根据现代汽车发动机烟尘形成机理，寻找合理烟尘减排方法

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当前社会面临着能源短缺和环境污染等严峻挑战，寻求可持续的能源解决方案以及减少汽车尾气排放已经刻不容缓。

在这一背景下，深入了解现代汽车发动机烟尘形成机理以及开发减排方法具有重要意义。

本文将探讨汽车发动机黑烟颗粒的成分、形成机制，并着重介绍了替代燃料在降低黑烟排放中的作用，为环境保护和可持续发展提供参考。

减少车辆发动机黑烟排放的方法与前景

能源短缺和环境污染是当前人类面临的两大重要危机，因此寻求清洁可再生能源并促进可持续发展显得十分紧迫。

由于庞大的建筑机械和车辆数量，汽车发动机的尾气成为环境污染的重要来源，它会污染环境，破坏生态平衡并威胁健康。

使用替代燃料和尾气后处理系统是降低汽车发动机排放的主要方法，欧洲第六阶段排放标准对汽车发动机排放的颗粒物数量提出了限制要求。

因此，在汽油车的尾气后处理系统中安装颗粒物过滤器是必要的，同时新的燃料配方也可以减少颗粒物的排放。

在碳氢化合物燃料燃烧过程中，黑烟是不可避免的副产品，它严重影响人类健康和环境，特别是细颗粒和超细颗粒容易进入呼吸系统并在人体内积累，从而引发呼吸系统疾病并影响生产和生活。

尤其是黑烟的前体物质，如多环芳烃，甚至具有致癌作用，黑烟的形成过程通常分为两个阶段：（1）黑烟的形成阶段，包括气相反应中的自由基形成和黑烟核化。（2）黑烟的生长阶段，主要涉及黑烟的表面生长、团聚和氧化。

关于含氧燃料的燃烧特性进行了广泛的研究，含氧燃料主要指植物油及其酯化燃料、生物质裂解燃料、醇类燃料、二甲醚等。

它为发动机提供额外的氧气，使燃料燃烧更加高效，因此在汽车发动机中使用含氧燃料是减少排放的有效手段之一。

发动机的排放特性可以受到不同汽油、柴油混合比的影响，一般来说，混合含氧燃料越多，黑烟排放越少。

此外，含氧燃料的含氧特性（氧含量和含氧官能团结构）也明显影响黑烟生成，近年来新动力系统中气体燃料的应用也引起了广泛关注，尤其是天然气。

因为黑烟不包含在其燃烧产物中，它不仅大大减少了燃烧过程中产生的黑烟，还降低了后处理系统的负荷，延长了其使用寿命。

由于其可再生性和环保性的优势，替代燃料在汽车内燃发动机中的应用具有最广阔的发展前景。

颗粒物过滤器是车辆尾气后处理系统中减少黑烟排放的另一种有效方式，它们被认为是最有效的颗粒物减排装置，以满足排放要求。

黑烟颗粒很容易沉积在过滤器的孔壁上，导致发动机排气堵塞，影响发动机性能和使用寿命，并增加燃油消耗。

因此，迫切需要再生，包括主动再生和被动再生，主动再生是通过额外的热量/动力源提高过滤器温度，从而增强黑烟颗粒的点火和完全燃烧。

被动再生包括在燃料中添加金属或金属氧化物纳米颗粒，以及使用催化剂降低颗粒燃烧的活化能，优化过滤器结构参数和排放热管理控制策略也可以降低颗粒物的排放。

为了保护环境和人类健康，实现可持续发展，车辆发动机排放的黑烟的粒径、质量和数量受到排放法规的严格限制，减少排放一直是全球研究人员关注的焦点。

在研究中，我们总结了现代汽车发动机在各种条件下的黑烟生成机制，并综合评述了减少黑烟排放的方法，它可用作含氧燃料特性研究和减少黑烟排放方法的参考，为进一步研究奠定了基础。

汽车发动机黑烟颗粒成分及形成机制研究

关于汽车发动机排放的颗粒物（PM）成分已经进行了大量研究，汽车尾气中的颗粒物是复杂的混合物，包括黑烟颗粒、可溶性有机物（SOF）、硫酸盐、灰等。

核化模式下的颗粒主要由挥发性物质组成，而聚集模式下的颗粒主要由黑烟颗粒组成，在这个复杂的混合物中，黑烟是最丰富的组分。

气缸内高浓度的黑烟导致发动机排气中，大于23纳米的颗粒物排放量较高，这意味着气缸内的黑烟浓度与颗粒排放之间存在着很强的相关性：黑烟浓度越高，排放颗粒的直径越大。

黑烟是燃料不完全燃烧的产物，富含碳，典型柴油黑烟的元素分析显示，除了少量的硫、氧、氢和金属物种外，碳是主要元素。

碳的主要形式是元素碳（EC）和有机碳（OC），由大量有机化合物组成，在碳颗粒形成过程中，大部分结构和组分的变化与EC相关，而不是OC。

初级碳颗粒由有序和非晶碳组成，就初级黑烟颗粒的内部结构而言，有序石墨状层片是主要组成部分。

此外，EC以一种独特的球形石墨组分存在于黑烟颗粒中，它是黑烟的核心组成部分，其微观结构具有还原氧化石墨烯（rGO）的特点。

2-3纳米的核化颗粒主要由sp2碳组成，而气体与颗粒表面之间的反应涉及的分子物种导致颗粒中sp3碳的增加。

发动机黑烟颗粒在排气后处理系统中迅速冷却，不完全燃烧的燃料和润滑油产生的挥发性和半挥发性有机化合物沉积在这些黑烟颗粒上，在氧化后成为OC的一部分。

多环芳烃（PAHs）是OC的重要组成部分，由单个小分子（> C10）和大分子（> C24）的PAHs组成。

如果它们的饱和率足够高，PAHs可能核化形成纳米颗粒，各种类型的黑烟可能含有OC，因为排气颗粒之间存在着凝聚、吸附和凝结的行为。

尽管与EC含量相比，OC含量微不足道，但在黑烟初始形成过程中，OC含量的变化可以导致黑烟颗粒的纳米结构和光学性质的变化。

尤其要注意的是，黑烟中较高的OC含量对应较低的纳米结构有序性，短波长的光消光随着黑烟颗粒中OC含量的增加而增加，这可以用于推断黑烟形成和增长过程中的OC含量。

在传统柴油中EC和OC的浓度丰富，而生物柴油的原料可能包括大豆油、菜籽油、废弃油脂和动物脂肪，从而导致生物柴油和常规柴油之间的EC和OC含量差异。

比较了四种发动机工况（柴油、混合、熏蒸+混合（F + B）和熏蒸模式）下PM的质量组成，混合模式具有较高的OC含量和较低的EC含量。

而实验数据表明，将黑烟颗粒的有机质分数增加10%可以将最大氧化温度降低约80°C，因此，混合模式改善了黑烟的氧化反应性，从而降低了黑烟的着火温度，提高了柴油颗粒过滤器（DPF）的再生效率。

替代燃料发展的挑战与机遇

自上世纪90年代以来，为了缓解能源危机和汽车尾气引发的环境污染，替代燃料逐渐得到了发展。然而，关于替代燃料燃烧效率以及不同燃料黑烟形成机制仍存在许多争议和困惑。

本节描述了化石燃料替代品发展中遇到的瓶颈和挑战，迄今为止关于PAHs如何在黑烟形成过程中转化为黑烟颗粒仍没有确切的解释。

早期研究认为，PAHs与周围的自由基结合，然后脱氢和碳化形成黑烟颗粒，后来的研究表明，中等大小的PAH分子积累形成初级黑烟颗粒。

在不同阶段将获得关于黑烟核化过程的新认识，然而有关不同燃料黑烟形成机制的研究报告很多，其中大多数显示出替代燃料优于传统化石燃料的优越性，而少数研究报告替代燃料的不足之处。

以生物柴油和生物汽油为例，当生物柴油用于柴油发动机时，不需要改装柴油发动机，而当生物汽油用于汽油发动机时，需要在一定程度上改装汽油发动机，这导致生物汽油的推广也存在一定的困难。

此外，一些替代燃料仍处于实验研究阶段，难以在汽车发动机中实现普遍应用，关于替代燃料氧化性能的研究大多通过建模和仿真进行，缺乏足够的实验数据进行验证，仿真结果的可靠性较低。

一些模型的使用具有一定的局限性，需要不断优化和改进。氧化性燃料燃烧过程中乙醇、醛类等非常规污染物的排放增加，因此氧化性燃料的研究人员可以适当关注氧化性燃料的非常规污染物排放特性和抑制机制。

随着全球能源消耗的迅速增加，有限的化石能源资源已无法满足人类不断增长的需求，另一方面，汽车发动机排放的废气污染严重影响着环境，特别是细小颗粒物进入人体对人类健康构成巨大威胁。

因此，为了符合清洁燃烧和高效燃烧的理念，越来越多的关注和研究已经投入到含氧替代燃料中。

颗粒过滤器的普及也是减少颗粒物排放的有效手段，本文综述了现代汽车发动机中的黑烟形成机制和减少黑烟排放的方法，主要结论如下：

（1）发动机排放的颗粒物包括黑烟、可溶性有机成分、硫酸盐、灰等，其中黑烟是主要成分。

其形成过程可分为燃料热解、核化、表面生长、聚集和氧化等五个阶段，从多环芳烃（PAHs）向黑烟的转化是最关键且最困难的步骤。

（2）黑烟形态决定了氧化反应性，较小的尺寸、更高的无序碳结构、较短的纹间距、更高的曲率和较大的纹间距分离代表黑烟更高的反应性，这也意味着黑烟具有更高的毒性。

（3）黑烟的形成过程受到温度、压力、氧浓度等外部因素的影响。最终的黑烟产量是黑烟形成和氧化之间竞争的结果。高压、高温和高氧浓度可以增强气缸内黑烟的氧化，但往往伴随着黑烟的失活。

环境保护和能源可持续发展是全球共同关注的议题，汽车发动机的黑烟排放作为环境污染的一项主要源头，必须得到有效控制。

通过深入研究黑烟颗粒的形成机理，我们可以更好地理解其中的关键环节，并针对这些环节开展针对性的技术创新，从而降低黑烟排放。

同时，替代燃料的应用为减少黑烟排放提供了可行途径，其环保性和可持续性使其成为汽车发动机领域的重要发展方向。

未来，我们应该继续推动科技创新，加强国际合作，共同为减少汽车发动机黑烟排放、改善环境质量作出更大贡献。