空氣中的超細顆粒與空氣呼吸

空氣中的超細顆粒與空氣呼吸

影響hc的超細顆粒空氣中的懸浮顆粒會對人體健康產(chǎn)生危害。根據(jù)粒徑，懸浮顆粒通常分為粗顆粒（pm.5.10）、細顆粒（pm.5）和細顆粒（粒徑小于100nm）。其中空氣中的超細顆粒濃度和機動車(尤其是柴油車)流量之間有顯著的相關(guān)性,這些超細顆粒上附著大量HC等有害物質(zhì),容易深入到人體支氣管和肺泡內(nèi),引起嚴重的呼吸系統(tǒng)疾病。歐美等發(fā)達國家近年來相繼開展了關(guān)于柴油機排氣超細顆粒的研究,Abdul-Khalek和Shi等對柴油機的顆粒數(shù)濃度和粒徑分布等排放特征進行了研究。本文采用TSI公司的3034型掃描遷移顆粒粒徑分析儀,通過自行設(shè)計的兩級顆粒稀釋采樣系統(tǒng),對一國產(chǎn)6缸直噴柴油機排氣顆粒的數(shù)濃度和粒徑分布特征進行了測試研究。1試驗設(shè)備和試驗條件1.1測試發(fā)動機試驗用發(fā)動機為直噴渦輪增壓柴油發(fā)動機,發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示。試驗用燃料為市售0#柴油,含硫量為4.08×10-4。1.2顆粒濃度測量分析儀器采用TSI公司的3034型掃描遷移顆粒粒徑分析儀(SMPS),儀器的基本原理是:攜帶氣溶膠的氣流首先通過分割粒徑為808nm的旋風(fēng)分離器,從而除去其中的大顆粒,再經(jīng)過Kr-85靜電中和器消除靜電影響,然后采用靜電分級器來測量顆粒物尺寸,并采用凝聚顆粒計數(shù)器(CPC)來測定顆粒物的濃度,進氣流量為1L/min,顆粒測量范圍為10～487nm,共分54個粒徑分級,每3min完成整個粒徑范圍的一個掃描,測試顆粒濃度為(102～107)個/cm3。1.3級稀釋通道的稀釋比例排氣微粒在引入測試設(shè)備之前,要首先經(jīng)過稀釋和冷卻,以滿足測試儀器的溫度要求和濃度量程。本文自行研制了一套顆粒稀釋取樣系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1。具體過程為:部分柴油機排氣經(jīng)排氣引入管被引入一級稀釋通道中,經(jīng)過過濾的稀釋空氣也同時被引入一級稀釋通道內(nèi),稀釋空氣和引入的排氣經(jīng)一級稀釋通道稀釋混合后,將部分混合氣引入二級稀釋通道進一步進行稀釋,稀釋后的部分混合氣被引入SMPS進行測試,為防止氣態(tài)前體物在管壁上的凝結(jié),排氣引入管使用了加熱裝置,使顆粒引入管內(nèi)氣流溫度保持在300℃以上,通過風(fēng)速計和溫濕度計觀察通道內(nèi)的氣體流量和溫濕度變化,通過調(diào)節(jié)安裝于排氣引入管上的閥門,調(diào)節(jié)進入通道內(nèi)的廢氣量,從而控制一級稀釋通道的稀釋比例。稀釋比例的確定是通過相同工況下同時測試排氣管和稀釋后的混合氣中的CO2的濃度而得到的,稀釋比例計算公式如式(1):稀釋比例試驗過程中一級通道稀釋比為15,二級通道為30,總稀釋比為450。所選稀釋比例既滿足顆粒測試設(shè)備的濃度范圍,同時保證所有測試工況下稀釋后的排氣顆粒數(shù)濃度均高于通道內(nèi)稀釋空氣的顆粒濃度,下文得到顆粒數(shù)濃度均為除掉通道內(nèi)背景顆粒后的結(jié)果。1.4負荷和高速慢速增標壓力d柴油試驗工況包括中間轉(zhuǎn)速1400r/min,負荷為1000/0、750/0、500/0、250/0和100/0;高轉(zhuǎn)速2200r/min,負荷為800/0、600/0、400/0、200/0、60/0以及800r/min怠速。由于要滿足SMPS的掃描周期,以及為消除上一個工況的影響,因此每個工況至少運行10min,進行3組采樣測試。2試驗結(jié)果2.1不同轉(zhuǎn)速排氣顆粒數(shù)濃度圖2給出了測試工況下排氣顆粒的數(shù)濃度和體積濃度。1400r/min和2200r/min轉(zhuǎn)速下發(fā)動機排氣顆粒數(shù)濃度分別為(0.039～0.147)個/μm3和(0.287～2.45)個/μm3,顯然高轉(zhuǎn)速下排氣顆粒數(shù)濃度大于中間轉(zhuǎn)速排氣顆粒數(shù)濃度。假設(shè)排氣顆粒均呈球形,從而得到顆粒的體積濃度。1400r/min和2200r/min時,發(fā)動機排氣顆粒體積濃度分別為(3.25～43.2)μm3/mm3和(11.5～68.3)μm3/mm3,可見,高轉(zhuǎn)速下排氣顆粒體積濃度高于中間轉(zhuǎn)速下的排氣顆粒體積濃度。2200r/min時,發(fā)動機排氣顆粒數(shù)濃度和體積濃度均隨負荷增加而增大。1400r/min時,隨負荷增大,排氣顆粒體積濃度增大,而其數(shù)濃度無顯著的規(guī)律性變化。怠速工況下,排氣顆粒數(shù)濃度和體積濃度大于其它某些工況。2.2粒度分布2.2.1高轉(zhuǎn)速下的排氣顆粒和細菌碳粒聚合反應(yīng)圖3和圖4分別給出了1400r/min和2200r/min轉(zhuǎn)速下不同負荷及怠速工況下柴油機排氣顆粒的數(shù)濃度粒徑分布。圖3和圖4得到測試工況下排氣顆粒呈包括核模態(tài)(峰值粒徑為10nm～20nm)和積聚模態(tài)(峰值粒徑為50nm～80nm)的雙峰對數(shù)正態(tài)分布,顆粒分布參數(shù)如表2所示。積聚模態(tài)主要是由于柴油或潤滑油經(jīng)不完全燃燒而產(chǎn)生的一次碳粒(粒徑為2nm左右)聚積成團并凝結(jié)有部分HC和硫酸等半揮發(fā)組分形成的。如圖3和圖4所示,相同轉(zhuǎn)速下,積聚模態(tài)數(shù)濃度均隨負荷增加而增大;高轉(zhuǎn)速下比中間轉(zhuǎn)速下積聚模態(tài)的數(shù)濃度大,怠速工況下,排氣顆粒的積聚模態(tài)濃度較其它工況低1～2個數(shù)量級。因為生成碳粒的基本條件是高溫和缺氧。柴油機負荷增加,每循環(huán)噴油量增加,燃空比增加,燃燒向缺氧方向發(fā)展,缺氧條件下,燃油經(jīng)高溫加熱容易分解成低分子碳氫化合物,這些熱分解產(chǎn)物一面進行脫氫反應(yīng),一面聚合形成20nm～30nm大小的碳煙粒子,小粒子最后成長為50nm以上的大粒子。高轉(zhuǎn)速下,會使實際空燃比下降,同時每循環(huán)燃燒時間減少,使生成后的碳煙粒子來不及氧化就較多地排出機外,因此高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較多積聚模態(tài)粒子。如圖3和表2所示,1400r/min轉(zhuǎn)速下,排氣顆粒積聚模態(tài)峰值粒徑隨負荷增加先增大而后減小,有兩種作用機理,低負荷下,碳粒濃度較低,負荷增大,碳粒的生成量增加,高的碳粒濃度容易形成較長的碳粒聚團;同時負荷增大排溫升高,氧化作用使顆粒的m(H)/m(C)比降低,碳粒粒徑減小;積聚模態(tài)峰值粒徑隨負荷的變化規(guī)律是兩者綜合作用的結(jié)果。2200r/min轉(zhuǎn)速下,排氣顆粒積聚模態(tài)峰值粒徑隨負荷變化無明顯變化。顯然,高轉(zhuǎn)速下的積聚模態(tài)峰值粒徑小于中間轉(zhuǎn)速下積聚模態(tài)的峰值粒徑,每循環(huán)燃燒過程的時間減少,顆粒的凝并受到抑制。核模態(tài)的成因比較復(fù)雜。通常認為核模態(tài)是由燃燒室內(nèi)形成的一次碳粒以及硫酸或HC等氣態(tài)前體物成核形成的二次顆粒物,同時成核作用受環(huán)境溫度濕度、排氣中已有顆粒濃度的比表面積以及系統(tǒng)的沉積和揮發(fā)等因素影響。由圖3、圖4和表2得到中間轉(zhuǎn)速下,核模態(tài)數(shù)濃度隨負荷增加無規(guī)律性變化;而高轉(zhuǎn)速下,顆粒數(shù)濃度隨負荷增加而增大。中間轉(zhuǎn)速下,核模態(tài)主要分布于20nm以下,峰值粒徑為10nm左右,而高轉(zhuǎn)速下,核模態(tài)主要分布于40nm以下,峰值粒徑為20nm左右。高轉(zhuǎn)速比中間轉(zhuǎn)速的峰值粒徑大10nm左右。可能是由于高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較多的細碳粒子生成,排出后仍以核模態(tài)存在,確切原因需進一步試驗驗證。由表2可見,核模態(tài)峰值粒徑隨負荷增大有減小趨勢,在小負荷時,HC濃度較大;負荷增大,溫度升高,HC濃度降低。HC濃度越高,凝結(jié)于一次碳粒和硫酸成核物上的HC越多,從而使核模態(tài)峰值粒徑增大。由表2知核模態(tài)的數(shù)量百分比為64.20/0～99.10/0,而核模態(tài)體積百分比為僅為0.20/0～23.80/0,因此核模態(tài)在總排氣顆粒中所占的數(shù)量百分比較大,而核模態(tài)在總排氣顆粒中所占的體積百分比較小。怠速工況下核模態(tài)的數(shù)量百分比和體積百分比均高于其它工況,這是由于怠速工況下碳煙濃度較低,碳煙的比表面積下降,碳煙對硫酸和HC等揮發(fā)和半揮發(fā)組分的吸附能力下降,均相成核或凝結(jié)作用增強,排氣中容易形成較多的細顆粒。對顆粒的粒徑分布進行擬合,得到1400r/min和2200r/min工況下排氣顆粒核模態(tài)和積聚模態(tài)均呈對數(shù)正態(tài)分布,圖5和圖6分別給出了發(fā)動機在1400r/min、250/0負荷以及2200r/min、600/0負荷工況下排氣顆粒數(shù)濃度粒徑分布的擬合結(jié)果。2.2.2速工況排氣顆粒的體積濃度圖7和圖8分別給出了發(fā)動機在1400r/min和2200r/min轉(zhuǎn)速下不同負荷及怠速工況柴油機排氣顆粒的體積濃度粒徑分布。從中可見排氣顆粒的體積濃度均呈雙峰分布,分別對應(yīng)核模態(tài)和積聚模態(tài)。相同轉(zhuǎn)速下,積聚模態(tài)體積濃度均隨負荷增加而增大,核模態(tài)體積濃度沒有顯著規(guī)律性變化。粒徑分布:核模態(tài)峰值粒為(10～30)nm,積聚模態(tài)峰值粒徑為(100～400)nm。3負荷變化時顆粒的聚合反應(yīng)和下聚氧基(1)測試工況下柴油機排氣顆粒數(shù)濃度均呈包括核模態(tài)(峰值粒徑為10nm～20nm)和積聚模態(tài)(50nm～80nm)的雙峰對數(shù)正態(tài)分布。(2)高轉(zhuǎn)速下排氣顆粒數(shù)濃度和體積濃度大于中間轉(zhuǎn)速時的數(shù)濃度和體積濃度。相同轉(zhuǎn)速下,顆粒體積濃度隨負荷增加而增大。數(shù)濃度在高轉(zhuǎn)速下隨負荷增大而增加,但中間轉(zhuǎn)速下數(shù)濃度隨負荷增加無規(guī)律性變化。相同轉(zhuǎn)速下,積聚模態(tài)數(shù)濃度隨負荷增加而增大,核模態(tài)數(shù)濃度高轉(zhuǎn)速下隨負荷增大而增加,但中間轉(zhuǎn)速