某型柴油机尾气排放生成物成分分析

张 俊 魏鹏程 张探军 陈 楠 黄 旭

（中国北方发动机研究所（天津）天津 300400）

引言

柴油机以其较高的热效率、良好的可靠性、动力性和经济性等，被军民各行业广泛使用[1]。随着其保有量的不断增长，柴油机尾气排放物污染的问题越来越突出，如何控制柴油机的尾气排放物已被各国列为法规来实施。科学有效地制定排放后处理措施，使得柴油机排放达到大气污染物排放标准，是各柴油机企业越来越重视的问题[2]。解决柴油机的排放污染物的问题，对其排放生成物的成分进行分析，将可高效、准确地满足大气污染物排放标准，实现精准处理[3]。本文通过对某型柴油机排放污染物测量结果的分析，摸清其排放生成物的成分组成，为科学有效地制定尾气净化方案提供数据支持。

1 测量原理

柴油机尾气排放生成物分析是利用微粒试验测量设备进行测量，该设备为DMS500 纳米微粒光谱测试仪，如图1 所示。DMS500 具备实时测量功能，可以完成排放物粒径分布、与重量法相关的质量以及与PMP 相关的数目测量。该设备采样点可以安装在排气门到部分流稀释（CVS）系统间的任何位置，满足发动机性能和后处理分析研究需要。为便于柴油机测试台架的使用，通过将柴油机瞬态排放研究和仪器测试经验以及最新颗粒测试技术的结合，解决了因实时压力变化而导致的算法修正引起的测量误差。DMS500一般在恒压下测量，在采样工作时，通过采用截流微孔垫片来防止颗粒的凝聚。从而保证设备粒径测量范围更宽，且设备响应时间更快，同时可以将由于采样压力波动对仪器测量结果的影响有效屏蔽。

图1 DMS500 工作原理示意图

DMS500 的工作原理为利用高压放电，保证每个粒子表面的带电量与其面积成正比，通过将带电粒子引导到一个径向强静电场分类器，利用静电场的作用力使粒子偏向静电探测器。依据电荷比和空气阻力的大小，在圆柱内壁的不同位置将颗粒探测到。利用10 Hz 采样频率对22 级静电检测计的输出信号进行实时处理，用于计算光谱数据和其它规格参数，如图2 所示。

图2 DMS500 对颗粒物分级示意图

DMS500 的采样过程主要包括以下几个步骤：从排烟管上的采样探头取出一定容量的废气，先经干燥空气的一级稀释，再利用离心分离器将直径大于1 000 nm 的微粒分离出来，而后再进行二次稀释通过旋转圆盘稀释器，最后进入主机。利用远程控制的真空泵实现主机中的分类器在一定真空度的环境下工作。主机中稀释的样气微粒被加上正电荷，微粒所带电荷的多少与其表面积成正比，其在电场中的运动偏移轨迹与带电量的多少和空气阻力相关。带电微粒与接地的电极环接触后，利用真空泵的作用随稀释空气通过过滤后排到大气中去。静电电流和充电模型被处理器检测到后，再判断出微粒粒径的大小。DMS500 的稀释分为两级，第一级稀释比为5∶1，第二级稀释比为100∶1，采样温度为353 K。对尾气排放物成分的测量，采用某重型柴油机，其供油系统为机械泵，进气系统为增压中冷型进气方式，对柴油机从怠速到标定转速下不同工况进行测量。

2 现场测试方法

在试验前对DMS500 设备进行预热，使其处于待测状态，试验时待柴油机工况稳定后，进行尾气颗粒物采集，每个工况下的尾气采集时间均保持在60 s以上，获得其CO、NOx、THC、碳烟以及颗粒物直径和数量的测试数据，同时记录测试数据对应的发动机工况以及发动机的其他常规排放，便于分析对比。

DMS500 采样管与试验柴油机排烟管路垂直连接，以从此处取气，经过采样管中的旋风分离器分离之后，通过采样管进入DMS500 中，DMS 通过以太网的数据传输接口与电脑进行通讯。利用电脑的控制软件进行分析；真空泵系统将进入到设备的颗粒物抽离设备，以使设备可以持续地进行工作。其设备连接形式如图3 所示。

图3 DMS500 测试布置图

3 测试结果分析

图4 为油耗与排气温度的变化曲线。图5 为碳烟与CO 排放的变化。由图可知，碳烟与CO 排放整体上呈现降低的趋势，但是当转速在1 000 r/min 与1 400 r/min 之间时，有一个先升高后降低的现象，这主要是因为发动机的供油系统为传统的机械泵，机械泵的供油特性与转速有着密切的关系。转速由800 r/min 升到1 000 r/min 时，其油耗增长得并不多，排气温度也基本不变。但是随着转速的升高，机械泵的供油特性变得更好，从而使得燃油的喷射、雾化及蒸发过程得到改善。因此碳烟排放降低，同时从CO排放的大幅降低也能说明缸内燃烧状况得到改善。当转速从1 000 r/min 升高到1 300 r/min 时，从图4中可以看到油耗与排气温度迅速增加，此时碳烟与CO 排放恶化，这主要是由于两方面的原因造成的：一方面随着转速的升高，机械泵的供油特性得到改善，从而促进缸内燃烧的改善；另一方面随着喷油量的增多，缸内浓区增大，混合气不均匀程度增大导致燃烧恶化。在转速不断升高的过程中，以上两方面原因对于碳烟排放的影响此消彼长，从而导致发动机转速从1 000 r/min 升高到1 300 r/min 时，碳烟与CO排放呈现先升高后降低的趋势。当发动机的转速继续升高到额定转速时，CO 排放量持续降低，而碳烟排放在2 200 r/min 时有一个小幅增长。

图4 油耗与排温变化图

图5 碳烟与CO 的变化图

图6 为NOx与THC 的排放量及变化趋势，随着转速的升高NOx的排放量整体上呈现降低的趋势，但是即使在排放水平最低的2 200 r/min，其排放浓度依然不低，接近1 000×10-6。这是因为随着转速的升高，机械泵的喷雾特性得到改善，缸内燃烧温度下降，从而使得NOx排放量降低。

图6 氮氧化物及THC 排放量变化图

图7 为颗粒物总数及颗粒物质量随转速的变化趋势，由图可知，随着转速的升高，颗粒物总数及颗粒物质量的变化基本一致，均呈现先升高后降低的趋势。

图7 颗粒物总质量及总数量变化图

图8 所示为颗粒物几何平均直径随转速的变化趋势，由图可知颗粒物的几何平均直径在怠速工况出现最大值，从1 000 r/min 到1 400 r/min，随着转速的升高有一个小幅增长，然后持续降低，整体上也是呈现降低的趋势。这主要是随着转速的升高，由于喷雾特性的改善，使得缸内局部浓区减少，有助于抑制soot的生成，并使其对挥发性物质的吸附能力降低，同时颗粒物的平均几何直径减小，以致其积聚态颗粒物生成减少。中低转速下的小幅增长主要是由于在此转速下机械泵的喷油压力较低，导致缸内混合气形成条件恶化，燃烧变差，致使颗粒物排放小幅增长。

图8 颗粒物几何平均直径变化图

图9 为颗粒物粒径数量浓度分布，结合图7 和图8 分析可知，在总体上颗粒物粒径数量浓度分布与颗粒物总数量、总质量及颗粒物几何平均直径变化趋势基本一致，对于1 000 nm 以下的颗粒物，其直径主要分布在40～360 nm 之间，并且随着转速的升高，颗粒物粒径分布的重心往左移动，即朝粒径减小的方向。这主要是由于喷油器与喷油量对缸内燃烧的综合影响所导致的，随着转速的升高，机械泵的喷油特性得到改善，有利于改善发动机的缸内燃烧过程，但是机械泵供油量的增加对于缸内燃烧有一定影响，使得燃烧过程恶化，从而导致颗粒物排放数量及质量增大。燃烧过程得到改善时，发动机的大直径颗粒物排放会显著降低，但是其小直径颗粒物的总数却不会过分增加，从而有助于改善发动机的颗粒物排放，这就导致图7 中随着转速的升高，曲线往左下方移动。值得注意的是，在不同工况下测试发动机均未出现明显的核模态颗粒物排放。

图9 颗粒物粒径数量浓度分布

4 结论

通过对柴油机尾气排放物中CO、NOx、THC、碳烟以及颗粒物直径和数量的测试数据进行分析比对，获取柴油机尾气排放物的成分组成、生成机理和变化规律。特别是对其生成物中颗粒物几何直径和数量浓度的分析，为科学制定柴油机尾气排放物处理方案提供数据支撑。