（光学工程专业论文）基于喷油助燃再生的柴油车颗粒物后处理技术研究.pdf

摘要随着机动车排放法规的同益严格，颗粒物后处理技术已经成为柴油车排放控制的重要途径。后处理技术中最为有效的措施之一就是采用颗粒物捕集器( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r , d p f ) ，但对于捕集之后颗粒物的去除( 即d p f 的再生) 问题，至今仍然缺乏简单可靠的解决方案。针对以往再生系统结构复杂，能耗过高等问题，结合我国柴油机技术现状，本文对基于喷油助燃再生的颗粒物后处理技术展开了理论与试验研究。首先，设计了集燃烧器再生与催化再生于一体的柴油车颗粒物捕集器喷油助燃再生后处理技术方案，提出了以燃烧器升温为主，柴油机氧化催化器( d i e s e lo x i d a t i o nc a t a l y s t ，d o c ) 前喷油升温为辅的两级排气升温策略。该技术方案有利于提高后处理系统能量利用率，并且燃烧器工作所需助燃空气从发动机涡轮增压器出口处获取，摒弃了空气压缩机等复杂供气系统。其次，根据柴油车排气特点，设计了喷射式与蒸发式两种全流式燃烧器，分别对其工作特性进行了研究，其中蒸发式燃烧器能够在发动机整个m a p 范围内正常工作，在没有助燃空气条件下可依靠排气维持燃烧。为提高再生可靠性，对改善d p f 入口温度场均匀性方法进行了试验研究；建立了d p f 再生零维模型，对影响再生过程中峰值温度的d p f 材质、颗粒物特性、气流特征等因素进行了数值模拟与试验研究；并对再生过程中后处理系统的二次污染问题进行了研究。再次，针对车辆运行过程中发动机转矩难以测量问题，提出了基于转速、排气温度、排气背压的三维m a p 再生时机查表判断方法。为了简化控制策略，提出了对燃油喷射量与助然空气实行分段供给的控制策略，结合本文所确定的两级升温策略，按照再生功率m a p 划分了燃烧器与d o c 工作模式，并对不同模式下后处理系统工作特性进行了试验研究。试验结果表明，各种模式下后处理系统都能将排气温度提升至6 0 0 以上，达到再生要求。最后，对后处理系统进行了集成与优化，对影响d p f 阻力特性的主要参数、影响排气系统热损失与热迟滞的主要因素进行了研究；并在a u m a r k 轻型柴油车( 国i i i 车型) 上实现了喷油助燃再生后处理系统的装车改造，进行了车载道路试验，改造后的整车的排放性能达到了国i v 排放标准。关键词：柴油车，颗粒物，后处理，捕集器，喷油助燃a b s t r a c ts i n c et h ee m i s s i o nr e g u l a t i o n sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r er i g o r o u st h r o u g h o u tt h ew o r l d ，a f t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n sf r o mt h ev i e w p o i n to fc o n t r o l l i n gd i e s e lv e h i c l ee m i s s i o n a n dd i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p f )h a sb e e nr e c o g n i z e do n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y si np a r t i c u l a t em a t t e r ( p m )e m i s s i o nc o n t r 0 1 b u tt h ep r o b l e mo fr e m o v i n gp md e p o s i t e di nd p f ，w h i c hi sc a l l e dr e g e n e r a t i o np r o c e s s ，i ss t i l ln o ts o l v e dv e r yw e l ln o w a d a y s a i m i n ga tr e d u c i n gt h ec o m p l e x i t ya n de n e r g yc o n s u m p t i o no ft h er e g e n e r a t i o ns y s t e m ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h er e s e a r c hr e s u l t sa c h i e v e db yt h ea u t h o ro nt h ei s s u eo ff u e li n j e c t i o na s s i s t e d r e g e n e r a t i o no fp a r t i c u l a t et r 印f o rd i e s e lv e h i c l e s f i r s t l y ，ad i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p f ) s y s t e mb a s e do nf u e li n j e c t i o na s s i s t e d r e g e n e r a t i o ni sd e s i g n e d i nt h es y s t e m ，t h ee x h a u s tg a st e m p e r a t u r ew i l lb ee n h a n c e db yt w ow a y s ：i ft h et e m p e r a t u r ei sn o th e a t e du pt or e g e n e r a t i o nt e m p e r a t u r eb yab u r n e rd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，a d d i t i o n a ld i e s e lf u e li ss p r a y e db e f o r ead i e s e lo x i d a t i o nc a t a l y s t ( d o c ) t oe n h a n c ee x h a u s tt e m p e r a t u r ef u r t h e rb yh c so x y g e np r o c e s s t h es c h e m eo ft h ea f t e r - t r e a t m e n ts y s t e mi sh e l p f u lf o re n e r g ye f f i c i e n c y a n da u x i l i a r ya i ru s e db yt h eb u r n e ra n dt h ea f t e r - t r e a t m e n ts y s t e mi ss u p p l i e df r o mt h eb o o s t e de n g i n ei n t a k e s e c o n d l y ，t w ok i n d so fb u r n e r sh a v eb e e nd e s i g n e da i m i n ga th e a t i n gt h ee x h a u s tg a s a n dt h ep e r f o r m a n c eo f e a c hb u r n e ri se v a l u a t e db ye x p e r i m e n t o n eo ft h eb u r n e r s ，w h i c hc a l l e dv a p o r i z i n g - t y p eb u r n e r ，c a nw o r ka tt h ee n t i r ee n g i n em a p i nt h ec o n d i t i o no fn oa u x i l i a r ya i rw i l lb es u p p l i e df r o mt h et u r b o c h a r g e r ，c o m b u s t i o nc a nb ec o m p l e t e dr e l y i n go nt h ee x h a u s tg a s i no r d e rt os a f e l yr e g e n e r a t et h ed p f ，t h eu n i f o r m i t yo ft e m p e r a t u r eb e f o r ed p fi si m p r o v e d ；t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ep e a kt e m p e r a t u r ei nd p fi si n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sm e t h o d s ，s u c ha s d p fm a t e r i a l ，p a r t i c u l a t em a t t e rc h a r a c t e r i s t i c ，e x h a u s tg a sc h a r a c t e r i s t i c h ca n dc oe m i s s i o ni sa l s oc o n t r o l l e di nt h er e g e n e r a t i o np r o c e s s t h i r d l y , at h r e e d i m e n s i o n a lm a po fe n g i n es p e e d ，e x h a u s tt e m p e r a t u r e ，e x h a u s tb a c k p r e s s u r ei sd e s i g n e da i m i n ga te s t i m a t i n gt h em a s so fp a r t i c u l a t em a t t e rr e t a i n e di ii nt h ed p f t h ee n g i n em a pi sd i v i d e di n t os e v e r a la r e a sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea f t e r t r e a t m e n ts y s t e mf o rt h es a k eo fp r e d i g e s t i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g y a te a c ha r e a ，t h ef u e la n da i rs u p p l yo ft h ea f t e r - t r e a t m e n ts y s t e mi sf i x e d t h er e s u l t so ft h er e g e n e r a t i o nt e s t ss h o wt h a tt h ee x h a u s tg a st e m p e r a t u r ec a nb er a i s e dt o6 0 0d e g ci nd i f f e r e n ta r e a so ft h ee n g i n em a p a tl a s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed p fr e s i s t a n c ea n de n e r g ym a n a g e m e n to ft h eb u r n e rt y p ea f t e r - t r e a t m e n ts y s t e ma r es t u d i e d t h ee n t i r es y s t e mi si n t e g r a t e do nal i g h td u t yd i e s e lv e h i c l e ，w h i c hc a nm e e tc h i n e s ei i ib e f o r e a n di tc a nm e e tc h i n e s e l ve m i s s i o nr e g u l a t i o na f t e re q u i p p e dw i t ht h ed p fs y s t e m k e yw o r d s ：d i e s e lv e h i c l e ，p a r t i c u l a t em a t t e r ，a f t e r - t r e a t m e n t ，t r a p ，f u e li n j e c t i o na s s i s t e d r e g e n e r a t i o ni i i独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：扭日期：兰竺! z ：垒：! z学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生( ：撕翩( 雄醐衅肚秒i武汉理1 j 大学博士学位论文1 1课题背景第1 章引言随着全球产业转移以及我困经济的快速发展，我国已经成为全球汽车生产和消费大国。2 0 0 8 年，我国汽车产销分别达到9 3 4 5 l 万辆和9 3 8 0 5 力辆，同比分别增长5 2 1 和6 7 0 。我国汽车产量已超过美国的8 6 8 1 万辆，位居世界第二，仅次于日本。汽车数量的增加一方面带来了能源消耗的激增，车用燃油消耗量以年均1 2 以上的速度迅速增加；另一方面也带来了严重的环境污染问题，我国已经成为世界上第二大c 0 2 排放斟。能源供应与能源安全、区域性的空气质量及全球性的气候变暖已经成为当前汽车工业可持续发展面临的三大挑战。基于对新能源汽车技术发展前景的判断，基于对资源、技术、市场和发展环境等多方面因素的综合考虑，世界各大汽车厂商都确定了各自的车用能源发展规划，如图1 一l 所示【2 ，3 1 。窗改进 ：辆燃油经济性和排放能源资源燃科载体动力系统鱼置譬近期中期长期a ) 美国通用汽车公司b ) 德国大众汽车公司图1 1国外车用能源发展目标和战略虽然从各大厂商规划情况来看混合动力与氢燃料电池是将来车用动力发展的重点，但是传统内燃机在一定时期内将继续保持较大优势。目前燃料电池汽车仍然面临着氢的存储与制氢效率等问题，而现阶段的混合动力电动汽车加装成本要远远高于汽油车与柴油车。对于传统内燃机而言，与汽油机相比柴油机具有较好的动力性与经济性。因此，可以认为在今后的几十年当中，柴油机仍然是主要的车用动力之一。武汉理l ：人学博十学何论文1 2 柴油车的颗粒物排放柴油车尾气暴露强度太，其i i 含有大节的颗耥物( p a r t i c u l a t e m a t t e r ，p m ) ，约为汽油机的3 0 8 0 倍，成为城市q 的个重要污染源。柴油牛排气颗粒物可分为以下两种类型：1 ) 血径在15 n m 3 0 n m 的形状不规则的块状基本粒子，t 要是由碳粒和余属扶分组成，并在其表面| ；= 着有有机化合物和硫酸盐；2 ) 山浓缩碳氢化台物及硫酸 h 所组成的品核状粒亍h ! 。k i t t e l s o n 等人口“对排放入大气环境中的颗粒物按尺寸大小划分了几种分布区域。颗粒物碳核尺寸约为5 n m 5 0 n m ，称为碳核模式，该模式内包古着排气在稀释与冷却过程。ia 形成的挥发性有机物、含硫混合物，同时伴随着由于燃烧形成的| 矗| 奄碳和金僖混合物，排气颗粒物中，质量分数占5 2 0 和微粒数密度超过9 0 的微粒分巾于垓模式内；大部分的微粒直径在5 0 n m 1 0 0 0 n m 范围内，政区域称为累积模式，碳化物凝聚和吸附过程主要在该区域完成；大于1 0 0 0 n m 的微粒称为人颗粒模式这部分只占排放微粒质量的5 2 0 。大量的研究结果表明，柴油机排放微粒其平均尺寸的大部分约为l o o n m ，柴油机排放微粒大部分都是属丁纳米或超细微粒 7 州。图l 一2 所示为采用日本j e 0 5 测试循环所测量得到的柴油车微粒分椰。l l5 e + 1 5毫剿蔓删雀t 出_ l1l dl i o o o# # ( n 耐图1 2 日本j e 0 5 测试循环所测虽得到的柴油车微粒分布美国环保局( e p a ) 的试验证明，吸附在柴油机排气颗粒物表面的r u 溶有机物( s o f ) 具有诱变作用，其组分的9 0 以上为致癌物质。些毒性试验表明，eejiev目*8#g武汉理t 大学博十学位论文s o f 中苯并芘( b a p ) 的硝化物和一含氧的衍生物是直接诱变物，它们可以使细菌产生突变【i l 1 2 】。1 9 9 2 年，世界卫生组织( w h o ) 正式将柴油机排气颗粒物列为可能的致癌物质【1 3 1 4 】。柴油机中的超细微粒能长时问悬浮在大气中，很容易通过呼吸系统进入肺泡中并沉积下来，破坏人体d n a ，引起肺部与肝部病变；较小微粒甚至可以进入血液中，导致红细胞与血红蛋白的减少，对人体健康的威胁很大。根据美国加州环境健康危险评价办公室完成的健康风险评价表明，柴油机排放p m 能引起人体下列健康问题：呼吸道病，哮喘病和癌症【巧。引。1 3 柴油车排放法规的发展为了抑制有害气体的产生，世界各国都制定了日益严格的排放法规来限制柴油车的排放。排放法规一般将车辆分为两大类：轻型汽车( 含轿车) 和重型汽车，两类车实行不同的排放标准。目前，世界上主要有欧洲、美国和日本三大排放法规体系。我国现行标准与欧洲早期的标准相同，对于所有车辆以3 5 t为界分别实行不同的法规；欧洲现行标准对轿车及小客车以总重2 5 t 划分界限、对货车以3 5 t 为划分界限；日本对柴油发动机汽车以总质量2 5 t 为界实行不同的法规。美国对货车总质量3 8 5 6 t 为界实施不同的标准。由于空气污染首先在轻型汽车偏多的城市之中成为问题，并且长期以来一直威胁着人类的生存环境，所以轻型汽车的排放一直是各国汽车排放污染物限制的重点，其法规频繁的进行修改和完善，法规的实施通常也早于其它车辆。因此，本文将研究对象确定为轻型柴油车，在下文当中对排放法规的介绍也主要针对轻型柴油车。1 3 1国外排放法规发展欧洲标准是由欧洲经济委员会( e c e ) 的排放法规和欧共体( e e c ) 的排放指令共同加以实现的，欧共体( e e c ) 即是现在的欧盟( e u ) 。排放法规由e c e参与国自愿认可，排放指令是e e c 或e u 参与国强制实施的。e c e 于1 9 7 4 年开始实行汽车排放标准，最初的标准只限制h c 和c o ，于1 9 7 7 年的e c e1 5 0 2法规中开始限制n o x 的排放。从e c er 1 5 0 4 法规开始( 即1 9 8 4 年以后的标准中) 对n o x 和h c 的限制采用此两者之和n o x + h c ，目前我国的北京地方标准及2 0 0 0 年起的国家标准也采用了类似的方法。1 9 9 2 年以后欧盟( e u ) 轻武汉理1 ：大学博十学位论文型汽车开始实行的四个标准分别称之为欧i 、欧i i 、欧i i i 、欧、欧v 、欧标准。表1 1 为e u 轻型车当中乘用( p a s s e n g e rc a r s ) 柴油汽车排放标准【1 9 】。表1 1e u 乘用柴油汽车排放标准g k m非直喷式柴油机直喷式柴油机从表1 1 可以看出，从欧i 到欧，颗粒物的排放限值下降了近9 7 。另一方面，欧洲法规还在测试项目与试验方法上逐步完善。表1 2 为从欧i i 排放标准开始，各项排放检测项目的比较。表1 2 欧i i 至欧排放检测项目的比较值得注意的是从欧v 与欧开始，柴油车颗粒物排放所采取的颗粒物检测方法不仅仅只局限于检测颗粒物的质量排放，而且要检测颗粒物的数量排放，即所谓的p m p ( p a r t i c u a l t em e a s u r e m e n tp r o g r a m m e ) 方法。通常没有加装过滤器的柴油机颗粒物排放数量在1 o x1 0 1 3 k i n ，而法规要求颗粒物排放数量不能超过5 0 x1 0 1 1 k m ，即在数量上应该有9 5 的颗粒物被过、滤【2 们。因此，要达到新的4武汉理一i ：人学博： ：学位论文颗粒物排放标准，颗粒物捕集器已经成为必不可少的后处理装置。而且要满足颗粒物数量要求的话，必须采用闭式的捕集器，因为开式的捕集器( 如直流式)不能过滤尾气当中的超细颗粒物。为了推进排放法规的实施，欧洲各国还制定了相应的税收激励政策( 如表13 所示) 【2 ，如德国对达到欧i v 标准柴油车的税收优惠最高达了6 1 3 5 5 欧元。这些优惠的数额将从车辆的年度税收中抵扣。表1 3 欧盟各成员国的税收激励政策奥比德丹法英希意卢荷瑞地利国麦国国腊大森兰典利时利堡另一方面，在限制汽车有害气体排放的同时，欧洲委员会还与三大汽车协会签署了限制汽车c 0 2 排放的协议。这三大汽车协会分别是欧洲、日本和韩国汽车制造协会。这三个汽车协会制造的汽车占据了欧洲近9 0 的市场份额。欧洲议会于2 0 0 8 年1 2 月通过决议将汽车的二氧化碳( c 0 2 ) 排放在2 0 1 5 年限定为平均1 3 0 9 k m ( 采用新的欧洲测试循环n e d c ) 。根据车重的不同，排放限值有所变化。各汽车厂商可以对各种类型的汽车进行平衡来达到车队满足平均要求的目的。图l 一3 为世界各国当量c 0 2 排放限值【2 2 , 2 3 】。从图上可以看出，欧洲与同本的限值较为接近，是世界上对c 0 2 排放量限制最为严格的地区。从1 9 9 5 年到2 0 0 4 年，欧洲汽车平均燃油经济性平均每年提高1 2 。之所以会有这么大的提高，这主要是由于欧洲对于柴油车的推广。此外，其它国家和地区也保持了较快的增长速度【2 4 , 2 5 】。美国是世界上较早制定排放法规的国家，其加利福尼亚州空气资源委员会在5 0 年代就开始为限制汽车废气对环境的污染制订并公布了有关的法规。在1 9 9 0 年的空气净化行动修改中美国确定了轻型汽车( l d v ，l i g h td u t yv e h i c l e )的两个标准- t i e r1 和t i e r2 。于1 9 9 1 年6 月公布美国乘用车( p a s s e n g e rc a r s )和轻型货车( l i g h t - - d u t y ) 的排放标准t i e rl ，1 9 9 7 年执行；t i e r2 于1 9 9 9 年1 2 月通过，部分于2 0 0 4 年执行，2 0 0 9 年全部实施【2 6 1 。武汉理t 人学博十学侮论文e芒9、兰1 |糕霉oo绷渤1 ，t _ _ _ _ _ 1 _ _ _ _ r r 1 _ _ - r _ _ r 1 12 0 0 2 狮4 嬲绷8 溯o2 铆2 1 4 绷6 期82 嘲2 0 2 2图1 3 世界各国c 0 2 排放限值1 3 2 我国排放法规发展我国由于受国家经济技术水平的限制，对机动车排放尤其是柴油车柴油机排气污染的控制起步较晚，基本上沿用欧洲排放体系。1 9 8 3 年，我国发布了第一个国家汽车排放标准g b 3 8 4 2 - - 3 8 4 7 w 8 3 ，该标准执行时间为1 9 8 4 年4 月1 日。其中对柴油车仅限制自由加速时的烟度；对柴油机则限制全负荷时的烟度。该标准仅限制了汽油机或柴油机、柴油车个别运转条件的排放值，因此对车用发动机或车的评价是不够全面的。1 9 8 7 年4 月1 同，我国又实施了汽车及工程机械用柴油机的排放标准( g b 2 6 7 - - 8 7 、g b 6 4 5 6- - 8 6 ) ，该标准对汽车及工程机械用柴油机的排放试验方法及排放的最高值作出了规定；1 9 8 9 年制定了轻型汽车排气污染物排放标准( g b l l 6 4 1 - - 8 9 ) ；1 9 9 3 年1 1 月8 日批准的，并于1 9 9 4 年5 月1 日起实施的排放标准包括g b l 4 7 6 1 1- - 9 3 至g b l 4 7 6 1 7 9 3 七个标准，是1 9 9 3 年前制定的标准中最为全面的一套；1 9 9 9 年3 月颁布的汽车污染物排放限值及测试方法( g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 ) 比1 9 9 3 年的汽车排放标准加严了8 0 ，限值为欧洲2 0 世纪9 0 年代初期水平，与欧洲1 9 9 2 年7 月生效的标准限值( 欧i ) 相同，也就是中国i 阶段排放法规；2 0 0 1 年4 月1 6 日，国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布了轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i ) ( g b l 8 3 5 2 1 - - 2 0 0 1 ) 、轻型6赡露踯雒笱o o 二，1，匿燔。盘岂毽甚拿毒嚣聪圃怊疑武汉理1 人学博十学位论文汽车污染物排放黻值及测量方法( i i ) ( g b l 8 3 5 22 2 0 0 1 ) ，也就是中围的】、价段排放标准：2 0 0 5 年4 月1 5 几国家环境侏护总局和国家质量临督榆验检疫总局发布了l _ l 幽i i i 、】v 阶段排放标准，即轻型汽车污染物排放限值及测量方法( g b l8 3 5 2 32 0 0 5 ) ，该杯准的实施h 期为2 0 0 7 年7 月1h 。北京打已经于2 0 0 5 年1 2月= j _ = 始执行该标准，并于2 0 0 8 年8 月1 同起执行欧l v 栖；准。图1 4 为我国与美、同、欧三大排放法规执行日程对t l t 2 ”。* _ 伽1删d “wr 。aa m隹黧o e”_1 ”器。口。b - 日图1 - - 4 世界各国排放法规比较i4 柴油车颗粒物排放控制技术研究进展排放法规是推进排放控制技术向前发展的强劲动力。山十柴油车排气有害物当中颗粒物与n o x 的生成具有相且矛蓿的关系，针埘不同阶段执千：j _ 的排放j 杰舰，存在有多种技术路线与方法( 图1 5 ) 。0 l i e n o x0 20 30 4050 6n o x ( g m i )图i - - 5 满足排放法规的多种技术路线武汉理i ：人学博十学位论文总体来看，理技术三大类。柴油车颗粒物控制技术主要包括燃油技术、机内净化技术和后处1 4 1燃油技术燃油技术包括改进燃料配方，使用低硫燃油，以及使用燃油添加剂等措施减少尾气污染排放。尤其是低硫燃油的使用对柴油车排放控制起着重要作用。柴油中硫的存在主要是从3 个方面影响柴油车的排放：1 ) 形成硫化物超细颗粒，蓉一譬农妇逼照例震露l 鼍_图l 一6 无后处理装置的柴油车排气烟度变化与柴油硫含量关系包括从柴油机直接排放出来的部分( h 2 s 0 4 5 h 2 0 ) ，氧化型催化转化器( d o c ) 氧化生成的部分，以及s 0 2 在大气当中形成的硫化物颗粒；2 ) 使d o c 与催化型颗粒过滤器( c a t a l y t i cd i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r s ，c d p f ) 等后处理装置中的催化剂中毒失去活性；3 ) 腐蚀柴油机部件( 如e g r 阀) 2 8 - 3 h 。图1 6 为无后处理装置的柴油排气烟度变化与柴油硫含量关系【3 2 1 。因此，世界各国普遍对柴油的硫含量提出了要求，图1 7 所示为世界国排放法规与相应柴油硫含量限值进型3 3 】。图1 7 世界各国排放法规与相应柴油硫含量限值进程武汉理1 人学博十学仃论文为了降低柴油r | 】硫衍量时排放，。生的不利影响，通常有两种脱硫技术。较早所用到的脱硫方法是通过高温再生( 6 5 0 c 7 0 0 ) 催化荆，但陵 法会带束催化剂的老化。随着1 4 界各田柴汕中硫含量的降低r 小“f m 公司j 发了硫捕捉器，即在d o c ，c d p f 等催化器之前再巾昔一个催化器h j | 三l 吸! s f t 排。l 当中的硫r 图l - 8 ) 。 二二： # 图18 硫捕捉器原理及增强硫捕捉能力措施1 4 2 机内净化技术为降低柴油机响害排放物n o x 和p m的生成，目日u 研究较多的燃烧路径主要有稀撷混压燃燃烧( p c c i )路径和稀扩散燃烧( l d c ) 2 i t 径 3 7 4 0 】，如图1 9 所示。我圳天津大学苏疗华教授课题组提出了柴油机燃烧过程混合和化学时叫尺度控图1 9 基于曲t 凹分析的燃烧路径图制及燃烧路径控制概念，最终形成了高密度一低温燃烧理论，并在实验发动机上通过燃烧u 予控制技术的创新实现了在蛾v 排破水平上柴油机高热效率和筒髅辨。博措浔蟹一一群匿一警吣黔tl雌留爵武议理1 人学博i 学位论文化或取消后处理器的目标但先进燃烧方式在降低排放j 提高热效率的时电会带来些负丽影响，虫u 预t m 燃烧比传统燃烧要生成更多的h c ，反应p 成的内烯对d o c 性能起反作h 4 ；其中生成的特殊h c 更难氧化，显示有不饱和的h c ：c o 与h c 的起燃温度比传统燃烧要高5 0 。c f 4 “，如陶1一i o 所示。一p c il o c ojp c ll ot h c圃c e n v i _ d c o口c o n y l 3t h c发动机试验凰】一1 0 顾混燃烧与传统燃烧其它机出净化技术，上要包括先进的燃油喷射技术、进气涡流和多气门技术、进气增压及巾冷技术、排气再循环技术以及电了控制技术等1 4 3 4 6 】。这砦技术的使埘柴油机排放得到显著的改善。幽l 1 1 为满足不同阶段排放法规而聚取的柴油发动机技术方案进程。乎1 _ 娃乎。* * n # m * # ( o c c 5 1* * 月目$ 镕* p 悯j $图11 i满足不刊阶段排放法_ | 霓的柴油发动机技术进程武汉理i ：人学博+ 学位论文1 4 3 后处理技术。自2 0 世纪7 0 年代以来，人们对柴油车排气颗粒物后处理技术进行了广泛而深入地研究。排气颗粒物后处理技术中应用较多的主要有氧化型催化转化器( d o c ) 与颗粒物捕集器( d p f ) 两大类。1 4 3 1柴油机氧化型催化转化器( d o c )d o c 主要用来处理排气中的h c 、c o 和颗粒物中的可溶性有机成分( s o f )( 图1 1 2 ) 4 7 】，在2 5 0 以上的排气环境中，具有良好的净化作用，是最早得到应用的柴油车排气后处理技术。但d o c 对颗粒物中的干碳烟( d r ys o o t ) 却无能为力，其催化剂一般由p t 、p d 等贵重金属组成，并浸于载体表面上。从2 0 0 5 年欧盟实施欧排放标准开始，d o c 已经成为所有柴油机厂家必选装置，特别是轻型柴油机，绝大多数是采用d o c 来满足欧法规限值。值得提出的是，在今后实施更严格的排放法规后，d o c 并不会退出历史舞台，它将广泛用于d p f 的再生、及d e - - n o x 防止还原剂泄漏，因此有着更广泛的应用前景【4 8 1 。一灞藤瓣隶c 貔翻泉豹凝较物图1 1 2d o c 净化原理目前对d o c 的研究主要是围绕提高d o c 的起燃性和耐久性而展开 4 9 1 。为了提高贵金属在活性涂层中的分布，减少贵金属因高温老化而引起的烧结，i b i d e n 公司对催化剂载体进行了优化，增大了微观表面积，延长了贵金属粒子之间的距离，如图l 1 3 所示【5 0 】。武议理1 人学博十学特论文q 4 mp a o 蕊7 r 7 ) j l u i m - o j，。+ ，噶户。兰i ：；鱼八八八八八曲故进原理b ) 改进d 后的载体表咖积对比( 1 l )图l 一13d o c 栽体弥层的改进14 32 颗粒物捕集器技术颗粒物捕集技术是日前公认的蛀为囱散| 勺颗粒物净化技术，【| 王足同前商用n 口景最奸的技术之。其捕集方法主要有静电吸附法、过滤捕集法和旋m 分离法等。在这二种捕集技术当中，过滤捕集浊是同前并国研究机构普遍采纳的柴油机排气颗粒物后处理方式，其实h j 化的前提足选用经济耐用的捕集材料并配以台适的再生方法。i ) 过滤材料及结构形式颗粒物捕集材料的性能直接影响着捕集，再生装黄的颗粒物净化效果、使用舟命以搜可靠性。在实l q ；车载应用巾，捕集材料必须具有定的机械强度，且满足耐热冲击、咐高温、抗热疲劳等要求，但其捕集效率和排气阻力则是重点考患的两大指标：若排气阻力过高会引起柴油机动力性和燃油经济性的急剧恶化；捕集效率过低，则意味着相当一部分颗粒物没有得到捕集而直接排入大气。目前，国内外对颗粒物捕集材料的研究相对比较成熟，主要有壁流式蜂窝陶迕、直流式过滤体、泡沫式过滤体、金属丝网过滤体等。( 1 ) 壁流式过滤伴( w a l lf l o wf i l t e r ，w f d p f )罐流式过滤体足目前公认的综合性能地忧、在幽内外研究和应用塌广泛的过滤体，其宏观结构如图1 1 4 所示。当携带着颗粒物的柴油机排气流经过滤体时，必须穿越小孔的多孔介质壁面，颗粒物被截流下来，净化后的排气从出i _ 】d q l 排向大气。在过滤初期，由于过滤体壁面多孔介质的微孔孔径要大于排颗粒物的粒径，颗粒物会进入至过滤体多孔介质壁面内，山于碰撞、拦截、扩散的作用被捕集，如i 笙| 1l5 所示口”。随着深床过滤的进行，排气颗粒物进一一一一一。fe一；自*武汉理1 人学博十牛 市论文入壁咖微孔的几牢越来越小，大甜的颗粒物逐渐拱聚住多孔介质壁而l ：形成滤饼层。存这两个过程当中，潍床过滤阶段较短，滤饼过滤1 土导地位。图1 一1 4 壁流式过滤体结构示意图陵圈图lt5 过滤过程示意图壁流式过滤体最驻山美豳c o m i n g 公卅发明，最初采墒青石材料。但堇苛石陶瓷导热系数较低j 年! 过滤体再生过程中，热最h i 能及时敝出使过滤体冈局部温度过高町 | ；现烧熔或破裂现象。为了解决这一问题，s i c 材料的过滤体成为目前研究的热点。s i c 的导热系数足堇青石的2 s 倍咀上，但其热膨胀系数较大，凼此s i c过滤体无法整体加h 只能由小块滤芯拼装而成，给工业啦产带来一定刚难，如图11 6 所示【5 2 州。目前采用s i c - - d p f 的部分欧洲汽车厂商如表l 一4 所示旧。图1 1 6 两种不同材料d p f衷1 4 采用s i cd p f 的部分欧洲汽乍j 一商篡一簇甏滞蓊，蘸孺攀，麓黟摩罄一q “d露彦m是襄蛰武汉理i ：人学博 ：学位论文为克服堇青石与碳化硅两种过滤材料的弊端，世界各大厂商都开展了新过滤材料( a d v a n c e dc e r a m i cm a t e r i a l ，a c m ) 的研究【5 缸5 9 1 。2 0 0 5 年，c o m i n g 公司公布了1 种新的能替代s i c 的耐高温材料钛酸铝( a l u m i n u mt i t a n a t e ，a 1 2 0 3 t i 0 2 ) 。钛酸铝能耐1 5 0 0 的高温，与s i c 基本相同，但其热膨胀系数只有s i c 的1 5 ，因此可以一次成型而加工成整体滤芯。钛酸铝有较高的承受应力的能力，这意味着钛酸铝在产生裂纹前比s i c 有更强的变形能力。虽然钛酸铝的机械强度不如s i c 材料高，但其耐热震的能力却比s i c 高1 个数量级。由于钛酸铝具有以上的明显优势，因此是当前最能和s i c 形成竞争的过滤材料，有很好的推广应用前景唧】。图1 1 7 所示为相同条件下三种不同材料d p f 再生效率对比图。钛酸铝材料由于其导热率低，其再生效率也最耐6 1 】。图1 1 7 三种d p f 材料再生效率对比为增大灰分( 颗粒物在再生结束后残余在d p f 内部不能燃烧的部分) 存储能力，扩大再生间隔，c o m i n g 等公司设计了不对称的孔道结构，如图l 一1 8 ，该结构还有利于增大过滤面积。目前c o m i n g 公司的钛酸铝材料d p f 目前已经经过了1 0 00 0 0 k m 与2 4 00 0 0 k m 道路试验，从试验结果来看钛酸铝材料表现出了良好的过滤特性与耐久性。使用非对称孔道设在经历过2 4 00 0 0 k m 后仍然表现出了良好的阻力特性【6 2 彤】。为提高颗粒捕集效率，尤其是超细颗粒的捕集效率，减少常规d p f 捕集过程中因p m 深床过滤所引起的背压迟滞现象，n g k 公司设计了图1 1 9 所示双层过滤结构【6 刚，在d p f 入口通道内设置一特殊的过滤层，该过滤层内微孔直径较小，但孔隙率高；在这一特殊过滤层之下仍然是常规的过滤层。特殊过滤层1 4武沮理1 人学博i 学仳论文的存在提高了过滤效率，使d p f 可以保持较低的排气背压；常规过滤层的存在义叫以提高d p f 抗震强度，保持d p f 耐久性。嚣【口一口口口图1 一1 8d p f 过滤孔道的非对称设计a ) 深床过滤所引起的背压迟滞机理图l 1 9b ) 双层过滤结杜概念d p f 双过滤层设计( 2 ) 泡沫式过滤体泡沫式过滤体的微观结构与泡沫塑料十分相似，其内部有许多称为“气室”的小孔，每个i 室通过 口与多个相邻的气室相通( 图12 0 ) 1 6 7 1 , 宏观结构一般制成圆柱形。柴油机排气颗粒物流经过滤体时，其中的部分颗粒物就会沉积在气守巾，属于深床过滤范畴。泡沫式过滤体的过滤效率可以通过缩小孔隙率柬提高，但另一方面却义增加了排气阻力。泡沫式过滤体通常采用陶瓷材料，根据生产原料的主要成分不同，常见泡沫陶瓷材料又iu 分为堇青杆泡沫陶瓷、三氧化_ 二铝泡沫陶瓷、碱化硅泡沫陶瓷等。泡沫陶瓷的优点是制造工艺相对简单且成本低，可以根据颗粒物的过滤及过滤体再牛的要求，制成各利形状，以满足不同的需求。武汉理l 大学博l 学忙论文漱b 、图1 - - 2 0 泡沫陶瓷过滤体宏观( a ) 与微观( b ) 结构爿外，泡沫陶瓷的多孔结构，使火焰易于传播，从而使燃烧更加安全，再牛更加彻底。泡沫陶瓷各向l 刊性，再生日j 热应力小，不易造成过滤体热损坏。其缺点是结构疏松，强度低，在排气冲击和机械振动条件f 易m 现损坏。为了改善泡沫陶瓷过滤体的性能，研究人员又开发了金属基过滤材料( 泡沫会属) ，在强度、韧性、导热性等方面与目| j i 市场上大量应用的陶瓷过滤材料相比具有定优势。泡沫式过滤体的过滤面积较小，同样体积的过滤体其排气阻力要比壁流武过滤体要大，所以泡沫金属通常被设计成各种形状，用以改善捕集量和压力损失。图l 一2 l 所示为一种卷筒式的泡沫金属过滤体，住将泡沫金属制成片状后，逐层缠绕在一圆图1 - - 2 1 泡沫金属过滤体个多孔介质内筒r ，柴油机排气进入内筒之后，冉径向流过泡沫金属层，经过滤之后再排 【6 s , 6 9 1 。( 3 ) 余属丝网过滤体金属丝网表面光滑，比面积小，单纯金属丝网过滤体捕集效率较低，人约武汉理i 火学博1 学似论文为2 0 5 0 。但金属丝网成本相对较低，且孔隙太小沿气流方向可以任意组合，使捕获的颗粒物在过滤体中沿过滤厚度方向分伟均匀，增强了过滤效率及过滤时其次，会属丝网的耐高温反抗震性能蚶，寿命氏；会幅丝网良好的导电忡能，使其更容易捕集到带电颗粒物。为了增大它的捕集效率，可在过滤体阿面加电晕荷电装置或惯性沉淀器等装置 驯。香港珲工大学与田内几所大学合作开发了盒属丝纤维颗粒捕集器及其消理装置，台架和道路试验表明此种捕集器响较高的过滤效率，得到香港环保总署的认可 。7 2 1 。清华大学、军事变通学院等坼何合作开发的壁流式金属丝网过滤体及其i f 生技术取得了较好效果【7 ”。如果不同粗细的金属丝网叠加进行烧结，得到的材料既有好的强度又有一定的弹性，可加工成各种形状( 圈1 - 2 2 ) ，也是一种理想的过滤材料1 1 3 , 7 4 1 。图l 一2 2 烧结会属丝网过滤体( 4 ) 自流式过滤体( f l o wt h r o u g hf i l t e r ，f td p f )因为d o c 对颗粒物中的s o o t 成分不起作用，而壁流式过滤体义存在雨生等问题，直流式过滤体( 或称部分过滤式过滤体，p a r t i a lf i l t e r ，p d p f ) 的出现恰好弥补了低端d o c 与高端壁流式过滤体对减少颗粒物效能之b j 的差距。图l 一2 3 为自流式过滤体与壁流式过滤体工作原理对比图口”。卣流式过滤体一般采用金属丝网或金属薄片类材料，其过滤效果与结构设计密切相关。图l - - 2 4 所示为一典型的直流式过滤体结构，中刊部分为波纹隔板，其上下靠置有烧结金属纤维毡。在波纹隔板上疖置有铲状导流板，当排气气流在波纹隔板问通过时，在铲状导流板作用下，一部分排气流经上层的过滤层，余下部分则通过通道的另一头进入下一个结构m7 7 1 。为了增大过滤面积提高过滤效果，直流式过滤体常被做成图l - - 2 5 所示结构形式，波纹隔扳与金属纤维毡叠加在一起后卷成圆筒形，以有利于车载布置。直流式过滤体颗粒物捕集效率可达3 0 7 5 ( 质量百分比) ，通常采取迮武汉理l ：人学博l 。 倚论文续再生的方式。羲穿影嚣o 溅武汉理i ：人学博 ：学位论文功丌发在柴油车上自动实现再生的技术，才能从根本上解决其实用性问题。实用化再生技术必须要求：能在各种工况下正常工作：对柴油机工作特性及燃油经济性具有较小的影响；不应对环境产生二次污染；具有良好的可靠性和耐久性；便于操作：寿命和价格应能