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在过去四十年里柴油机排放对健康影响的演变和与其他引擎的比较
S Bari（南澳大学 芭芭拉 哈迪研究所 学院工程师）
R Marian（南澳大学 芭芭拉 哈迪研究所 学院工程师）
摘要
技术的革新通常会带来惊异和意想不到的连锁反应，随着时间的推移，柴油机得到了显著地发展，外表脏污而且因燃烧不好而冒黑烟的柴油机变成了很干净的单位部件，而且，采用最新技术的发动机排放的更小、数量更多的颗粒，他们被称为超细颗粒（UFP）。他们在燃烧的过程中形成，被吸附到动植物表面的时候会产生危害。超过40种突变型和致癌物产生于柴油机排放物中，现在柴油机有陶瓷型过滤器，这种过滤器被称作柴油微粒过滤器（DPF)，用于降低颗粒物质（PM）的数量和质量浓度。这种过滤器的主要缺点是制作成本过高，而且在再生过程中，过滤器的堵塞和机器的开裂会使过滤器失效。为了替代DPF，由金属材料制成的流经过滤器(FTF)成为了现在主要用来控制PM的装置。FTF相对于DPF有更小的压降和更简单的结构，但在PM的降低的效率上却低得多。另一种替代DPF的方法是利用FTF与电晕充电上游的过滤器使PM带电并施加静电场来捕捉带点的颗粒物质。这就是所谓的柴油机静电捕捉颗粒过滤系统（EDPS）。该系统的效率比FTF高40%，但还是比DPF低10%。本文对火花点火压缩引擎的排放、微粒的分配和他们在过去40年里的对健康的影响的演变，进行了综述。本文同时还讨论了DPF、FTP、EDPS的捕捉柴油机颗粒的特点和技术革新。
术语解释
BC 黑炭
DEP 柴油排出颗粒
DGM 二乙二醇二甲醚（二甘醇二甲醚）
DNA 脱氧核糖核酸
DOC 柴油机氧化催化
DPF 柴油机微粒过滤器
EDPS 柴油机静电过滤系统
EPA 环保局
FBC 燃料添加催化剂
HFO 重油
FIP 燃油喷射压力
FTF 流经过滤器
IARC 国际癌症研究机构
LFO 轻油
NTDE 新柴油机排放技术
PAH 多环芳烃
PM 细微颗粒
SCR 选择性催化还原
SOI 开始喷射
- 简介
柴油机被广泛用于世界各地的原因是有着许多独特的优点：输出功率范围宽广（从5千瓦到85兆瓦），高功率，优良的燃油经济性，较长的使用寿命，柴油动力车是世界上车辆的一个重要部分（欧洲占55%）。卡车，公共汽车，建筑设备，农业机械和自主式机车，有几个例外，同大多数船舶一样都是柴油动力。
柴油机的主要缺点是排放颗粒物和氮氧化物。PM排放导致能见度低，PM问题真正的大小可以用一个例子来说明：在一辆4缸柴油发动机产生106 - 109粒或7.6 x 1014粒/公里。
柴油机排气微粒含有40以上的致突变和致癌化学物质。体积小，面积大，DE允许粒子渗透到肺部深处，沉积在呼吸道的有毒化学物质，进入血液循环系统，甚至渗透到神经系统。
1980年以前的柴油发动机用燃料硫含量高，产生高浓度的PM（PM在燃烧过程中经历了不同的过程，凝聚、凝聚、吸附、氧化）。废气中主要含碳与高浓度的多环芳烃（PAH）的高浓度的PM，氮氧化物（NO）和碳氢化合物的浓度也很高。
由于柴油排放造成的对健康的影响，在20世纪中期开始积极发展排放法规和研究改进技术以及解决潜在的健康危害。柴油发动机的排放量受到越来越严格的规定，在过去的几十年里，就克/公里或克/千瓦而言在明显减少。意想不到的结果是，调节的数量级的大小，可见的颗粒的几个数量级较小，但在更大的数量级上，符合更严格的监管条件。
PM对健康有着很大的影响，会导致癌症发病几率增大，排放废气中的PM会导致细胞突变。这些粒子的潜在的危险是绕过生物体中的天然防御机制，特别是在人类中，使它可能诱变细胞，通过循环系统并积累在敏感组织。
国际癌症研究机构（IARC）从致癌方面分析了柴油机的排放物质。2012年6月，国际癌症研究机构对世界卫生组织增加审查的重点，充分的证据表明，肺癌的风险增加有关的证据，柴油发动机尾气“致癌”。
柴油机一个新的研究发展试图把粒子的粒径及其分布连接到引擎的功能参数，减少PM排放。世界柴油发动机的总数，他们的寿命以及在全球经济中的重要作用比汽油发动机，使得控制和减少排放量及其对健康的影响都非常重要和紧迫。
本文研究的大部分内容是调查由于柴油发动机的排放量，引起的对健康和环境的影响。回顾了过去4年柴油发动机的排放量的演变和对健康影响。比较了一系列柴油机的排放，表明了排放问题的所在。在第3节比较的基础上，比较了其他类型的发动机的排放量。第4节介绍了典型的排放量的基础上的功能参数-负载，稳态和瞬态制度，实验室测试与道路排放。第5节讨论燃料类型对排放的影响（柴油，生物柴油，植物油，使用添加剂）。第6节介绍了现有的过滤系统，以消除柴油微粒和第7节的结论。
2尾气排放——内容成分对健康的影响和时间上的变化
柴油发动机的排放是复杂的并具有无限变化的组合物。气相由二氧化碳，一氧化碳，氧气，氮氧化物，硫化合物，水，众多的低分子和高分子量的烃类如苯和甲醛等挥发性有机化合物组成。颗粒由有机碳，灰分，硫酸盐和金属的原子等单质组成。PAH和芳香硝基化合物分布在气体和颗粒相。对废气定性和定量分析，对于不同的油，不同型号的和运行时间柴油机，不同状态的维护保养，不同的排放控制系统和使用模式，组分有着很大的变化。柴油机在没有限制条件下排放排放会包含更多的PM。这些化合物或化合物的排放随着发动机和燃料技术的进步而该改变。
世界卫生组织估计柴油机的排放量将独自每年生产42000受害者在法国。此外，排放可能6个月，以减少生活在城市中的人的寿命。法国是一个特殊的情况下，柴油的代表在法国使用，而其他国家和地区（如东京）干脆禁止柴油车燃料的80％。柴油被认为是“新的石棉”和清洁空气的斗争是类似证明的毒性，并减少/禁止吸烟的斗争。
规定由环境保护署（EPA），围绕1968年（第一次烟雾标准颁布公路上的重型柴油发动机），尤其是因为国际癌症研究机构的1988年6月工作组的最重要和显着的出发颁布的无数会议在法国里昂，和1989年的专着导致授权减少柴油的硫对在道路上的车辆从超过500 ppm到15 ppm时，减少了90％，排放的PM和NOX超过90％。
人类每天暴露于污染物并且吸入超微粒子。儿童特别容易受到UFP的影响，因其高的呼吸频率。以曝光的不同模式，室外UFP的最重要来源是交通造成的，特别是在城市，儿童在距离地面较低的区域呼吸从而导致较高的摄取的UFP。
Buonanno等报道说，6个月的实验活动中，统计了孩子个体进行不同活动与接触区域而造成的UFP吸入计量。整体平均暴露浓度等于2.2times;104个/厘米3（平均值：5.8times;104个/毫升）和3.8毫克/立方米（平均值：5.1毫克/立方米）在UFP和BC方面，导致总体N / BC比等于5.8times;106个/（NGBC）。这些暴露等级被认为是非常高的，并且类似于在街道或沿着繁忙的道路测量量。高每日吸入剂量，在这两种粒子数和BC浓度计，还观察并分别等于3.35times;10 11颗粒/天和392毫克/天。
暴露于柴油机废气颗粒还会影响肺。剧估计，在不吸烟的人群中PAH的12-18％来自吞咽被大气颗粒物污染的蔬菜，大约6%的PAH源自吸入的空气。在小白鼠实验中，DEP处理方式低剂量的通过胃肠道就会产生DNA破坏增加的防御机制中的器官的活性，如肺和肝脏。因此口服exposure要考虑到PM的风险评估结果。
废气的动力学是由Kittelson等人研究。 [26]。它的随机变量具有无限变化性，是难以预测的。发射的粒子和气溶胶进行缩合/吸附，蒸发/脱附，稀释，聚合，化学反应，扩散，最终沉淀下来。另一方面，空气中颗粒物浓度取决于道路网络，地形，交通状况，道路条件，交通拥堵，植被和气象条件 - 风，湿度，阳光，雨，雾等。颗粒物也可能在被植物吸附或被风雨带走前进行长距离的迁移。
图1
两者的质量和数量的加权的典型发动机排气尺寸分布在图1中，采油机废气气雾剂采样距离的大气稀释比在离开尾管的状态如图2。当饱和度比例最高时，均质和非均质形核的几率是最大的。然而，在高饱和度下时间消耗率是很短的，经常小于1秒。
图2
因此，动力学、柴油机排放机理和UFP，尤其是作为载体来传播和提供有害的和危险的化学物质到大气中是非常复杂的，但是他们对活体的影响是不可忽视的。
3、发动机的类型和排放
在一般内燃机的尾气处理和燃油使用中，排放受类型，制度，功能发动机的参数的影响。柴油发动机在过去40年中发展迅速，可以分为传统柴油机排放（TDE）——用于1988年代的排气方式——排气是不受复合现在规范的；新的排气方式指的是严格满足EPA标准PM和氮氧化物排放的新型集成系统（发动机，燃料喷射系统，低硫燃料，润滑剂和治疗后排气口），于2007年生效。
这种新型的柴油机运行方式在产生尾气中会起到一个重要的作用。在报告28中的一个实验里，使用柴油燃料的低排放微涡轮排放与柴油发动机在同一功率条件下工作的进行了比较。在两种燃烧方式中主要颗粒物的尺寸没有变化，但是单位功率下排放量降低了两个数量级。在柴油机预混燃烧条件下，颗粒的尺寸分布函数接近于通过在微涡轮指示所述发射的粒子的尺寸的分布函数，可以大幅度的影响燃烧质量。
在对比实验中，柴油机与汽油机在理想条件下和路况条件下均被测试。对于一个Euro 4柴油公交车，NO x还原率跟驾驶条件和高速运行下的高排气温度对选择性催化还原（SCR）系统的活化程度有很大影响。三台实验车中（柴油和汽油轿车，柴油公交车）是同一量纲基准的。柴油车的PM主要集中在积累模式，而汽油车的工业污染物主要集中在结晶模式下。气体和颗粒物污染都跟驾驶状况十分相关。柴油排放曲线的功率和低速的条件下，而汽车一般运行在高功率和中速条件。汽油车排放量表明随着功率和速度显着增加，NOx和PM的最高排放比和最低排放比分别是为62到2160。所有内燃机都排出颗粒物，但是柴油机排放的量纲更大，这主要由自然燃烧进程决定的。
- 发动机的排放和功能参数
发动机性能参数是UFP瞬时排放的关键。黄等人的研究表明相比UFP排放试验台、柴油车发动机实际测量在不同的发动机操作。船上的测量结果说明，UFP发射与实际行驶工况有关，提出了不同意见与台架试验周期的变化密切相关。在5.6–560 nm测定试验台柴油发动机和道路柴油公交车基本在同一水平范围内的粒子数，约107–108 /立方厘米。在不同的发动机速度和负载下的粒子数浓度分布基本一致的测试平台和板上测量。粒子数的结果表明，在每个发动机转速增加的增长趋势。粒子数排放相对较低，为中等速度运行。UFP是NOx排放的一个重要变量。高速发动机功率伴随着高的排放，现实世界的情况下驾驶或重型负载是主要贡献者在，这些车辆都是高排放量。
在单缸柴油发动机在1500转的研究颗粒的大小，数量，在不同的发动机负荷和300燃料喷射压力下的操作进行了表面积和体积分布分析，500和750杆在注射开始时间不同下测量。在发动机负荷增加的情况下废气排放增加。在全负荷下提高喷油压力降低微粒的数量浓度和质量。在较高的燃油喷射压力下，推进喷射定时降低颗粒物浓度。在较低的燃油喷射压力需下浓度先增大后减小数量和喷油定时延迟。颗粒表面积和体积分布随发动机载荷的增加而增加，随喷油压力的增加而减小。
实验是在一个恒定的速度为2500 RPM两喷油压力FIP（500和1000条）和注入SOI定时条件下开始进行的。在低FIP压力的变化和热释放速率表现出优越的燃烧特性，而在高FIP，一定工况下观察到敲缸现象。
发动机的操作和参数的组合控制严重影响着PM的排放量。发动机的瞬态操作时，排放量往往会急剧增加。
5．排放和燃料
燃料，特别是使用植物油和燃料/生物燃料的混合燃料的排放量有显着的影响发动机[ 12，30 ]。王等人进行的实验。[ 32 ]欧III 4缸88千瓦柴油发动机采用超低与乙醇混合柴油，生物柴油和二聚乙二醇单甲醚（二）DGM证明燃料成分对排放的影响。乙醇混合有效地降低了PM，DGM和生物柴油低减少的影响。DGM和生物柴油增加PM但乙醇的加入降低PM。此外，柴油相比DGM的加入可以同时降低PM和NOx的排量。
排放问题不局限于汽车或固定发动机。Sarvi等人的研究趋势表明燃料类型和润滑油对柴油机颗粒尺寸的影响。大型（500转，1兆瓦的功率/缸）分布船用柴油机排气，燃用轻质燃料油（LFO）重燃料油（重油）。遇到推进模式主要是在海上应用，而发电机模式运行适用于停靠。对于码头的使用，加油发电机低频振荡是优于重油燃料除了发动机低负荷。对于海洋的目的，采用的推进方式给出了最低的PM在50–75%负荷的排放，也在这里被较好的低频振荡在重油燃料的使用除了发动机低负荷。重油燃烧，一种最好的粒子滤波系统将显着改善排放性能。对于一个给定的硫含量PM随着金属含量的排放量迅速增加，（添加剂）而对于一个给定的金属含量的PM排放的出现硫含量下降。
需要注意的是，其性能及燃料的重要组成是无限变数。这使得任何建模和结果被限制为一组特定的测量假设条件下。
6现有解决方案的排放量问题
对降低柴油机排放的任务难度非常复杂、数量多的复合在世界各地使用的发动机。说明的艰巨性任务，在法国60%的车辆在使用柴油动力（1980）（4.8%）[ 34 ]（73%）（登记的新车辆）与欧盟55%相比）[ 35 ]。柴油动力车辆是由于财政的慷慨
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