,
孙平1,
苏雯博2,
孟建1,
万垚峰1 2. 中国重型汽车集团有限公司, 浙江 杭州 311231
2. China National Heavy Duty Truck Group Limited Company, Hangzhou 311231, China
现代柴油机具有动力强、油耗低、可靠性高等特点, 但排放的微纳米级颗粒物给大气环境和人类健康带来极大危害[1-4].如何降低柴油机排气中颗粒的排放量是一个亟待解决的问题.随着柴油机后处理技术的应用, 颗粒物排放总质量大幅度减少, 但是对微纳米级颗粒排放数目的控制效果不明显；在最新的颗粒物排放标准[5]中, 颗粒物数目的控制已成为主要的任务之一.
近年来, 荷电凝并技术(electrical agglomeration, EA)作为一种预处理手段, 具备高效、安全、无二次污染且适用范围广等优点, 是一种深具潜力的新型柴油机后处理技术手段[6-10].其中, 荷电技术主要是通过气体放电而产生, 放电形式主要包括电晕放电、辉光放电和介质阻挡放电等[11].电晕放电可以在高温常压下产生大量自由电子, 当电子引起碰撞电离后, 电子被驱往远离电极的空间, 并形成负离子, 相反则形成正离子, 产生的离子可以与柴油机排气中的颗粒碰撞, 使颗粒带电, 具有良好的工业应用前景.
目前, 荷电技术大部分运用于煤粉荷电, 如陈拴柱等[12]自行设计煤粉荷电及测量装置, 证明该荷电系统用于煤粉的可行性；刘伟军等[13]采用线筒式电极结构, 研究荷电电压、粒径、流速等因素对煤粉荷电特性的影响, 得出煤粉电晕荷电的规律特性；Boichot等[14-15]将荷电凝并技术运用到柴油机颗粒物试验, 利用静电低压冲击器(electrical low pressure impactor, ELPI), 评价带电颗粒物不同流速条件下凝并前、后的粒径分布及颗粒物数量减少率.综合国内外的研究现状[16-18]可以看出, 荷电技术广泛应用于电除尘领域, 但由于柴油机90%以上的颗粒物粒径小于1 μm[19], 运用于柴油机排气颗粒荷电性能的研究较少.对柴油机排气颗粒的电晕荷电特性进行系统试验研究具有重要的意义.本文以传统固体颗粒荷电理论[20-21]为基础, 设计了适用于柴油机排气颗粒的线筒式荷电及荷电量测量装置[22], 选取186F柴油机为试验发动机, 开展放电电压、分流排气流量、放电区域内部温度、电极材料和电极直径等放电参数下柴油机排气颗粒荷电特性的单因素试验研究, 选择合适的方式, 使柴油机排气颗粒更易荷电.
1 试验系统及流程 1.1 试验仪器和设备试验系统主要由流量控制系统、温度测控系统、荷电反应器和荷电量测量系统组成, 如图 1所示.该试验分流排气流量通过稳压筒、转子式流量计和采样泵控制；试验电源为大连泰思科技有限公司生产的TE4020正/负高压直流电源(测量精度为1%), 荷电反应器为同轴线筒结构, 荷电区域为直径为52 mm的不锈钢管, 绝缘介质为内径为3 mm, 壁厚为1.5 mm的陶瓷管, 放电电极位于不锈钢管轴心；温度测控系统通过离心风机对冷凝管进行冷却, 利用陶瓷管加热器提升排气温度, 采用PT100热电阻传感器检测荷电反应器放电区域内部温度；荷电量测量系统由自制的法拉第筒和北京华测试验仪器有限公司生产的EST111型数字电荷仪(准确度为0.5%读数+2数位)组成.
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1-柴油机; 2-稳压桶; 3-控制阀; 4-离心风机; 5-冷凝管; 6-继电器; 7-温控仪; 8-陶瓷管加热器; 9-负高压电源; 10-荷电反应器; 11-数字电荷仪; 12-法拉第筒; 13-转子流量计; 14-采样泵 图 1 荷电试验系统示意图 Fig. 1 Diagrammatic sketch of charged test system |
根据静电原理[23-24]研制的法拉第筒结构示意图如图 2所示, 包括PVC管、金属网、橡胶管、滤纸托架和不锈钢内外筒.其中, PVC管和橡胶管起绝缘和密封作用；前、后端金属网接地, 以屏蔽外部电场干扰；滤纸托架用来固定滤纸, 捕集进入法拉第筒的颗粒物；不锈钢内、外筒由硅胶隔绝, 内筒与数字电荷仪相连, 外筒接地.
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1-PVC管; 2-橡胶管; 3-金属网; 4-不锈钢外筒; 5-硅胶; 6-不锈钢内筒; 7-滤纸托架; 8-快速接头; 9-金属网 图 2 法拉第筒结构 Fig. 2 Structure of Faraday tube |
试验选取柴油机稳定运行工况如下：转速为2 400 r/min, 负荷为18 N·m.调节转子式流量计使分流排气流量稳定在设定值.打开陶瓷管加热器, 维持放电区域内部温度ta, 并调节正/负极高压电源Va.柴油机排气流过稳压筒, 将排气分流后流经冷凝管和加热装置, 分流作用可以避免捕集颗粒超出滤纸承载能力.分流排气经过荷电反应器作用后, 带电颗粒被法拉第筒检测荷电量并通过滤纸采集, 用微克天平秤(精度为10-6g)测量干燥后捕集前、后滤纸的质量变化, 确定荷电颗粒质量, 可得单位质量柴油机排气中颗粒物所带的荷电量, 即荷质比.颗粒荷质比的计算公式为
| ${A_{\rm{k}}} = \frac{Q}{{{m_2} - {m_1}}}.$ | (1) |
式中：Q为10 min累积荷电量, m2为10 min后滤纸质量, m1为滤纸初始质量.
验证试验结果的不确定性不超过5%, 每种试验情况均重复试验3次, 并根据Kline等[25]建立的方法计算标准差.计算结果表明, 当置信度为95%时, 不同放电电压、分流排气流量、内部温度、电极材料和电极直径下荷质比的标准差分别为1.9%、3.2%、1.5%、1.8%和2.6%.本文主要研究柴油机排气中颗粒的荷质比随不同放电参数的变化规律.
2 结果与分析 2.1 放电电压对颗粒荷质比的影响选取紫铜作为高压放电电极材料, 电极直径为1.5 mm, 分流排气流量为2 000 L/h, 放电区域内部温度为160℃, 分析不同电极施加电压对颗粒荷质比的影响规律.从图 3可以看出, 负极电压与正极电压表现出了相同的规律, 但是比正极放电时的荷电效果更好.当负极电压小于5 kV时, 颗粒未荷电；当负极电压不断增加时, 颗粒荷质比显著上升；当负极电压为11 kV时, 颗粒最大荷质比为284 μC/g；当负极电压超过11 kV时, 颗粒荷质比迅速下降.原因主要是在一定的负极电压下, 电压越高, 电场强度越高, 能量注入越多, 单位时间内电离产生的负离子越多, 颗粒与负离子碰撞的概率越大, 颗粒荷质比随之提高.负极性电晕放电相比正极性电晕放电, 电子引起碰撞电离而形成的负离子更容易扩散到空间中；当负极电压超过11 kV时, 由于该电压下场强和负离子数量浓度超过了气体击穿临界值, 致使电晕电流急剧增大, 超过高压电源保护电流1 mA, 荷电电压极不稳定, 电极局部产生蓝色火花, 发出滋滋声响, 颗粒荷质比急剧下降.
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图 3 电极施加电压对颗粒荷质比的影响 Fig. 3 Influence of discharge voltage enforced by electrodes on charge-mass ratio of particles |
不同分流排气流量对颗粒荷质比的影响规律如图 4所示.图中，Vn为负极电压.颗粒荷质比随着分流排气流量的增加, 先增加后减少；当负极电压为11 kV, 分流排气体积流量为2 000 L/h时, 颗粒荷质比的效果最好, 荷质比可达284 μC/g.理论上, 在相同电压下, 随着分流排气流量的减少, 荷电时间越长, 荷电反应器内颗粒与负离子的碰撞概率变大, 更利于提高颗粒荷质比.试验结果表明, 当分流排气流量为2 000 L/h时, 颗粒荷质比最高, 这说明当反应器其他特征参数确定后, 分流排气流量存在一个最佳值.原因是由于在颗粒的运动过程中接地极对带电颗粒的吸引, 当电极距离一定时, 由于分流排气流量的减小, 带电颗粒被接地的不锈钢圆筒收集的可能性变大, 未荷电颗粒不受影响, 颗粒物荷质比降低；随着分流排气流量的不断增加, 颗粒在荷电反应器内停留的时间减少, 颗粒荷电不足, 颗粒荷质比下降.
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图 4 分流排气流量对颗粒荷质比的影响 Fig. 4 Influence of partial exhaust flow on charge-mass ratio of particles |
试验选择负极电压分别为7和11 kV, 当分流排气流量为2 000 L/h时, 不同放电区域内部温度对颗粒荷质比的影响规律如图 5所示.当负极电压为7 kV时, 放电区域内部温度从40 ℃升高到80 ℃时, 颗粒荷质比急剧上升；在80~160 ℃下, 颗粒荷质比增加较缓慢.当负极电压为11 kV时, 线筒式荷电反应器达到起晕电压, 并电离产生负离子, 当气流温度为40 ℃时, 颗粒开始荷电.当放电区域内部温度从40 ℃升高到160 ℃时, 颗粒荷质比增加的变化幅度不大.主要原因是当放电区域内部温度较低时, -7 kV未达到线筒式荷电反应器起晕电压, 颗粒物未荷电；当温度达到80 ℃时, 起晕电压降低, -7 kV达到线筒式荷电反应器起晕电压, 颗粒荷电, 荷质比急剧上升.随着温度的不断上升, 排气密度小, 电子有较大的平均自由行程, 电离活度大, 因此电晕电流较大；整体电离活跃程度很小, 综合作用下颗粒荷质比的增加效果不明显.
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图 5 放电区域内部温度对颗粒荷质比的影响 Fig. 5 Influence of internal temperature of dischargearea on charge-mass ratio of particles |
选取紫铜与不锈钢2种电极材料, 电极直径为1.5 mm, 分流排气流量为2 000 L/h, 放电区域内部温度为160 ℃, 2种材料荷质比的对比效果如图 6所示.可知, 当负极电压为11 kV时, 紫铜放电电极的颗粒荷质比为284 μC/g, 该条件下对应的不锈钢放电电极的颗粒荷质比为214 μC/g, 不锈钢电极远低于紫铜电极颗粒荷质比.主要原因是在同一负极电压下, 产生相同的电场强度, 要使更多负离子与颗粒碰撞, 须提高电晕放电电流.电导率越大, 正离子流动更加容易, 使更多的负离子扩散到空间中去, 与颗粒碰撞的概率变高, 颗粒荷质比越大.紫铜和不锈钢的电导率分别为54和1.37, 这是紫铜电极较不锈钢电极颗粒荷质比高的原因.
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图 6 电极材料对颗粒荷质比的影响 Fig. 6 Influence of electrode material on charge-mass ratio of particles |
选取直径为1和1.5 mm的紫铜电极, 分流排气流量和放电区域内部温度保持不变, 在0~18 kV负极电压下, 对比2种电极直径下的颗粒荷质比, 如图 7所示.可知, 电极直径为1 mm时的颗粒荷质比较1.5 mm时的颗粒荷质比高, 当负极电压为16 kV时, 颗粒荷质比可达最大值, 为868 μC/g；当直径为1和1.5 mm的负极电压分别超过16和11 kV时, 电晕电流急剧增大, 局部发生火花放电, 颗粒荷质比急剧下降.主要原因是不同电极直径对应不同的起晕电压, 线筒式结构中放电电极直径越小, 电极间距越大, 起晕电压和击穿电压越高[26], 导致能量注入越多, 单位时间内电离产生的负离子越多, 颗粒与负离子碰撞的概率越大, 颗粒荷质比随之提高, 所消耗的能量越大.在实际应用中, 应选择合适的电极直径, 同时兼顾高效与节能.
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图 7 电极直径对颗粒荷质比的影响 Fig. 7 Influence of diameter of electrode on charge-mass ratio of particles |
(1) 在电极直径为1.5 mm的情况下, 负极电压越高, 电场强度越大, 单位时间内电离产生的负离子越多；当负极电压从5 kV增加到11 kV时, 荷质比提高了137%.当负极电压超过11 kV时, 电晕电流急剧增大, 局部产生蓝色火花, 颗粒荷质比急剧下降.
(2) 分流排气流量决定颗粒荷电时间及接地电极对颗粒的吸附程度, 从而影响颗粒荷质比.存在一最佳分流排气流量2 000 L/h, 使颗粒荷质比最大.
(3) 放电区域内部温度只影响起晕电压, 温度变化对颗粒荷质比的影响较弱, 最大增加幅度仅为16%左右.
(4) 电极材料的电导率越大, 电晕电流越大, 产生的正负离子越多, 与颗粒的碰撞概率增大, 颗粒荷质比越大.在实际应用中, 应选用类似紫铜的电导率大的电极材料；在线筒式结构中, 放电电极直径越小, 电极间距越大, 起晕电压越高, 所需的击穿电压越高, 能量注入越多, 颗粒荷质比越大, 应根据实际情况选择合适的电极直径.
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