综述：发动机排气颗粒物形成、采样及表征技术综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Review of engine exhaust particulate formation, sampling, and characterisation techniques

内燃机颗粒物（PM）的形成机理、组成结构及其测量技术综述，分析了低排放法规下的挑战，提出改进采样方法和表征技术的必要性，为开发更清洁的内燃机提供指导。

　　

阿维纳什·库马尔·阿加瓦尔（Avinash Kumar Agarwal）|尼伦德拉·纳特·穆斯塔菲（Nirendra Nath Mustafi）|阿基伦德拉·普拉塔普·辛格（Akhilendra Pratap Singh）

印度理工学院坎普尔分校机械工程系发动机研究实验室，印度坎普尔，208016

摘要

内燃机（IC）一个多世纪以来一直是交通运输领域和许多固定应用的核心。然而，它们会排放致癌物质，尤其是颗粒物，这对人类健康和环境产生不利影响。全球的排放标准日益严格，以控制道路上的颗粒物排放。过去几十年里，我们对发动机中颗粒物形成的理解大大减少了这类排放，从而符合现有的排放规范。日益严格的排放标准要求新的测量和分析方法，以解决测量灵敏度和特异性问题。本文首先详细分析了颗粒物形成现象，以更好地理解不同参数（包括燃料成分和结构）的影响。本文在以下部分讨论了颗粒物的组成和结构。最后，本文提供了关于颗粒物采样和表征技术、方法论以及相关仪器的关键见解，以应对当前和未来的颗粒物排放量化和表征挑战。

引言

发动机排放的颗粒物（PM）对人类健康构成严重威胁。人类接触发动机排放的颗粒物可能导致严重的健康问题，包括肺部和心血管疾病、肺癌，甚至死亡，这归因于颗粒物的毒性和物理化学性质[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。内燃机排放的颗粒物通常根据空气动力学直径分为≤1微米（PM₁）、2.5微米（PM_2.5）和10微米（PM₁₀）三类。特别是PM₁，因为这种尺寸范围内的颗粒物可以深入肺部组织（图1）[7]。大颗粒物还会影响全球气候，因为它们会吸收太阳辐射并与大气中的其他元素发生反应[8,9]。其他环境问题还包括能见度降低和建筑物污染[10]。由于内燃机排放的颗粒物占大气中颗粒物总量的很大比例，因此了解颗粒物的形成、组成和物理化学特性至关重要，以便采取必要措施减少内燃机排放的颗粒物，从而降低其对人类健康和环境的危害。

无论燃烧类型如何，颗粒物形成的基本过程略有不同。内燃机中的颗粒物形成是一个复杂的过程，包括烟尘颗粒的生成、生长、聚集和氧化。内燃机中的颗粒物来源于燃料和润滑油在燃烧过程中的产物。虽然柴油机与颗粒物排放密切相关，但由于现代汽油直喷（GDI）发动机也具有较高的颗粒物排放量，因此也受到关注。柴油机排放的颗粒物（DPM）主要由燃烧产生的碳质烟尘组成，其表面吸附了一些有机化合物[13]。气缸内的烟尘形成与液态燃料喷雾的局部富燃料扩散燃烧有关，主要是由于燃料燃烧不完全[图2]。在富燃料条件下，烟尘也可能由均相或气相燃烧产生[14]。除了碳质烟尘外，气缸内的燃烧还会产生其他颗粒物，例如硫酸，这些颗粒物在排气管条件下以蒸汽形式存在，但在排气冷却和稀释后迅速凝结或成核[15,16]。此外，当废气排出排气管并在大气中稀释时，还会发生大量的二次颗粒物形成[17]。尽管过去几十年对此进行了大量基础研究，但对颗粒物形成及其性质的理解以及它们与人类健康和环境之间的关联仍需进一步改进[18]。

出于监管目的，准确测量、表征和控制内燃机排放的颗粒物至关重要[19]。发动机制造商正在开发新技术以符合严格的排放标准，因此现代发动机的颗粒物排放量显著低于早期型号。然而，这些排放水平非常低，现有的颗粒物质量测量方法可能需要更高的灵敏度才能准确评估绝对排放量[20]。根据欧洲4号排放法规，重量法测量的颗粒物检测限已经达到极限。因此，符合欧洲5号和6号排放法规的低排放发动机需要更灵敏的测量方法[19]。人们已付出大量努力改进测试程序并开发出更灵敏的新颗粒物测量方法。已经开发出新的仪器和采样方法：具有更高灵敏度的实时测量[21]。由于采样、测量和表征方法的不同，颗粒物测量结果差异很大。通常，各种设备的可用性和颗粒物的目标尺寸范围（例如纳米到微米）使得选择最合适的设备变得具有挑战性[22]。

总体而言，由于颗粒物的复杂性，其排放量的定量测定非常困难。与气体排放不同，颗粒物极其不稳定，形成后会在排气系统中被大气空气高度稀释，最终从排气管排出。因此，颗粒物的物理化学性质会不断变化。这使得颗粒物测量更加困难，因为细颗粒具有化学、物理和动态特性[23]。此外，颗粒物的形成时间和测量地点也非常重要[20]。

颗粒物采样系统在排气系统和测量系统之间起着关键作用。温度、浓度、相对湿度等因素会影响采样过程，必须控制这些因素以满足特定仪器和测量要求。收集的颗粒物样本必须能够很好地代表排气情况，并在测量或表征前保持物理和化学上的不变性。除了发动机类型和运行条件外，颗粒物测量（特别是其尺寸分布）还受到多种因素的影响[24]，例如：

•测量仪器类型，

稀释方法和稀释比例，

稀释空气的温度和成分，

稀释样本在采样系统中的停留时间，

采样系统中的颗粒物损失，以及

稀释排气成分的吸附和凝结特性。

颗粒物从排气管排出后，由于周围稀释空气的作用会迅速冷却。在实验室测试中，通过将废气与过滤空气混合在稀释隧道中可以模拟这一过程。通过控制稀释过程可以显著改变颗粒物的性质，从而影响颗粒物测量结果。由于缺乏标准测量程序，测量结果可能存在较大变异性，因此难以比较不同实验室获得的数据[25]。已经开发出多种颗粒物测量和表征技术，用于监管和研究目的，以帮助控制排放并研究其对人类健康和环境的危害。这些技术包括：(i) 化学表征（元素碳（EC）/有机碳（OC）、多环芳烃（PAHs）、痕量金属、灰分、表面化学等），(ii) 物理表征（总颗粒数、总颗粒质量、颗粒数-尺寸分布），以及 (iii) 初级烟尘颗粒的形态学研究和纳米结构表征[26]。

本文的第一部分介绍了发动机气缸内烟尘形成的基本原理和颗粒物演变的过程。详细讨论了颗粒物的组成及其结构。与以往的研究相比，本文更深入地探讨了燃料组成及其化学结构对颗粒物形成的影响。之前的综述文章，如Kittelson [27]、Burtscher [28]、Maricq M. [29]、Myung等人[30]、Mohankumar和Senthilkumar [31]的文章，并未涵盖颗粒物的所有方面，包括其形成、采样、测量、表征、仪器、颗粒物排放控制方法、后处理设备等。本文涵盖了内燃机排放的颗粒物的所有方面及其测量和表征方法，使其在现有文献中独树一帜。本文重点介绍了颗粒物采样和表征技术、方法论及所需仪器，这些都是独特的方面。实际上，内燃机中颗粒物的形成过程是一个复杂的过程，受到燃料类型、燃烧特性和发动机设计的强烈影响。这项研究全面探讨了这些因素，有助于工程师开发更清洁、更高效的发动机，减少颗粒物排放，从而改善环境质量。亚23纳米颗粒的排放也是一个值得关注的问题。因此，了解亚23纳米颗粒的特性及其测量方法也很重要，因为这些颗粒物是新的排放法规的重点。这些分析对于工程师和制造商开发更精确、响应更快、更先进的颗粒物测量仪器以符合未来更严格的排放法规至关重要。

部分摘录

颗粒物形成机制

颗粒物的固体碳质核心（称为烟尘）由未燃烧的燃料形成，在发动机燃烧室富燃料区域的高温下（通常在约1000至2800 K之间）和50–100 atm的压力下，从气相迅速凝结为固相（几毫秒内）[13]。一般来说，三个参数主导着烟尘的形成：当量比（Φ）、温度（T）和压力。Akihama等人[12]提出了……

颗粒物采样和表征技术、方法论及仪器

采样对于颗粒物的测量和表征技术至关重要，这些技术用于符合监管要求并研究颗粒物对健康和环境的危害。这些技术包括：(i) 化学表征（OC/EC、PAHs、金属、灰分、表面化学等），(ii) 物理表征（总颗粒数、总颗粒质量、颗粒数-尺寸分布等），以及 (iii) 形态学和纳米结构表征[26]。本节讨论了颗粒物……

结论

本文综述了目前对内燃机中颗粒物形成、组成、形态和排放的理解。本文概述了颗粒物在发动机和实验室火焰中的形成、生长、氧化和最终排放的过程。本文批判性地回顾了颗粒物采样方法、误差来源及解决办法。得出以下结论：

?乙炔、PAHs和苯环在颗粒物形成中起主要作用，而OH自由基是最主要的物种

利益冲突声明

作者声明没有潜在的利益冲突。