷嘴孔径可加速碳粒燃烧扩展过程，提高碳粒燃烧速率，进而降低柴油机碳烟和CO的排放。

（3）多次喷射

      多次喷射技术在控制燃烧放热速率方面比单次喷射具有更大的灵活性，合理的参数选取可使颗粒物、氮氧化物排放和平均有效压力之间获得良好的折衷，能够同时减少氮氧化物和颗粒物的排放。多次喷射技术可以实现共轨直喷（CRDI），通过使用能够精确控制喷油压力和喷油正时的电控电磁阀，进而实现对喷油正时和喷油量的精确控制。多次喷射技术包含三种喷射方式，预喷射、主喷射和后喷射。在预喷射过程中喷入一定量的燃料，提高主喷射之前的温度，降低点火延迟，从而降低主喷射过程中预混燃烧的燃料燃烧率，最终通过降低峰值压力来减少爆震。

      研究了多次喷射对重型柴油机性能和排放的影响，预喷射可以在小负荷时改善柴油机的NOₓ、CO和比油耗，但在大负荷时没有明显的影响，多次喷射可以促进油气混合，提高碳烟的氧化速度，从而降低柴油机的颗粒物排放。由于预喷射过程中的产物具有较高的温度和较低的氧含量，会导致大部分时间内颗粒物排放量的增加。

3、燃烧后控制技术

      燃烧后控制技术主要是通过使用附加装置或设备对燃烧产物进行过滤和催化处理的机外净化技术。柴油机颗粒物排放控制的物理过滤技术始于₂0世纪80年代，可用于柴油颗粒捕集的过滤介质种类繁多，如金属丝网、陶瓷纤维、多孔陶瓷载体等。目前应用最广泛的是柴油颗粒过滤器（DPF），也被称为柴油颗粒捕集器，其核心部件是由堇青石或碳化硅制成的蜂窝陶瓷载体。当气体通过多孔壁时，这些蜂窝状的过滤体将颗粒物捕获。这类过滤器通常被称为陶瓷壁流过滤器。壁流式蜂窝陶瓷有类似普通蜂窝陶瓷的平行孔道，但不同的是相邻的蜂窝孔道两端交替堵孔，柴油机尾气进入上游端开口的过滤器孔道后，由于孔道的末端被堵住，迫使气体流经多孔的薄壁进入相邻的孔道，相邻孔道在下游端打开，过滤后的气体从下游端出口排入大气中。过滤器壁被设计成适合的孔隙度，使得尾气能顺利流通，减小系统的压力降，而其中的碳烟颗粒被过滤下来，沉积在孔壁上。壁流式蜂窝陶瓷单位体积的过滤面积较大，过滤效率较高，通常可达98％以上。

      颗粒物在过滤器中的过滤和收集相对较容易，最困难和最具挑战性的工作是清除过滤器中收集的碳烟颗粒。过滤器在被碳烟颗粒堵塞前需要进行再生处理，以使过滤器恢复到原来的清洁状态。在再生过程中，过滤器中收集的碳烟颗粒氧化成二氧化碳，同时还要保证陶瓷过滤基体在再生过程中产生的高温下不会熔化或开裂。根据再生方法的不同，柴油颗粒过滤器的再生技术可分为主动再生和被动再生两大类。

      主动再生指的是利用外加能源来提高过滤器内的温度，使积存在过滤体内的颗粒升温、自燃，以减少过滤体内的颗粒。主动再生的实现方式主要有燃烧器再生、电加热再生、微波加热再生和红外加热再生等。燃烧器再生通过在过滤器前端放置一个燃烧器，使柴油颗粒过滤器再生。在这个系统可以在所有发动机转速和负荷工况下进行再生，再生效率通常在90%以上。当碳烟沉积在过滤器上，由一个压差传感器监测过滤器的背压值。随着过滤器中的碳烟颗粒的不断积聚，当背压值上升到一定程度时，由该传感器向ECU发送信号。ECU给DPF上游的燃料燃烧器发出信号，喷入柴油和二次空气，燃烧后引燃颗粒，碳烟开始氧化。随着燃烧的开始，温度的升高会加速碳烟的燃烧，从而导致温度的不可控升高和过虑基体的熔化。

      为了控制再生过程中的温度，燃烧器可以在再生循环过程中中途关闭，确保将滤床温度梯度和峰值温度控制在一个临界水平以下，以防止过滤器的开裂和熔化。电加热再生在原理上与燃烧器再生系统类似，不同之处是电加热再生系统采用电阻加热代替了复杂的燃烧器和电控系统。电加热系统的再生效率可达87%以上，电力由同步交流发电机提供，电加热系统需要解决运行过程中耗电量高的问题，一般柴油机的DPF再生系统大概需要3 kW的加热器。此外，电加热系统容易由于加热的不均匀性造成过滤体再生的不均匀，造成过滤体的局部过热而损坏。微波加热再生是利用微波独有的选择加热和体积加热特性在过滤体内部形成空间分布的热源，对沉积在过滤体上的碳颗粒进行原位加热着火燃烧，具有较高的CO₂选择性和碳烟燃烧效率。

二、颗粒物常见检测方法

      柴油机废气污染对人类健康造成重大影响，颗粒物是废气污染的主要组成部分之一。它们小到足以被吸入肺部，甚至渗透进血液循环系统，引发诸如心血管疾病、癌症、哮喘等健康问题。因此，对背景空气中的颗粒物进行实时、准确、可靠的检测和分析至关重要。本文将介绍几种常见的颗粒物检测方法。

1、 激光散射粒度仪法

      激光散射粒度仪是通过散射光谱分析颗粒物的形态、大小、浓度及分布情况。该仪器原理借助激光束辐射到颗粒物，吸收部分能量，并向所有方向发射散射光，再利用散射光强、角度分布、时间分布等指标对样品进行分析。应用颗粒物质量和散射强度之间的某种关系进行计算，可以得到颗粒物的质量浓度及大小分布。激光散射粒度仪具备检测快速、准确度高及范围广等特点，而且还能自动测试，无需人工干预和特殊处理，因此在颗粒物检测方面应用广泛。

2、移动式烟气颗粒物质量测定仪法

      移动式烟气颗粒物质量测定仪是专门适用于检测柴油发电机烟气、工业废气和工地扬尘等环境的颗粒物检测仪器。其主要原理是利用滤纸、毛细管等材料对颗粒物进行过滤和捕集，再利用重量法检测质量浓度。通过化学计量式计算颗粒物的质量浓度和总质量，从而得出其浓度值。移动式烟气颗粒物质量测定仪准确度高，灵敏度好，适用于在场地实时检测环境中的颗粒物污染问题，但由于其不能确定每个颗粒物的粒径分布及运动状态等特征，对于复杂环境，其判定方法的准确性可能会受到一定影响。

3、扫描电子显微镜法

      扫描电子显微镜可以对高分辨率图像进行拍摄，图像中的各种微观组织与零件都可以通过电子束照射而清晰可见。通过该仪器可以直接观察到颗粒物的外观形态、粒径大小、表面微观结构和内部形态，可用于分析颗粒物形态结构、内部成分、材料组分及其物理化学性质等。但是，该检测方法一般需要显微镜技术人员进行操作，需要经过特殊的实验室条件，且仪器造价昂贵，一般用于科学研究领域等实验室环境下的颗粒物检测。

      综上所述，不同的颗粒物检测方法各有优缺点，应根据不同的场合和要求选择合适的方法进行检测。人们对空气质量的关注度越来越高，对于颗粒物的检测工作，未来的研究还需要不断提高检测仪器的准确度、稳定性和适用范围，并探索更加智能化和便携化的颗粒物检测仪器。

三、颗粒物控制措施后实验

1、实验要求

      柴油发电机颗粒过滤器如图1所示，根据GB17691－2001《压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》和ISO8178规范要求完成柴油发电机颗粒物排放的测试。本实验通过测量柴油发电机颗粒物排放和有关性能参数，使用户了解柴油发电机颗粒物的产生机理及颗粒物测试原理和测试系统。要求测试人员完成柴油发电机台架的实验测试并提交记录报告和计算分析结果。

2、实验所用设备与仪器

      如图2所示，实验包括柴油发电机、测功器及其控制装置、油耗测量仪、EEPS3090颗粒物分析仪、空压机、储气瓶、干燥器、微量天平、转速传感器、空气流量计和各温度压力传感器。

3、实验步骤

（1）提前一天预热微量天平，实验前至少一小时将每对滤纸置入规定温度和湿度的称重室中进行稳定；

（2） AVL-SPC472颗粒物分析仪至少预热1小时，并完成流量计的标定和漏泄检查；

（3）确定柴油发电机排气管上颗粒物取样点位置并安装采样管；