吳美璇,趙子宇,李浩,張鵬
(昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500)
空氣污染影響人類生活,危害人體健康。近年來,全球因空氣污染過早死亡的人數(shù)逐漸升高[1]。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)[2]和歐盟[3]的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,全世界91%的人口生活在空氣質(zhì)量未達(dá)到WHO標(biāo)準(zhǔn)水平的地方,每年有650萬人因此患病,420萬人因此過早死亡。
交通運(yùn)輸中發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放是空氣污染的重要來源之一[4]。其中,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通常為卡車、鐵路機(jī)車、船舶、農(nóng)用機(jī)械等提供動(dòng)力,因其高效率、高可靠性和高經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn),柴油車的數(shù)量逐年增加[5]。從1990年到2014年,歐洲的柴油車份額從11%[6]增長到41%[7]。在中國,卡車的數(shù)量從2000年的700萬輛增加到2017年的1 956.7萬輛[8]。雖然柴油車數(shù)量比汽油車少,但是由于大部分的柴油車都未配備尾氣后處理系統(tǒng)[9],因此,相比汽油發(fā)動(dòng)機(jī),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)排放更多污染物,對空氣污染的影響更大[10]。
柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣中的污染物主要來自燃料的不完全燃燒,其主要的污染物為顆粒物(Particulate Matter,PM)、碳氧化物(COX)、氮氧化物(NOX)和碳?xì)浠衔?Hydrocarbons, HCs)[11](圖1)。柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣中的PM主要由燃燒過程中產(chǎn)生的含碳物質(zhì)以及其他無機(jī)物組成[12],其中,有機(jī)物包括未燃燒的烴類化合物以及在燃燒過程中生成的含氧有機(jī)物、含氮有機(jī)物、含硫有機(jī)物和含鹵素有機(jī)物等[13],無機(jī)物包括硫酸鹽、銨、硝酸鹽、黑碳、氯化鈉、礦物塵、金屬、水等[14](圖1)。尾氣中的NOX排放物主要是NO,但其進(jìn)入空氣后會(huì)迅速被氧化成NO2[15]。在尾氣排放的COX中,CO的形成是由于燃燒過程中氧氣不足而造成的燃料不完全燃燒的中間產(chǎn)物[16],而CO2則是烴類完全氧化的產(chǎn)物。HCs(如烷烴、烯烴、芳香烴和PAHs等)則是由不完全燃燒和未燃燒的柴油燃料或潤滑油產(chǎn)生的[17]。
圖1 柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣中污染物的組分
柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染控制是現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)之一。為控制尾氣排放,需要深入研究柴油機(jī)尾氣污染物的形成機(jī)理。內(nèi)燃機(jī)尾氣排放受多種因素影響,其中工作條件是影響其排放的重要因素。為此,綜述了柴油機(jī)尾氣污染物在不同工作條件(海拔高度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷)下的排放特征及形成機(jī)理。此外,還總結(jié)了改善柴油機(jī)尾氣中污染物排放的措施及其影響機(jī)理,為柴油內(nèi)燃機(jī)污染物的排放及控制相關(guān)領(lǐng)域研究提供借鑒。
1.1.1 海拔高度對PM排放的影響 海拔高度對柴油機(jī)尾氣中污染物排放影響的研究表明,PM隨海拔升高而增加[18-19]。一方面,隨著海拔高度的增加,吸入氣缸的氧氣含量降低,導(dǎo)致局部缺氧和燃燒惡化,燃料熱解產(chǎn)生的PM增加。與海平面相比,在海拔1 000 m處柴油機(jī)尾氣中PM的質(zhì)量增加了60%~320%[20]。另一方面,燃料分子的裂解和反應(yīng)物原子的重組是燃料生成顆粒的前提。其中,裂解產(chǎn)生了很多低分子量的直鏈不飽和HCs,加之裂解過程是需要高活化能的吸熱反應(yīng),導(dǎo)致溫度對其反應(yīng)速率的影響較大。因此,隨著海拔的升高,氣缸內(nèi)進(jìn)氣量下降,燃燒惡化,燃油溫度升高,燃油裂解過程的反應(yīng)速率也隨之升高,顆粒物生成的速率因此提高[21]。
1.1.2 車速對PM排放的影響 通常,當(dāng)車輛以較高速度行駛時(shí),尾氣中會(huì)產(chǎn)生更多的PM。PM排放增加的原因有兩個(gè):一是缸內(nèi)熱解作用增強(qiáng);二是某些反應(yīng)區(qū)缺氧。車速的提高會(huì)顯著提高缸內(nèi)溫度,更高的缸內(nèi)溫度將促進(jìn)燃料小滴的蒸發(fā)和空氣-燃料混合物的混合,燃料分子的熱解將變得非常活躍。氧氣的缺乏在顆粒形成中也起著重要作用,這種現(xiàn)象可能發(fā)生在遠(yuǎn)離燃油噴霧壁的某些反應(yīng)區(qū)內(nèi)。在燃油噴霧的中心區(qū)域,燃油滴很難蒸發(fā)并形成可燃混合物;而其他區(qū)域的混合物只能通過非常緩慢的熱氧化來進(jìn)行。另外,當(dāng)車輛加速時(shí),由于每個(gè)循環(huán)的燃料輸送增加,缸內(nèi)油氣混合物濃度增大,燃油過富區(qū)的面積擴(kuò)大,也會(huì)導(dǎo)致更多的PM產(chǎn)生[18]。
1.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對PM排放的影響 在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下,柴油車的顆粒物中微量金屬濃度較高,導(dǎo)致產(chǎn)生更多的PM,其中,微量金屬來自潤滑油和發(fā)動(dòng)機(jī)部件的磨損[22]。在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下,更多的潤滑油飛濺到燃燒室中,從而導(dǎo)致更高的微量金屬排放量。研究發(fā)現(xiàn),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1 200 r/min增大到1 800 r/min,包括Fe、Pb和Mn在內(nèi)的金屬化合物濃度都有所增加[23]。
此外,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加,較高的燃料噴射量增加了顆粒物的排放,但是痕量金屬的含量可能不會(huì)以相同的比例增加。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加,單位質(zhì)量收集的顆粒中痕量金屬濃度降低[24]。
除了海拔和車速,尾氣中PM的濃度還受多種因素影響,如車型、燃料質(zhì)量、車輛型號(hào)和道路質(zhì)量等[25-26]。
1.2.1 海拔高度對NOX排放的影響 柴油機(jī)尾氣中NOX的生成通常由燃燒反應(yīng)時(shí)間、燃燒溫度和氧氣濃度共同影響[21]。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)海拔高度從30 m升高到2 400 m時(shí),NOX排放首先增加,但隨著海拔進(jìn)一步升高到2 990 m,NOX排放呈下降趨勢[27]。高海拔地區(qū)氧氣濃度下降會(huì)阻礙NOX生成的化學(xué)反應(yīng)。一方面,高海拔地區(qū)氧氣的缺乏阻礙了缸內(nèi)燃燒和缸內(nèi)溫度的升高,反應(yīng)區(qū)中的氧氣不足和低溫會(huì)阻礙NOX的形成。另一方面,在高海拔地區(qū),發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火延遲變得非常長,直到活塞接近上止點(diǎn)時(shí),才能點(diǎn)燃混合氣,這導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒延遲和膨脹沖程。缸內(nèi)壓力還會(huì)對2 990 m處的NOX還原產(chǎn)生輕微影響,難以像在30、2 400 m處那樣保持高缸內(nèi)壓力,較低的壓力會(huì)減慢NOX的生成速率,這也是2 990 m處NOX減少的原因之一[18]。
1.2.2 車速對NOX排放的影響 NOX的排放對車速變化最為敏感,隨著車速的增大而增加[28]。造成這種現(xiàn)象的原因有:首先,NOX的形成主要是由于存在足夠的氧氣和合適的氣缸內(nèi)溫度,柴油車輛的燃料燃燒將受到氧氣含量的影響,在高速條件下,氧氣的百分比較高,更容易產(chǎn)生NOX;其次,車輛發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷隨著車速的增大而增加,轉(zhuǎn)速的增大也有利于提高氣缸中新鮮空氣和燃料的均勻性,提高氣缸內(nèi)的溫度,加速燃料的蒸發(fā),從而使空氣和燃料混合更均勻[29]。
1.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對NOX排放的影響 NOX排放量通常隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增加。研究顯示,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1 500 r/min增大到3 000 r/min,柴油車的NOX排放量增加[30]。在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下,更多的燃料被注入燃燒室,產(chǎn)生更多的熱量,從而導(dǎo)致更高的缸內(nèi)溫度,增加了NOX的排放。此外,在較高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下,氣缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致燃料和空氣之間的混合更快,點(diǎn)火延遲更短,減少了每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的反應(yīng)時(shí)間,導(dǎo)致缸內(nèi)氣體溫度峰值更高,這也增加了NOX的排放[31]。
1.3.1 海拔高度對COX排放的影響 一般情況下,CO排放隨著海拔的升高而增加。在2 990 m的海拔高度,CO排放量比近海平面增加了大約209%[27]。在高海拔地區(qū),氧氣濃度不足,且缸內(nèi)壓力較低,導(dǎo)致空氣和燃油混合不充分。因此,空氣和燃料之間的燃燒不完全,并釋放出大量的CO。高海拔條件下,低進(jìn)氧量對CO的氧化產(chǎn)生不利影響,因此增加了CO的排放,但高海拔下較高的缸內(nèi)燃燒溫度也會(huì)促進(jìn)CO的氧化,一定程度上減少了CO的產(chǎn)生。
高海拔地區(qū)的CO2排放量更高,因?yàn)楦吆0蔚貐^(qū)較高的排氣溫度有利于加強(qiáng)排氣中碳?xì)浠衔锖蜔熁业难趸痆32]。
1.3.2 車速對COX排放的影響 CO排放在低速階段較多,而在高速階段較少。低速階段尾氣中CO排放量更高,而在高速條件下CO被更有效地催化轉(zhuǎn)化為CO2[33]。
隨著車速的增大,發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和速度都變得更高。較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有利于增強(qiáng)進(jìn)氣的湍流,從而加速室內(nèi)空氣和蒸氣燃料的混合,更均勻的空氣燃料混合物可以降低CO的排放。
此外,低速階段發(fā)生的稀薄燃燒也導(dǎo)致尾氣CO排放量更高,從而催化轉(zhuǎn)化為CO2,導(dǎo)致低速階段的CO2排放量最大[34]。其他研究也表明,在低速情況下CO2排放量較高,中高速情況下CO2排放通常較低[35]。
1.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對COX排放的影響 CO排放隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增加。由于進(jìn)氣不足,在濃混合氣中HCs無法轉(zhuǎn)化為CO2,CO的濃度通常最高。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)在過渡條件下(例如形成濃混合氣體的加速階段)會(huì)增加CO的排放[36]。
發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越高,CO2形成就越多,這是因?yàn)橛秃脑黾覽37],需要更多燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生更多的CO2。
通常,柴油機(jī)在中等負(fù)荷工況下排放的CO較少。而當(dāng)柴油機(jī)在小負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí),燃油混合氣過稀,增加了火焰淬熄的發(fā)生率,從而促進(jìn)了CO的產(chǎn)生;在大負(fù)荷工況下,燃油混合氣過濃,加劇了缸內(nèi)的局部缺氧,導(dǎo)致產(chǎn)生的CO增加[21]。
較高的負(fù)荷會(huì)提高缸內(nèi)溫度,隨著進(jìn)氣沖程和壓縮沖程中溫度的升高,大量的燃油易于蒸發(fā)并與周圍空氣混合。同時(shí),較高的缸內(nèi)溫度使空氣/燃料的混合更加均勻,使得較高車速下的CO排放減少[18]。
由于HCs是柴油不完全燃燒的產(chǎn)物,因此,其排放隨著車速的提高而降低[28]。1)在較低的溫度和速度條件下,燃料燃燒效率不高,導(dǎo)致HCs的排放相對較高。2)車速的提高可以增強(qiáng)進(jìn)氣的流動(dòng)強(qiáng)度,使燃料和空氣混合更均勻,降低了HCs的濃度。3)隨著速度的增加,車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變大,高負(fù)荷將提高缸內(nèi)的溫度,有利于HCs的氧化和減排。4)氣缸溫度的升高導(dǎo)致氣缸壁溫度的升高,較高的氣缸壁溫度會(huì)縮短淬火距離,減少HCs的形成[18]。5)溫度的升高還加速了熱氧化的反應(yīng)速率;與燃燒反應(yīng)相比,熱氧化是浸沒在高溫富氧區(qū)域中的燃料氧化的重要機(jī)制。
此外,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí),燃燒持續(xù)時(shí)間縮短會(huì)增加HCs的排放[38],相反,柴油機(jī)始終在稀油條件下運(yùn)行,會(huì)導(dǎo)致HCs排放量的相對減少。
HCs中最重要的一類是PAHs。PAHs是柴油不完全燃燒過程中產(chǎn)生的有毒有機(jī)化學(xué)物質(zhì),以氣體和細(xì)顆粒物的形式存在[39]。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是城市空氣中PAHs的重要來源之一[40]。PAHs作為持久性有機(jī)污染物,可以在大氣中進(jìn)行遠(yuǎn)距離遷移[41]。美國國家環(huán)境保護(hù)局將16種PAHs列為優(yōu)先污染物。由于PAHs在環(huán)境中很難進(jìn)行生物和化學(xué)降解,因此其在大氣中的存在時(shí)間更持久,危害范圍更廣[42-43]。
1.5.1 季節(jié)差異對PAHs排放的影響 較輕的PAHs主要以氣體形式存在,該過程會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng),導(dǎo)致3環(huán)和4環(huán)PAHs的排放增多[44]。較重的PAHs主要存在于顆粒中,并隨著環(huán)境溫度的下降而占主導(dǎo)地位,這表現(xiàn)為更高的氣-粒轉(zhuǎn)化率[45]。
研究發(fā)現(xiàn),在夏季,芴、菲、熒蒽、芘和苯并[k]熒蒽的總和占到總PAHs的一半以上;而在冬季,芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、苯并[g,h,i]芘、茚并[1,2,3-cd]芘和苯并[k]熒蒽的排放占總PAHs的一半[46]。通常,高分子量PAHs的排放量要少于低分子量PAHs的排放量[47]。
1.5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對PAHs排放的影響 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高會(huì)增加PAHs的排放[48],因?yàn)槿剂显诟咚倨字写媪魰r(shí)間縮短,導(dǎo)致燃燒不完全。而在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下,排放的顆粒相PAHs濃度較低,這是由于燃燒室內(nèi)溫度普遍較低,阻止了燃料分子的大量熱解[49]。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高將缸內(nèi)溫度提高到最佳溫度以上,從而加速循環(huán)和有機(jī)物的再燃,減少了包括PAHs在內(nèi)的有機(jī)物的形成[38]。在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下,顆粒相PAHs排放降低的另一個(gè)原因是燃燒和廢氣溫度升高,顆粒物結(jié)合的部分PAHs遷移至氣相,顆粒上的PAHs凝結(jié)減少[49]。
1.5.3 車速對PAHs排放的影響 在較高的行駛速度下,尾氣中PAHs排放量較低。平均車速的增加會(huì)提高排氣溫度,從而導(dǎo)致PAHs氧化更充分;而低速行駛時(shí),燃燒不完全,導(dǎo)致更多的PAHs產(chǎn)生。柴油車總PAHs的排放在道路擁擠情況下比在巡航狀態(tài)下要高約一個(gè)數(shù)量級[50]。
此外,PAHs排放還受其他多個(gè)因素的影響,例如發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、燃料特性、排放控制系統(tǒng)的使用以及車輛型號(hào)和年份[51]。
據(jù)報(bào)道,實(shí)驗(yàn)選取了美國50名7~11歲的青少年志愿者。研究人員發(fā)現(xiàn),在兩個(gè)夜晚睡眠不足或睡眠質(zhì)量差的青少年明顯更難記住令人愉快的回憶。即使在快樂的情境中,他們也會(huì)表現(xiàn)出沮喪的情緒,而且難以集中精力,更煩躁易怒。
柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染物的排放與其轉(zhuǎn)速和負(fù)荷密切相關(guān)。其中,CO和HCs排放均隨著車速的增大而降低。但是,NOX和PM的排放隨車速增大而增加[18]。在固定車速下,隨著海拔的升高,CO、HCs和PM的排放均會(huì)增加,而NOX的排放隨著海拔先增加后下降(表1)。
表1 柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣不同污染物在不同工作條件下的濃度變化趨勢
總結(jié)已有的研究發(fā)現(xiàn),各種工作條件(海拔高度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等)都會(huì)對柴油機(jī)尾氣中各類污染物(PM、NOX、COX、HCs、PAHs)的排放產(chǎn)生影響,但其影響機(jī)理較為集中,都是通過影響內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒溫度、進(jìn)氧量、油氣混合程度和燃燒時(shí)間等影響各類污染物的產(chǎn)生過程和產(chǎn)量(圖2)。
圖2 工作條件對內(nèi)燃機(jī)尾氣中污染物排放的影響機(jī)理
工作條件的改變會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)的燃燒溫度,隨著海拔的升高,氣缸內(nèi)進(jìn)氣量下降,燃燒惡化,燃油溫度升高[21]。車速的提高也會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速都變得更高,進(jìn)而顯著提高缸內(nèi)溫度[18]。其中,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高將使更多的燃料被注入燃燒室,產(chǎn)生更多的熱量,從而導(dǎo)致更高的缸內(nèi)溫度[38]。更高的負(fù)荷也會(huì)提高缸內(nèi)溫度[18]。燃燒溫度的升高會(huì)導(dǎo)致PM、NOX排放增加;COX中CO2的排放隨著溫度的升高而升高,CO的排放卻隨之減少;隨著溫度的升高,HCs排放總量減少,其中,環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大的持久性污染物PAHs隨溫度的升高從顆粒相遷移至氣相的部分增多。
進(jìn)氧量也隨工作條件的變化而變化,隨著海拔的升高,吸入氣缸的氧氣含量降低,導(dǎo)致局部缺氧和燃燒惡化[20]。在高速下,氧氣的百分比較高。隨著車速的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和速度都變得更高[29]。隨著進(jìn)氧量的減少,PM和HCs排放增加,NOX排放減少;進(jìn)氧量減少抑制了CO的氧化,導(dǎo)致CO排放增多,CO2排放減少。
工作條件的改變還會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)的油氣混合狀況。在高海拔地區(qū),氧氣濃度不足,并且缸內(nèi)壓力較低,導(dǎo)致空氣和燃油的混合不充分,因此,空氣和燃料之間的燃燒不完全[27]。隨著車速的增大,發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速都變得更高。較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有利于增強(qiáng)進(jìn)氣的湍流,從而加速室內(nèi)的空氣和蒸氣燃料的混合[29]。油氣混合更充分,PM、NOX排放增多,而CO和HCs的排放減少。
燃燒時(shí)間也隨工作條件的變化而變化。在高海拔地區(qū),發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火延遲變得非常長,直到活塞接近上止點(diǎn)時(shí),才能點(diǎn)燃混合氣,這導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒延遲和膨脹沖程[18]。隨著車速的增大,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變大,高負(fù)荷將提高缸內(nèi)溫度,導(dǎo)致氣缸壁溫度的升高,較高的氣缸壁溫度會(huì)縮短淬火距離[18]。此外,在較高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下,氣缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致燃料和空氣之間的混合更快,加之較高的氣缸壁溫度,導(dǎo)致淬火距離縮短,點(diǎn)火延遲更短,燃料在高速汽缸中存留時(shí)間縮短,燃燒持續(xù)時(shí)間縮短[31, 38]。點(diǎn)火延遲更短,減少了每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的反應(yīng)時(shí)間,增加了NOX的排放,但減少了HCs的形成。
從上述研究發(fā)現(xiàn),柴油內(nèi)燃機(jī)的尾氣污染物排放受工作條件的影響較大,海拔、車速、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等工作條件都會(huì)影響尾氣中各類污染物的排放特征。但對于柴油機(jī)的使用而言,以上工作條件都是被動(dòng)選擇的,駕駛過程中,除了慢行熱車、較長時(shí)間等待要熄火、高速關(guān)車窗等駕駛習(xí)慣外,駕駛員可以自主調(diào)控的減排手段并不多。柴油內(nèi)燃機(jī)的尾氣減排更多地需要依靠改善燃料質(zhì)量和提升尾氣處理能力兩個(gè)方面。
已有研究顯示,有機(jī)污染物與金屬共同作用在顆粒物表面,生成了對環(huán)境和人類存在巨大健康風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境持久性自由基[52-54]。目前,對柴油機(jī)尾氣污染物的研究多集中在PM、NOX、COX和HCs等常規(guī)污染物的定性、定量上。而顆粒物中含有大量金屬,在氣缸的高溫高壓條件下,尾氣中的常規(guī)有機(jī)污染物與金屬相互作用很容易在顆粒物表面生成持久性自由基,并隨著尾氣排放到環(huán)境中,相比前驅(qū)污染物可能造成更大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),而柴油機(jī)尾氣污染物中的環(huán)境持久性自由基研究較少。需要進(jìn)一步研究的問題包括:
1)為減緩大氣污染及全球氣候效應(yīng),應(yīng)擴(kuò)大柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染物研究對象的范圍,如有巨大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)且長久存在于環(huán)境中的持久性自由基。系統(tǒng)研究不同工作條件下柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染物中環(huán)境持久性自由基的排放特性及生成機(jī)理,完善尾氣污染物排放機(jī)制。
2)柴油內(nèi)燃機(jī)排放污染物環(huán)境行為的差異導(dǎo)致其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)各不相同。深入地研究柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染物的組成及其在環(huán)境行為過程中的吸附、降解等過程,定量研究尾氣中不同污染物及持久性自由基對環(huán)境污染的貢獻(xiàn),從而更好地闡述尾氣對環(huán)境的影響過程。
3)柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染對居民的健康風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)深入研究。進(jìn)一步分析柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染物的毒理效應(yīng),區(qū)分環(huán)境持久性自由基及其前驅(qū)污染物的毒理效應(yīng),為柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染的防治及相關(guān)領(lǐng)域的研究提供毒理學(xué)理論支撐。
降低柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染物排放的措施通常分為機(jī)內(nèi)控制和后處理技術(shù)。通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù),使其更合理地燃燒,降低污染物的排放,以達(dá)到機(jī)內(nèi)控制的目的。后處理技術(shù)則為使產(chǎn)生的尾氣通過轉(zhuǎn)換器或催化還原技術(shù)實(shí)現(xiàn)已排放出的污染物的轉(zhuǎn)化凈化。此外,設(shè)定尾氣污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)、立法更是減少柴油車尾氣污染物排放的重要保障性措施。
3.1.1 提升柴油品質(zhì) 研究表明,柴油中的PAHs對尾氣中PAHs的排放有重要貢獻(xiàn),尾氣中PAHs是由柴油中具有2~3個(gè)芳香環(huán)的PAHs形成的[55]。因此,降低柴油中PAHs含量,改善柴油品質(zhì),有助于抑制這類污染物的排放。
3.1.2 添加清潔燃料 清潔、可再生的H2具有很強(qiáng)的潛力,將來可能成為汽車燃料。H2作為內(nèi)燃機(jī)燃料具有許多優(yōu)勢,尤其適用于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)[56]。氫在柴油內(nèi)燃機(jī)中的添加可以減少顆粒的數(shù)量和尺寸[57]。
3.1.3 使用替代燃料 生物燃料或生物柴油可以用作化石柴油的替代品,并且可以從可再生資源中產(chǎn)生,同時(shí),最大程度減少CO2的產(chǎn)生[58]。與傳統(tǒng)燃料相比,生物柴油的潤滑性能更好[59-60]。生物柴油是未來燃料領(lǐng)域最重要的競爭者之一。許多研究發(fā)現(xiàn),通過使用生物柴油及其柴油混合物,可以顯著地減少諸如NOX以外的HCs、灰分、PM、COX等的排放[61]。
3.2.1 選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR) SCR是降低柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣中NOX的有效方法,將尿素溶液注入廢氣中,尿素溶液熱解釋放出氨氣,與廢氣充分混合,還原NOX為氨氣和水[62]。在車輛高速運(yùn)行時(shí),當(dāng)催化劑達(dá)到最佳運(yùn)行條件,SCR可進(jìn)一步有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NOX[63]。而尿素的不完全分解和沉積物的積累是SCR的主要問題[64]。
3.2.2 廢氣再循環(huán)裝置 廢氣再循環(huán)裝置也是一種減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOX排放的有效技術(shù),主要通過熱機(jī)制和稀釋機(jī)制來減少NOX排放。其中,熱機(jī)制為通過CO2和H2O較高的熱容量降低氣缸溫度,較低的氣溫導(dǎo)致較少的NOX形成。而稀釋機(jī)制則是降低氧氣濃度,使局部燃燒率降低,從而減少NOX的排放[65]。
完善車輛尾氣排放和燃料質(zhì)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建立空氣質(zhì)量限值的立法更是減少柴油車尾氣污染物排放的重要保障性措施。為了顯著減少柴油車輛的溫室氣體排放,必須減少車輛總規(guī)模,或者通過更嚴(yán)格的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)、更好的策略執(zhí)行來減少現(xiàn)實(shí)世界中的CO2排放值。
不同工作條件(海拔、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷)對尾氣污染物排放的影響差異較大。柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染物在不同工作條件下的排放特性及形成機(jī)理是城市大氣污染與治理領(lǐng)域中的重要科學(xué)問題,及時(shí)對其進(jìn)行全面總結(jié)、深入討論與工作展望,有助于推進(jìn)尾氣污染物的減排、改善環(huán)境空氣質(zhì)量等工作。
1)海拔、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等對柴油機(jī)尾氣中各類污染物(PM、NOX、COX、HCs、PAHs)排放的影響主要是通過影響內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒溫度、進(jìn)氧量、油氣混合程度和燃燒時(shí)間等,進(jìn)而影響各類污染物的產(chǎn)生和排放。
2)柴油內(nèi)燃機(jī)尾氣污染物在環(huán)境行為過程中的吸附、降解等過程以及污染物之間的相互作用值得深入探討。柴油機(jī)尾氣中有毒有害成分,如環(huán)境持久性自由基的排放特性及影響過程也需要進(jìn)一步研究,從而更全面地闡述尾氣對環(huán)境的影響過程。
3)柴油內(nèi)燃機(jī)的尾氣污染物排放受到海拔、車速、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等工作條件的影響較大。但是,對于柴油機(jī)的使用而言,使用人員可以自主調(diào)控的減排手段并不多。柴油內(nèi)燃機(jī)的尾氣減排更多地需要依靠改善燃料質(zhì)量和提升尾氣處理能力兩個(gè)方面。