浅谈柴油机排放中的颗粒与烟度

浅谈柴油机排放中的颗粒与烟度

王志新1，吉学之1，支怀斌2

(1．潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261001；2．中国北方发动机研究所，山西大同031000) 摘要：在比较颗粒与烟的概念、颗粒和烟度的测试手段的基础上，分析了两者的不同和联系。通过欧Ⅱ8与欧Ⅲ13工况试验，分析得出了烟度与颗粒的近似关系：即烟度大时颗粒排放也大，二者表现出正向的对应关系。

Particle and Smoke in Diesel Engine＇s Emission

WANG Zhixing1，JI Xuezhi1，ZHI Huaibin2

(1．WeichaiPower Co.,Ltd.，ShandongWeifang 261001；2．China North Engine Research Institute，ShanxiDatong031000)

Abstract：Soot and PM were differentiated based on concept and measurement，and analysis the relationship based on experiments．From the 8-mode EuroⅡand 13-Mode Euro ETC procedures we got the approximate connection：the PM weight more with high smoke，they show positive matches．

Based on the comparison between the concept and measurement of soot and PM，their differences and connections are analyzed．Through the 8-mode EuroⅡand 13-Mode Euro Ⅲtest,the approximate connection between soot and PM are discovered：the PM weight more with high smoke，they show positive matches．

1 概念

在最新的国家排放标准(下简称国标)GBl7961-2005[1]中，对颗粒(PM)与烟的定义分别如下：

发动机的排气污染物主要包括气态污染物和颗粒物。颗粒物PM指在温度不超过325K(52℃)的稀释排气中，由规定的过滤介质上收集到的所有物质。

烟指悬浮在柴油机排气流中，能吸收、反射或折射光线的颗粒。烟度自然是度量烟的一个指标。

2 测试手段不同

由上述的定义可知，PM的测量主要是对排气稀释-过滤-称重。国标中使用两张标准滤纸，启动颗粒物取样系统。在按照规定的工况运行完以后，对滤纸再称重，与之前称重的滤纸净质量之差值即颗粒物总量[1]。它的测试手段比较单一。

烟度在欧I、欧Ⅱ国标中主要是自由加速烟度和全负荷烟度，在欧Ⅲ中主要是测量ELR 循环中的加速烟度。在发动机四个不同的转速下，将发动机的负荷由10%突加到100%，采用某种算法取其中烟度的峰值，作为ELR循环的指标。排气烟度的测试方法不一，测试仪器也比较多，简单介绍如下。

柴油机排气烟度的仪器测量方法主要有两种：①过滤法(Filtering Method)：以一定量的排气样气通过滤纸，以滤纸上留下的碳粒重量或以滤纸表面的光反射率来比较测量。②光透过法(Light Extinction Method)：利用排气流粒子吸光特性来测量，即以在排气管出口一定距离的直径方向的光的透过度来测量。

国内常用的滤纸式烟度计有两种：一种是Bosch式烟度计，烟度单位是BSU(BSN、Rb)；

另一种是AVL全自动滤纸式烟度计(如AVL415烟度计)，烟度单位是FSN (Filter Smoke

Number)。他们之间的经验换算公式为：

FSN＝O.935×BSU + 0.65 (1)

这种烟度计的缺点是不能测量排气中的蓝烟和白烟，其使用特性与自由加速烟度排放也不能很好匹配，烟度计抽气泵开始抽气时刻受开关的灵敏性、抽气筒活塞运动快慢、取样管长短、滤纸透气性和白度等影响，很难与柴油机自由加速开始冒烟时刻同步，只能测量出自由加速烟度排放大小的特性曲线积分值。所以GB3847-2005新标准规定必须使用不透光烟度计测量烟度排放，以峰值为测量结果。但因为滤纸烟度计能提供永久性的记录，所使用的测试仪器轻巧便于携带，取样装置结构牢靠、简单，能承受试验台上恶劣的工作环境、对技术能力要求又不高，所以在国内应用仍然非常广泛。

不透光烟度计的主要组件为光源、长度一定的测量室、以及放在测量室内光源对面的能将光转变为电流的光电池。它的显示仪表有两种计量单位：一种为绝对光吸收系数单位(或称为不透光系数k)，从0到趋于∞，单位为m-l；另一种为不透光度的线性分度单位(不透光度N)，从0到100%。两种计量单位的量程，均以光全通过时为0，全遮挡时为满量程，它们之间的关系由Beer-Lambert Law公式给出：

φ ＝φ0×e-kL (2)

k ＝(-1/L)×1n(1-N/100) (3)

式中：φ--出射光通量；

φ0--入射光通量；

k--不透光系数，m-1；

L--通过被测气体的光通道的有效长度，m；

N--相应的不透光度读数，%。

不透光系数k表示光束被单位长度的排烟衰减的一个系数，它是单位体积内的微粒数n，微粒的平均投影面积A和微粒的消光系数θ三者的乘积，大小由排气中碳的质量浓度决定，并呈线性关系，与烟度计的特殊设计结构无关。不透光度N则随着光通道的有效长度L的改变而改变，所以各国法规没有指定烟度计型号时均采用不透光系数k作为烟度限值的单位。

不透光式烟度计既能测量以碳微粒为主的黑烟，又能测量冷起动所产生的白烟和蓝烟，相对于滤纸式烟度计具有准确度高、稳定性好、量值溯源准确可靠、人为影响因素少、操作简便、具有兼容性等优点。因此，过滤法正逐渐被光透过法所取代。

3 二者的联系

我们常不自觉地将烟与颗粒混为一谈，下面简单介绍一下它们的由来及机理。

国外在上世纪70年代，由于城市间长途货运柴油车的增加，排气管冒出的黑烟引起关注，随后制定了控制黑烟的指标。黑烟主要是柴油机在高压燃烧条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氢而成的以碳为主要成分的固态小微粒。柴油机的不均质、异相燃烧，特别是燃烧时燃料分子往往被高温火焰或燃烧产物包围这一特点，决定了生成碳烟的必然性[2]。应该注意到在燃烧过程中，特别是扩散燃烧期生成的碳烟，并不全部排出机外，大部分在燃烧的后续期间被氧化。碳烟的生成过程十分复杂，至今还没有一个确切的数学表达式来描述其全过程。影响烟度的因素主要是过量空气系数、负荷、喷油提前角、燃烧室类型等。

最近二十多年来，国外柴油发动机排放中PM对大气的污染已经引起了研究部门和政府有关部门越来越多的关注。这是因为PM被有机溶剂萃取后，其馏分(SOF)中多环芳烃化合物(PAC)中的一部分被发现是致癌的。PM大小在10μm，其中90%颗粒物小于1μm(国标规定滤纸对

0．3μm的DOP的采集效率应至少为95%)，可被人体吸入，造成慢性气管炎和肺气肿。