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柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究 摘要 随着近几年来汽车保有量急剧增加，汽车尾气排放污染问题日益严重，尤其 是柴油机的微粒排放很难达到新的排放标准。本文研究的喷油助燃再生微粒捕集 器不需要消耗汽车电池的功率，而且也没有催化再生、连续再生等被动再生技术 对于柴油中含硫量低于1 5 01 0 。6 的要求，是一种适用性好、符合我国国情、效率 高和可靠性好的再生技术。 本文应用a v lb o o s t 软件建立物理模型和数值仿真的方法，对喷油助燃再生 微粒捕集器的再生性能和不同道路状况的再生特性进行了研究，做了以下一些研 究工作： ( 1 ) 依照柴油机微粒捕集器的设计原则，设计出了一套完整的包括了燃烧器、 过滤体、壳体、衬垫等结构的喷油助燃型微粒捕集器，这对喷油助燃再生微粒捕 集器的进一步研究奠定了一定的基础。 ( 2 ) 对喷油助燃系统的再生特性进行初步分析，总结出若干重要参数对再生 过程的影响。通过改变柴油机的载荷，燃烧器内的油气匹配、微粒初始沉积量及 排气质量流量等影响因素，分析了喷油助燃微粒捕集器的捕集和再生特性，为喷 油助燃再生微粒捕集器结构优化和性能改进提供了一定的依据。 ( 3 )运用a v lb o o s t 软件建立了仿真模型，并采用此仿真结果模拟美国 f t p 7 5 道路测试工况、欧盟n e d c 道路测试工况、美国h w y 高速道路测试工况 分别分析了喷油助燃再生系统在城市、城郊和高速道路状况下运行时的再生周期 及再生效率，为喷油助燃再生系统在柴油车上的使用有一定的指导意义。 关键词：微粒捕集器喷油助燃再生再生特性道路工况排放控制 i i 硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h es h a 印i n c r e a s ei nc a ro w n e r s h i pi nr e c e n ty e a r s ，c a re x h a u s te m i s s i o n p o l l u t i o np r o b l e m sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e v e r e ，p a r t i c u l a r l yi nd i e s e lp a r t i c u l a t e e m i s s i o n s ，i ti sd i 伍c u l tt or e a c han e wv e h i c l ee m i s s i o ns t a n d a r d s ，i t si ng r e a tr e q u e s t o fd e v e l o p i n ga ne f f i c i e n t ，e n e r g y s a v i n g ，p r a c t i c a li 刀m i n e n td i e s e lp a i r t i c u l a t et r a p t h eb u m e r t y p ed p fw 1 1 i c hi ss t u d i e di nt h i sp a p e rd on o tn e e dt oc o n s u m ec a r b a t t e r i e sp o w e r ，雏dt h e r ei sn or e q u i r e m e n t so fd i e s e lf u e lw i t hs u l f u rc o n t e n tb e l o w 15 0lo 。6l i k ec a t a l y s tr e g e n e r a t i o n ，c o n t i n u o u sp a s s i v er e g e n e r a t i o no fr e n e w a b l e t e c h n o l o g i e s ， i t sag o o df i t n e s s i n l i n ew i t hc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s ， h i g h e f e c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fg o o dr e g e n e r a t i o n t h i sp 印e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a l8 6 3p r o g r a m ( 2 0 0 8 a a l l a l l 6 ) m a n u f a c t u r e o fh i g he f 矗c i e n c y & l o we m i s s i o nd i e s e l ，n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( 5 0 8 7 6 0 2 7 ) r e s e a r c ho nm i x e dr e g e n e r a t i o nm e c h a n i c so fd i e s e lp a n i c u l a t e t r a p p e dp o r o u sm e d i u mb a s e do nm i c r o w a v ea n dc e - m nf u e la d d i t i o na n dh u n a n n a t u r a ls c i e n c ef u n d i n gk e yp r o g r 锄o fc h i n a ( 0 6 j j 2 0 018 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f g a s p a r t i c l et w o - p h a s ef i o wa n dc o m b u s t i o nd u r i n gc o m p l e xr e g e n e r a t i o ni n v e h i c l ed i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r b u i l d i n gp h y s i c a lm 。d e l sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d si na y lb 0 0 s ts o r w a r e ，t h er e g e n e r a t i o np e r f o 皿a n c ea i l dr e g e n e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tr o a dc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d t h em a i nr e s e r c hw o r ka r e e x p r e s s e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dc o m b u s t i o ns y s t e mc o m p o n e n t so fb u r n e r t y p ed p f a r ee x p a t i a t e d ，o nt h i sb a s i s ，s i m u l a t i o nm o d e lh a se s t a b l i s h e di na v lb o o s ts o r w a r e ， s i m u l a t i o nr e s u l t sp f o v et h ec o r r e c t n e s so ft h i sm o d e l ，w h i c hc a l lb eu s e d oc a r r yo u t t h eb a s i so fr e g e n e r a t i o np e r f o 咖a n c ea n a l y s i s ( 2 ) an u m b e ro fi m p o r r t a n tp a r 锄e t e r so nt h er e g e n e r a t i o np r o c e s s e ss u m m a f i z e d b yap r e l i m i n a r ya n a l y s i s o ft h er e g e n e r a t i o nc h a r a c t e r so fb u r n e 卜t y p ed p f b y c h a n g i n gt h ee n g i n el o a d ，f u e l a i rm a t c h i n gf o r m s ，t h ei n i t i a ld e p o s i t i o na m o u n to f i i i 柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究 p a r t i c u l a t e sa n de x h a u s tm a s sf l o w ，a n do t h e rf a c t o r s ，也et r a p p i n ga n dr e g e n a r a t i o n p r o p e r t i e so fb u r n t y p ed p fw e r ea n a l y s i s ，p r o v i d eac e r t a i n b a s i sf 1 0 rs t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o na n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t so fb u m e 卜t y p ed p f ( 3 ) t h eu s f t p - 7 5d r i v i n gc y c l e ，t h ee un e d cd r i v i n gc y c l ea n dt h eu s h w yh i g h w a yd r i v i n gc y c l ew e r ea n a l y z e dt oo b t a i nr e g e n e r a t i o ne m c i e n c ya n d r e g e n e r a t i o nc y c l eo fb u r n e r - t y p ed p fi nc i t i e s ，s u b u r b sa n dh i g h s p e e dm n - t i m er o a d c o n d i t i o n s ，p r o v i d ear e l i a l b l et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eu s eo nd i e s e lv e h i c l e si na v a r i e t yo fr o a dc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ；b u m e r t ) r p er e g e n e r a t i o n ；r e g e n e r a t i o nc h a r a c t e r ； d r i v i n gc y c l e ；e m i s s i o nc o n t r o l 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前世界上正在运行的内燃机已达几十亿台，内燃机具有其它原动力无法比 拟的优点，至少在这个世纪前半叶内燃机仍将是最清洁、最经济和最主要的原动 力。随着科技的发展，内燃机在动力性、经济性、可靠性等诸多方面取得了巨大 的进步【1 1 ，由于它的热效率高、功率密度大、比质量轻、功率范围宽、适应性好、 移动方便，因而被广泛应用于交通运输、工业、农业和国防建设事业。因此，内 燃机的发展对于国民经济和国防建设都具有十分重要的意义，为人类做出了巨大 的贡献。 到2 0 世纪末期，内燃机家族中的柴油机在汽车中的应用日益广泛。柴油机由 于较高的压缩比、稀混合气燃烧以及无进气节流损失等原因，使得其与汽油机相 比具有油耗低的优点。低油耗意味着较低的c 0 2 排放，特别是近几年来广泛地采 用增压技术，使得其升功率达到了汽油机的水平，从而极大改善了柴油机的动力 性。随着石油资源的日益枯竭以及c 0 2 带来的地球温暖化倾向，具有热效率高( 比 汽油机高出2 0 ) 、适应性好、输出功率大、较低的燃油消耗率、节能和低排放( h c 、 c o 排放较汽油机低一个数量级) 的柴油机正逐渐成为汽车的主要动力【2 】。 目前，全球柴油机动车市场呈现增长趋势。在中型及重型动力领域，柴油机 保持了其独占地位；在轻型车动力领域，柴油机的应用范围也在不断扩大，而且 轿车用柴油机的比重也日趋增大【3 1 。汽车的柴油机化趋势使得对柴油机排放的研究 变得越来越重要。 与汽油机相比，柴油机尾气排放中的n o x 和微粒( p a r t i c u l a t em a t t e r ，p m ) 是主要的排放污染物，尤其是微粒排放要高出3 0 6 0 倍【4 巧j 。近几年来，因柴油机 车的大量出现而引发了“社会问题”。微粒物对人体健康的影响，主要取决于颗粒 物的粒径的大小、浓度以及其在空气中悬浮的时间。由于柴油机排放的微粒大多 在1 微米以下，能长期漂浮在大气中，容易被吸入人体内，而且容易深入肺部。 除此之外，吸附在碳粒表面的可挥发性和可溶性物质( s o f ) 具有诱变作用，而这 些诱变物9 0 以上是致癌物质，对人类的健康危害极大。正因如此，世界各国纷 纷制定了日益严格、分阶段实施的标准排放法规来限制危害物的排放量。 1 2 柴油机排放法规 目前世界汽车排放物法规主要有欧洲、美国二大体系【6 1 。欧洲采用的是十三工 柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究 况稳态循环( 即e s c 循环) ，美国则是采用模拟汽车瞬态工况的循环试验方法，即 e p a ( 美国联邦环境保护署e n v i r o 眦e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y 的简称) 瞬态循环； 该方法最大限度地模拟汽车对大气污染的实际情况，因此较为科学合理，但对测 量和控制设备要求较高。我国则直接借鉴了欧洲排放物法规标准体系。该排放物 法规对测试设备要求相对较低，适合我国国情。 1 2 1 美国柴油机排放法规 美国的排放法规【_ 7 】可分为联邦排放法规和加利福尼亚洲排放法规。1 9 5 9 年加 利福尼亚州政府提出要控制汽车排气污染物，1 9 6 0 年该州正式立法，1 9 6 3 年颁布 限制汽车排放的强制性法规。9 0 年代初，加州政府根据自己的环保目标，制定了 一套更为严格的车辆排放标准，即由加州空气资源局制定的低排放法规。该法规 将轻型车分为过渡低排放车( t l e v ) 、低排放车( l e v ) 、超低排放车( u l e v ) 和零排放车( z e v ) ，加州柴油机汽车的低排放标准见表1 1 ，且规定了销售到加 州的轻型车各种排放水平所占的比例，即从1 9 9 8 年起，所有在加州销售的轻型汽 车应有2 为无污染排放车( 零排放) ，2 0 0 1 年应为5 ，2 0 0 3 年应达到1 0 。从 1 9 9 4 年起，加州要求汽车制造商必须满足对n m o g ( 非甲烷有机化合物) 有更加 严格的限值。 表1 1 加州柴油机汽车的低排放标准g m i l e 注：1m i l e = 1 6 0 9k m 美国联邦排放法规是e p a 颁布的排放法规。联邦排放法规落后加州排放法规 1 2 年。自2 0 世纪6 0 年代加州政府颁布世界上第一个车辆排放控制标准后，美国 联邦政府从1 9 7 0 年开始制定一系列车辆排放控制标准，美国联邦政府排放法规越 来越严格，参见表1 2 。 表1 2 美国联邦政府制定的车辆排控制标准g m i l e 注：lm 订e = 1 6 0 9k m 1 2 2 欧洲柴油机排放法规 联合国欧洲经济委员会从1 9 7 0 年开始以e c e r l 5 法规的形式控制轻型汽油车 排放污染物和曲轴箱污染物排放，以后限值每3 4 年修订一次，到1 9 8 4 年，逐步 形成了e c e r l 5 0 1 ，e c e r l 5 0 2 ，e c e r l 5 0 3 ，e c e r l 5 0 4 限值；1 9 8 9 年制定的 2 硕士学位论文 e c e r 8 3 0 0 法规，1 9 9 1 年修改为e c e r 8 3 - 0 l 法规，从1 9 9 2 年开始实施。对于柴 油机车还有e c e r 4 9 和烟度控制的e c e r 2 4 系列法规【s 】。随着欧洲一体化进程的 深入，自2 0 世纪9 0 年代始，推行了更加严格的排放法规，对汽车废气排放的限 制越来越严厉，相继出台了欧洲l 号、i i 号、i i i 号、i v 号标准。从2 0 0 0 年1 0 月 1 日起，执行欧洲i i i 号标准，对n o ”h c 、c o 及微粒物质等排放限值，欧洲i i i 号限值分别是欧洲1 1 号的7 1 、6 0 、5 2 和6 7 。由于柴油机排气中c 0 、h c 、 s 0 2 等排量较低，n o 。排量与汽油机大致相同，而微粒排放相当高，欧洲提出了相 应的标准，表1 3 列出了欧洲最新柴油车辆排放标准。据称欧盟打算对柴油车提出 更有挑战性的限值目标：c o - 0 0 5 k m ，h c o 0 5g i ，n o x o 0 5 k m ， p m 一0 0 2 5 9 k m 。 表1 3 欧洲最新柴油车辆排放标准g 瓜m 1 2 3 我国柴油机排放法规 欧洲排放法规体系中的e c er 4 9 法规、e c er 2 4 法规、e c er 8 3 法规和e c e r 8 5 法规规定的技术为我国同等采用，作为我国新的车用柴油机排放标准，即 g b l 7 9 6 1 1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物排放限值及 测试方法、g b 3 8 4 7 1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污 染物排放限值及测试方法、g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车污染物排放限值及测试方法、 g b l 7 6 9 2 1 9 9 9 汽车用发动机净功率测试方法。上述法规己从2 0 0 0 年1 月1 日 起实施。根据g b l 7 9 6 1 1 9 9 9 表1 4 列出了我为e s c 和e l r 柴油车辆排放标准。 表1 4e s c 和e l r 试验限值 阶酪 一氧化碳( c o )碳氢化合物( h c ) 氮氧化物( n o ；)颗粒物( p m ) 烟摩 “ g k w hg k w hg k w hg k w h m 。 2 10 6 65 0o 1 0o 1 3 jo 8 1 5o 4 63 5o 0 2o 5 v1 50 4 62 0o 0 2o 5 e e v 2 1 50 2 52 0o 0 20 1 5 ( 1 ) 对每缸排量低于o 7 5 d m 3 ，及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机； ( 2 )e e v 指环境友好汽车( e n h a n c e de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yv e h i c l e ) 。 由于我国对大气污染控制较晚，汽车排放物法规的落后和不完善以及对柴油 机排放物控制的有关技术研究相对不足，使我国柴油机排放物水平整体偏低且参 柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究 差不齐一j 。1 9 9 5 年对2 1 种我国汽车柴油机主要机型进行了废气排放物的普测，结 果微粒排放物在0 3 3 2 1 4 9 k w h 之间，没有一种机型能够全满足g b l7 9 6 1 1 9 9 9 标准2 0 0 1 年生产一致性要求。1 9 9 7 年对我国第一汽车集团、东风汽车集团、重型 汽车集团和跃进汽车集团的1 2 种机型1 7 台样机进行的全负荷稳定转速和自由加 速可见污染物检测表明，满足标准的仅占4 4 4 。可见要满足新制定的排放物法 规，对大多数国产机型来说，需要进行很大的改进，对内燃机研究者来说，要做 大量的工作1 0 1 。 我国对于柴油车使用远不如汽油车那样迅速，柴油车能否在汽车市场健康而 迅速发展，取决于国家政策、排放法规、燃油品质和国内柴油机技术等因素【1 2 1 。 国家汽车工业“十五 规划有关车辆结构调整目标指出【1 3 】：轿车占汽车总量的比 重增加，载货汽车中重型和专用车的比重增加，提高柴油载货车、轻型柴油客车 的比重，中型车要全部实现实现柴油化。柴油轿车、柴油微型车生产开始起步， 但今后柴油车产量比重快速增长，柴油车占总产量的比重从2 0 0 0 年的2 9 7 提高 到2 0 0 5 年3 5 左右。技术结构调整目标同时指出：汽油机普及闭环电控燃油供给 系统，安装三效催化转化器，推广稀薄燃烧、可变配气相位、缸内直喷等技术； 柴油机推广柴油机共轨技术、增压中冷，并加装氧化型催化转化器。2 0 1 0 年前后 各种汽车产品的排放控制水平逐步实现与国际接轨，新型轿车、轻微型车、大中 型客车、中重型载货汽车应达到欧i i 排放控制水平，部分中高档轿车和高档大中 型客车争取达到欧i i i 排放控制水平。新型农用车要逐渐提高排放标准，配备多缸 机的四轮农用车应达到欧i 排放控制水平。 1 3 柴油机微粒排放控制技术的研究现状 1 3 1 柴油机微粒机内；争化技术 为了降低柴油机微粒排放量，各种排放技术应运而生。柴油机微粒排放控制技 术主要包括机内净化技术和排气后处理技术。在技术应用上，一般遵循先机内净 化，后机外净化的原则。 柴油机微粒机内净化技术主要改变燃烧方式，燃油供给方式，柴油机缸盖结 构，燃油品质等方面来达到优化燃烧，改善微粒排放的目的。主要的机内净化技 术归纳起来有以下几种。 1 3 1 1 燃烧方式的改进和优化 柴油机的燃烧方式分直喷式和间接喷射式两种，两者在污染物排放方面有着 明显的区别【14 1 。为了降低缸内燃烧压力和噪声以及污染物排放，对直喷式柴油机 的优化在于提高喷射压力，特别在低转速时，增加喷油嘴的喷孔数，减小孔径， 根据工况优化供油定时，使燃油喷射率可变等都对燃烧油促进作用。高的喷射压 4 硕七学位论文 力和多喷孔数有助于油气的混合，可有效地降低碳烟排放。由于具有低油耗的优 点，直喷式柴油机应用越来越广，对其研究也更加深入。 对间接喷射式柴油机来说，碳烟形成主要在副燃烧室里。在副燃烧室里形成 的碳烟进入主燃烧室以后大部分被氧化。因此降低间喷式柴油机污染物排放的重 点在副燃烧室。这其中要优化燃烧室的形状和主、副燃烧室之间的容积比；燃油 喷射( 喷射压力、喷射定时、喷射持续时间和喷油嘴位置等) 和相应的气流运动； 预热塞的位置和形状。增大副燃烧室，其空气容量也增大，可减少碳烟形成。但 同时会影响n o 。的排放和主燃烧室中的燃烧。燃烧室的形状和预热塞的位置及形状 会对气流死区有很大的影响，减小气流死区也就减少了碳烟的形成。 新概念燃烧的核心是混合气的形成，即形成具有适当空燃比、可控制的着火 及燃烧速度的预混燃烧过程。近年来国外正对“预混合燃烧”这种新的燃烧方式【1 5 】 进行研究。这种燃烧方式可使燃油与空气预先得到较为充分的混合，降低微粒的 排放。预混合燃烧柴油机的热负荷增大使n o 。增加，对此又提出了采用多段喷射及 低温预混合燃烧技术。 1 3 1 2 燃油喷射系统的改进和优化 改进燃油喷射系统主要目的是提高喷射压力以减小油雾平均粒径，加大油气 接触面积。研究表明【1 6 】，提高燃油的喷射压力，减小喷孔直径，增多喷油嘴孔数， 适当增大喷油提前角都可明显降低微粒的排放量。对喷油系统的要求除了要提高 压力外，能精确控制极小喷油量和功能良好的预喷油是非常必要的。加强油气混 合一方面减小微粒的排放量，更重要的是加快后期燃烧速度从而使调整预混合燃 烧和扩散燃烧的余地更大了，这样也有利于解决n o x 和微粒排放之间的矛盾。 目前已经有三种新的高压喷油系统投入使用【1 7 l ：( 1 ) 径向柱塞式分配泵，目 前这种泵已能使喷嘴油压达到大约1 6 0 m p a ，将可超过1 8 0 m p a ，通过采用双弹簧喷 油器才可进行预喷射；( 2 ) 泵喷嘴系统，目前喷射压力可达到2 0 0 m p a ，其目标是 超过2 2 0 m p a ，通过机械一液压式蓄压阀实现预喷射；( 3 ) 共轨系统，共轨系统压 力的产生和喷油过程是完全分开的。从目前的情况来看，共轨系统通过极快的电 磁阀控制喷油量、喷油时间及预喷乃至补充喷油，提高了压力的共轨系统，因其 良好的喷油控制的灵活性而被业内专家看好。 1 3 1 3 电控技术 电控技术在柴油机上的应用比汽油机晚，但发展较快。柴油机电控技术起源 于7 0 年代，其目标是保证在各种工况和条件下动力性、经济性和排放都获得综合 优化【1 8 l ，研究表明利用电控技术可在不影响柴油机其他性能的情况下使微粒降低 4 0 以上。在柴油机上采用电控技术是今后发展的一个方向【”j 。 柴油机电控技术般是以电控燃油喷射系统为核心，配合对涡轮增压装置、 柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究 废气再循环( e g r ) 、配气机构的实时控制、可变涡流等技术进行控制，以提高混 合气形成及燃烧过程的综合质量。电控系统还可提高冷启动性能、怠速稳定性， 或实现部分停缸和柴油机的自诊断。 1 3 1 4 进气增压中冷 柴油机进气增压增加了进气量，这样燃料燃烧时可得到更充足的氧气，从而 减少微粒的生成，同时也可改善柴油机的动力性和经济性。由于增压柴油机进气 温度和缸内燃烧温度较高，n o x 排放比非增压柴油机多。对增压后气体在进入气缸 以前进行冷却( 即“中冷”) 不仅可以进一步提高进气量，而且由于进气温度的降 低，还可在一定程度上抑制n o x 排放。柴油机增压中冷技术在9 0 年代新型柴油机上 得到了广泛的应用【2 0 1 ，中型以上的柴油机绝大多数采用了增压中冷技术，并逐渐 开始在小型柴油机上应用，一些新研制的轿车柴油机也采用了该项技术。 1 3 1 5 缸盖结构优化 缸盖结构改进的主要目的是使燃油与空气混合更加充分，减少在高温缺氧的 条件下燃油裂解而形成碳烟微粒的可能性。首先是进气道的改进，试验表明随着 进气涡流强度的增加，微粒质量浓度有下降的趋势【2 ，因而研制出了一些先进的、 低排放、高燃油经济性的强涡流直喷式柴油机。同时采用可变涡流进气道技术， 适应柴油机工况的变化。其次是采用多气门技术【2 2 1 ，加大进气流通面积，提高发 动机的充气系数及其动力性和经济性，同时降低有害排放量。另外，多气门结构 可使喷油器位于活塞顶中心，使油束与活塞顶匹配更加合理，降低有害排放量。 1 3 1 6 使用低硫柴油、燃油添加剂和代用燃料 使用低硫柴油是改进柴油机燃料成分是降低有害排放的一个非常有效的方 法。由美国e p a 颁布的排放法规要求强制使用低硫含量燃油。使用低硫含量燃油除 了可直接降低s 0 2 硫酸盐微粒排放外，还可间接地减少大气中s 0 2 形成硫酸盐微粒 的可能性。 研究表明，通过使用一定的燃油添加剂可防止和消除喷油器头部积碳，进而 可减少碳烟微粒的排放。十六烷值改良添加剂对降低h c 及微粒排放也是非常有效 的。使用乳化油可降低燃烧温度以减少n o x 排放。在油包水型乳化油中，由于油中 的水急剧汽化使油滴变得细小，有利于扩散燃烧和控制微粒的产生。 另外，代用燃料也具有很好的应用前景。发动机采用压缩天然气、液化石油 气、甲醇、乙醇、二甲醚或其它代用燃料，也可为满足排放限值提供有效途径。 1 3 1 7 降低机油耗 未燃机油导致的微粒排放约为排放总量的1 0 以上，因此降低机油耗对满足未 6 硕士学位论文 来微粒排放限值具有重要的意义。通过对活塞、活塞环、缸套、气门杆与气门导 管等零部件的优化设计，并进行配合间隙的优化，特别是热变形条件下配合间隙 的优化，以尽量减少进入燃烧室中的润滑油，可以达到减少微粒排放的目的。 随着排放法规日趋严格，机内净化技术在进一步降低柴油机微粒排放的问题 上遭遇瓶颈。这主要是因为： ( 1 ) 采用了几乎所有的现代柴油机先进技术的基础上，微粒排放有较大的降 低。但从燃烧的角度解决柴油机的微粒物排放已接近极限。 ( 2 ) 在采用了柴油高压喷射技术后，虽然柴油机的微粒总质量大幅度减少， 但微粒的数量却反而有所增加。这些微粒体积和质量远小于以前，但其所造成的 危害却更大。 ( 3 ) 改进燃油品质来降低微粒排放受到了燃油成本太高的限制。一些专家使 用了一种特殊的柴油( 不含s 、不含芳香烃，十六烷值9 2 ) 与瑞典的标准柴油( s 含量为4 0 0 p p m 、芳香烃的质量分数为3 0 ，十六烷值为4 8 ) 进行对比，微粒的排 放只减少了l o 。而这种特殊柴油价格相当昂贵，且不能通过石油直接炼制。 上述3 个方面的问题增加了柴油机微粒排放机内控制的难度，因此为进一步降 低柴油机微粒排放，仅仅依靠机内净化技术是远远不够的，柴油机微粒排放后处 理技术的发展成为一种必然趋势。 1 3 2 柴油机微粒后处理技术 目前，柴油机微粒排放后处理技术主要有静电捕集技术、旋风分离技术、等 离子净化技术、袋滤器捕集技术、微粒捕集器技术等。 1 3 2 1 静电捕集技术 静电捕集技术【2 3 2 4 】是指利用静电力从气流中分离悬浮粒子，其工作原理是， 以一根曲率很小的裸露电线作为放电极( 或用芒刺电极组) ，以有一定面积的管 或板作集尘极，分别与高压直流电的两极相连。当气流通过时，气体在放电电极周 围的强电场作用下电离，气体离子与周围微粒碰撞接触，使微粒带电，荷电微粒在 电场力作用下被集尘极捕获，从而使废气得到净化。 静电捕集技术具有捕集率高( 可达9 9 ) ，阻力小( 气压损失约为0 0 1 o 2 k p a ) ， 捕集粒径范围宽，能在高温高压下连续工作，能耗低等特点，在工业除尘中应用 较广，技术较为成熟。无论是国内还是国外，静电捕集技术在车用发动机上应用一 所面临的最大问题是高压电源的供给问题。另外，静电捕集设备体积庞大，结构 复杂，不易解决自动清灰问题，成本也较高，这些问题在很大程度上影响了它的 实用化。 7 柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究 1 3 2 2 旋风分离技术 旋风分离技术【2 5 2 7 1 是较早用于工业实践的气固分离技术之一。它是一种使含 尘气流作旋转运动，借作用于颗粒上的离心力把微粒污染物从气体中分离出来的 方法。从分离机理上看，旋风分离主要适用于捕集粒径较大的微粒，一般用于工 业预除尘。目前比较有效的分离形式有轴流直流式和涡旋式。轴流直流式柴油机 排气旋流净化器是采用轴流直流式旋流子作分离器件，当气流通过分离室时，微粒 沿径向由筒体轴线处移动到筒体内壁，与筒体内壁碰撞粘附而被捕集。涡旋式的除 尘机理是，使具有很高压力和速度的排气沿切向进入涡旋室，当气流在其中高速 旋转时，离心力使其中粒径较大的微粒分离出来。同时高速旋转的气流还可以形 成一定的真空度，使发动机的进排气进行得更加彻底。 旋风净化技术的缺点在于它对分离微小粒径的微粒的能力还有限，在实际应 用中需要采取一定的措施，使细小微粒凝聚成较大的微粒，才能达到较高的净化 效率。因此，该种技术还需要在微粒的凝聚机理、凝聚特性、细小微粒的分离机 理及流场分析、机构结构优化等方面作进一步的研究。 1 3 2 3 等离子净化技术 柴油机排气中的有害物经过等离子体反应器，会发生复杂的化学反应，其中 n o 很容易氧化成具有强氧化性的n 0 2 ，进而在柴油机排气温度下就可以将碳烟微 粒氧化成碳的氧化物，使微粒浓度降低；同时微粒中的c 还原了部分n o x ，致使n o x 的排放量下降2 舢2 9 1 。研究表明：等离子体可增强催化剂的选择性和活性，等离子 体与催化剂结合能对柴油机排气中的n o 。和微粒有很好的净化效果，同时还可减少 柴油机排气中c o 和h c 排放。等离子体结合催化转化技术具有流程短、转化效率高 ( 微粒减少9 0 以上) 、处理彻底、无二次污染、能耗低和适应温度范围广、对燃 油含硫量没有要求等优点，是一个有着良好应用前景的新技术，蕴藏着很高的使 用价值，是柴油机后处理研究的最新发展方向。 1 3 2 4 袋滤器捕集技术 袋滤器是一种利用纤维作为过滤介质，将排气中的微粒过滤出来的净化设备 【3 0 d 。滤布做成袋形，其结构简单、工作可靠、成本低、过滤效率高，对半径大于 0 1 “m 的微粒，过滤效率达9 0 以上，被认为是目前最有效的柴油机微粒净化装置之 一。 袋滤器捕集技术的主要缺点在于：需停车采用手动清灰，使用不便，影响车 辆机动性，而且结构紧凑性较差。若能够采用两组袋滤器轮流工作并加以电控， 则可在不影响车辆正常运行的情况下实现自动清灰的连续操作，又可缩短清灰周 期，允许通过较大的废气流量。此设想的实现尚需合理设计以保证工作的可靠性， 8 硕上学位论文 同时减少其体积，以利于安装在汽车上。 1 3 2 。5 微粒捕集器技术 微粒捕集器技术是目前国际上公认的最为有效的柴油机排气微粒后处理技 术，也是目前国际上商用前景最好的排气微粒后处理技术【1 4 ，33 1 。微粒捕集器安装 在排气管中，当排气通过微粒捕集器时，排气中的微粒被微粒捕集器中的滤芯捕 集，达到捕集的目的。微粒捕集器在捕集了一段时间内被烟尘堵塞，必须经常燃 烧捕集器内的烟尘微粒完成再生，以不超过最大允许背压。目前，微粒捕集器的 关键技术除了过滤材料的选择以外，另个技术难题就是再生技术问题。 1 4 国内外柴油机微粒再生技术比较 采用微粒捕集器对柴油机排气中的微粒进行捕集已成为控制柴油机微粒排放 的最有效方式，但受其过滤体再生技术难题的制约，国内外至今仍未出现商业化 产品。目前为止，对再生技术而言主要分为两大类即主动再生和被动再生，前者 是指通过外加能量将气流温度提高到微粒的起燃温度使捕集的微粒燃烧，达到再 生过滤体的目的，相关的技术主要有电加热、红外加热、微波加热再生等；而后 者则利用柴油机排气自身的能量或采用化学催化方法降低微粒活化能使微粒燃 烧，达到再生微粒捕集器的效果，因此相关的技术方法有大负荷、进排气节流、 催化、燃油添加剂再生等。本文对几种主要的再生方式进行了技术分析。 1 4 1 大负荷再生 柴油机的排气温度是随其工况变化的。在高速大负荷时，排气温度可以达到 5 0 0 以上，在此温度下，沉积在过滤器内的微粒( 通常在5 5 0 以上温度才能燃 烧) 可自行燃烧，从而达到过滤体再生的目的【3 4 1 。这种方法不用附加任何辅助系 统，因此比较简单。然而柴油机排气温度只有在接近最高转速、最大负荷的工况 时，在靠近气缸盖上排气口的位置，才能达到使过滤体内沉积的碳粒自燃的温度。 而汽车柴油机在实际使用中很少在这样的工况下工作，尤其是市内运行的汽车， 基本是低速运行，柴油机的平均排气温度更低。因此大负荷再生技术对某些应用 场合，尤其是车用是不适合的。 1 4 2 催化再生 催化再生技术主要有两种3 5 】：一种是将催化剂提前浸渍在过滤体上，以降 低过滤体上微粒的活化能，此方法可降低微粒起燃温度使之约为3 5 0 ，是一种完 全被动的再生方式，由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，因此很难进行 完全再生。另外，由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的进行，催化剂 的作用会逐渐减弱或完全消失，即催化剂中毒，从而影响到过滤体的有效再生和 9 柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究 对其他有害气体的催化净化效果。 另一种再生技术是采用燃油添加剂，即在燃油中加入金属有机物，燃烧后生 成的金属氧化物对微粒起催化作用，使微粒着火温度降低，从而在较低的排气温 度下，不需外部能源，过滤体能自行再生。但是由于我国柴油中的硫含量在2 0 0 0 p p m 以上，远高于金属催化剂所要求的硫含量( 低于5 0 p p m ) 标准，而且燃料添加剂的 燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤器时，有一部分会沉积下来，积累在过滤体 上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体孔隙，缩短过滤器使用寿命。排入大气中 的金属漂尘又会引起二次污染。催化剂的抗中毒性、热稳定性以及二次污染等问 题目前还没有真正得到很好地解决。因此催化技术在我国的应用还需要一段时间。 1 4 3 电加热再生 电加热再生是利用具有高导电性能的结晶s i c 作为过滤材料，当需要再生时， 将过滤体作为电加热组件直接对其通电加热，使沉积其上的碳烟微粒升温燃烧， 实现过滤体自身的再生。这种再生技术系统比较简单，可控性好，并且在柴油机 任何工况下都能对过滤体进行可靠的再生。但是电加热再生对车用电源的要求很 高，不仅过滤器而且全部排气流都必须加热到再生温度，因此用电功率要求高。 在车用过程中需要解决耗电量高的问题，而通过随车携带的电加热系统得到动力 来实现再生几乎是不可能的。目前有停车电加热再生系统，但加热时间较长，结 晶s i c 的制造工艺复杂，成本高。 1 4 4 反吹再生 反吹再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在 过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂和烧熔等问题，另外也解决了不燃物质在过 滤器内累积的问题。经过试验研究发现，反吹再生效率比较低特别当柴油机窜机 油排放中存在胶质或在过滤体温度低湿度大的情况下，陶瓷利用率小。压缩空气 反吹再生的效率可达8 0 ，对于大于6 肛m 1 36 】的微粒，旋风式微粒收集器的效率可 以达到9 5 以上【3 7 1 ，但如果压缩空气压力高，会引起陶瓷机械损坏。 1 4 5 微波加热再生 微波加热再生是一种选择性加热和体积加热方式，可以使沉积在过滤体内部 的微粒就地吸热、着火、燃烧，并不需要任何形式的燃烧传播，过滤体内的温度 梯度小，因而其加热迅速、均匀，减少了热应力引起过滤体破坏的可能，无疑这 对过滤体的安全有效再生是十分有利的【3 引。但是体积加热的特点使陶瓷内沉积的 碳烟同时燃烧，放热速率加快，再生过程难以控制。另外，微波再生也存在耗电 量高和微波泄漏等一些技术难题有待解决。 l o 硕- 学位论文 1 4 6 红外加热再生 红外辐射自1 8 0 0 年发现至今己有2 0 0 年，第二次世界大战使红外探测得到广泛 的应用。这之后人们开始利用红外辐射加热技术加热干燥各种产品，对红外辐射 加热技术的研究也逐渐深入【3 9 1 。现在红外辐射加热技术已经被广泛应用于工业农 业和医学等各个方面。红外辐射加热方式与其它加热方式热风导热和微波辐射加 热等相比较，能缩短受热体加热到所需温度的时间，减少能量消耗，可以较为方 便的控制辐射通量的空间分布，加热装置简单可靠等特点。但红外加热再生的能 量利用率低，加热速度慢，不属于空间加热，存在火焰传播和再生窗口小的问题。 1 4 7 喷油或喷燃气助燃再生 这种再生方式适合在柴油硫含量高的条件下使用，符合我国燃油含硫量较高 的国情。采用的燃油雾化后与排气同为气相，形成均匀的混合气，加热再生时燃 烧比较充分。这种以燃油为再生燃料的加热再生技术为解决我国柴油机p m 排放控 制开辟了一条新的途径【4 0 1 。喷油助燃再生技术的外加能量来自于喷入柴油的燃烧， 所以不需要消耗汽车电池的功率，而且也没有催化再生、连续再生等被动再生技 术对于柴油中含硫量低于1 5 01 0 6 【3 7 】的要求，是一种适用性好、效率高和可靠性 好的再生技术。 上述众多再生方案中，电加热再生方法简单、可控性好，但是由于是表面加 热，电热丝的能耗高，热量利用率和再生速率低，且陶瓷的导热性差，因而再生 效率也比较低。同时，加热的不均匀性会造成过滤体局部过热而引起损坏。红外 加热再生的能量利用率低，加热速度慢，不属于空间加热，存在火焰传播和再生 窗口小的问题；微波再生方式利用了陶瓷材料过滤体对微波的吸收能力较差，微 粒对微波的吸收能力很强的特点来对微粒捕集器进行再生。虽然采用微波对过滤 体进行加热时，微粒是主要的被加热对象，对提高能量利用率、延长过滤体寿命、 提高再生效率等均有较好的性能，但考虑到微波功率源即实用车载电瓶的问题， 使得这一再生技术实施的难题极大。采用大负荷或进排气节流来实现再生时将会 造成油耗的增加、柴油机动力性能的恶化等问题的出现，而采用燃油添加剂辅助 再生时，其燃烧产物金属氧化物易在汽缸和过滤体内形成积累，对柴油机和微粒 捕集器的性能和寿命存在很大的威胁，且排入大气的金属漂尘会引起二次污染； 至于催化再生则由于要求柴油中含硫量低于5 0 p p m ，不适合在我国采用。当采用喷 油助燃再生技术时，在捕集器入口前，设置一燃烧器，靠喷油器向燃烧器中供给 少量燃油，利用排气的氧或另外供给空气，形成可燃混合气后用火花塞或电热塞 点燃，利用高温燃气再点燃微粒，一般经过5 8 分钟后即可完成再生过程。 综合比较以上各种再生方式，由于喷油助燃再生技术中燃烧器采用与柴油机 相同的燃料，比较方便，且各部件结构简单，成熟件多，因此相对而言，喷油助 柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究 燃再生技术较切实可行，为此本文中着重研究喷油助燃再生方式。 1 5 课题来源及论文研究内容 从国内外的研究现状来看，国内外对于喷油助燃再生技术研究较少，为填补 该方面空白，本文自行设计了一套微粒捕集器喷油助燃再生系统，使喷油助燃再 生柴油机微粒捕集器再生效率高、再生过程可控、产品使用寿命长且成本低，不 仅在性能上达到国内先进水平而且能够适应中国的燃油品质( 中国的优质柴油含 硫量为2 0 0 0 p p m 左右) ，为柴油机微粒捕集器在我国的实际应用提供了理论依据。 喷油助燃再生微粒捕集器适宜旅游大客车及高速