陳慶平,余明洲

(浙江水利水電專科學校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

柴油發(fā)動機顆粒物的排放會對大氣環(huán)境產(chǎn)生巨大的負面影響.研究結果表明,柴油發(fā)動機排放顆粒物可能對人體肺部和腦部造成重大傷害,還可能發(fā)生遺傳性基因突變[1].所以各國都采用立法的形式要求汽車生產(chǎn)商降低顆粒物排放濃度.目前的發(fā)動機雖然在減少顆粒物質(zhì)量濃度的設計方面取得了長足的進步,但是納米級顆粒數(shù)濃度的上升卻成為困擾發(fā)動機繼續(xù)升級的障礙.本文結合國際上對柴油發(fā)動機排放物中納米顆粒研究的最新情況,從顆粒物的物質(zhì)屬性、實驗研究背景和數(shù)值模擬等方面進行綜合論述,討論了存在的問題并對該領域今后的研究方向進行了展望.

1 柴油發(fā)動機排放顆粒物物理化學特性分析

柴油發(fā)動機排放顆粒物主要由單質(zhì)碳、碳水化合物和含硫化合物等組成[2].圖1表示為柴油發(fā)動機顆粒質(zhì)量數(shù)濃度、顆粒數(shù)濃度和沉積率與顆粒粒徑的關系[3].測量結果顯示,顆粒數(shù)濃度遵循對數(shù)正態(tài)分布,而顆粒質(zhì)量濃度服從三峰值分布形式.從數(shù)量上進行分析,柴油發(fā)動機排放顆粒主要處于5～50 nm這一區(qū)域.但是,顆粒物的大部分質(zhì)量卻存在于100～300 nm區(qū)域.

根據(jù)顆粒粒徑的不同,排放顆?？梢苑譃?種模態(tài):核子模態(tài)、積聚模態(tài)和粗糙模態(tài)[2].核子模態(tài)中顆粒物主要由一些金屬性化合物、單質(zhì)碳和半揮發(fā)性的有機和含硫物質(zhì)組成,其占據(jù)總體顆粒物質(zhì)量濃度的1%～20%和顆粒數(shù)濃度的90%以上.積聚模態(tài)中顆粒物粒徑主要分布在50～500 nm區(qū)域,占據(jù)了顆粒質(zhì)量濃度的絕大部分.粗糙模態(tài)顆粒物指的是顆粒物粒徑在1 μ m以上,其占據(jù)顆粒物總體質(zhì)量濃度的5%～20%.粒徑小于50 nm的顆粒一般被稱之為納米顆粒.研究結果表明,超過90%以上的納米顆粒由揮發(fā)性顆粒前驅(qū)物成核而成[4].納米顆粒在形成過程中極大的受到外界條件的影響,如空氣稀釋度和顆粒的生存時間.顆粒的形成在這些參數(shù)的影響下表現(xiàn)有高度的非線性性,極小的參數(shù)改變可能會造成顆粒數(shù)濃度指數(shù)量級的差異.納米顆粒的這種性質(zhì)極大的增加了測量檢測的難度.

圖1 柴油發(fā)動機顆粒質(zhì)量數(shù)濃度、顆粒數(shù)濃度和沉積率與顆粒粒徑的關系(Kittelson)

2 柴油發(fā)動機排放顆粒物實驗檢測

目前國際上通用的柴油發(fā)動機尾氣排放標準,均基于對顆粒質(zhì)量濃度的測量[3].但是隨著柴油發(fā)動機顆粒物過濾裝置技術的不斷進步,納米顆粒的數(shù)量在總的顆粒污染物中所占份額越來越大,顆粒愈小對人體造成的傷害也越大.這就需要對排放標準進行重新制定,除了考慮顆粒污染物的質(zhì)量濃度外,還要對顆粒的粒徑分布、顆粒數(shù)分布等進行檢測[5].

柴油發(fā)動機排放顆粒物是由許多不同尺度和不同成分的粒子組成的多譜氣溶膠.一臺理想的測量儀器,應能自動地、連續(xù)地測定粒子尺度,并對每一個粒子進行單獨分析,從而有可能測定尺度-成分概率密度函數(shù)[6].目前,粒子尺度譜分布和粒子化學成分測量技術已較成熟,粒子實時檢測也取得了較大地進步,市面上已經(jīng)出現(xiàn)響應較快的實時或者近于實時檢測的設備.未來測量儀器的發(fā)展方向除了向?qū)崟r檢測方向繼續(xù)進展外,納米顆粒尺度譜分布、形狀、表面積和化學成分等特征參數(shù)的測量將是以后測量儀器發(fā)展的重點和難點.根據(jù)儀器的性能特征,可以分為3類:慣性撞擊式、電遷移式和組合式.雖然各種儀器都能對研究污染顆粒物在限度范圍內(nèi)對其進行檢測,但是由于儀器本身性能特征的不同,所檢測量有較大的差異.例如對于顆粒直徑這個常用物理量,就至少有5種不同的等效量作為各種不同儀器的檢測對象.這5種等效量分別為質(zhì)量等效直徑、體積等效直徑,電遷移等效直徑、機械遷移等效直徑和空氣動力學直徑.因此,對于不同儀器所得檢測結果,目前還不能有效的進行定量或者定性的比較.由于納米顆粒對環(huán)境造成的影響越來越大,類似Nano-DMA的儀器將會在未來顆粒物檢測中占有重要的位置.

3 數(shù)值模擬在柴油發(fā)動機排放顆粒物研究領域的應用

現(xiàn)代測量儀器和分析技術的改進,已經(jīng)使我們對柴油發(fā)動機排放污染顆粒物的形成機理和物理化學特性有了充分的了解.在此基礎上,通過數(shù)值模擬的方法對顆粒物的形成、生長、擴散、凝并、凝結和破碎等進行研究,得到一些通過實驗方法無法得到的信息,從而尋求更好的減少發(fā)動機排放污染的措施.由于排放顆粒物的物理化學變化均存在于氣相環(huán)境中,所以在數(shù)值模擬工作實施過程中,應把顆粒動力學、流體力學和化學動力學等相關學科結合起來進行綜合考慮.

目前,對細微顆粒物的研究基本上是基于1917年Smoluchowski提出的一般動力學方程,即GDE方程[2].通過解不同起始條件和邊界條件的方程,可以得到相應情況下的顆粒數(shù)分布函數(shù).

如果考慮流場、熱泳等對顆粒的影響及其顆粒的氣-固轉(zhuǎn)換,則GDE方程應表示為:

很明顯,GDE方程是一個非線性偏微分積分方程,由于顆粒計算的特殊性,要求對GDE方程進行特殊的處理.截至目前,除了對顆粒分布進行預先假設,得到相應的解析式外,研究者采用的方法均是求解其數(shù)值解.需要指出的是,對于類似方程(1)的GDE方程,求解其數(shù)值解的工作量是相當巨大的.因為對每一特征粒徑的顆粒都要構造一個單獨描述其顆粒數(shù)濃度變化的GDE方程.所以,在對此問題的處理上,不得不犧牲一些精度上的要求而獲得計算效率上的補償.目前,常用的數(shù)值求解方法有矩方法、分區(qū)方法和Monte-Carlo法等.

4 結 語

未來的實驗測量設備除了要求對顆粒的質(zhì)量濃度進行測量外,還要顧及顆粒的化學成分、粒徑分布等影響人類健康的重要參數(shù).更重要的是,未來的測量儀器應能實現(xiàn)在真實環(huán)境中實時的進行工作,以適應更為嚴格的排放標準.采用數(shù)值模擬的方法能夠較好的對柴油發(fā)動機排放顆粒物的結晶成核、濃度擴散及其顆粒的生長等進行有效的預測,但是鑒于納米量級顆粒物的形成機理相當復雜,針對柴油發(fā)動機的顆粒結晶模型還未完全建立,截至目前,在統(tǒng)一系統(tǒng)中綜合考慮各種尺度顆粒的數(shù)值模擬工作還需進一步的發(fā)展.

[1]F J WEINBERG.Electrical Aspects of Aerosol Formation and Control,Proc.R.Soc.Lond.A,1968(307):195-208.

[2]H BURTSCHER.Physical characterization of particulate emissions from diesel engines:a review.Journal of aerosol science,2005(36):896-932.

[3]岑可法,姚 強,等.燃燒理論與污染控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[4]史紹熙,蘇萬華.內(nèi)燃機燃燒研究中的幾個前沿問題[J].內(nèi)燃機學報,1999(2):95-104.

[5]龔金科.汽車排放污染及控制[M].北京:人民交通出版社,2008.

[6]李岳林.汽車排放與噪聲控制[M].北京:人民交通出版社,2007.