發(fā)動(dòng)機(jī)超細(xì)顆粒排放特性及其在排氣稀釋過(guò)程中變化研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著我國(guó)城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的快速增長(zhǎng)，城市機(jī)動(dòng)車(chē)污染日趨嚴(yán)重。由于機(jī)動(dòng)車(chē)排放大量的超細(xì)顆粒物(粒徑DP＜100nm)，這些超細(xì)顆粒中含有大量的有機(jī)組分，且不同粒徑顆?？梢陨钊肴梭w呼吸系統(tǒng)的不同部位，大量攝入會(huì)引發(fā)呼吸系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)疾病，甚至引發(fā)癌癥。因此需要深入開(kāi)展機(jī)動(dòng)車(chē)排放超細(xì)顆粒污染方面的研究。 本文主要從稀釋通道內(nèi)排氣稀釋過(guò)程中超細(xì)顆粒形成和變化，發(fā)動(dòng)機(jī)超細(xì)顆粒的排放特性以及街道峽谷內(nèi)超細(xì)顆粒數(shù)濃度粒徑

2、分布垂直變化等方面著手，通過(guò)運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的兩級(jí)稀釋通道和SMPS顆粒粒徑分析儀(粒徑范圍10～487nm)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和街道峽谷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。進(jìn)一步基于氣溶膠動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行模擬計(jì)算，深入系統(tǒng)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)排放超細(xì)顆粒數(shù)濃度和粒徑分布特性。 本文搭建了適用于發(fā)動(dòng)機(jī)超細(xì)顆粒數(shù)濃度和粒徑分布排放測(cè)試的一套兩級(jí)稀釋通道。初級(jí)通道的稀釋比例、稀釋混合氣的停留時(shí)間和稀釋空氣的溫、濕度等參數(shù)可在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以較好的模擬稀釋參數(shù)變化對(duì)

3、超細(xì)顆粒數(shù)濃度和粒徑分布的影響，加裝二級(jí)通道，可滿足顆粒測(cè)試儀器的溫度和濃度量程。 通過(guò)調(diào)節(jié)初級(jí)通道內(nèi)混合氣溫度、濕度和稀釋比例以及混合氣在初級(jí)通道內(nèi)的停留時(shí)間等參數(shù)，研究排氣稀釋過(guò)程中超細(xì)顆粒形成和變化的影響因素，發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)變化顯著影響核模態(tài)粒子的數(shù)濃度和粒徑分布?；诔珊?、凝并、凝結(jié)和揮發(fā)以及沉降等氣溶膠動(dòng)力學(xué)原理，模擬計(jì)算了稀釋通道內(nèi)排氣稀釋過(guò)程中超細(xì)顆粒的形成和變化。得到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在稀釋冷卻過(guò)程中首先發(fā)生均相成核作用產(chǎn)

4、生1～2nm左右的臨界核液滴，臨界核液滴直徑和成核率與稀釋空氣的溫度和濕度有關(guān)；凝并作用使臨界核液滴數(shù)濃度降低，粒徑向大粒子方向發(fā)展，當(dāng)稀釋混合氣中含有積聚模態(tài)粒子時(shí)，核液滴更容易與積聚模態(tài)粒子發(fā)生凝并作用，從而抑制了核液滴自身的凝并增長(zhǎng)；揮發(fā)作用使顆粒粒徑減小，凝結(jié)作用使顆粒粒徑增大，當(dāng)稀釋混合氣中含有積聚模態(tài)粒子時(shí)，半揮發(fā)性組分容易在積聚模態(tài)粒子上凝結(jié)，從而抑制了核模態(tài)粒子的增長(zhǎng)。 以柴油為基準(zhǔn)燃料，選取了具有低硫、低芳烴特

5、性的GTL燃料和具有含氧特性的二甲醚燃料，比較了燃料物理化學(xué)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)超細(xì)顆粒排放特性的影響。發(fā)現(xiàn)測(cè)試工況下，柴油機(jī)和燃用二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)排放超細(xì)顆粒數(shù)濃度粒徑分布均呈包含核模態(tài)(峰值粒徑為10～30nm)和積聚模態(tài)(峰值粒徑為50～80nm)的雙峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布；燃用GTL發(fā)動(dòng)機(jī)排放超細(xì)顆粒亦呈包含核模態(tài)和積聚模態(tài)的雙峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布(除1400r/min轉(zhuǎn)速時(shí)某些工況下)。 與柴油機(jī)相比，相同工況下，燃用GTL發(fā)動(dòng)機(jī)排放總顆粒數(shù)濃

6、度顯著降低，燃用GTL發(fā)動(dòng)機(jī)排放總顆粒質(zhì)量有一定程度的下降；相同工況下，燃用二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)排放總顆粒數(shù)濃度與柴油機(jī)比較接近，燃用二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒質(zhì)量濃度與柴油機(jī)相比大幅度下降，下降90％左右。 相同工況下，燃用GTL發(fā)動(dòng)機(jī)排放積聚模態(tài)數(shù)濃度與柴油機(jī)比較接近，燃用GTL發(fā)動(dòng)機(jī)排放積聚模態(tài)的質(zhì)量濃度與柴油機(jī)相比有所下降，下降16～53％，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用GTL后積聚模態(tài)的降低與GTL中的芳香烴含量和硫含量均較低有關(guān)。與柴油機(jī)相比較，相同

7、工況下，燃用二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)排放積聚模態(tài)的數(shù)濃度和質(zhì)量濃度顯著降低，分別下降81～98％和77～99％，這是由于二甲醚燃料分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不含C－C鍵且含氧，抑制了碳煙(積聚模態(tài))的生成。 與柴油機(jī)相比，相同工況下，燃用GTL發(fā)動(dòng)機(jī)排放核模態(tài)數(shù)濃度顯著下降，下降84～96％，這與GTL燃料不含硫有關(guān)。相同工況下，燃用二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)排放核模態(tài)數(shù)濃度與柴油機(jī)比較接近，這是由于燃用二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)排放積聚模態(tài)粒子濃度很低，低濃度的積聚模態(tài)粒子促進(jìn)

8、了核模態(tài)粒子的形成，因此排氣稀釋過(guò)程產(chǎn)生了大量核模態(tài)粒子。 汽油機(jī)的超細(xì)顆粒排放特性試驗(yàn)研究表明，汽油機(jī)排放超細(xì)顆粒也包含核模態(tài)和積聚模態(tài)兩個(gè)模態(tài)。測(cè)試工況下，汽油機(jī)在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)顆粒數(shù)量和質(zhì)量排放明顯高于低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷閉環(huán)控制狀態(tài)下；汽油機(jī)的總顆粒、核模態(tài)和積聚模態(tài)的數(shù)量和質(zhì)量排放均遠(yuǎn)低于柴油機(jī)，這與汽油機(jī)采用的預(yù)混合燃燒方式有關(guān)。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試街道峽谷內(nèi)不同高度處超細(xì)顆粒數(shù)濃度和粒徑分布特性，并

9、同時(shí)測(cè)試了CO和PM2.5的濃度，發(fā)現(xiàn)不同高度處顆粒數(shù)濃度呈包含2-3個(gè)峰的對(duì)數(shù)正態(tài)分布特征，1.5m、8m和20m三個(gè)高度處，隨高度增加，顆粒粒徑分布發(fā)生顯著變化，核模態(tài)和愛(ài)根模態(tài)峰值顯著降低，愛(ài)根模態(tài)峰值粒徑向大粒子方向遷移，積聚模態(tài)的數(shù)濃度粒徑分布變化不顯著，38m和20m兩個(gè)高度處顆粒粒徑分布無(wú)顯著差異。街道峽谷內(nèi)超細(xì)顆粒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，且懸浮顆粒(如PM2.5)濃度較低時(shí)街道峽谷內(nèi)有較多的核模態(tài)粒子生成，無(wú)論風(fēng)速風(fēng)向如

10、何變化，總顆粒數(shù)濃度的衰減率總大于PM2.5和CO濃度的衰減率，超細(xì)顆粒粒徑變化特性以及濃度衰減表明其在傳輸擴(kuò)散過(guò)程中除受到環(huán)境空氣稀釋作用外，同時(shí)還受到氣溶膠動(dòng)力學(xué)作用的影響。 在街道峽谷試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步基于氣溶膠動(dòng)力學(xué)原理模擬了顆粒傳輸擴(kuò)散過(guò)程中數(shù)濃度粒徑分布的變化，結(jié)果表明，由于受稀釋、沉降和凝并作用核影響，隨高度增加，核模態(tài)和愛(ài)根數(shù)濃度有所下降，然而模擬結(jié)果仍高于實(shí)際測(cè)試結(jié)果，表明除稀釋、凝并和沉降作用外，半揮發(fā)