（动力机械及工程专业论文）机动车颗粒物排放测试与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 大气中的颗粒物一部分来自于机动车的排放( 主要是柴油车辆) ，这个比 例越来越大。目前对于柴油车( 特别是重型柴油车) 颗粒物的测试通常只能基 于发动机台架来测试其排放，而在实际运行中的排放究竟是多少，目前仍然是 一个技术难题。美国环保局计划于2 0 0 7 年实施重型车车载排放测试法，对重型 柴油车在实际行驶过程中的排放进行测量和评估，实现更有效的控制。这种方 法在气态污染物的测量上技术已经成熟，但在颗粒物测试方面还处于几种不同 的技术之间进行研究评估，这些工作需要对机动车排放颗粒物的瞬态变化规律 开展深入研究，本论文在这个方面作了一些重点研究。 本研究建立了以颗粒物捕集分析仪( e l p i ) 为主体的机动车尾气颗粒物测 试系统，实现了对不同技术车辆在道路行驶、实验室底盘测功机试验以及在发 动机台架等条件下测量颗粒物排放特性的试验，研究了满足国2 、国3 、排放标 准以及加装有尾气后处理装置的不同技术重型柴油车辆在不同工况下颗粒物数 目浓度和质量浓度在粒径上分布的规律。同时，本研究也对汽油机的颗粒物排 放特性在试验室进行了探索性研究，分析了催化器前、中、后的颗粒物排放情 况。 本研究获得以下结果： ( 1 ) 道路试验过程中，直径小于0 3 v m 的颗粒物数目浓度占全部的9 9 以上； 直径大于0 3 帅颗粒物质量浓度占全部的8 0 t ( 2 ) 在某城市综合工况测试下，在刚质量浓度上，国车比国i i 车降低了 3 8 4 ，但是在数目浓度上却增加了1 6 5 ； ( 3 ) 同型号的国i 发动机某城市综合工况道路试验与台架e t c 试验相比较， 在数目浓度上，直径小于0 0 5 v t m 的细颗粒道路试验比台架高出约两倍； ( 4 ) 加装d p f 后处理的车辆p m 排放在数目和质量上都比同类车辆要低；d p f 对 于颗粒物的数目浓度降低可以达到9 9 6 ，质量浓度的降低可以达到9 8 ： 同时，加装d p f 前，刚排放随速度和加速度的变化比较明显，加装后处理 之后，颗粒物排放随速度和加速的变化不在明显，在工况变化时仅仅有 短时间的突变； ( 5 ) 国汽油机比国柴油机在颗粒物数目浓度上低l 至l j 2 个数量级，三元催 化器对数目的降低可以达到8 0 ； 关键词：柴油车，车载，测试，颗粒物排放，质量浓度，数目浓度，粒径分布 m 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v e h i c l ee m i s s i o n - - - - - e s p e c i a l l yt h ed i e s e lv e h i c l e ，i t st h ep m p o l l u t i o nm a d e u pf o rt h em o s tc o m p o n e n ti nt h ea i r t h i sp r o p o r t i o nb e c o m e sb i g g e ra n db i g g e r a t p r e s e n t t h ed i e s e le n g i n ee m i s s i o nt e s tc a no n l yb u t u s et h ec h a s s i sd y n a m o m e t e r a n de n g i n et e s td a i s ，s ow ed o n tk n o wt h ev e h i c l ea c t u a l l ye m i s s i o ni nt h er e a lr o a d ， a n dh o wt ot e s tt h ea c t u a le m i s s i o ni st h et e c h n o l o g yp u z z l ea l lt h es a m e t h eu s a p l a n st ou s e “o n - b o a r dt e s tm e t h o d o n t h eh e a v yd i e s e lv e h i c l ei n2 0 0 7 ，m e a s u r e a n de v a l u a t et h eh d vp me m i s s i o ni nt h er e a lw o r l d ，c a r r yo u tm o r ee f f e c t i v e c o n t r o lo ft h ee m i s s i o n t h i sm e t h o dh a sm a t u r a t e di nt h eg a s e o u st e s t ，b u ti th a s s o m ed i f f i c u l t n e s si nt h ep mt e s t t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e st e c h n o l o g i e sn e e dt o b ee v a l u a t e d 1 1 l i sp a p e rw i l lg i v ead e e ps t u d yo nt h i sp o i n t t b i ss t u d yb a s eo nt h eo n - b o a r dp a r t i c l em a t t e rt e s ts y s t e mw h i c hm a d eu po f f p mc o l l e c ta n a l v z e r _ 一e l p i ，a n ds t u d yo nt h ev e h i c l e st h a ti nt h er e a lw o r l d e m i s s i o n s ，a l s ot e s ti nt h el a b o r a t o r ya n dc h a s s i sd y n a m o m e t e r h a v es t u d i e dt h ep m n u m b e rc o n s i s t e n c ea n dm a s sc o n s i s t e n c ed i s t r i b u t i o ni nt h ed i a m e t e r so fd i f f e r e n t v e h i c l e so nd i f f e r e n tt e s tm e t h o d ，a l s oc o n t a i nt h ev e h i c l e st h a th a v ea f t e r t r e a t m e n t a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rh a sg i v e ns o m eg a s o l i n ee n g i n ev e h i c l e sp me m i s s i o n s t u d y , a n a l y s et h ee m i s s i o nt h a tt h ed i f f e r e n tp l a c e so nt h ec a t a l y s t t l l i ss t u d yh a so b t a i n e ds o m ec o n c l u s i o n si nt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ep mn u m b e rc o n s i s t e n c ew h i c hd i a m e t e rs m a l l e rt h a n0 3 p mt h a ta c c o u n tf o r 9 9 o ft h ea 1 1 b u tt h ep mm a s sc o n s i s t e n c ew h i c hd i a m e t e rb i g g e rt h a n0 3 p r o a c e u n tf o r8 0 o ft h ea u ： ( 2 ) i nt h ec i t yc y c l e ，t h em a s se m i s s i o nf r o mt h es t a g e v e h i c l e 3 8 4 l o w e r t h a nt h a tf r o ms t a g ei i b u ti n c r e a s e d1 6 5 i nt h en u m b e rc o n s i s t e n c e ； 3 ) 皿es a m et y p ee n g i n e ，i nt h ed i f f e r e n t t e s tw a yh a sd i f f e r e n tr e s u l l ：w h e ni nt h e c i c t yc y c l et e s t t h ee x t r a l p mc o n s i s t e n c et h a td i a m e t e rs m a l l e rt h a no 0 5 胁j s t w i c eb i g g e rt h a nt h et e s to nt h ed a i s ； ( 4 ) n ev e h i c l e sw h i c hh a v ea f t e r t r e a t m e n tt h a tt h ee m i s s i o ni sm u c hl o w e rt h a t w h e nt h a ti s n th a v e ：w h e nb ei n s t a l l e dt h ea f t e r t r e a t m e n t ，t h en u m b e r c o n s i s i t e n c er e d u c e db y9 9 6 ，a n dt h em a s sc o n s i s t e n c er e d u c o db y9 8 ；a tt h e s a m et i m e ，w h e nw i t h o u ta f t e r t r e a t m e n t , t h ep me m i s s i o nv a r i e df o l l o wt h e i v 茎堡堡三查兰堡主堂篁丝苎 s p e e d a n da c c e l e r a t i o nd i s t i c t n e s s ；w h e nw i t ht h ea f t e r t r e a t m e n t ，t h i sv a r i e t y b e c o m e sn o td i s t i n c t n e s s ； ( 5 ) t h ep mn u m b e re m i s s i o no fs t a g eh ig a s o l i n ee n g i n ea l m o s tt w o s c a l a r sl o w e r t h a nt h a to fd i e s e le n g i n e s ；c a t a l y s to fg a s o l i n ec a nr e d u c et h en u m b e re m i 鹞i o n b y 8 0 ： k e yw o r d s ：d i e s e l ；o n - b o a r d ；t e s t ：p me m i s s i o n ；m a s sc o n s i s t e n c e ；n u m b e r c o n s i s t e n c e ；d i a m e t e rd i s t r i b u t i o n ； v 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 i 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名： 导师签名：丝 l 武汉理工大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 1 1 1 机动车颗粒物排放的影响 随着城市化的快速推进和人民生活水平的不断提高，中国城市的机动车保 有量出现了迅速的增长。近2 0 年来中国机动车保有量平均年增长率为8 7 ，汽 车保有量从1 9 8 5 年的3 2 1 万辆增长到2 0 0 3 年的2 3 8 3 万辆。而典型城市的机 动车保有量增长更为迅速，以北京市为例，1 9 9 0 年以来的机动车保有量平均 年增长率达到1 4 4 嘲，2 0 0 3 年1 0 月机动车保有量突破了历史性的2 0 0 万辆， 2 0 0 4 年底达至1 j 2 3 0 万辆。而且，这个保有量快速增长的趋势还将维持一段时期。 据预测，2 0 l o 年前后将是中国机动车保有量增长最快的时期o “，而典型城市 的快速增长期要早于这个时间，仍以北京市为例，2 0 0 5 年前后是北京市机动车 保有量增长最快的时期0 1 。城市机动车的快速发展，在推动经济增长和改善人 民生活的同时，也带来了交通、能源及环境等方面的诸多问题。在中国的很多 大城市，机动车污染正成为影响空气质量的主要原因之一。研究表明，9 9 9 年 机动车排放对北京市城区大气污染的贡献率为：尾气排放和交通扬尘分别贡献 了大气p m l o 浓度的7 1 4 和3 3 ，且尾气排放的p m l 0 中5 0 以上来自于重型柴油 车，尾气排放对n o x 浓度和c 0 浓度的贡献率分别为7 3 和7 7 嘲。机动车排放对 危害更大的细微颗粒物贡献更大，并可能引起光化学污染”一。根据实验研究 的结果表明，北京市机动车尾气颗粒物排放中约8 0 是细微粒，而大气中细微 粒对全部颗粒物浓度的平均贡献率是5 5 ”，假定所有颗粒物的扩散规律一 致，则机动车尾气排放对北京市城区大气颗粒物浓度的贡献率是1 0 2 0 。颗 粒物源解析研究的结果则显示机动车尾气排放是北京市大气颗粒物中元素碳 ( e c ) 组分的主要来源“。机动车排放的细微颗粒物和其它污染物不仅造成城 市局地的环境问题，还可能通过远距离传输和生成二次颗粒物，影响到其它地 区。在中国南方的珠江三角洲城市群地区开展的研究表明，当局地污染排放很 少的新垦处于下风向时，来自香港和深圳的污染会给其带来相当的污染负荷， 大气中有机碳( o c ) 和元素碳( e c ) 的浓度可与国外城市地区相比“”。这说明， 我国城市地区的大气污染正由煤烟型污染向煤烟和机动车尾气复合型污染转 化。 武汉理工大学硕士学位论文 颗粒物对人体健康和大气能见度等都有着重要的影响，并且影响的大小同 颗粒物的粒径分布和化学成分有着密切的关系。 ( 1 ) 颗粒物对人体健康的影响 颗粒物的表面能吸附空气中的其它污染物并带进人体的呼吸道，如s 0 2 、 硫酸雾、多环芳烃( p a l - i ) 及致病微生物等都可附着在颗粒物上面，造成各种 危害。粒径越小的颗粒物，其表面积越大，在相同质量下，细微颗粒物所吸附 的有害物质要远远多于粗颗粒物。细颗粒由于粒径小，能沉积在呼吸道深部肺 泡内，存留时间达到数周至数年，比进入下呼吸道的粒径较大的颗粒物危害更 大1 1 3 l 。甚至有研究表明，亚微米的颗粒物可以进入细胞间质和血液系统【1 4 1 。 细微颗粒物本身的化学成分也非常复杂，主要由s 0 4 2 。、n 0 3 、n h 4 + 、e c 、重 金属、有机物及微生物等组成，其中有机物包括正构烷烃、多环芳烃、杂环化 合物等上百种化合物，且多种物质为致癌、致畸、致突变化合物；重金属元素 则包括c r 、c u 、n i 、p b 、z n 、m n 等几十种之多【”7 1 。 几乎所有的研究结果均显示颗粒物吸入会导致肺炎、气喘、肺功能下降等 呼吸系统疾病。生活在大气颗粒物浓度较高地区的人群，死亡率明显增加 p 6 a s - 2 0 l 。欧美国家进行的流行病学研究表明，哮喘发病率、医院就诊人数以及 死亡人数都会随细颗粒浓度的增加而增加。统计数据显示，当细颗粒日均浓度 增加1 0 , u g m 3 时，死亡率增加1 5 左右。近年来，中国城市肺癌发病率明显增 高，据认为可能与长期持续的较高细微颗粒物污染有关1 2 1 - 2 2 1 。 ( 2 ) 颗粒物对环境的影响 细颗粒物除了对人体健康有严重危害外，也是导致大气能见度降低和全球 气候变化等环境问题的重要因素。尽管颗粒物只占大气中很少的一部分，但在 城市中，颗粒物对大气光学性质的影响甚至可达到9 9 i 咎2 4 l 。大气中颗粒物， 尤其是较高浓度的细微颗粒物会显著地降低能见度，并使大气呈现为多云、多 雾和浑浊的状况。研究表明，大气能见度主要是由颗粒物对光的散射和吸收决 定的，因此，p m 2 5 的浓度和性质与能见度密切相关”。 大气中颗粒物通过对光的散射而降低物体与背景之间的对比度，导致能见 度下降。在极清洁的大气中，能见度可达3 0 k m 以上；在城市污染大气中能见 度一般为5k m 左右或更低。在大气颗粒物中，亚微米和微米级的粒子对光的 散射作用最显著，是导致能见度下降的重要因素。细微颗粒物对光的吸收效应 2 武汉理工大学硕士学位论文 是使大气能见度下降的另一重要因素，而细颗粒对光的吸收几乎全部是由粒子 中的元素碳( e c ) 或性质类似于e c 的物质引起的。虽然e c 在颗粒物中的含 量比较低，但由于其很强的吸收效应，因此，即使大气中存在少量的e c ，也 将导致光强降低很多。 颗粒物中碳黑组分对光的强吸收效应，也使其在温室效应中的贡献显著。 j a c o b s o n 的研究认为，气溶胶的存在改变了大气的辐射性质，其中碳黑组分有 着比已知情况更高的温室效应，其影响可能平衡了其它人为源气溶胶组分对温 室效应的负作用。就碳黑组分的自身效应而言，它已经超过了甲烷，可能是在 c 0 2 之后引起全球变暖的第2 大污染物【2 9 l 。近年来中国对燃烧源颗粒物排放的 控制，降低了碳黑排放的温室效应l 卿。 1 1 2 法规对机动车颗粒物排放控制的发展 前面提到机动车污染，特别是尾气颗粒物排放对人体健康和大气环境造成 的各种危害，世界各国都在采取相应措施来加严机动车污染控制。从可持续发 展的交通体系的角度来看，可以采取的措施有很多种。首先是控制交通需求， 在城市规划时合理进行各功能区的布局，减少因为出勤、购物等日常活动带来 的出行量；其次是大力发展公共交通，尽量共享资源，降低单位出行的能耗： 再就是从交通工具自身的角度考虑，通过改进发动机技术、改善燃料品质和加 装尾气净化设备等各项措施来降低机动车污染排放，这主要依靠严格的机动车 尾气排放标准和燃料品质标准来实现。 在已经实施的机动车尾气排放标准中，对轻型汽车的排放控制相对严格 o “3 羽。出于进一步控制机动车污染排放的需要，发达国家对重型车的控制要求 日益加严。欧盟各国在1 9 9 9 年通过了重型车排放的欧v 标准( d i r e c t i v e 1 9 9 9 9 6 e c ) ，将延续分别于2 0 0 0 年和2 0 0 5 年开始实行的欧i i i 和欧i v 标 准，在2 0 0 8 年1 0 月开始执行欧v 标准。美国虽然从2 0 0 4 年开始实施t i e r 2 阶段 排放标准，但为了更严格地控制重型车污染排放，美国环保局还特别成立了重 型车排放及油品质量综合控制项目o ”。2 0 0 0 年，美国的重型货车和公交车排放 的n 0 x 和颗粒物分别占到机动车总排放的1 3 和1 4 ，在一些城市地区这个比例 更高。从2 0 0 7 年起，在美国销售的重型发动机，其颗粒物排放将必须全部低于 0 0 1 3 9 k w h 的限值，n o i 和非甲烷碳氢化合物( n 姗c ) 排放必须有一半以上低 于0 2 7 9 k w h 和0 1 9 9 k w h 的限值。同时，在2 0 0 6 年9 月以前，美国市场销售 的柴油含硫量将全部降到1 5 p p m 以下。 3 武汉理工大学硕士学位论文 除不断加严的排放标准外，美国环保局还将对重型车的尾气排放测试引入 新的方法。在2 0 0 4 年签署的法令中，环保局提出从2 0 0 7 年开始对重型车实行 排放车载测试，以保证车辆在使用过程中也能达到实验室台架测试时的排放标 准”。法令中特别提到，已有的研究表明机动车在实际道路上运行时，可能 出现实验室工况法模拟中不能获得的排放，即“驾驶循环外排放”( o f f c y c l e e m i s s i o n s ) ；而且对于在用的重型车，拆卸发动机进行排放检测不仅费用高 昂，也与实际运行中的车辆状况有差异。一项调研的结果甚至揭示，随着发动 机技术的进步，一些制造商可以保证发动机在实验室测试的驾驶循环内排放很 低，但其它工况下的排放却可能出现显著的增加。目前，法规中已经确定采用 便携式排放测试系统( p o r t a b l ee m i s s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m 。p e m s ) 进行 重型车排放车载测试，包括常规气态污染物的检测方法；但由于尾气颗粒物的 排放车载测试相对困难很多，其方法还在研究阶段，尚未最终确定。欧洲国家 对p e m s 也表现出浓厚的兴趣，并准备研究开发一套针对重型车排放一致性测试 的p e m s 标准操作规程1 。 以往在机动车尾气颗粒物排放的研究中，大多数关注的是颗粒物质量排 放。随着机动车排放标准的逐步加严和控制技术的不断进步，尾气颗粒物质量 排放得到大幅削减。根据美国重型发动机的排放标准，1 9 9 8 年的颗粒物排放限 值只有1 9 8 8 年限值的1 6 。而2 0 0 7 年的排放限值将只有1 9 9 8 年限值的1 1 0 。在 这种趋势下，同时也伴随着人们对尾气颗粒物排放中亚微米粒子，甚至是超细 微颗粒和纳米粒子的关注，机动车尾气颗粒物粒数浓度正逐渐成为一个新的研 究热点”“。“”。亚微米颗粒在尾气排放的颗粒物总质量中通常只占较少的比 例，但在总粒数中却占据绝大部分。对细微颗粒物粒数浓度的研究，也包括了 颗粒物的粒径分布。粒径大小与尾气颗粒物在以下几个方面的环境影响有关： 颗粒物在大气中的停留时间、光学特性、比表面积、参与大气化学反应的能力 以及对人体健康的影响。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国内外颗粒物的研究 颗粒物是柴油车排放最使人讨厌的污染物，包括固体炭微粒( 烟羽) ， 称为不可溶物( i d f ) ；未燃的柴油和润滑油为液相碳氢化物，称为可溶性有 机物( s o p ) 。柴油中一般含有微量硫化物，主要有硫醇和元素硫。因此柴油 燃烧时硫化物与氧反应生成s 0 2 ，s 0 2 被氧化生成s 0 3 ，s o 。与水分等反应生 4 武汉理工大学硕士学位论文 成h ：s o | 和硫酸盐，不仅增加了p m 排放而且给尾气净化过程造成不小麻烦， 使催化剂中毒。 从组成上讲，机动车排放的颗粒物一般由高度凝聚的固态含碳物质、灰份、 挥发性有机化合物( v o c ) 以及硫化物等组成。固态炭是在局部富燃区域产生 的，其中大部分在随后的氧化过程中被氧化成c 0 或者c 0 ：，剩余的没有被氧化 的残渣以颗粒物的形式随尾气排出。挥发的燃料和润滑油在颗粒物中所占比例 也很大，通常称为可溶性有机部分( s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ，s o f ) ，主 要包括一些多环芳烃，而这些多环芳烃大部分都是有毒物质。硫酸盐主要来源 于燃料中的硫，在燃烧过程中，燃料中的大部分硫被氧化为s 0 2 ，但是也有一 小部分硫被氧化成s o 。，进而转化为硫酸和硫酸盐。燃料和润滑油中的金属成 分则成为颗粒物中的一小部分无机灰份。颗粒物的组成取决于发动机性能和操 作条件，随着操作参数的改变，其组成也会发生很大的变化。硫酸盐组分一般 与燃料中的硫含量成正比。可溶性有机组分主要与发动机的操作条件有关，发 动机负荷较低时，这部分的含量较高。 机动车尾气中存在很多种挥发性物质，随着温度、分压以及其它参数的变 化，这部分物质可能会从气态物质转化为固态或液态的颗粒物“”。实验中通常 测量到的颗粒物不仅包括在燃烧过程形成的颗粒物，还包括取样时在稀释和冷 却过程中形成的颗粒物。由挥发性组分经冷凝成核作用形成的颗粒物粒径很 小，但是数量很大。因此，这部分颗粒物对质量浓度的影响甚微，却可以令粒 数浓度大幅增加。这使得准确测定机动车尾气颗粒物的粒数浓度和制定基于粒 数浓度的颗粒物排放标准遇到了很大的困难。 图1 - 1 柴油机排放颗粒物组分 从粒径大小上讲，机动车尾气中的颗粒物主要以三种形态存在：成核态、 5 武汉理工大学硕士学位论文 聚积态和粗颗粒态”圳。 成核态颗粒物( n u c l e im o d e ，5n m d , 5 0r i m ) ：主要包括在尾气稀释和 冷却过程中，挥发性有机化合物和硫酸盐因冷凝成核作用形成的颗粒。以这种 形态存在的颗粒物可能是固态物质，也可能是小液滴。成核态颗粒物对于一些 参数的微小变化比较敏感，例如当温度改变时，这部分颗粒物的数量和粒径分 布会随之发生很大的变化。在很多情况下，通过加热可以去除这部分颗粒物。 成核态颗粒物在质量分布中，可能只占颗粒物总质量的1 2 0 ，但是在粒数分 布中，所占比例可能超过9 0 。 聚积态颗粒物( a c c u m u l a t i o nm o d eo rs o o tm o d e ，1 0 0n m d 。 li j m ) ：主要包括一些重新混合进尾气中的 聚积态颗粒物。在排气过程中，会有一部分聚积态颗粒物沉积在气缸或排气管 的内壁上。随着时间的积累，排气管和气缸壁面上的颗粒物会越积越多。当系 统不稳定时，这部分颗粒物就很容易由于气流的冲击而脱离壁面，重新进入尾 气。这种形态颗粒物的排放具有很大的随机性，其排放量取决于之前壁面上沉 积颗粒物的数量，在实验中可重复性不好。这部分颗粒物对于粒数浓度的排放 几乎没有影响，但是对颗粒物的总质量有很大贡献。 图1 - 2 图卜2 给出了理想状态下柴油机尾气颗粒物基于粒数浓度和质量浓度的 粒径分布。从粒数浓度分布看，其形态为单峰的对数正态分布，9 0 粒数的颗 粒物集中在成核态。从质量浓度分布看，其形态为三峰的对数正态分布，大部 6 叠j鼍l蕃1l量-”u，篁_l量 武汉理工大学硕士学位论文 分颗粒物质量则集中在聚积态区域内，在成核区和粗颗粒区也出现了2 个小峰。 澳大利亚昆士兰理工大学对两台c n g 点燃式发动机进行的排放研究表 明，其气态污染物排放达到了美国环保局规定的“低排放”发动机的水平。但 对排放中粒径范围在0 0 1 3 0 p m 的颗粒物测试表明，粒径在0 5 3 0 p m 之间的 颗粒物粒数浓度非常低，约为2 个c m 3 ，相当于环境浓度的平均水平；而粒径 在0 0 1 5 - 0 7 之间的超细颗粒的粒数浓度则相当高，最高均为1 1 0 7 个c m 3 左右，计数中位直径在0 0 2 0 0 0 6 0 p m 之间。从颗粒物的粒数浓度看，这两台 c n g 发动机和重型柴油机的排放处于相同级别。”。由美国健康影响研究所 ( h e i ) 开展的一项研究表明，一些低排放的柴油机比旧的设计和其它低排放 设计所排放的纳米颗粒粒数浓度要高很多1 。而近年来的很多研究说明，在相 同的质量浓度下，纳米尺度的颗粒物比微米尺度颗粒物更为有害。 颗粒物的测试方法 目前机动车排放的实验分析方法主要包括以下几种： ( 1 ) 台架模拟试验 台架模拟试验是目前最可靠的确定机动车排放因子的方法，它是在底盘 测功机( 或发动机台架) 上根据标准的测试规程模拟机动车实际行驶条件，并 对其排气进行取样与测试分析。测试规程是模拟车辆在道路上的典型运行工况 而编制出来的，最常用的有美国的f t p ( f e d e r a lt e s tp r o c e d u r e ，联邦标准 测试规程) 和s f t p ( s u p p l e m e n t a lf e d e r a lt e s tp r o c e d u r e ，附加联邦测试 规程，由s c 0 3 和u s 0 6 两套驾驶循环组成) ，欧洲的n e d c l 9 9 2 、n e d c 2 0 0 0 ( n e w e u r o p e a n d r i v i n gc y c l e ，新欧洲驾驶循环，2 0 0 0 年的规程比1 9 9 2 年少了初始 阶段的4 0 秒怠速) 和s h e d 2 0 0 0 ( s e a l e dh o u s i n gf o re v a p o r a t i v ee m i s s i o n s d e t e r m i n a t i o n ，密闭室蒸发排放测试) ，日本的冷启动1 1 工况、热启动1 0 一1 5 工况等。测定时，汽车在实验台架上按照既定规程运转，尾气采样用定容采 样系统( c v s ) 收集并按规定的方法分析，测定各有害成分的排放量。 台架试验可以近似地模拟车辆实际行驶工况，但也存在一些问题： ( a ) 要求配备复杂而昂贵的大型综合气体分析仪、转鼓试验台以及按试验工 况运转所需的自动控制系统； ( b ) 由于试验在标准程序下进行，试验程序与机动车实际运行工况存在差异， 直接采用这种方法确定城市道路上的排放因子，往往会引入误差； 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( c ) 得到的结果是一段时间平均的静态结果，难以对各种条件变化后排放因 子的变化进行快速预测，因此在决策支持系统中应用存在一定的局限性。 ( 2 ) 隧道实验法 隧道实验是国外应用非常广泛的评估机动车排放因子模型性能的方法，在 美国，从7 0 年代初就开始有人利用公路隧道来监测道路汽车尾气污染物的排 放。公路隧道被看作是一个控制汽车尾气扩散的特殊设施，其作用相似于用定 容采样的方法在实验室内监测。通常隧道实验将采样点设在通风口，且出口与 入口之间再无其他的通风口，通过隧道的汽车尾气污染物的平均排放因子( e f ) 可以用以下公式计算： t e f 一( c 0 一g 圪) 仁x n )( 卜1 ) 式中，e f 为平均排放因子( r a g k i n 辆) ； l 一为隧道出口处污染物浓度( m g m 3 ) ； h 为入口处环境空气污染物浓度( m g m 3 ) ； 7 一为出口处空气流通体积； 7 m 为入口处空气流通体积； l 为隧道长度( k m ) ； n 为采样期间通过隧道的车辆数目( 辆) 隧道实验法的缺点在于得到的是各种车型综合的平均排放因子，难以进一 步区分出分车型的排放因子，虽然可以利用多次实验的数据和分车型的车流量 数据进行多元回归得到分车型的排放因子，但是其准确性无法保证。有研究者 提出在废弃隧道中采用控制通过车辆类型的方法来得到单一车型的平均排放 因子，但这种方式过于复杂，受具体条件的限制实现难度很大“”。 ( 3 ) 遥感遥测 近年来，美国、日本等发达国家采用遥感遥测技术进行排放因子的监测。 这种方法一般在道路边架设仪器，通过不分光红外分析法( n d i r ) 和分光或不 分光之外分析法等技术，在线动态监测尾气管排放污染物的浓度，进而求出该 道路上的机动车排放因子。1 9 8 7 年美国科罗拉多州丹佛( d e n v e r ) 大学首次研 制出了监测道路汽车尾气排放的红外线遥感监测设备，利用c 0 、c 0 。和h c 能 吸收某一特定波长的红外线的原理，可以测量出通过红外光束的机动车尾气中 眦c 0 2 和c o c o s 的比值，通过计算得到h c 、c o 和c 0 ：的浓度m 1 。遥感监测不需 8 武汉理工大学硕士学位论文 要干预被测车辆的操作，也不需要被测车辆司机的配合，监测结果更真实地反 映了道路车辆的实际排放。近年来，该项技术不断完善，在不分光红外分析法 的基础上，结合分光或不分光紫外分析法( n d u v ) 可以得到n o c 0 2 比值，从而得 到n 0 的排放状况“”。在实际的测试，还有研究者利用可调红外激光二极管差分 吸收光谱法( t i l d a s ) 进行遥感监测，这种方法在得到n 0 浓度的同时，还可以 得到n 0 2 n o 的比值，从而将得到的n 0 排放转化为研究中更常用的n o 。排放。遥 感监测可以在短时间内获得大量样本的车辆排放数据，但它不能对多车道道路 上的机动车排放作出准确测定，往往仅能应用于单车道道路或隧道内。而且， 遥感监测也无法对实际运行工况下排放的变化进行测量，从这个角度考虑它也 属于静态的测试技术。不过采用先进技术监测机动车排放状况是进行机动车排 放规律研究的必然趋势。 ( 4 ) 车载测试 车载测试利用置于车上的排放分析仪器与路谱分析仪器，得到实际路上行 驶的机动车动态的排放状况与对应的工况，目前这种测试方法还正在发展中。 如果说遥感测试可以得到实际道路行驶中某一个横断面下多辆车的结果，那么 车载测试得到的就是单辆车在实际行驶过程中纵断面上的排放情况。车载测试 可以为实际行驶条件下机动车排放特征的分析和模拟提供有效的数据支持，将 是今后相当长一段时间内的一个重要发展方向。目前世界上已经有一些研究人 员开展过车载测试的实验，获得了许多有意义的结果。美国北卡州立大学利用 c l e a na i rt e c h n o l o g y 公司开发的集成车载尾气排放测试系统o e m 2 1 0 0 t m 进行 了实际道路行驶尤其是特定交通场景中车载测试实验m 1 。此外加州大学戴维斯 分校、比利时v i t o 研究所、天津大学和香港理工大学等也都曾开展过这方面 的研究“”。由于前面提到的实验室台架在重型车排放测试上遇到的困难，不 少研究机构很早就在开发便携式的车载测试设备，比较有代表性的包括美国西 南研究所、c a t e r p i l l a r 公司、通用汽车公司和福特汽车公司等呻“1 。但到目 前为止，这些设备大多只能测试气态污染物的排放，少数能够测试颗粒物排放 的系统也因为技术不够成熟等原因而未能推广。 1 2 2 国外柴油机技术的现状与发展 现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机 少，作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发 9 武汉理工大学硕士学位论文 动机，而且轿车采用柴油机的比例也相当大。最近，美国联邦政府能源部和 以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型 轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究、大量新技术的应用，柴 油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。下面是国 外柴油机应用的一些先进技术。 ( 1 ) 共轨与四气门技术 国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术 相结合，使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效，能满足欧排放 限值法规的要求。 四气门结构( 二进气二排气) 不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可 以居中布置，使多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件； 同时，可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结 构，以实现可交涡流。这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量 ( 品质) ，有效降低碳烟颗粒、h c 和n o x 排放并提高热效率。 ( 2 ) 高压喷射和电控喷射技术 高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一， 高压喷射和电控喷射技术的有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空 气混合达到最佳，从而降低p m 排放，提高整机( 车) 性能。 ( 3 ) 增压中冷技术 采用涡轮增压增加柴油机的空气量，提高燃烧的过量空气因数是降低大 负荷工况排气烟度、p m 排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空一空中 冷系统，可使增压空气温度下降到5 0 以下，工作循环温度的下降有助于 n o x 的低排放和p m 的下降，故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型，不 仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外，涡轮前排气旁通阀的应用，不 仅能降低p m 和c 0 排放，还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。 ( 4 ) 排气再循环( e g r ) 技术 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 e g r 是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少 量废气引入气缸内，这种不可再燃烧的c 0 。及水蒸汽废气的热容量较大，能 使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，破 坏n o ，的生成条件。e g r 技术可使机动车n o , 排放明显降低。但对重型车用柴 油机而言，目前倾向于使用中冷e g r 技术，因为其不仅能明显降低n 仉。还 能保持其他污染物的低水平。 ( 5 ) 后处理技术 柴油机后处理的目标是进一步改善p m 和n 0 ；的排放。目前主要采用加装 氧化型催化转化器和研究开发n o , 催化转化器以及具有良好再生能力的微粒 捕集器。 ( 6 ) 柴油 柴油的生产和贮存条件， 命和保持低排放的重要保证。 5 4 ，h c 和n o x 捧放达1 0 ， 燃料清净剂，既能节省燃料， ( 7 ) 乳化柴油 是保证柴油发动机( 车) 正常运转延长使用寿 例如瑞典的一级柴油使用中可减少c 0 排放达 p m 排放减少1 4 4 7 5 。发达国家已普遍使用 又能清除积碳、降低排放。 柴油加水掺合乳化剂，使其形成较为稳定的含水乳化柴油，这类改进型 燃料的使用可明显降低柴油机( 车) 的排放，尤其是n o , 和p m 。目前美国报 道这方面进展较多，我国也在这方面进行研究，且已取得可喜进展。加水2 0 乳化柴油( 7 0 天不分层) 。在大型柴油机上1 0 0 负载工况下，功率不减， 节油明显，动力输出比柴油上升4 3 ，且烟度和n o , 排放下降明显。然而， 尽管这项技术对低排放有好处，但其潜在的问题如水结冰、水对发动机的腐 蚀等闯题尚待解决。 1 2 3 柴油机颗粒物净化技术的发展 柴油车排放的污染物主要是颗粒物和n o , 。颗粒物净化一般采用多孔过 滤器捕集，但由于过滤器有一定容量，达到饱和后，必须进行再生才能继续 使用。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 、颗粒物过滤器的捕集 柴油机排放颗粒物粒径分布在0 0 1 - - 0 3 u m ，主要由不可溶炭粒、未 燃液体碳氢化物和硫酸盐组成。 ( 1 ) 过滤捕集 目前使用的过滤材料有泡沫陶瓷、壁流式蜂窝陶瓷、直通式蜂窝陶瓷、 金属丝网和陶瓷纤维。蜂窝陶瓷和陶瓷纤维属于表面过滤方式，金属丝网和 陶瓷泡沫属于体内过滤方式。壁流式蜂窝陶瓷过滤器优点是过滤效率高，可 达到6 5 一9 5 ，过滤效果好。但制造工艺复杂、质量要求高。金属丝网过 滤器的金属丝直径较细，绕线密度较大，过滤效率为4 5 一6 5 。由于其流 通面积较小，捕集颗粒物容量有限，本体不易散热，而使金属丝网局部过热 而烧损等缺点。泡沫陶瓷的过滤效率为4 9 - - 7 0 ，其制造工艺简单，成本 低，耐高温，是早期柴油车掳集颗粒物的材料。 ( 2 ) 静电吸附捕集 外加强电场使颗粒物呈带荷电而进行静电捕集，有一定效果。王宪成等 用金属丝网过滤，上游增加电晕荷电发生装置，使微粒荷电，带电微粒在通 过金属丝网时由于静电映像力的作用实施吸附过滤，而提高了过滤效果，过 滤效率达5 0 - - 7 0 。 ( 3 ) 旋流分离捕集 柴油机排放颗粒物旋流净化试验系统。旋流净化器对于0 5 u m 和l u m 的颗粒物捕集效率预测分别达5 0 和7 0 ，但小于0 5 u r n 颗粒物捕集效率则 较低。该方法捕集大于l u m 颗粒物有望满足实用要求。 2 再生技术 颗粒物过滤器实用性的关键是再生技术，有主动再生和被动再生两种。 主动再生原理是利用燃油燃烧的热能、电能、微波能等，提供颗粒物炭微粒 高温氧化反应能力，达到再生目的。但必须具备附加装置，如燃油喷射与控 制系统，电加热再生系统，微波发生源加热再生系统。被动再生的原理是利 用柴油机排气热能进行再生。在燃油中加入添加剂，也可以在过滤器基体上 负载催化剂，目的是降低炭烟粒氧化反应活化能，使化学氧化反应在较低温 武汉理工大学硕士学位论文 度下实现，达到再生目的，从而使过滤器达到重复连续使用。无论是主动再 生还是被动再生都是通过热能实现，将捕集的颗粒物加热烧掉实现再生。 ( 1 ) 电加热再生 采用壁流式蜂窝陶瓷过滤器，过滤器前部布置电阻丝，电阻丝弯成u 型，插入过滤器孔中，过滤器顶部开口分成9 个区，每个区由3 根电阻丝并 联在一起。再生的燃烧温度由7 9 根直径为0 5 镍铬铠装热电偶插入到过滤 器内测得。加热电路的电源是两个串联的1 2 v 盖电池。 ( 2 ) 微波加热再生 微波是一种高频率的电磁波，波长约为1 2 c m ，穿透性很强，微波加热 再生是利用微波能加热到过滤芯上而形成均匀的热源，并补充二次空气，实 现对捕集到的颗粒物加热燃烧，实现过滤器再生。过滤芯可采用泡沫陶瓷或 壁流式蜂窝陶瓷体作为过滤体。 ( 3 ) 催化再生与连续再生 催化过滤器是指在过滤器的内芯上负载催化剂，催化剂的作用是降低颗 粒物氧化反应的温度，使其能在柴油机排气温度条件下，实现被动再生。常 用催化剂活性组分是贵金属和非贵金属。美国e n g e l h a r d 公司的催化过滤器， 就是利用柴油车排气温度来连续燃烧颗粒物，实现再生。 另外，连续再生还利用排气中n 0 在氧化型催化剂上被氧化成为n 0 2 ，应 用n 0 强氧化能力在过滤器上催化燃烧颗粒物实现再生。要求柴油中含硫要 低，