柴油发电机颗粒物排放检验方法和试验方案

摘要：颗粒物(PM)是柴油发电机废气中一种有害的物质。根据美国EPA的定义柴油发电机的排气颗粒物是指稀释到51.7℃以下的柴油发电机排气流过带聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质。柴油发电机排烟颗粒物解析是讨论柴油发电机燃烧过程的一个重要办法，也是探求和防治发电机废气造成的环境污染所必不可少的重要内容。针对柴油发电机颗粒物的排放，世界各国各地区制定了相应的排放控制法规。领悟柴油发电机颗粒物的发生原理，领悟颗粒物的测试机理及关键说明，怎生依照法规完成对柴油发电机颗粒物排放的测试，并对柴油发电机颗粒物排放水平作出合理的评价是该实验的主要目的。

      燃烧前控制技术主要是通过改进燃油品质，如操作含氧燃料和其他改性燃料实现对颗粒物排放的控制。提升柴油品质、改善燃油质量可直接降低柴油发电机颗粒物的排放，同时为后排查系统做准备。

      生物柴油是从植物油和动物脂肪中提取的脂肪酸甲酯或乙酯。它是一种可再生、可生物降解的含氧燃料，由长链饱和脂肪酸甘油酯（即甘油三酯）和不饱和脂肪酸甘油酯构成。它可以通过酯交换反应流程转化为甘油单酯。燃料中硫和芳烃含量较低，并含有近10%的氧，有助于燃料的完全燃烧。

      生物柴油作为替代燃料，能够高效减少颗粒物排放。大量讨论表明，随着生物柴油掺混比例的增加，各粒径范围的排气颗粒物品质浓度均下降，颗粒物中碳烟和无机盐的品质分数减轻，可溶性有机组分中酯类和酸类物质质量分数增加，烷烃类、芳香烃及酚类物质品质分数减轻。采用单缸小型柴油发电机讨论了满负载工况时燃用纯柴油和B10调合生物柴油对柴油发电机燃烧和排放性能的影响，结果表明：满负荷工况下，燃用调合生物柴油和纯柴油时发电机动力性基础一致。与纯柴油相比，燃用调合生物柴油的排放性能得到有效改进，CO、碳氢化合物（HC）和颗粒物的较大降幅分别为?9.09%、30.43%和35.79%。

      含氧燃料通过改进柴油燃料的十六烷值提升燃烧质量和点火品质，从而减小颗粒着火温度，各种含氧燃料添加剂往往会改变柴油发电机颗粒物的物理化学特点，高氧含量的燃料可以大大减小颗粒物排放。

      探讨了含有二甘醇二甲醚、棕榈油甲酯、碳酸二甲酯、己二酸二乙酯和丁醇等五种不一样含氧燃料添加剂的混合液对柴油发电机颗粒物组成及其毒性的危害，含氧燃料混合物能有效促进所有尺寸范围内的碳烟氧化和降低柴油发电机颗粒物浓度，但会伴随有机碳含量的显着增加。将聚甲氧基二甲醚（PODE）（体积分数10%）掺混于柴油中制备柴油混合燃料，研究了混合燃料对柴油发电机排气烟度的影响，在额定工况下，混合燃料排放的颗粒物在各粒径下的品质浓度均有不一样程度的减小，颗粒物粒径总体向小粒径方向偏移，颗粒物中的可溶性有机组分所占比重增加，其中各类烷烃和多环芳香烃质量分数减小，有机酸酯的质量分数增大。通过添加10%乙缩醛研讨了含氧柴油对柴油发电机排放及颗粒物碳质组分的危害，与普通柴油排放相比，含氧柴油排放颗粒中PM2.5的排放速率较大降幅达29%，其中总碳的排放速率较大降幅为24%。以乙醇为添加剂，研讨了含氧燃料对柴油发电机燃烧和排放性能的危害，含氧燃料能够减轻颗粒数量和品质排放，尤其是抑制了大尺寸颗粒，使得颗粒粒径分布曲线向小粒径方向偏移，颗粒平均几何尺寸降低。

      乳化燃料是由燃油和水结构的乳化液，乳化燃料排放降低的详细原由是在快速蒸发程序中，沸点比周围燃料低的水滴会迅速爆炸，这较终增加了预混燃烧期和点火延迟期，为燃油-空气混合创造了更多的时间，从而降低了颗粒物的形成。在相同情形下，水滴蒸发减小了热循环的峰值温度，这也引起了氮氧化物排放量的减轻。利用非离子表面活性剂复配对热解生物油/柴油混合液进行乳化，得出生物油/柴油乳化燃料和纯柴油的负荷特征和排放特性曲线，并对乳化燃料和纯柴油的排放特点进行了对比，结果表明：生物油体积分数为20%的乳化燃料当量油耗率较低，乳化燃料的NO?及碳烟的排放则优于纯柴油的排放。讨论了F-T柴油/甲醇微乳化燃料的燃烧排放特性，与普通柴油相比，乳化燃料CO、NO?和碳烟的排放均有下降，降幅范围分别为20%～40%、25%～27%和65%～97%。对柴油含水乙醇乳化燃料的理化和燃烧特性进行了研讨，随着含水乙醇含量的增加，含氧量升高，十六烷值和低热值减少，燃烧火焰自发光亮度逐渐降低，表征碳烟生成量逐渐减少。

      乳化燃料可同时减小柴油发电机颗粒物和NO?的排放，但因为其对表面活性剂的高度依赖性，使得它在成本上不占优势，限制了自身的商业化。首次在常规柴油发电机中引入无表面活性剂的水-油乳化燃料，柴油和水被存储在不同的位置，在进入发电机之前，通过一个由高剪切混合器和超声波混合器组合而成的混合系统发生定量转移和瞬间乳化，得到乳化燃料。测试结果表明：与普通柴油相比，无表面活性剂的乳化燃料制动热效率提升了3.59%，油耗降低3.89%，废气中氮氧化物和颗粒物的含量分别减轻了31.66%和16.33%。

      燃烧中控制技术主要是通过改善燃烧室组成、改良点火装置、改良进气装置、采用电控喷油技术等程序实现对颗粒物排放的控制机内净化技术，其中电喷喷油技术是近年来的探讨重点，具体是通过对喷油正时、喷油压力和喷油方式等喷油参数的调整降低颗粒物和氮氧化物等污染物的排放。

      喷油正时对柴油发电机排放性能有着显着影响讨论表明：推迟喷油正时会使CO和总烃的排放量增加，但因为气缸容积膨胀和传热，主轴转角间隔增大，NO?排放量显着减小。早期颗粒物中的可溶性有机组分含量相对较低，发热和局部贫氧导致碳烟排放量较大，随着主轴转角间距的增加，烟度排放迅速下降，对喷油正时不敏感。

      当增大喷油提前角时，颗粒物排放会减少，这与点火延迟性能有关。这种情形的原由是，增大喷油提前角会致使预混燃烧连续时间的增加，从而提升燃料与空气的混合均匀性，减小颗粒物排放。但是因为增大喷油提前角会使点火增长的增加，从而增大NO?排放。当喷油正时延迟，颗粒物排放增加，NO?排放减小。这种状况的发生是由于延迟喷射致使点火增长减小和预混燃烧持续时间减少，从而增加燃料消耗、HC烟雾和颗粒物。

      另一种用于减轻颗粒物的机内净化技术是改变喷油压力。喷油压力增大时，会形成雾化，喷油压力越高，燃料液滴雾化越均匀，液滴尺寸越小，从而使燃料燃烧越完全，颗粒物大大减少。此外，喷雾贯穿距离随喷油压力的增加而增大，从而使空气得到合理利用，提升燃油空气混合转速。研讨发现：在所有负荷要素下，燃料喷射压力的增加都会引起NO?排放量的增加和颗粒物的减小，同时，生物柴油对低负载状态下颗粒物的排放危害更大，对中高负荷的危害较小。

      喷嘴孔径也对颗粒物的排放起到重要影响。降低喷嘴孔径可加载碳粒燃烧扩展过程，增强碳粒燃烧速率，进而减轻柴油发电机碳烟和CO的排放。

      多次喷射技术在控制燃烧放热速率方面比单次喷射具有更大的灵活性，合理的数据选择可使颗粒物、氮氧化物排放和平均高效压力之间获得良好的折衷，能够同时减小氮氧化物和颗粒物的排放。多次喷射技术可以实现共轨直喷（CRDI），通过操作能够精确控制喷油压力和喷油正时的电喷电磁阀，进而实现对喷油正时和喷油量的精确控制。多次喷射技术包含三种喷射方法，预喷射、主喷射和后喷射。在预喷射过程中喷入一定量的燃料，提升主喷射之前的温度，减小点火延迟，从而减轻主喷射程序中预混燃烧的燃料燃烧率，较终通过减少峰值压力来减小爆震。

      探讨了多次喷射对重型柴油发电机性能和排放的危害，预喷射可以在小负载时改进柴油发电机的NO?、CO和比油耗，但在大负载时没有明显的危害，多次喷射可以促进油气混合，提升碳烟的氧化转速，从而降低柴油发电机的颗粒物排放。由于预喷射流程中的产物具有偏高的温度和过低的氧含量，会导致大部分时间内颗粒物排放量的增加。

      燃烧后控制技术具体是通过使用附加系统或装备对燃烧产物进行过滤和催化清除的机外净化技术。柴油发电机颗粒物排放控制的物理过滤技术始于?0世纪80年代，可用于柴油颗粒捕集的过滤介质种类繁多，如金属丝网、陶瓷纤维、多孔陶瓷载体等。目前应用较广泛的是柴油颗粒滤清器（DPF），也被称为柴油颗粒捕集器，其核心部件是由堇青石或碳化硅制成的蜂窝陶瓷载体。当气体通过多孔壁时，这些蜂窝状的过滤体将颗粒物捕获。这类滤清器一般被称为陶瓷壁流过滤器。壁流式蜂窝陶瓷有类似普通蜂窝陶瓷的平行孔道，但不同的是相邻的蜂窝孔道两端交替堵孔，柴油发电机尾气进入上游端开口的过滤器孔道后，因为孔道的末端被堵住，迫使气体流经多孔的薄壁进入相邻的孔道，相邻孔道在下游端打开，过滤后的气体从下游端出口排入大气中。滤清器壁被布置成适合的孔隙度，使得尾气能顺利流通，减轻装置的压力降，而其中的碳烟颗粒被过滤下来，沉积在孔壁上。壁流式蜂窝陶瓷单位体积的过滤面积较大，过滤效率偏高，通常可达98％以上。

      颗粒物在滤清器中的过滤和收集相对较容易，较困难和较具挑战性的工作是清除滤清器中收集的碳烟颗粒。滤清器在被碳烟颗粒堵塞前需要进行再生解决，以使过滤器恢复到原来的清洁状态。在再生过程中，滤清器中收集的碳烟颗粒氧化成二氧化碳，同时还要保证陶瓷过滤基体在再生流程中产生的发烫下不会熔化或开裂。根据再生举措的不一样，柴油颗粒过滤器的再生技术可分为主动再生和被动再生两大类。

      主动再生指的是利用外加能源来提升滤清器内的温度，使积存在过滤体内的颗粒升温、自燃，以减少过滤体内的颗粒。主动再生的实现步骤主要有燃烧器再生、电加热再生、微波加热再生和红外加热再生等。燃烧器再生通过在过滤器前端放置一个燃烧器，使柴油颗粒滤清器再生。在这个装置可以在所有发电机速度和负荷工况下进行再生，再生效率一般在90%以上。当碳烟沉积在滤清器上，由一个压差传感器监测过滤器的背压值。随着滤清器中的碳烟颗粒的不断积聚，当背压值上升到一定程度时，由该传感器向ECU发送信号。ECM给DPF上游的燃料燃烧器发出信号，喷入柴油和二次空气，燃烧后引燃颗粒，碳烟开始氧化。随着燃烧的开始，温度的升高会加载碳烟的燃烧，从而导致温度的不可控升高和过虑基体的熔化。

      为了控制再生过程中的温度，燃烧器可以在再生循环程序中中途关闭，确保将滤床温度梯度和峰值温度控制在一个临界水平以下，以预防过滤器的开裂和熔化。电加热再生在原理上与燃烧器再生机构类似，不同之处是电加热再生装置采用电阻加热代替了复杂的燃烧器和电喷机构。电加热系统的再生效率可达87%以上，电力由同步交流发电机提供，电加热系统需要排除运行步骤中耗电量高的问题，通常柴油发电机的DPF再生系统大概需要3 kW的加热器。此外，电加热系统容易由于加热的不均匀性造成过滤体再生的不均匀，造成过滤体的局部过热而故障。微波加热再生是利用微波独有的选择加热和体积加热特征在过滤体内部形成空间分布的热源康明斯发电机厂家推荐，对沉积在过滤体上的碳颗粒进行原位加热着火燃烧，具有偏高的CO?购买性和碳烟燃烧效率。

      柴油发电机废气污染对人类健康造成重大危害康明斯发电机型号规格，颗粒物是废气污染的主要结构部分之一。它们小到足以被吸入肺部，甚至渗透进血液循环装置，引发诸如心血管疾病、癌症、哮喘等健康问题。因此，对背景空气中的颗粒物进行实时、正确、可靠的检测和分析至关重要。本文将推荐几种易损的颗粒物检测方法。

      激光散射粒度仪是通过散射光谱解析颗粒物的形态、大小、浓度及分布情形。该仪器机理借助激光束辐射到颗粒物，吸收部分能量，并向所有方向发射散射光，再利用散射光强、角度分布、时间分布等指标对样品进行分析。运用颗粒物品质和散射强度之间的某种关系进行计算，可以得到颗粒物的品质浓度及大小分布。激光散射粒度仪具备检查快速、正确度高及范围广等优势，而且还能自动测试，无需人工干预和特殊排除，因此在颗粒物检测方面应用广泛。

      移动式烟气颗粒物品质测量仪是专门适合于检修柴油发电机烟气、工业废气和工地扬尘等环境的颗粒物检查仪器。其详细机理是利用滤纸、毛细管等材料对颗粒物进行过滤和捕集，再利用净重法检测品质浓度。通过化学计量式计算颗粒物的品质浓度和总品质，从而得出其浓度值。移动式烟气颗粒物品质测量仪正确度高，灵敏度好，适用于在场地实时检测环境中的颗粒物污染问题，但因为其无法确定每个颗粒物的粒径分布及运动状态等特征，对于复杂环境，其判定方法的准确性可能会受到一定危害。

      扫描电子显微镜可以对高分辨率图像进行拍摄，图像中的各种微观组织与零件都可以通过电子束照射而清晰可见。通过该仪器可以直接观察到颗粒物的外观形态、粒径大小、表面微观构造和内部形态，可用于解析颗粒物形态结构、内部成分、材料组分及其物理化学性质等。但是，该检修手段一般需要显微镜技术人员进行操作，需要经过特殊的实验室条件，且仪器造价昂贵，一般用于科学研究领域等实验室环境下的颗粒物检测。

      综上所述，不同的颗粒物检修对策各有优缺点，应根据不一样的场合和要求选取合适的方法进行检测。人们对空气质量的关注度越来越高，对于颗粒物的检查作业，未来的研究还需要不断增强检测仪器的正确度、稳定性和适合范围，并探索更加自动化和便携化的颗粒物检查仪器。

      柴油发电机颗粒过滤器如图1所示，根据GB17691－2001《压燃式发电机排气污染物排放限值及测定措施》和ISO8178规范要求完成柴油发电机颗粒物排放的测试。本实验通过测定柴油发电机颗粒物排放和有关性能数据，使用户了解柴油发电机颗粒物的产生机理及颗粒物测试机理和测试机构。要求测试人员完成柴油发电机台架的实验测试并提交记录报告和计算剖析结果。

      如图2所示，实验包括柴油发电机、测功器及其控制机构、油耗测量仪、EEPS3090颗粒物解析仪、空压机、储气瓶柴油发电机组价格一览表、干燥器、微量天平、转速传感器、空气流量计和各温度压力探头。

（1）提前一天预热微量天平，实验前至少一小时将每对滤纸置入规定温度和湿度的称重室中进行稳定；

（5）盘车检查柴油发电机各部件与机构是否正常，然后启动，空载运转五分钟，调整控制机构，变化柴油发电机转速和负载，预热发电机，使柴油发电机水温、油温等数据趋于正常；

（6）将一对滤纸放入微量天平进行称重并记录，作为参考滤纸。再另将一对滤纸放入微量天平进行称重并记录，并将其装到滤纸架上，用作颗粒物采集滤纸；

（7）在分析仪界面上建立新的测试循环，选型CVS方法，设定采样比和思坦因数，将柴油发电机各测试工况点的排烟流量估计值依次填入解析仪界面的相应栏内；

（8）调节柴油发电机转速和负载到测试工况点，待柴油发电机运行稳定，进行柴油发电机颗粒物排放的测试，同时记录柴油发电机速度、功率(或功率)、排烟温度、空气流量、燃油流量、进气压力和温度、环境因素(大气压力、大气温度和相对湿度)、实验日期、存储文件名等；

（9）测定完毕后，将滤纸从滤纸架里取出并放入称重室稳定至少一小时，然后再次称重，并得出两次称重的差值作为颗粒物毛重；

      将称重所得颗粒物值以及测试工况点实际排烟流量值输入解析仪结果解析栏，计算柴油发电机颗粒物排放值，然后将所得数据填入表1中并呈交于被测试柴油发电机的所在单位。

      颗粒物是柴油发电机的具体排放物之一，对人类和环境都会产生有害影响。长期暴露于颗粒物除了导致呼吸系统疾病外，对心血管机构、神经装置、生殖系统都有一定的危害性，并可引起突变和癌症的产生。生物柴油和含氧燃料添加剂能够大幅降低颗粒物的排放，乳化燃料在降低颗粒物排放的同时，能够高效降低氮氧化物的排放，但其对于表面活性剂的依赖性偏高，成本上不占特征。减轻喷嘴孔径和增大喷射压力将使颗粒物含量大幅减小，随着共轨直喷技术的发展，多次喷射在控制燃烧放热速率方面比单词喷射具有更大的灵活性，合理购买数据可同时减少颗粒物和氮氧化物的排放。采用柴油颗粒滤清器捕集颗粒物并以主动再生或被动再生的方式进行燃烧排除，是目前用于减小颗粒物排放、满足当前排放要求的较佳方法。主动再生技术的可靠性高、工况适应性好、对燃料的硫含量和排烟温度不敏感，但需要额外的能源消耗，线路构成复杂，系统总体成本偏高；被动再生技术机构组成相对简单，成本过低，但对排烟温度有一定的要求，对燃油硫含量比较敏感，需要定期清理和维保。随着技术的进步和排放标准的日益苛刻，被动再生技术和主动再生技术不断融合，一般情形下DPF机构通过燃油添加剂或催化剂等降低颗粒的着火温度来实现被动再生，当无法满足被动再生要素时启动主动再生，这种被主动结合再生技术对燃油硫含量和排温无要求，且较被动再生按期清理维保的周期长，具有良好的运用前景。