柴油机微粒排放的净化技术发展趋势概述

无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 1 柴油机微粒排放的净化技术发展趋势 摘要：近年来随着环境保护的日趋重视，世界各国都对环境的要求很高。柴油机的微粒 排放更是不同程度的危害着人类和破坏着生态环境， 所以柴油机微粒的净化技术问题也 是备受关注的，本文就现在已经采用的柴油机微粒净化技术和未来的发展趋势，做到柴 油机排放标准化、尽量做到污染小或者无污染。 关键词：柴油机 、微粒排放 第一章柴油机微粒的分析 第一节柴油机燃烧过程分析 由于柴油的蒸发性差，柴油机喷油器将柴油在高压下喷入气缸，分散成千百万计的 细小油滴，这些油滴在气缸内高温高压的热气中，经蒸发扩散混合等一系列物理、化学 准备， 最后着火。 由于每次喷射要持续一段时间， 一般在缸内着火时喷射过程尚未结束， 故混合气形成过程和燃烧会重叠进行，即：边喷油边燃烧。 柴油在气缸内燃烧是一个复杂的物理、化学变化过程，燃烧过程的完善程度，直接 影响着柴油机的作功能力、热效率和使用期限，其燃烧过程划分为四个阶段：滞燃期、 速燃期、缓燃期、后燃期。 第一阶段滞燃期，指柴油开始喷入气缸到着火的这一段时期，此阶段包括燃料 的雾化、蒸发扩散与空气混合等物理变化，以及重分子的裂化，燃油的低温氧化等化学 变化，到混合气浓度和温度比较合适、氧化充分的一处或几处同时着火。 第二阶段速燃期，指着火开始到出现最高压力的这一段时期。此阶段并没有把 滞燃期内喷入的燃油全部烧光，主要取决于混合气形成条件的情况，但至少会把相当部 分已喷入气缸并混合好的燃油烧掉。 第三阶段缓燃期，指从最高压力点到出现最高温度时的这一段时期。缓燃期开 始时，虽然缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气在燃烧。在缓燃期的初期，喷射过 程可能仍未结束，因此缓燃期中燃烧过程仍以相当高的速度进行，并放出大量热量，使 气体温度升高到最大值，但是在气缸容积增大的情况下进行的，因此气缸内气体压力迅 速下降。 第四阶段后燃期，指从缓燃期终点到燃油基本烧完的这段时期。前一阶段燃烧 中， 燃料由喷射中心向外扩散的过程受到已燃废气的包围， 使一部分燃料拖到后期燃烧， 形成后燃期。 柴油机是通过把柴油高压喷入已压缩到温度很高的空气中迅速混合、自燃而工作 的，所以混合气没有那么均匀的，总有部分燃料不能完全燃烧，分解为以碳为主体的微 粒。因此为分析柴油机微粒排放的净化技术发展趋势必须先分析它的燃烧过程。这样才 能了解燃烧后的微粒成份和形成途径。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 2 第二节柴油机微粒的排放和生成机理 柴油机排放物中的有害成分主要有一氧化碳、 碳氢化合物、 氮氧化合物、 二氧化硫、 烟尘微粒等，而微粒的成分主要包括碳烟颗粒(占 30%)、可溶碳氢有机物(占 35%)、硫 及水(占 35%).由于排放的微粒比表面积大、吸附力强(吸附有多环芳香烃、苯并花等)且 微粒直径小、重量轻，故能长时间悬浮在大气中，易被人体吸入并沉积在肺胞中，对人 类的健康有极大的危害.为此， 世界各国对柴油机微粒排放的限制越来越严格， 由于喷入 燃烧室的燃料与空气混合不完全，混合后的燃料历经高温聚合及分解反应，产生了高分 子量的 HC，经过进一步的凝聚作用，产生了碳烟颗粒，虽大部分在随后的富氧区烧掉， 但终究因混合不完全仍有约 1%的碳烟颗粒没被烧掉，重的颗粒随即排出，可溶碳氢有 机物来源于未燃的燃油。碳氢有机物在冷凝过程中吸附在碳烟颗粒的表面，成为柴油机 微粒排放的一部分，为了达到日益严格的排放法规的要求，目前世界各国都在积极开发 减少柴油机微粒排放的技术措施. 柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集而成，总体结构为团絮状或链状。柴油机微 粒的组成取决于柴油机的运转工况，尤其是排气温度。当排气温度超过 500时，排气 微粒基本上是很多碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；当排气温度低于 500 时（柴油机的绝大部分工况） ，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可容成分。这 些有机物在一定温度下可以挥发，而且绝大部分能溶解在有机溶剂中。它在微粒的含量 变化范围很广，可以从 10%90%，其含量取决于燃油性质、发动机类型及运行工况。如 果沿发动机的排气管道测试取样，可发现微粒粒度不断增大，且由于排气中的有机化合 物不断吸附冷凝在微粒上，使排气中的有机可容成份含量增加。 柴油机排放的烟粒主要由燃油中的碳生成，并受燃油种类、燃油分子中碳原子数及 氢原子比的影响。柴油机碳烟也是不完全燃烧的产物，是燃料在高温缺氧条件下经过裂 解脱氢以后的产物。从高温裂解的角度出发，碳烟微粒是在扩散火焰中燃油较浓的燃烧 处形成的。 柴油机的烟粒生长和长大一般可分为两个阶段: (1) 烟粒生长阶段：这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产 物萌生凝聚相。 (2) 烟粒长大阶段：包括表面生长和聚集两种形式。表面生长指烟粒表面粘住来自 气相的物质使其质量增大，同时发生脱氢反应，但不会改变烟粒数量，而聚集过程指通 过碰撞使烟粒长大，烟粒数量减少，生成链状或团絮状的聚集物。在柴油机中，烟粒聚 集过程常与烟粒在空气中的氧化过程同时发生，即在燃烧早期生成的碳烟微粒，在温度 高于碳反应温度的富氧区和扰流火焰出现的地方，在燃烧后期和氧混合而完全燃烧。 烟粒排放量取决于烟粒生成反应和氧化反应之间的平衡情况，对于烟粒的开始生 成，可燃混合气的碳氧原子比是重要的影响因素。 烟粒的氧化。在烟粒的整个生成过程中，不论是朱兆物、晶核还是聚集物，都可能 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 3 发生氧化，用专门的测试法可测得，柴油机气缸内的烟粒峰值浓度远远大于排放浓度， 说明燃烧过程所生成的烟粒大部分是在排气过程开始前被氧化掉。 SOF（可溶性有机成分）的吸附与凝结。柴油机排气微粒生成过程的最后阶段，是 组成 SOF 的重质有机化合物向烟粒聚集物的凝结与吸附， 这个阶段主要发生在燃气从发 动机排出并被空气稀释之前，通过吸附与凝结使烟粒表面覆盖 SOF。 第三节各种微粒的处理方法 一、分析微粒的质量与成份一、分析微粒的质量与成份 微粒成份分析不是排放法规所要求的，但对微粒的形成、氧化过程及微粒后处理技 术的研究等具有重要意义。下面就介绍一下微粒中有机可溶成分 SOF 的分离方法： 1 1. .热解质量分析法热解质量分析法 热解质量分析法是在惰性气体氛中， 将微粒样品按规定加热速率加热到 923K， 保温 5 分钟。在这段时间内，其中部分可以蒸发，用热天平测量的微粒质量减少量代表其中 可挥发部分，用此法测得的主要是高沸点 HC 和硫酸盐，基本与 SOF 吻合。然而将气体 氛换成空气，在相同温度下，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组合，残留的就 是微量灰分。 该方法的优点是能准确快捷的得出样品质量损失率变化的连续曲线， 可据此定量分 析 VF 中不同馏分，可测来碳烟在各种条件下的氧化速率，缺点是热解质量分析仪昂贵， 且一次只能处理一个样品。 2 2. .真空挥发法真空挥发法 真空挥发法是将微粒样品置于真空干燥箱内，在真空度 95Kpa 以上，温度在 473k 以上加热 3 小时左右，其质量变化即为微粒中 VF 含量。此方法设备简单，操纵方便， 真空干燥箱具有较大的容积， 一次可同时处理多个样品。 但是不能连续记录质量的变化， 收集 VF 较困难。 3 3. .索式萃取法索式萃取法 对微粒中的 SOF 可采用索式萃取法采集，常用的索式萃取法如下图 1-1 所示： 1-冷凝管2-提取管3-虹吸管4-连接管5-提取瓶 图图 1-11-1 索式萃取法索式萃取法 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 4 将盛有容液的烧瓶置于恒温浴缸中，用水加热使容液蒸发，上升到冷凝管中，冷凝 物回到样品室中浸泡样品，进行萃取。萃取液达到一定体积时，经虹吸管流回烧瓶，这 样，容积在萃取液中循环流动，不断将微粒中的 SOF 带到烧瓶中，直到萃取完全。 萃取溶剂通常采用二氯甲烷，其沸点为 315K，比样品中的 SOF 低得多，萃取一般连 续 8 小时就可完成，样品原始质量与残渣质量之差就是 SOF 质量。 该方法从原理上说，是测量柴油机排放微粒中 SOF 最准确的方法，且萃取可多次使 用，不足之处就是耗时多，操作较复杂。 汽车排放微粒中的 SOF 成份复杂，可通过气相色谱仪 GC 进一步分析，以弄清其中 各种 HC 的来源。一般低于 C19 的 HC 来自柴油，高于 C28 的则来自润滑油。如果色谱仪 与质谱仪连用，则可对复杂有机物进行更细致分析，因此结果表明，柴油机排气微粒中 可挥发成份随发动机负荷的增大而减少，从 95%减到 65%左右，其余为不挥发的可燃物 碳粒，不可燃的无机物极少。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 5 第二章分析影响微粒生成的因素 第一节负荷与转速的影响 图 2-1 为柴油机的微粒排放量与负荷和转速的关系。由图看出：在高速小负荷时， 单位油耗的微粒排放量较大，且随负荷的增加，微粒排放量减小；而在低速大负荷时， 微粒排放量又由于空燃比的增加而有所升高。 图图 2-12-1 所示柴油机的微粒排放量与负荷和转速的关系所示柴油机的微粒排放量与负荷和转速的关系 微粒排放量随负荷有这样的变化趋势，是由于小负荷是空燃比和温度均较低，气缸 内稀薄混合气区较大，且处于燃烧界限之外而不能燃烧，造成冷凝集合的有利条件，从 而有较多微粒（主要成分是未燃燃油成份和部分氧化反应产物）生成；在大负荷时，空 燃比和温度均较高，造成了裂解和脱氢的有利条件，使微粒（主要成份是碳烟）排放量 又有了升高；在接近全负荷时微粒排放急剧增加（接近冒烟界限） ，这时虽然总体过量 空气系数尚大于 1,但由于燃烧室内可燃混合气不均匀， 局部会有过浓， 导致烟粒大量生 成。 微粒排放量与转速有如此变化关系，是由于在小负荷时温度低，以未燃油滴为主的 微粒的氧化作用微弱。当转速升高时，这种氧化作用又受到时间因素的制约，故微粒排 放量随转速升高而增加；在大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度 加快，对碳烟微粒在高温条件下与空气混合氧化起了促进作用，故以碳烟为主的微粒排 放量随转速的升高而减小。如仅考虑碳烟排放，对车速适应性好的柴油机而言，其峰值 浓度往往出现在低速大负荷区。 第二节燃料的影响和喷油参数的影响 一、燃料的影响一、燃料的影响 柴油中的芳香烃含量及柴油的馏程对柴油机的微粒排放有明显的影响。实验表明， 燃油中芳香烃含量及馏程越高，在相同的条件下，微粒排放量越大；而烷烃含量越高， 微粒排放量越少。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 6 燃油的十六烷值对烟粒排放也有明显的影响。实验表明，柴油机的排烟浓度随十六 烷值的提高而增大。其原因可能是由于十六烷值较高的燃油稳定性较差，在燃烧过程中 碳粒的生成速率较高所致。若从燃油的十六烷值对燃烧过程的影响考虑，则由于十六烷 值的燃油具有良好的发火性， 故排烟浓度较大。 然而， 以降低十六烷来获得排烟的改善， 会带来柴油机工作粗暴等严重后果。 二、二、喷油参数的影响喷油参数的影响 在直喷式柴油中，当所有其他参数不变时，提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排 气烟度，如图 2-2 所示。 图图 2-22-2 喷油参数喷油参数 提前喷油使排烟下降的原因是：滞燃期随喷油提前角的加大而延长，因此使着火前 的喷油量较多，燃烧温度较高，燃烧过程结束较早，从而使排气烟度下降。但喷油提前 会使燃烧噪声和柴油机的机械负荷和热负荷加大，还会引起 NOX排放量增加。 非常迟喷油使排烟下降的原因是：这种喷油定时发生于最小滞燃气之后，由于扩散 火焰大部分发生在膨胀过程中，火焰温度较低，使碳烟的生成速率降低。 1.喷油规律的影响 在喷油定时、喷油持续角、循环供油量、涡流比和发动机转速不变的条件下，直喷 式喷油规律对 NO 和碳烟排放的影响如图 2-3 所示。 当大部分燃油在前半时间内喷入汽缸时，参与预混燃烧的油量增多，故排烟浓度低 而 NO 浓度高； 反之， 当大部分燃油在后半时间喷入汽缸时， 参与扩散燃烧的油量增多， 故排烟浓度高而 NO 浓度低。 在提高初始喷油速率的前提下，如能减少喷油持续角，可使燃烧过程较快结束，以 改进碳烟排放。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 7 图图 2-32-3 直喷式喷油规律对直喷式喷油规律对 NONO 和碳烟排放的影响和碳烟排放的影响 2.喷油嘴不正常喷射的影响 当喷油嘴由于针阀密封面漏油或针阀落座缓慢而造成滴漏， 或针阀落座后再次升起 而产生二次喷射时，燃油雾化和混合变差，对碳烟、未燃烃、CO 的排放及发动机运转均 有不利影响。 3.喷油压力的影响 提高喷油压力，改善燃油雾化（减少油雾的平均直径） ，能促进燃油与空气的混合， 改善柴油混合的均匀性，从而减少烟粒的生成。试验证明，不论柴油机转速高低、负荷 大小， 烟粒排放均随最大喷油压力的提高而降低。 应注意， 在较高的转速和较大负荷 （较 大循环供油量）下，同样的喷油装置有较高的喷油压力，采用较高的喷油压力还可以使 柴油机具有较高的 EGR 耐力。增大 EGR 率可降低 NOX排放，但也往往导致烟粒和 HC 排放 上升。从图可看出，当喷油压力从 42MPa 提高到 82MPa 时，烟粒排量可下降一半以上， HC 的排放量下降 1/3 左右。 第三节其他因素的影响 适当增加空气涡流， 可使油滴蒸发加快。 空气卷入量增多， 有利于改善混合气品质， 以减少碳烟排放量。但是，对减少碳烟排放有力的涡流，不一定有利于减少其他微粒和 有害物的排放。例如，当喷油率较低时，增大空气涡流会吹散较多的燃油，形成较宽的 过稀不着火区，使未燃烃排放量增加。 由于高温缺氧是造成碳烟生成量增加的重要原因， 所以凡能提高充气效率以增大进 气量的措施，都可以减少碳烟排放。适当提高燃烧室内的空气温度和壁温，可以改善燃 料着火条件，减少微粒排放。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 8 第三章柴油机微粒排放机内净化技术 机内净化着眼于降低燃烧室内碳粒初始粒子的形成、 通过改进发动机结构或增加附 加装置达到微粒净化的目的。 第一节燃料的改进措施 降低含硫量。在燃烧过程中，柴油中的硫约有 98%转化为 S0，其余的 2%成为硫酸盐 颗粒。部分 S0 被进一步氧化并与燃烧过程中生成的 HO 结合，形成 SO 和硫酸盐，增加 了微粒的排放量。当微粒中的硫从 0.12%下降到 0.05%时，微粒排放量将减少 8%10%， 但进一步减少硫对微粒的排放量不再有影响。 美国 1993 年 10 月规定高速公路上行驶的 汽车所用的柴油，其硫含量不得高于 0.05%，1996 年已全部供应低硫柴油； 降低燃油比重。燃油比重直接影响非直喷式柴油机的微粒排放，即微粒排放量随燃 油比重的增加而增加； 燃油的乳化。采用油包水型乳化燃油，这样由于油中水的急剧汽化使油滴变得更加 细小，有利于扩散然烧，可有效降低微粒排放。 第二节优化燃烧过程 燃烧系统的优化对微粒产生的影响最大，也是研究的热点，主要有以下几个研究方 向： 1.燃油喷射系统的优化与喷油有关的参数主要有喷油量、喷油嘴端压力、喷油嘴结 构和喷油提前角。喷油系统的性能直接影响燃油的雾化和混合气的质量，最终影响微粒 排放特性。例如，增加喷油嘴孔数、采用电控技术和提高喷射压力可以使燃油在燃烧室 内更均匀地分布，减少燃油碰壁，将有利于减少微粒排放，但会引起 N0 的增加; 2.燃烧方式的改进为了减少微粒排放，所以各国都在研究预混合燃烧方式的柴油 机，这样，可使燃油与空气充分混合，尽量避免在高温缺氧情况下燃油裂解成碳粒的可 能性； 3.进气涡流的优化在高压喷射的情况下采用低涡流比有利于减少微粒排放。 这是由 于涡流比大，提高了进气速度，而降低充气效率。但在发动机实际运行时，低转速时要 求较高的进气涡流；而高速时要求有较低的进气涡流。采用可变涡流进气道技术可使运 行中的涡流比在 0.22.5 之间变化，使发动机性能及微粒排放特性在整个范围内得到 优化； 4.四气门技术采用四气门结构， 使活塞上的燃烧凹坑和缸盖上的喷油嘴布置在燃烧 室中央，改善了进气涡流和油雾分布，使燃烧状况明显优化，同时也改善了活塞和喷嘴 的冷却条件，从而减少微粒排放； 5.采用陶瓷材料。用陶瓷材料制成的燃烧室、活塞顶和缸套可以提高燃烧室的绝热 效果。用陶瓷材料制成气门摇臂等运动部件，可减少摩擦阻力、降低机油耗量，从而减 少微粒排放； 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 9 6.进气增压与空气冷却技术可以增加进气量， 这样燃料在最大扭矩时可以得到充分 的氧，而避免达到临界空燃比。使用变截面增压器并配合先进的控制系统，可有效地降 低微粒排放量。 第三节降低机油油耗 降低机油消耗量在柴油机排放的微粒中，未燃机油占很大比重，所以必须降低机油 消耗量.为此，须对活塞、活塞环、缸套等零部件进行优化设计并进行配合间隙的优化 研究，特别是热变形条件下的研究，以达到降低机油消耗的目的。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 10 第四章柴油机的机外净化技术 第一节微粒的过薄技术 机外净化即排气后处理，将柴油机排气引入专门的后处理装置中，消除其中的部分 微粒后再排入大气。主要的机外净化措施示如图 4-1 所示。机外净化措施中应用最广泛 的是微粒的过薄技术，即用耐高温的过滤材料制成特定结构的过滤体，将排气中的微粒 截留在过滤体内，从而达到净化的目的。过滤体的材料和结构应满足以下要求: a. 通过特性好，排气阻力尽可能小； b. 抗热冲击性好，有较好的机械性能； c. 热稳定性好，能承受很高的热负荷； d. 过滤效率高； e. 适应再生的要求。 图图 4-14-1 机外净化措施示机外净化措施示 目前国内外应用最广泛的过滤材料有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维等。随 着过滤体内微粒的不断积累，柴油机排气阻力增加、背压升高，当背压升高到一定程度 时，将导致柴油机功率和过滤效率下降，所以必须及时清除过滤体内积存的微粒。众所 周知，当柴油机在最大负荷、转速的工况下，气缸排气口的温度可达到 500600， 此时柴油机排气微粒开始迅速氧化、升温直至着火燃烧，以此减少微粒，从而达到过滤 体的排气阻力和过滤效率恢复到原来的水平，即过滤体的“再生” ，目前过滤体的再生 方法主要是:“热再生” ，即利用全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、节流再生等， 此外，也开发了如逆向喷气再生、振动再生等非加热再生方法，也就是利用外部热源使 积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤体内的微粒。 一一、 柴油机排放后处理系统是利用泡沫陶瓷过滤微粒柴油机排放后处理系统是利用泡沫陶瓷过滤微粒， 并利用微波对滤体进行再生并利用微波对滤体进行再生。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 11 1 . 泡沫陶瓷过滤体将陶瓷原料配制成泥浆， 并在聚醋或聚醚泡沫塑料内浸演成型， 最后经制而成。结构如图 4-2 所示。泡沫陶瓷内部由许多小孔(称为“气室”)组成，每 个气室通过窗口与多个邻室相连，由于微粒直径远小于气室直径，所以微粒的捕集发生 在整个气室里，其优点是多孔结构使火焰易于传播，从而有利于再生，且泡沫陶瓷各向 同性，再生时热应力小，不易造成热损坏，其缺点是结构疏松,强度低，在排气冲击和 机械振动条件下易出现损坏。 图图 4-24-2 2 .微波再生柴油机微粒排放后处理系统在国内率先采用，微波再生这一新技术与 其它再生方法相比具有以下特点： a.选择加热陶瓷材料对微波的吸收能力很差， 但微粒对微波的吸收能力却是陶瓷的 100 倍以上，因此，在微波再生过程中，微粒是主要的被加热对象，这种选择加热特性 对于提高能量利用率、延长过滤体寿命、提高再生效率都是十分有利的。 b.空间加热当微波进入被加热物质时，引起被加热物质分子偶极子高速振动的摩 擦，从而产生热量。微波能在过滤体中是空间分布的，因此，微波再生具有加热迅速、 均匀的特性，使再生过程能量利用率高，且减少了因加热不均匀引起过滤体热损坏的可 能性。柴油机微粒排放后处理系统主要由过滤器、微波源、车用电源和自动控制系统四 部分组成，柴油机工作时，排气通过过滤体，其中的部分微粒被过滤体捕集，净化后的 排气排入大气。 微波由微波源发出，在过滤器与微波源之间。由于微波源功率有限，再生过程中如 有高速气流流经过滤体，那么再生就很难实现，为了保证再生能顺利进行，再生时旁通 阀关闭排气管至过滤器的通路，同时打开旁通通路，使废气直接排入大气，以免气流对 过滤体的冲击。再生时，旁通阀、车用电源、微波源均由控制系统自动控制，经台架试 验和整车台架试验，其过滤效率超过 90%，微波再生效率超过 80%，整个系统工作稳定 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 12 可靠，具有很高的实用价。 二二、其它过滤材料其它过滤材料 1. 壁流式蜂窝陶瓷 壁流式蜂窝陶瓷开有许多蜂窝孔，相邻的蜂窝孔道两端交替堵孔，发动机排气从入 口通道进人后，须经过过滤体内部的多孔薄壁才能排出，由于薄壁的气孔率高达 400/25.4mm，所以过滤效率高，可达 60%一 80%，还有结构强度高，抗热冲击和机械振 动的能力强，但蜂窝陶瓷各向异性，其径向膨胀系数是轴向膨胀系数的两倍，且微粒都 沉积在进气孔道内，因此再生过程中受热不均匀，易发生热冲击损坏 2. 编织陶瓷纤维 编织陶瓷纤维具有高度表面积化和良好的抗高温能力，不受固定尺寸的限制，给过 滤体内孔形状和孔的分布提供了广泛的选择余地， 通过改变各种设计参数使应用达到优 化。由于过滤体内纤维表面全是有效过滤面积，所以过滤效率高达 95%，但是，陶瓷纤 维是一种脆性材料，虽能适应催化剂因素，却有生产工艺较复杂且易损坏的缺点。 第二节微粒后处理的催化技术 柴油机微粒后处理技术包括催化氧化和过滤。 柴油机加装氧化催化转换器是一种有 效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性 SOF 有机组分的常用措施。采取此措施（以铂 Pt、钯 Pd 贵重金属作为催化剂）能使 HC、CO 减少 50%，颗粒减少 50%70%，其中 的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。 但是， 氧化催化器的缺点是会将排气中的 SO2 氧化为 SO， 生成硫酸雾或固态硫酸盐 颗粒，额外增加颗粒物质排放量。美国最近针对新型柴油机进行的一项示范研究表明， 当使用 S 的质量分数为 36810-6 的柴油时，催化氧化可使瞬态工况条件下的 PM 排放 降低 23%29%，HC 降低 52%58%，若改用的质量分数为 5410-6 的柴油，PM 可降 低 13%，所以，柴油机氧化催化器一般适用于含硫量较低的柴油燃料。并要保证催化剂 及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入 转换器的进口温度等正常，使净化效果达到最佳。 常用的催化剂有贵金属(铂、把等)、贱金属(锰、钻、钒、铬的氧化物)和稀土，催 化剂可以添加到嫩料中，也可浸在过滤体上，其目的是: a.促进过滤体内碳粒的氧化，有效地降低碳粒的着火温度，使过滤体“再生”更容 易。 b.有效地降低排气中的 HC 和 C0 含量，但由于催化剂的氧化作用，排气中的硫易形 成硫化物，不仅会引起催化剂“中毒”，而且会因硫化物沉积在过滤体内而降低过滤效 率和使排气阻力增加。 同样， 金属添加剂的燃烧产物流经过滤体时也会有一部分沉积物， 也会影响过滤效率和增加排气阻力。贵金属催化剂不会导致两次污染，且催化效率高， 但价格昂贵，贱金属和稀土催化剂价格低，但催化效率不如贵金属催化剂。我国是世界 上稀土蕴藏量最大的国家，故稀土催化剂在我国大有前途。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 13 第五章柴油机微粒排放的净化技术发展趋势 通过之前的柴油机微粒生成的影响因素，我们了解到影响柴油机微粒的生成受 负荷、转速、燃料、喷油、空气涡流等因素的影响，然而对于转速、负荷以及燃油喷射 均与柴油的燃烧室、燃油的燃烧方式以及进气系统有关，因此，柴油机净化技术的改进 需要在此基础上进行改进，这样柴油机的微粒排放才是从最基层得到了改善。由此我们 需要改进以下几项： 第一节柴油机电控系统技术应用 采用电子控制不仅可以提高喷油定时和喷油量的控制精度，而且在 EGR、放气阀或 可变几何涡轮增压等空气控制部件也可以用电子控制技术进行柔性或精确控制。 控制系 统最理想的方案应是能使燃油经济性和废气排放均获得优化。 电子控制柴油机高压喷射技术（如电控高压共轨喷射）的应用可使柴油机通过最佳 喷油正时、最佳喷油率和预喷射，与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，采用 先导喷射及多次喷射技术，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时 刻的控制精度都有严格的要求，这些显然只有在电控高压共轨系统中才能良好地实现。 大大降低了颗粒排放，并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷 射控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混 合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比，有利于实现有 效的机外净化措施。共轨式电控喷射技术是目前最先进的柴油机电控喷射技术，共轨系 统的开发、应用与研究工作在国外报道较多，然而在国内，这方面的研究还处于起步阶 段。 第二节采用废气再循环技术（EGR） 废气再循环（EGR）是再保证内燃机动力性不降低的前提下，将一部分排气导入进 气系统中，和新鲜混合气混合后再进入气缸参加燃烧，通过降低燃烧室燃烧的最高温度 来降低 NOx 的排放。利用废气再循环（EGR）来降低 NOx，的排放，需要与电子控制结合， 根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由 ECU 对 EGR 率和 EGR 时 机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中 NOx 的排放。 目前，EGR 在汽油机上的应用比较成功，而在柴油机上却不尽人意，主要原因在于 柴油机排放中大量的 PM 和其他有害排放物直接引入气缸会增加活塞环和缸套的磨损， 还会稀释润滑油并加速其变质。柴油机采用 EGR 相当于将一定数量的 CO 和水蒸气添加 到进气空气中而成为一种稀释剂，EGR 率增大还使进气工质的密度和氧浓度下降，致使 缸内可燃混合气的燃烧速度和燃烧温度均有所降低， 最终导致发动机的动力性和经济性 下降，HC，CO 和 PM 排放增加。发动机处于中小负荷工况时，采用 EGR 的效果十分显著。 当 EGR 率为 30%左右时，发动机的排放及综合性能较好，采用较大的 EGR 率降低 NOx 排 放效果更加明显， 且发动机经济性的下降并不突出。 发动机在大负荷工况时， 若采用 EGR， 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 14 则会导致发动机的经济性和动力性明显下降，另外，还会增加活塞环和缸套的磨损及加 速润滑油的变质，因此大负荷工况时不宜采用 EGR。 涡轮增压柴油机在 30%至 50%负荷以上的工况下， 平均排气压力低于平均进气压力， 故排气再循环难以实现。为此，各国学者提出了多种在增压柴油机上实现排气再循环的 方案，主要有：通过调整正时实现内部 EGR；在进气管或排气管内装节流阀，通过节流 来降低进气压力或提高排气压力；通过辅助装置或活塞本身的压力将废气压入进气管； 通过在进气管加装文曲利管（Venturi Pipe） ，降低 EGR 接头处的进气压力；利用压力 波动等。其中采用文曲利管 EGR 系统能较方便地在高工况下实现排气再循环，并且附加 泵气损失少、成本不高、有很大的优越性。 第三节柴油机燃油和燃烧方式的改进 一、一、代用燃料代用燃料 采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一， 并且由于化石燃料有 限，寻找代用燃料更成为当前内燃机研究的热门话题。目前，代用燃料主要有天然气、 压缩天然气（CNG） 、液化天然气（LNG） 、液化石油气（LPG） 、氢气、甲醇、乙醇、二甲 醚（DEM） 、碳酸二甲酯（DMC）及生物柴油等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为 是最有前途的清洁能源的代用燃料，其中 CNG，LPG，甲醇一汽油汽车在我国得到了政府 的大力支持并得到迅速发展。 甲醇可从天然气、煤及生物质等原料中提取，乙醇主要是含糖和淀粉的农作物发酵 后制得。利用醇类燃料发动机的动力性和经济性可接近或超过柴油机和汽油机，排气的 有害成分少，是一种很有发展前景的燃料，但是甲醇和乙醇燃烧时会放出甲醛和乙醛等 有害成分，因而在使用上受到限制。 二甲醚（DEM）是近年来倍受关注的柴油机代用燃料，它可从煤、天然气和生物物 质废料中制得。DEM 的自燃性很好，可作为单燃料直接代替柴油，能够实现发动机高效、 柔和压缩燃烧，具有与柴油机相同或略高的动力性和经济性能，最突出的优点是 DEM 能 够彻底消除排烟和实现超低排放，NOx 排放比柴油机低 30%以上，若同时采用废气再循 环时，可将 NO 排放进一步降低到一般柴油机的 50%并达到 PM 和 NO 的同时降低。 碳酸二甲酯（DMC）中含有 53.3%的氧，燃烧所产生的碳烟和颗粒比纯柴油低。据报 道，保加利亚生物燃料和再生能源协会通过加工使用过的食用油，来生产生物柴油，年 产量可达 300 吨，它实际上是甲基酯菜籽油或甲基酯植物油，生产原料为向日葵、大豆 等等， 市场售价每升为 0.5 美元的这种生物柴油， 可以替代柴油， 也可与柴油混合使用。 而且，它完全由可再生原料提炼而成，在燃烧过程中产生的二氧化碳量大大低于普通柴 油，对环境的污染比普通柴油小得多。目前，已有美国、德国、巴西、阿根廷等投入生 产。 另外也有一种生物柴油，是以废餐饮油等为原料制成的液体燃料。其基本制作过程 为： 垃圾油加入反应罐后， 通过一种微酸性催化剂技术， 使得其醇解和酯化可同时进行， 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 15 反应速度也明显加快。另外，通过一种金属盐处理剂，解决了利用废旧动植物油脂生产 柴油残留酸值高的关键问题。这两项关键技术都降低了生物柴油的生产成本，使得生物 柴油从实验室走进了生产车间。 二、二、燃油的改性燃油的改性 1.提高十六烷值。 柴油的十六烷值越高，着火延迟期越短，点火质量越好；各种污染物的排放一般随 柴油十六烷的增加而下降，十六烷值不足，着火延迟期缩短，点火质量差，预混合燃烧 量过多，运转粗暴，噪声加大，黑烟和 NO 排放增加。增加柴油的十六烷值，能有效地 降低发动机尾气颗粒 PM、CO 和 NO 的排放。 2.降低芳香烃在燃油中的含量。 芳香烃的密度比较大，着火性比较差，燃烧过程中会产生更多的碳黑，使尾气中的 CO，HC，NO 以及 PM 都有所增加，因此，降低芳香烃的含量可以有效地控制有害污染物 的排放。 3.降低燃油中的含 S 量。 在燃烧过程中柴油中的 S 有 1%3%转化为硫酸盐排出，其余的主要转化为 SO，Van Beckhoven 研究发现：在直喷柴油机中，燃油中 S 份从 0.30 降低 0.05wt%，微粒排放量 将降低 10%30%。Bartlett 报道说在所有轻型柴油机中，燃油中硫份从 0.30 降低 0.05wt%，微粒排放量将降低大约 7%。 4.降低密度。 柴油密度、粘度是柴油重要的理化指标，它们将影响柴油的喷雾质量，进而影响柴 油机的排放情况。降低柴油的密度，可使 HC 和排放中的颗粒物减少，燃料密度从 840kg/m3 减少到 800kg/m3，微粒排放物将减少 13%。 5.利用燃油添加剂。 经常使用的有十六烷值改进添加剂、消除积炭添加剂和消烟剂等，但是这些添加剂 使用后的作用并不理想，有的还有负面影响。比如应用较多的消烟添加剂，将金属钡、 镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，加入少量后可显著降低柴油机的排气 烟度，但微粒的排放量反而增加，且这些金属对人体有害，现在已不推荐使用。 6.燃油的雾化 燃油的雾化是指燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小液滴的过程。 燃油雾化可以大 大增加其与周围空气接触的蒸发表面积，加速了从空气中的吸热过程和液滴的汽化过 程，对混合气的形成起了重要作用。由此，有良好的混合气是燃烧完全的必不可少的条 件之一，所以燃油的物化质量是非常重要的。 燃油的雾化质量一般是指油束中液滴的细度和均匀度。 细度是用液滴的平均直径来 表示，液滴平均直径越小，意味着燃油雾化的越细。液滴平均直径的大小受多种因素影 响，减小喷油器喷孔直径，增大燃油喷入时的流速，空气密度的增大以及燃油粘度和表 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 16 面张力的减小，都会使油滴平均直径减小。那么为了有良好的燃油雾化质量，就要对喷 射系统有严格的要求： a. 避免不正常喷射现象和穴蚀破坏，这是对喷射系统的基本要求； b. 可根据不同转速和负荷的工况要求，在最佳喷射时刻，精确提供所需的燃油量； c. 改善柴油机的动力性、经济性、有害排放和噪声水平等，应尽可能实现理想的 喷油规律； d. 良好的油束特性能满足具体燃烧室的要求，油束的几何形状和雾化质量能使燃 油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合达到最佳； e. 对于喷射系统的强化，应采取相应的措施保证有关零部件的强度和刚度，提高 系统的工作可靠性和使用寿命，同时注意降低喷射系统的噪声和振动。 因此，尾气的控制也就是从燃油的混合做起，有良好的喷射系统才能有很好的燃油 雾化质量，也就有很低的尾气排放。 7.燃油喷射控制 电控喷射系统为在满足限制有害排放物的条件下， 柴油机经济性和动力性等性能达 到最优提供的条件，其突出优点是控制的准确和响应的快速性。电控系统主要由三个部 分组成，即传感器、控制部分和执行部分。 喷射控制就是控制喷射的过程，从喷油泵开始供油至喷油器喷油停止的过程，整个 过程在全负荷工况下约占 1540曲轴转角。 整个喷射过程可以分为三个阶段， 即喷 射延迟阶段、主喷射阶段和喷射结束阶段。由此控制这三个过程是最为关键的。 通过以上分析可以看出，柴油机燃料方面的控制措施主要有以下几种：采用代用燃 料、提高燃料的十六烷值、选择适当的柴油粘度，降低柴油的表面张力、降低密度、减 少柴油中的含硫量和芳香烃含量、燃油喷射控制和燃油的雾化，这些技术措施都有助于 降低柴油机尾气有害排放物。 三、三、采用新的燃烧方式采用新的燃烧方式 传统的柴油机燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两个部分。主要燃烧是l 处的扩 散燃烧，火焰温度高，极易产生 NOx，采用稀薄的均匀混合气可解决这一问题。美国西 南研究院提出的均匀充量压缩燃烧系统（HCCI）和日本 ACE 研究所的预混稀薄燃烧过程 （PREDIC）等均是采用这种思路。采用预混稀薄燃烧方式减少或消除了扩散燃烧，稀混 合气可降低燃烧温度，可大幅度降低 NOx，比一般柴油机降低 98%。由于气缸内混合气 均匀，无局部过浓混合气，可使 PM 排放比一般柴油机降低 27%，预混稀薄燃烧方式目前 还处于研究阶段，离实用还有一定距离，但是前景非常可观。 目前的发展方向是采用代用燃料，提高石油冶炼技术，研制新型柴油添加剂，消除 柴油中的硫，减少燃油中的芳烃成分，降低柴油中不饱和烃的含量，提高柴油的品质， 从源头上解决尾气排放的问题。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 17 第四节喷油系统和进气系统的改进 一一、喷油系统的改进喷油系统的改进 1喷油规律改进 合理的喷油规律应该是：初期喷油速率不宜过高，以抑制 NOx 生成；中期应急速喷 油，提高喷油速率和喷油压力，以加速扩散燃烧速度，防止 PM 升高和热效率的恶化； 后期要迅速结束喷射，避免燃烧不完全及 PM 增加。 在没有电控燃油喷射条件下，通过改变油泵凸轮形状，对喷油规律加以改进，传统 凸轮为切线凸轮，改进凸轮为凹弧型凸轮，其供油规律具有初期低、中期急速及补燃期 不拖长的特征。通过在某 6105 柴油机上验证试验，发现改进后，NOx 降低 6%13%，PM 降低 80/15%，但燃油经济性略有恶化。 为了实现先缓后急的喷油规律，也可使用双弹簧喷油器即为双开启压力喷油器，在 油压上升时首先克服第一级较软的弹簧压力，使针阀略微顶起，由于流通面积很小，燃 油喷射的速率较低；当油压升高到克服第二级弹簧压力时开始主喷射。 2提高喷油压力和减小喷孔直径 提高喷油压力和减少喷孔直径可以使燃油的喷雾颗粒进一步细化， 以增大燃油和空 气接触的表面积，加速燃油和空气的混合，明显地降低颗粒 PM 中碳的排放。高压喷射 会导致 NOx 的增加，如采用推迟喷油时间和 EGR 等方法，以达到控制颗粒 PM 和 NOx 排 放的目的。高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配，以避免过多的燃油喷射到气缸的冷表 面上，减少 HC 和颗粒 PM 中有机可溶物（SOF）排放；高压喷射技术对喷油系统提出了 十分苛刻的要求，要求整个系统有极高的强度、刚度和密封性。此种措施也必须和其他 改进方法相结合才能达到更好的效果。 提高喷油压力可以有效地降低柴油机的微粒排放，减少燃油平均滴径，促进混合气 形成，降低发动机最大压力升高率、降低燃烧噪声。 3喷油正时与喷油速率的配合 控制柴油机的喷油正时是控制柴油机排放的重要手段， 推迟喷油正时是降低柴油机 排放中 NOx 浓度的简单而有效的措施之一。NOx 对喷油正时的影响非常敏感，当喷油正 时与设定值相差 1A 时，NOx 将提高 15%左右。为了减少 NOx 的排放，喷油正时正在逐 步推迟，向上止点方向靠近。目前采用电控喷射的喷油正时已减少到上止点前 5A 左 右。喷油速率对有害气体的排放有较大的影响，在实用中，常把推迟喷油正时与提高喷 油速率同时使用，使单独使用推迟喷油正时引起的 CO 升高受到抑制，从而使 CO 和 NOx 排放均得到降低。 4先导喷射及多次喷射 在主喷射之前喷入少量的燃油，以降低 NOx 和噪声，主喷射要求喷油速率快、喷油 压力高，促进混合气形成，以缩短缓燃期，保证良好的经济性和动力性，形成先导喷射 （预喷射）主喷射的模式。为了同时降低 NOx 和 PM 的排放也可采用多次喷射的方法， 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 18 即先导喷射和主喷射结束后再喷入少量的燃油形成过后喷射， 过后喷射可促进碳烟的氧 化，降低 PM 的排放。采用过后喷射会加大 HC 排放和耗油增加。在不同工况下要获得良 好的效果，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都 有严格的要求，这对于机械式喷油系统是很难想象的，只有电控高压共轨喷油系统才能 胜任。 二二、进气系统的改进进气系统的改进 目前，柴油机的发展趋势是，提高喷油压力、降低涡流强度，以减少进气的压力损 失，配合多气门小孔径喷油器来获得良好的混合气。 1采用增压中冷技术 废气涡轮增压可提高进气压力、增大空气的供给量，提高了气缸内平均有效压力、 过量空气系数和整个循环的平均温度，使燃油燃烧完全，可使柴油机颗粒状物质的排放 量降低 50%左右，并减少了 CO 和 HC 的排放。增压后，燃油消耗率下降，CO 和 HC 也会 进一步降低。同时使进气温度提高而使燃烧温度增加，致使增压后 NOx 比非增压要高。 对此可采用增压中冷的方法使进气温度降低，以控制 NOx 的恶化。据资料介绍，进气温 度降低 05， 最高燃烧温度和排气温度可降低 13利用中冷技术， NOx 的排放量可降 低 60%-70%。所以采用增压中冷是降低车用柴油机尾气排放物的有效措施之一。 2多气门设计 采用多气门设计主要是为了扩大进排气门的总流通面积，提高进气充量，使柴油的 燃烧更彻底，实现进气涡流比可变，在实现这些目标时，它对柴油机排放亦产生较大影 响，该影响来自两个方面，一是采用 4 气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近， 使油气混合均匀，燃烧及早结束，有利于降低 NOx。另外，4 气门使燃烧室凹坑内产生 较大涡流，减少涡流死区，有利于降低 PM。二是可关闭部分通道，形成与柴油机转速相 适应的进气涡流强度。 研究人员对某 6108 柴油机进行了涡流比变化对 NOx 和 PM 的影响 试验，该机为 4 气门结构，与双进气门配合的双进气道为长螺旋气道和短切向气道，切 向气道涡流近于零，并可节流，以此实现涡流比可变。在低转速时，关闭切向气道，即 可获高涡流比，从而提高低速时的混合气质量，改善柴油机的经济性、动力性和排放。 第五节燃烧室的改进 柴油机在进气过程中进入燃烧室的是纯空气，在压缩过程接近终了时柴油才被喷 入，经一定准备后即自行着火燃烧。由于柴油机混合气形成时间较长，而且柴油的蒸发 型和流动性较差，使得柴油在燃烧前难以彻底的雾化蒸发并与空气混合，因此柴油机可 燃混合气品质较差。为了柴油混合完全，所以要采用较大的过量空气系数。 过量空气的多少，是混合气形成好坏的必然因素之一，所以不同的燃烧室对进气量 有不同的影响，下面就来介绍一下不同的燃烧室对混合气形成的影响，从而分析对微粒 的影响及如何改进： 1.分隔式燃烧室 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 19 分隔式燃烧室的结构特点是除位于活塞顶部的主燃烧室外， 还有位于缸盖内的副燃 烧室，两者之间有通道相连。燃油不直接喷入主燃烧室内，而是喷入副燃烧室内。 分隔式燃烧室柴油机中主要靠强烈的空气运动来保证较好的混合气重量， 空气利用 率较高， 最小的过量空气系数可达 1.2 左右。 由于空气运动的强度随转速提高而增大， 保证了高速下也有较好的性能。 2.直喷式燃烧室 直喷式燃烧室可根据活塞顶部凹坑的深浅分为半开式燃烧室和开式燃烧室。 开式燃 烧室中的混合气形成主要依靠燃油的喷散雾化，因此对雾化质量，也就是喷射系统有很 高的要求。开式燃烧室空气利用率较低，一般采用增压来保证过量的空气系数，以实现 完全燃烧。而半开式燃烧室混合气形成，进气涡流起了重要作用。半开式燃烧室的空气 利用率有所提高，在过量空气系数约为 1.31.5 时，可以实现完全的燃烧。不同的燃 烧室都有各自的特点有着各自适用的场合， 如表 4-1 给出了几种燃烧室的特点及适用场 合的大致比较。 无锡职业技术学院无锡职业技术学院 毕业设计说明书毕业设计说明书( ( 论文论文) ) 20 表表 4 4-1-1 几种燃烧室的特点及适用场合几种燃烧室的特点及适用场合 应该说明的是，对于同一类型的燃烧室，增压柴油机与非