負電暈放電對柴油機排氣顆粒Zeta電位的影響

肖雪, 孫平, 劉軍恒, 萬垚峰, 范義

(江蘇大學汽車與交通工程學院, 212013, 江蘇鎮江)

柴油機排氣顆粒數量多且粒徑微小,大部分小于100 nm,可由呼吸道進入人體體內。研究表明,粒徑小于100 nm的顆粒可穿透人體細胞壁,引發血液等多方面的疾病[1-4]。此外,柴油機排氣顆粒不易沉降,懸浮在大氣中會對環境造成一定的影響。在國Ⅵ階段重型車污染物排放標準中,新增了顆粒物數量(PN)限值。因此,控制柴油機顆粒排放,尤其是小粒徑顆粒排放,具有重要的意義。荷電凝并(electrical agglomeration)是一種比較成熟的技術,已被廣泛應用于化工、建材、冶金等領域。荷電凝并技術通過對顆粒物荷電,增強顆粒之間的聚并效應,能促使顆粒直徑變大并降低微納米顆粒的數量[5]。近年來,國內外學者已將這一技術運用于柴油機排氣的治理,開辟了柴油機排氣顆粒凈化的一個新研究領域。Boichot等將荷電凝并技術用于柴油機排氣顆粒物的凈化處理,研究了帶電顆粒物在不同流速下凝并前后的粒徑分布及數量減少率[6]。

對顆粒物進行荷電是荷電凝并技術的關鍵,主要通過氣體放電實現,放電形式主要包括電暈放電、輝光放電和介質阻擋放電等[7]。電暈放電可在高溫常壓下產生大量自由電子,當電子引起碰撞電離后,電子被驅往遠離電極的空間,并形成負離子,這些負離子會與顆粒碰撞,使顆粒帶電。曾科等利用線筒式荷電裝置,采用電暈放電技術對柴油機排氣顆粒進行荷電處理,結果表明,在不同工況下加電后排氣顆粒波許煙度值明顯降低[8]。王培清等研究發現,在電暈放電條件下,柴油機排氣顆粒的荷質比與極間電壓成正比,且負荷對荷質比的影響比轉速的影響更為顯著[9]。杜小朋等通過試驗,探究了柴油機排氣顆粒物荷電效果與排氣流速之間的關系[10]。Okubo等利用法拉第筒和電量計對電暈荷電后的柴油機排氣顆粒進行了收集與測量,結果表明當氣體流速為0.28 m/s時,顆粒荷質比達到最大值-126 μC/g[11]。上述研究表明,采用電暈放電技術可以有效提高柴油機排氣顆粒的帶電量。帶有電荷的細小顆粒具有更高的擴散系數,與其他顆粒的碰撞概率變大,因此電暈放電技術可加強顆粒間的凝并效應,促進顆粒粒徑增大,進而在一定程度上降低柴油機排氣細小顆粒的數量濃度。

柴油機排氣顆粒在電場中荷電時,顆粒荷電量的大小直接影響其運動、凝并等環節[12-13]。盡管目前部分學者對電暈放電條件下柴油機排氣顆粒的荷電過程做了相關研究,但有關顆粒荷電量方面的研究卻鮮有報道。為了進一步對荷電后的柴油機排氣顆粒進行動力學分析,并對其運動及凝并過程進行深入研究,有必要探究柴油機排氣顆粒在電暈放電條件下的荷電特性。因此,本研究搭建了電暈放電條件下柴油機排氣顆粒荷電試驗臺架,對柴油機排氣顆粒進行預荷電處理,并通過分析顆粒的Zeta電位來表征顆粒物的荷電狀態,探究不同因素對顆粒荷電量的影響。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗樣機為濰柴動力揚州柴油機有限責任公司的YZ4DB1-40型柴油機,主要結構參數及性能如表1所示。試驗時不改變原機的噴油時刻、噴油壓力等控制參數,燃料為市購國V0號柴油。

表1 柴油機主要性能及結構參數

圖1 試驗系統示意圖

試驗系統如圖1所示,主要由柴油機、溫度控制系統、荷電反應器、電源供給裝置和顆粒采集裝置等組成。首先通過離心風機對冷凝管進行冷卻,以去除排氣中的水氣,并用陶瓷管加熱器對排氣進行加熱升溫,以便向荷電裝置提供一定溫度的排氣,再采用PT100熱電阻傳感器監控荷電反應器放電區域內部的溫度。荷電反應器為同軸線筒結構,荷電區域為直徑52 mm的不銹鋼管,絕緣介質為內徑3 mm、壁厚1.5 mm的陶瓷管,放電電極位于不銹鋼管軸心。試驗電源為大連泰思科技有限公司的TE4020負高壓直流電源(測量精度為1%),在0～50 kV范圍內連續可調,最大輸出電流為1 mA。在荷電反應器后端配備裝有去離子水的洗氣瓶用于采集排氣顆粒,通過流量計及真空泵對采樣氣體流量進行控制。

圖2 帶電顆粒周圍粒子分布示意圖

1.2 顆粒物荷電量的測量原理及方法

1.2.1 荷電量的測量原理 通過顆粒的Zeta電位來表征顆粒物的荷電狀態。Zeta電位是指位于雙電層中的擴散層與固體表面斯特恩層之間的滑動界面上的電位,如圖2所示。由顆粒在懸浮液中的Zeta電位值,可以推斷出其表面電荷的密度和電荷的極性等[14]。分散在去離子水中顆粒的Zeta電位通過Malvern Zetasizer Nano ZS90型電位儀采用電泳法直接測量,通過檢測樣品散射光頻率的移動得到帶電顆粒的電泳運動速度,利用Herry方程得到電位[15]。測試溶劑是濃度為0.01 mol/L的NaCl溶液,pH為6,溫度控制在(24.5±1.5) ℃,測試電場強度為16 V/cm,重復3次測量取平均值。顆粒表面的電荷密度σ采用Gouy-Chapman公式計算[16-17]

(1)

式中:ξ為顆粒的Zeta電位;εw為水在298 K時的相對介電質常數;ε0為真空介電常數;ρ為NaCl溶液的質量濃度;e為基本電荷量;kB為玻爾茲曼常數;T為測試溫度。

假定柴油機排氣顆粒為球形,顆粒的荷電量q由下式計算

q=4π(dp/2)2σ

(2)

式中:dp為顆粒粒徑;σ為顆粒表面的電荷密度。電位儀測得顆粒在不加電和加電時的Zeta電位分別為ξ0和ξ1,代入式(1)和式(2)中可計算出電量q0和q1,則顆粒因電暈放電而獲得的電量

q=q0-q1

(3)

1.2.2 荷電量的測量方法 電暈放電按起暈電極極性可分為正電暈放電和負電暈放電。正電暈放電時,電子崩由光電離產生,電子到達正電暈線即被中和,正離子在空間電場中緩慢運動。負電暈放電時,電子崩主要為碰撞電離,在電暈區產生的負離子繼續向外擴散[18]。在相同放電參數下,負電暈放電過程更加穩定,產生的離子濃度也更高[19],故本研究均在負電暈放電下進行。

試驗選取柴油機額定轉速2 600 r/min,將25%、50%和100%負荷作為工況點。調整柴油機至穩定運行工況,通過陶瓷管加熱器將放電區域內部溫度分別調節為300、400和500 ℃,隨后將高壓電源的電壓分別調節為0、-5、-10、-15和-20 kV。在0～-20 kV電壓范圍內,電極電流的范圍為0～-0.42 mA,荷電裝置消耗的功率范圍僅為0～8 W。待荷電裝置電壓穩定5 min后,打開真空泵并將采氣流量控制為10 L/min,采樣時間為5 min。

2 試驗及計算結果分析

2.1 荷電電壓對顆粒Zeta電位的影響

在電暈放電條件下,顆粒的荷電方式分為電場荷電和擴散荷電。粒徑大于500 nm的顆粒以電場荷電為主,粒徑小于200 nm的顆粒以擴散荷電為主,粒徑在200～500 nm之間的顆粒2種荷電均有[20]。柴油機排氣顆粒主要集中在小于100 nm的粒徑范圍內,以擴散荷電為主。

在柴油機轉速為2 600 r/min、全負荷、荷電區溫度為500 ℃時,排氣顆粒的Zeta電位隨荷電電壓的變化如圖3a所示,計算出的顆粒荷電量如圖3b所示(圖中e為元電荷)。在未加電時,由于顆粒表面的負電性官能團如—OH等的存在,顆粒的Zeta電位為-0.60 mV。隨著電壓的升高,Zeta電位絕對值和顆粒荷電量都不斷增大,當電壓由-5 kV上升到-10 kV時,Zeta電位變化明顯,絕對值達到0.80 mV,單個顆粒的荷電量也有顯著的增加,此時電子崩開始發生,顆粒開始浸潤在自由電子和負離子中。隨著電壓不斷升高,注入荷電區的能量增加,空氣電離程度加劇,空間平均場強和電荷密度增大,導致顆粒荷電量增加。依據EDLVO理論,顆粒負電性增強導致顆粒間的靜電斥力增加,所以顆粒的Zeta電位絕對值增大[21]。

(a)顆粒的Zeta電位

(b)單個顆粒的荷電量圖3 荷電電壓對顆粒Zeta電位及荷電量的影響

2.2 荷電區溫度對顆粒Zeta電位的影響

圖4所示為50%負荷時,荷電區溫度對柴油機排氣顆粒Zeta電位和荷電量的影響。從圖4a可以看出:隨著溫度的升高,Zeta電位對荷電電壓的響應速度加快;當荷電區溫度為300 ℃、荷電電壓由0變為-10 kV時,Zeta電位絕對值的增幅僅為0.02 mV,而當荷電區溫度為400 ℃時,Zeta電位絕對值的增幅可達到0.11 mV。這主要是由于高溫使氣體分子獲得了更大的動能,降低了分子電離能,同時電子自由程變大,使電子在電場中的加速距離增加,從而使電子能量提高,所以溫度升高時自由電子更容易打開氣體分子的外圍電子,產生新的自由電子,直至形成電子崩,導致電暈放電[22-23]。因此,高溫可有效降低電暈放電時的起暈電壓,使得柴油機排氣顆粒迅速帶上電荷。圖4b所示為50%負荷、荷電電壓為-15 kV時,不同溫度下單個顆粒荷電量的計算結果,從中可以看出,當荷電區溫度從300 ℃升高到400 ℃時,柴油機排氣顆粒的荷電量明顯增加,這與顆粒Zeta電位隨溫度的變化規律一致;當溫度從400 ℃升高到500 ℃時,顆粒的荷電量略有增加,主要是因為溫度升高使負離子的遷移率變大,因而在相同電場強度下離子運動速度更快,顆粒與離子碰撞的概率增加,所以顆粒的荷電量有所增加。

(a)顆粒的Zeta電位

(b)單個顆粒的荷電量圖4 溫度對顆粒Zeta電位及荷電量的影響

2.3 發動機負荷對顆粒Zeta電位的影響

圖5a所示是電暈放電時,在25%、50%和100%負荷下柴油機排氣顆粒的Zeta電位變化情況,從中可以看出,不加電時顆粒Zeta電位的絕對值在低負荷下較大,25%負荷下為0.65 mV。這主要是由于低負荷下空燃比較高,已生成碳煙與氧氣接觸的概率增加,這導致更多的碳層邊緣原子與自由羥基結合,并且低負荷下溫度較低,碳煙顆粒表面附著的羥基的氧化作用減弱,故低負荷下形成的顆粒表面存在較多的羥基官能團(C—OH),負電性較強,Zeta電位的絕對值較大;當給放電電極施加負高壓電時,各負荷下顆粒Zeta電位的絕對值隨電壓的升高呈增加趨勢,且當荷電電壓達到-10 kV以后,顆粒Zeta電位的絕對值隨負荷的升高而增大,表明隨著電暈放電的進行,高負荷下柴油機排氣顆粒的荷電量更多,其負電性大大增強。圖5b所示為荷電電壓為15 kV時,不同負荷下的荷電量計算結果,從中可以看出,隨著負荷的增加,顆粒荷電量有所增加,全負荷下的荷電效果最好,與顆粒Zeta電位的變化規律相一致。這主要是因為低負荷工況下循環供油量較少,燃燒室內稀燃區域面積增大,且缸內低溫增大了燃料的不完全燃燒程度,形成較多未燃HC顆粒,顆粒吸附的可溶性有機物(SOF)的質量分數增大,導致顆粒凝聚和粘結現象嚴重,因此柴油機在低負荷工況下排氣顆粒分布緊密,而在全負荷工況下,顆粒形貌多為分散的樹杈形狀或鏈狀結構[24]。依據Chang提出的理論,在單極擴散荷電條件下,顆粒荷電量與其表面積及電容正相關[25]。當顆粒遷移直徑相同時,分散鏈狀結構顆粒的電容值及表面積更大,因此,全負荷時柴油機排氣顆粒由擴散荷電獲得的電量更多。

(a)顆粒的Zeta電位

(b)單個顆粒的荷電量圖5 負荷對顆粒Zeta電位及荷電量的影響

3 結 論

本研究采用負電暈放電的方式,對柴油機排氣顆粒進行了預荷電處理,通過分析柴油機排氣顆粒的Zeta電位,從而表征顆粒物的荷電狀態。綜合考察了荷電電壓、荷電區溫度和發動機負荷等參數對柴油機排氣顆粒Zeta電位的影響,得出如下結論。

(1)在負電暈放電條件下,隨荷電電壓升高,荷電區域空間離子密度增加,柴油機排氣顆粒與負離子碰撞概率增大,荷電量顯著提高。顆粒帶有的電荷越多,其負電性增強導致顆粒間的靜電斥力就越大,表現為顆粒Zeta電位絕對值增大。

(2)高溫可有效降低柴油機排氣顆粒電暈放電的氣暈電壓。電暈放電發生后,升高溫度有利于負離子遷移率的增加,在一定程度上可以提高顆粒的荷電量。

(3)放電參數相同時,增加柴油機負荷可使顆粒的表面積和電容大大增加,從而可增加顆粒的擴散荷電量。

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