張 俊 魏鵬程 張?zhí)杰?陳 楠 黃 旭
(中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)天津 300400)
柴油機(jī)以其較高的熱效率、良好的可靠性、動力性和經(jīng)濟(jì)性等,被軍民各行業(yè)廣泛使用[1]。隨著其保有量的不斷增長,柴油機(jī)尾氣排放物污染的問題越來越突出,如何控制柴油機(jī)的尾氣排放物已被各國列為法規(guī)來實(shí)施??茖W(xué)有效地制定排放后處理措施,使得柴油機(jī)排放達(dá)到大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),是各柴油機(jī)企業(yè)越來越重視的問題[2]。解決柴油機(jī)的排放污染物的問題,對其排放生成物的成分進(jìn)行分析,將可高效、準(zhǔn)確地滿足大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)處理[3]。本文通過對某型柴油機(jī)排放污染物測量結(jié)果的分析,摸清其排放生成物的成分組成,為科學(xué)有效地制定尾氣凈化方案提供數(shù)據(jù)支持。
柴油機(jī)尾氣排放生成物分析是利用微粒試驗(yàn)測量設(shè)備進(jìn)行測量,該設(shè)備為DMS500 納米微粒光譜測試儀,如圖1 所示。DMS500 具備實(shí)時(shí)測量功能,可以完成排放物粒徑分布、與重量法相關(guān)的質(zhì)量以及與PMP 相關(guān)的數(shù)目測量。該設(shè)備采樣點(diǎn)可以安裝在排氣門到部分流稀釋(CVS)系統(tǒng)間的任何位置,滿足發(fā)動機(jī)性能和后處理分析研究需要。為便于柴油機(jī)測試臺架的使用,通過將柴油機(jī)瞬態(tài)排放研究和儀器測試經(jīng)驗(yàn)以及最新顆粒測試技術(shù)的結(jié)合,解決了因?qū)崟r(shí)壓力變化而導(dǎo)致的算法修正引起的測量誤差。DMS500一般在恒壓下測量,在采樣工作時(shí),通過采用截流微孔墊片來防止顆粒的凝聚。從而保證設(shè)備粒徑測量范圍更寬,且設(shè)備響應(yīng)時(shí)間更快,同時(shí)可以將由于采樣壓力波動對儀器測量結(jié)果的影響有效屏蔽。
圖1 DMS500 工作原理示意圖
DMS500 的工作原理為利用高壓放電,保證每個粒子表面的帶電量與其面積成正比,通過將帶電粒子引導(dǎo)到一個徑向強(qiáng)靜電場分類器,利用靜電場的作用力使粒子偏向靜電探測器。依據(jù)電荷比和空氣阻力的大小,在圓柱內(nèi)壁的不同位置將顆粒探測到。利用10 Hz 采樣頻率對22 級靜電檢測計(jì)的輸出信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,用于計(jì)算光譜數(shù)據(jù)和其它規(guī)格參數(shù),如圖2 所示。
圖2 DMS500 對顆粒物分級示意圖
DMS500 的采樣過程主要包括以下幾個步驟:從排煙管上的采樣探頭取出一定容量的廢氣,先經(jīng)干燥空氣的一級稀釋,再利用離心分離器將直徑大于1 000 nm 的微粒分離出來,而后再進(jìn)行二次稀釋通過旋轉(zhuǎn)圓盤稀釋器,最后進(jìn)入主機(jī)。利用遠(yuǎn)程控制的真空泵實(shí)現(xiàn)主機(jī)中的分類器在一定真空度的環(huán)境下工作。主機(jī)中稀釋的樣氣微粒被加上正電荷,微粒所帶電荷的多少與其表面積成正比,其在電場中的運(yùn)動偏移軌跡與帶電量的多少和空氣阻力相關(guān)。帶電微粒與接地的電極環(huán)接觸后,利用真空泵的作用隨稀釋空氣通過過濾后排到大氣中去。靜電電流和充電模型被處理器檢測到后,再判斷出微粒粒徑的大小。DMS500 的稀釋分為兩級,第一級稀釋比為5∶1,第二級稀釋比為100∶1,采樣溫度為353 K。對尾氣排放物成分的測量,采用某重型柴油機(jī),其供油系統(tǒng)為機(jī)械泵,進(jìn)氣系統(tǒng)為增壓中冷型進(jìn)氣方式,對柴油機(jī)從怠速到標(biāo)定轉(zhuǎn)速下不同工況進(jìn)行測量。
在試驗(yàn)前對DMS500 設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱,使其處于待測狀態(tài),試驗(yàn)時(shí)待柴油機(jī)工況穩(wěn)定后,進(jìn)行尾氣顆粒物采集,每個工況下的尾氣采集時(shí)間均保持在60 s以上,獲得其CO、NOx、THC、碳煙以及顆粒物直徑和數(shù)量的測試數(shù)據(jù),同時(shí)記錄測試數(shù)據(jù)對應(yīng)的發(fā)動機(jī)工況以及發(fā)動機(jī)的其他常規(guī)排放,便于分析對比。
DMS500 采樣管與試驗(yàn)柴油機(jī)排煙管路垂直連接,以從此處取氣,經(jīng)過采樣管中的旋風(fēng)分離器分離之后,通過采樣管進(jìn)入DMS500 中,DMS 通過以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸接口與電腦進(jìn)行通訊。利用電腦的控制軟件進(jìn)行分析;真空泵系統(tǒng)將進(jìn)入到設(shè)備的顆粒物抽離設(shè)備,以使設(shè)備可以持續(xù)地進(jìn)行工作。其設(shè)備連接形式如圖3 所示。
圖3 DMS500 測試布置圖
圖4 為油耗與排氣溫度的變化曲線。圖5 為碳煙與CO 排放的變化。由圖可知,碳煙與CO 排放整體上呈現(xiàn)降低的趨勢,但是當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min 與1 400 r/min 之間時(shí),有一個先升高后降低的現(xiàn)象,這主要是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的供油系統(tǒng)為傳統(tǒng)的機(jī)械泵,機(jī)械泵的供油特性與轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系。轉(zhuǎn)速由800 r/min 升到1 000 r/min 時(shí),其油耗增長得并不多,排氣溫度也基本不變。但是隨著轉(zhuǎn)速的升高,機(jī)械泵的供油特性變得更好,從而使得燃油的噴射、霧化及蒸發(fā)過程得到改善。因此碳煙排放降低,同時(shí)從CO排放的大幅降低也能說明缸內(nèi)燃燒狀況得到改善。當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min 升高到1 300 r/min 時(shí),從圖4中可以看到油耗與排氣溫度迅速增加,此時(shí)碳煙與CO 排放惡化,這主要是由于兩方面的原因造成的:一方面隨著轉(zhuǎn)速的升高,機(jī)械泵的供油特性得到改善,從而促進(jìn)缸內(nèi)燃燒的改善;另一方面隨著噴油量的增多,缸內(nèi)濃區(qū)增大,混合氣不均勻程度增大導(dǎo)致燃燒惡化。在轉(zhuǎn)速不斷升高的過程中,以上兩方面原因?qū)τ谔紵熍欧诺挠绊懘讼碎L,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min 升高到1 300 r/min 時(shí),碳煙與CO排放呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到額定轉(zhuǎn)速時(shí),CO 排放量持續(xù)降低,而碳煙排放在2 200 r/min 時(shí)有一個小幅增長。
圖4 油耗與排溫變化圖
圖5 碳煙與CO 的變化圖
圖6 為NOx與THC 的排放量及變化趨勢,隨著轉(zhuǎn)速的升高NOx的排放量整體上呈現(xiàn)降低的趨勢,但是即使在排放水平最低的2 200 r/min,其排放濃度依然不低,接近1 000×10-6。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的升高,機(jī)械泵的噴霧特性得到改善,缸內(nèi)燃燒溫度下降,從而使得NOx排放量降低。
圖6 氮氧化物及THC 排放量變化圖
圖7 為顆粒物總數(shù)及顆粒物質(zhì)量隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢,由圖可知,隨著轉(zhuǎn)速的升高,顆粒物總數(shù)及顆粒物質(zhì)量的變化基本一致,均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。
圖7 顆粒物總質(zhì)量及總數(shù)量變化圖
圖8 所示為顆粒物幾何平均直徑隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢,由圖可知顆粒物的幾何平均直徑在怠速工況出現(xiàn)最大值,從1 000 r/min 到1 400 r/min,隨著轉(zhuǎn)速的升高有一個小幅增長,然后持續(xù)降低,整體上也是呈現(xiàn)降低的趨勢。這主要是隨著轉(zhuǎn)速的升高,由于噴霧特性的改善,使得缸內(nèi)局部濃區(qū)減少,有助于抑制soot的生成,并使其對揮發(fā)性物質(zhì)的吸附能力降低,同時(shí)顆粒物的平均幾何直徑減小,以致其積聚態(tài)顆粒物生成減少。中低轉(zhuǎn)速下的小幅增長主要是由于在此轉(zhuǎn)速下機(jī)械泵的噴油壓力較低,導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣形成條件惡化,燃燒變差,致使顆粒物排放小幅增長。
圖8 顆粒物幾何平均直徑變化圖
圖9 為顆粒物粒徑數(shù)量濃度分布,結(jié)合圖7 和圖8 分析可知,在總體上顆粒物粒徑數(shù)量濃度分布與顆粒物總數(shù)量、總質(zhì)量及顆粒物幾何平均直徑變化趨勢基本一致,對于1 000 nm 以下的顆粒物,其直徑主要分布在40~360 nm 之間,并且隨著轉(zhuǎn)速的升高,顆粒物粒徑分布的重心往左移動,即朝粒徑減小的方向。這主要是由于噴油器與噴油量對缸內(nèi)燃燒的綜合影響所導(dǎo)致的,隨著轉(zhuǎn)速的升高,機(jī)械泵的噴油特性得到改善,有利于改善發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)燃燒過程,但是機(jī)械泵供油量的增加對于缸內(nèi)燃燒有一定影響,使得燃燒過程惡化,從而導(dǎo)致顆粒物排放數(shù)量及質(zhì)量增大。燃燒過程得到改善時(shí),發(fā)動機(jī)的大直徑顆粒物排放會顯著降低,但是其小直徑顆粒物的總數(shù)卻不會過分增加,從而有助于改善發(fā)動機(jī)的顆粒物排放,這就導(dǎo)致圖7 中隨著轉(zhuǎn)速的升高,曲線往左下方移動。值得注意的是,在不同工況下測試發(fā)動機(jī)均未出現(xiàn)明顯的核模態(tài)顆粒物排放。
圖9 顆粒物粒徑數(shù)量濃度分布
通過對柴油機(jī)尾氣排放物中CO、NOx、THC、碳煙以及顆粒物直徑和數(shù)量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對,獲取柴油機(jī)尾氣排放物的成分組成、生成機(jī)理和變化規(guī)律。特別是對其生成物中顆粒物幾何直徑和數(shù)量濃度的分析,為科學(xué)制定柴油機(jī)尾氣排放物處理方案提供數(shù)據(jù)支撐。