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【摘要】柴油机的微粒排放问题制约着轿车用柴油机在我国的进一步发展，本文分析了微粒的组成和危害。解决微粒排放问题对推动轿车用柴油机的蓬勃发展和节能减排具有重要的意义。
【关键词】柴油机；微粒排放；微粒污染
【中图分类号】TK 【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2012）06-0126-1.5
柴油机自十九世纪末诞生以来，因其较汽油机燃烧热效率高、输出功率大等优点，被广泛应用于船舶、铁路、汽车、农业机械、工程机械、军事车辆和发电机组等领域，特别是在车用动力方面的优势最为明显，几乎独占重型汽车领域。柴油机目前也被认为是产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的动力机械装置之一，已经成为世界上的主流动力机械。世界各国，尤其是发达国家政府高度重视轻型柴油机的发展，采取多种措施促进乘用柴油车的应用与普及。轻型柴油车在我国存在着广阔的拓展空间，但是微粒排放问题一直是制约轿车柴油机在我国进一步发展的瓶颈。有效解决柴油机微粒排放问题，推动轿车柴油机在我国的蓬勃发展，对于减少单位功的能源消耗、降低能源耗费，削弱石油资源矛盾、保证我国的能源安全，确保国民经济持续、健康、稳定地可持续发展具有十分重要的意义。
柴油机微粒组成。尽管柴油机的HC和CO排放均小于汽油机，但微粒排放却阻碍着柴油机被更为广泛地应用，且柴油机的缸内燃烧过程中NOx和PM的生成条件存在背反关系，即便通过缸内技术降低其中之一，另外一者必然升高，如图1.1所示。随着EGR技术在柴油机上的广泛应用和不断发展，NOx的排放已经得到了有效地抑制。但是柴油机微粒排放的降低在目前仍然具有较大难度，柴油机的微粒排放仍是城市空气的主要污染源之一。
目前，国际上多采用美国环保局（EPA）制定的微粒稀释质量法规作为评价柴油机微粒排放水平的标准，EPA对柴油机排放微粒的定义是：“柴油机的排气经干净室温空气稀释后冷却至51.7℃，稀释气体流过聚四氟乙烯树脂滤纸，经滤纸过滤收集到的除非化合形态凝聚水外其他所有固体状和液体状的物质”。
柴油机排放微粒包括燃烧过程产生的颗粒，以及柴油机排气中的气态、液态和固态化学成分之间在大气条件下发生化学和物理变化产生的颗粒。柴油机排放的微粒是一种复杂聚合物，主要由四种基本物质组成：（1）固体物质（C），即干碳颗粒、俗称碳烟（soot），它是微粒聚集物的核心；（2）可溶性有机物（SOF），主要成分是缸内燃烧过程中未燃的HC（主要来源于未燃燃料和未燃润滑油），其吸附在碳颗粒的表面，可以被有机溶剂溶解、萃取，故也被称为可溶性有机物（SOF的组成物质有近百种，多为烷烃和多环芳香烃系列）；（3）硫酸盐物质（SO4），亦称为硫酸盐水合物，是柴油中的硫成分在燃烧过程中经氧化生成的；（4）灰分（ASH），是润滑油中金属成分在缸内燃烧后的产物，主要有Ca、PS、Zn、Mg、等物质。
英国Ricardo公司利用气相色谱仪研究了柴油机排放的微粒，结果表明微粒中各组分的含量为：碳41%、未燃烃7%、未燃润滑油25%、硫化物和水14%，其他物质13%。利用电子显微镜观察柴油机排放的微粒发现：微粒外表面并不是理想的球状，而是由更微小的颗粒（0.01-0.05μm）以凝聚的形式组成链或絮状的聚合物。微粒的直径绝大多数都小于1μm，远小于一般的空气中悬浮颗粒，其危害较空气中悬浮颗粒更大。图1、图2分别为柴油机排气微粒的实际形态和结构示意图。
柴油机微粒的生成机理。柴油机微粒排放的生成机理非常复杂，其重要组成部分碳烟生成的主要原因是：缸内燃烧过程的相对高温和缺氧。柴油机的燃烧过程中，缸内状态总体上是富氧，但是整个燃烧过程为扩散燃烧，活塞上行至压缩上止点附近时，柴油以微小油滴的形式被喷入气缸内，在极短的时间内与缸内气体混合、燃烧，这一过程中缸内局部混合、燃烧的不均匀，形成局部缺氧、高温的条件，导致了碳烟生成。一般认为：最初是烃类燃料在燃烧过程中，受到气缸内的高温缺氧的影响，少量烃类燃料裂解生成碳颗粒，之后形成烧结物，同时聚合了其他多种有机物和无机物（其中的主要聚合物为SOF）。
SOF由燃料和润滑油的未燃成分组成，这些成分大体上是在燃料难以氧化的条件下生成的，包括熄火区、燃气温度和燃烧室壁面温度较低的部位、燃气过分稀薄区域、以及在膨胀行程中燃气浓度过高的区域等。研究表明：柴油机微粒的产生原因不仅是缸内燃烧的不充分，同时还有相当部分的机油消耗和柴油品质不佳等因素影响，即微粒中包含的灰质和硫酸盐成分。
柴油机微粒的危害。微粒颗粒物的浓度、粒径大小和在空气中的悬浮时间，是衡量其对人体健康的影响重要因素。微粒直径越小，其沉积速度越低、在空气中漂浮时间就越长。由于柴油机排放的微粒直径大多在0.01μm～1.0μm之间，有些微粒的直径甚至更小的，其沉积速度会进一步减弱。英国环境保护部门的研究结果表明：直径为2.5μm的微粒在大气中的停留时间为7-30天。可见，小直径微粒在气流的作用下可能进行远距离传输、污染更远的地方、造成更大的危害。
柴油机微粒可以引起多种疾病。长期漂浮在空气中的微粒，能够通过人体的呼吸轻易地进入体内，刺激肺壁、进入血液，造成慢性肺炎、哮喘和心脏病，更小的微粒甚至可以进入人体影响内分泌系统，并对人的DNA造成损伤。微粒直径越小，对人体健康的威胁越大。美国联邦环保局进行的病毒试验证实：柴油机微粒中SOF的毒性比汽油机的大得多，吸附在碳粒表面的挥发性和可溶性物质具有诱变作用，这些诱变物质的90%以上是致癌物质。
柴油机排放的微粒除了对人体有害外，还会降低大气的能见度。微小颗粒具有很强的散光效果，还会产生消光效应，降低了物体和环境之间的对比度。研究结果表明：能见度的高低与大气中PM10和PM2.5的性质密切相关，多数微粒的消光系数是透明颗粒物的2-3倍，有些微粒甚至可以导致某些地方的能见度降低一半。此外，柴油机排放的微粒还具有腐蚀性，覆盖在材料上的微粒同其他污染物共同作用，影响材料的使用性能、造成建筑物表面污损、腐蚀暴露在外界的材料等等[38]。特别是柴油轿车多在市区或城郊行驶，城市建筑物对空气流的阻碍作用使得微粒排放消散难度加大，间接增加了柴油机微粒排放的危害程度。
【参考文献】
[1]刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]李勤.现代内燃机排气污染物的测量与控制[M].北京：机械工业出版社.1999.
【作者简介】刘国夫：装甲兵技术学院机械工程系。 池俊成：装甲兵技术学院机械工程系。 刘凤军：装甲兵技术学院机械工程系。 王云开：装甲兵技术学院机械工程系。
【关键词】柴油机；微粒排放；微粒污染
【中图分类号】TK 【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2012）06-0126-1.5
柴油机自十九世纪末诞生以来，因其较汽油机燃烧热效率高、输出功率大等优点，被广泛应用于船舶、铁路、汽车、农业机械、工程机械、军事车辆和发电机组等领域，特别是在车用动力方面的优势最为明显，几乎独占重型汽车领域。柴油机目前也被认为是产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的动力机械装置之一，已经成为世界上的主流动力机械。世界各国，尤其是发达国家政府高度重视轻型柴油机的发展，采取多种措施促进乘用柴油车的应用与普及。轻型柴油车在我国存在着广阔的拓展空间，但是微粒排放问题一直是制约轿车柴油机在我国进一步发展的瓶颈。有效解决柴油机微粒排放问题，推动轿车柴油机在我国的蓬勃发展，对于减少单位功的能源消耗、降低能源耗费，削弱石油资源矛盾、保证我国的能源安全，确保国民经济持续、健康、稳定地可持续发展具有十分重要的意义。
柴油机微粒组成。尽管柴油机的HC和CO排放均小于汽油机，但微粒排放却阻碍着柴油机被更为广泛地应用，且柴油机的缸内燃烧过程中NOx和PM的生成条件存在背反关系，即便通过缸内技术降低其中之一，另外一者必然升高，如图1.1所示。随着EGR技术在柴油机上的广泛应用和不断发展，NOx的排放已经得到了有效地抑制。但是柴油机微粒排放的降低在目前仍然具有较大难度，柴油机的微粒排放仍是城市空气的主要污染源之一。
目前，国际上多采用美国环保局（EPA）制定的微粒稀释质量法规作为评价柴油机微粒排放水平的标准，EPA对柴油机排放微粒的定义是：“柴油机的排气经干净室温空气稀释后冷却至51.7℃，稀释气体流过聚四氟乙烯树脂滤纸，经滤纸过滤收集到的除非化合形态凝聚水外其他所有固体状和液体状的物质”。
柴油机排放微粒包括燃烧过程产生的颗粒，以及柴油机排气中的气态、液态和固态化学成分之间在大气条件下发生化学和物理变化产生的颗粒。柴油机排放的微粒是一种复杂聚合物，主要由四种基本物质组成：（1）固体物质（C），即干碳颗粒、俗称碳烟（soot），它是微粒聚集物的核心；（2）可溶性有机物（SOF），主要成分是缸内燃烧过程中未燃的HC（主要来源于未燃燃料和未燃润滑油），其吸附在碳颗粒的表面，可以被有机溶剂溶解、萃取，故也被称为可溶性有机物（SOF的组成物质有近百种，多为烷烃和多环芳香烃系列）；（3）硫酸盐物质（SO4），亦称为硫酸盐水合物，是柴油中的硫成分在燃烧过程中经氧化生成的；（4）灰分（ASH），是润滑油中金属成分在缸内燃烧后的产物，主要有Ca、PS、Zn、Mg、等物质。
英国Ricardo公司利用气相色谱仪研究了柴油机排放的微粒，结果表明微粒中各组分的含量为：碳41%、未燃烃7%、未燃润滑油25%、硫化物和水14%，其他物质13%。利用电子显微镜观察柴油机排放的微粒发现：微粒外表面并不是理想的球状，而是由更微小的颗粒（0.01-0.05μm）以凝聚的形式组成链或絮状的聚合物。微粒的直径绝大多数都小于1μm，远小于一般的空气中悬浮颗粒，其危害较空气中悬浮颗粒更大。图1、图2分别为柴油机排气微粒的实际形态和结构示意图。
柴油机微粒的生成机理。柴油机微粒排放的生成机理非常复杂，其重要组成部分碳烟生成的主要原因是：缸内燃烧过程的相对高温和缺氧。柴油机的燃烧过程中，缸内状态总体上是富氧，但是整个燃烧过程为扩散燃烧，活塞上行至压缩上止点附近时，柴油以微小油滴的形式被喷入气缸内，在极短的时间内与缸内气体混合、燃烧，这一过程中缸内局部混合、燃烧的不均匀，形成局部缺氧、高温的条件，导致了碳烟生成。一般认为：最初是烃类燃料在燃烧过程中，受到气缸内的高温缺氧的影响，少量烃类燃料裂解生成碳颗粒，之后形成烧结物，同时聚合了其他多种有机物和无机物（其中的主要聚合物为SOF）。
SOF由燃料和润滑油的未燃成分组成，这些成分大体上是在燃料难以氧化的条件下生成的，包括熄火区、燃气温度和燃烧室壁面温度较低的部位、燃气过分稀薄区域、以及在膨胀行程中燃气浓度过高的区域等。研究表明：柴油机微粒的产生原因不仅是缸内燃烧的不充分，同时还有相当部分的机油消耗和柴油品质不佳等因素影响，即微粒中包含的灰质和硫酸盐成分。
柴油机微粒的危害。微粒颗粒物的浓度、粒径大小和在空气中的悬浮时间，是衡量其对人体健康的影响重要因素。微粒直径越小，其沉积速度越低、在空气中漂浮时间就越长。由于柴油机排放的微粒直径大多在0.01μm～1.0μm之间，有些微粒的直径甚至更小的，其沉积速度会进一步减弱。英国环境保护部门的研究结果表明：直径为2.5μm的微粒在大气中的停留时间为7-30天。可见，小直径微粒在气流的作用下可能进行远距离传输、污染更远的地方、造成更大的危害。
柴油机微粒可以引起多种疾病。长期漂浮在空气中的微粒，能够通过人体的呼吸轻易地进入体内，刺激肺壁、进入血液，造成慢性肺炎、哮喘和心脏病，更小的微粒甚至可以进入人体影响内分泌系统，并对人的DNA造成损伤。微粒直径越小，对人体健康的威胁越大。美国联邦环保局进行的病毒试验证实：柴油机微粒中SOF的毒性比汽油机的大得多，吸附在碳粒表面的挥发性和可溶性物质具有诱变作用，这些诱变物质的90%以上是致癌物质。
柴油机排放的微粒除了对人体有害外，还会降低大气的能见度。微小颗粒具有很强的散光效果，还会产生消光效应，降低了物体和环境之间的对比度。研究结果表明：能见度的高低与大气中PM10和PM2.5的性质密切相关，多数微粒的消光系数是透明颗粒物的2-3倍，有些微粒甚至可以导致某些地方的能见度降低一半。此外，柴油机排放的微粒还具有腐蚀性，覆盖在材料上的微粒同其他污染物共同作用，影响材料的使用性能、造成建筑物表面污损、腐蚀暴露在外界的材料等等[38]。特别是柴油轿车多在市区或城郊行驶，城市建筑物对空气流的阻碍作用使得微粒排放消散难度加大，间接增加了柴油机微粒排放的危害程度。
【参考文献】
[1]刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]李勤.现代内燃机排气污染物的测量与控制[M].北京：机械工业出版社.1999.
【作者简介】刘国夫：装甲兵技术学院机械工程系。 池俊成：装甲兵技术学院机械工程系。 刘凤军：装甲兵技术学院机械工程系。 王云开：装甲兵技术学院机械工程系。