（热能工程专业论文）柴油机微粒过滤系统的研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 为满足日益苛刻的排放法规，仅凭机内净化措施来减少柴油 机的微粒排放是极其困难的。另外，尽管机内净化技术使微粒物 的质量排放总量得以削减，但微粒的个数却没有减少，而且生成 了粒径更小的排放物。越来越多的研究表明，柴油车排放的小微 粒对人体健康危害更大，而未来的法规很可能会对柴油机微粒物 排放的数量进行限制。因此越来越多的国家关注机动车的小微粒 排放，而微粒过滤器是未来解决小微粒排放问题的最有效措施之 一。基于此点，本文围绕柴油机微粒过滤系统进行了如下研究： 1 柴油机微粒过滤器对柴油机微粒组分特性影响的研究。运 用自行设计、制作的柴油机微粒取样器，对未安装过滤器、安装 袋滤器、安装陶瓷过滤器三种情况下的柴油机排气微粒进行采集， 分析柴油机工况对微粒组分特性的影响，以及微粒中可溶有机组 分( s o f s o l u a b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 中烷烃和芳香烃等成分的排 放特性等。研究结果表明：在相同转速下微粒排放量随负荷的增 加而增大。随着负荷的增加，微粒中s o f 的百分含量在逐渐减少， 不可溶有机成分( i o f i n s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 的百分含量在逐 渐增加。s o f 的含量从低负荷时的l5 到高负荷时的4 5 左右，其 对微粒特性的影响不能忽略。微粒中可溶性有机物s o f 中正烷烃 的总含量占到了7 0 8 0 ；支链烷烃的总含量在2 2 2 之间； 多环芳香烃的总含量在1 一13 之间。柴油机在不同运行工况下， 其排出s o f 碳原子数分布稍有不同。另外，袋滤器过滤后微粒中 s o f 的百分含量比陶瓷过滤器过滤后的略低；袋滤器过滤后微粒 s o f 中各组分百分含量均在2 0 以下，各组分过滤比较均匀；陶瓷 过滤器过滤后个别工况个别组分的相对含量达到近4 0 ：袋滤器 对多环芳香烃的过滤效率要高于陶瓷过滤器。综合来看，袋滤器 是一种过滤效果较好的后处理装置。 2 柴油机排气微粒燃烧特性的分析研究。对采集的柴油机排 气微粒，利用热重分析技术，研究了微粒在氧气浓度分别为l0 、 1 摘要 2 0 、3 0 ，升温速率分别为10 r a i n 、2 0 r a i n 、3 0 m i n 、 4 0 ( 2 r a i n ，微粒质量分别为 5 m g 、3 5 m g 一3 m g 、 1 5 m g 的燃烧性 能。结果表明：微粒的燃烧明显分为挥发份析出( 低温段) 和固 定碳( 高温段) 的燃烧两个阶段。低温段的失重占总失重的2 0 左右；高温段的失重占总失重的7 0 左右，说明微粒燃烧过程主 要是固定碳的燃烧。氧气浓度较低的时候，燃烧需要较高的温度； 反应温度较低的时候，需要较高的氧气含量。综合起来看，在氧 浓度较低时，随着氧气浓度增大，燃烧性能呈现良好的趋势。但 同时也表现出，氧气浓度为2 0 、3 0 时的情况比较接近，与氧气 浓度为lo 时的差距比较明显。说明提高空气中氧气浓度对微粒 燃烧性能影响不大。另外研究还发现，当氧气浓度在2 0 、3 0 时 的反应平均活化能为6 0 k j m o l 左右。目前采用燃油添加剂可以使 微粒的活化能降低到这个数值，也就是说如果用空气或含氧量更 高的气体来做燃烧反应气氛的话，可以满足过滤器被动再生时对 微粒活化能的要求。 3 根据理想流体质点的声传播控制方程，建立了考虑流速、 热传导和粘性时，微粒过滤器内的声传播控制方程。以此为基础， 利用达西定律求解微粒过滤器相邻单元孔壁的压降，进而建立了 微粒过滤器的传播常数和传递矩阵的计算模型。以此模型计算了 发动机在特定工况下的插入损失，并和试验测量的数值进行了对 比分析，验证了理论分析的正确性。 4 建立了微粒过滤器气体流动的三维数值模型。以k s 紊流 模型理论为基础，把过滤单元作为多孔介质，模拟了袋滤器内的 排气流动特性，并用f l u e n t 软件进行求解。最后将数值计算值 与试验值进行对比，验证了所建模型的正确性。计算结果表明： 在袋滤器内部，压力是层层递减的，而在过滤单元处突然降低， 说明过滤单元是产生压力损失的主要原因。另外，入口壁面附近 也是产生压力损失比较集中的一个位置。袋滤器结构参数会影响 整个袋滤器的压力损失。 5 设计了适用于固定式柴油机以及公交车等对场地要求不严 的设备，利用袋滤器技术来控制微粒排放的固定式卸灰系统，解 山东大学博士学位论文 决了再生难的问题。 关键词：柴油机；排气微粒；袋滤器；陶瓷过滤器；再生 i i i a b s t r a c t n o w a d a y s ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt or e s o r tt oi n c y l i n d e rc o n t r o l s t r a t e g i e so n l y t om e e tt h e i n c r e a s i n g l yr i g o r o u s l a w sa n d r e g u l a t i o n sf o rd i e s e le m i s s i o n sc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，e v e nt h o u g ht h e i n c y l i n d e r c o n t r o l t e c h n o l o g y c o u l dr e d u c et h et o t a lm a s so f p a r t i c u l a t ee m i s s i o n s ，t h en u m b e ro fp a r t i c l e sr e m a i n sa l m o s tt h e s a m ea n ds m a ll e rd i e s e lp a r t i c l e sa r eg e n e r a t e d m o r ea n dm o r e s t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h o s es m a l l e rd i e s e lp a r t i c u l a t e sa r em o r e h a r m f u lt oh u m a nh e a l t h a n di ti sq u i t ep r o b a b l et h a tf u t u r el a w s a n dr e g u l a t i o n sw i l ls e tal i m i tt ot h eq u a n t i t yo fd i e s e lp a r t i c u l a t e s e m i s s i o n s t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r ec o u n t r i e sh a v ef o c u s e dt h e i r a t t e n t i o no nt h ec o n t r o lo ft h en u m b e ro fs m a l lp a r t i c u l a t e s e m i s s i o n s t h ep a r t i c u l a t ef i l t e ri so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d s t os o l v es u c hp r o b l e m s i nt h i sp a p e r ，as e r i e so fr e s e a r c hh a sb e e n c a r r i e do u tc o n c e r n i n gt h ed i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e rs y s t e m 1 r e s e a r c ho ni n f l u e n c e so fd i e s e lp a r t i c u l a t ec o m p o n e n t so f d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r s ap a r t i c u l a t es a m p l i n gd e v i c eh a sb e e n d e s i g n e dt os a m p l et h ed i e s e le n g i n ep a r t i c u l a t e si nt h r e ec a s e s ：b a s e l i n ee n g i n ew i t h o u ta n yf i l t e r s ，e n g i n ew i t hb a gf i l t e r ，e n g i n ew i t h c e r a m i cf i l t e r t h ei n f l u e n c eo fd i e s e le n g i n eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c u l a t ec o m p o n e n t si sa n a l y z e d ，a sw e l l a st h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f a l k a n ea n da r o m a t i ch y d r o c a r b o n s i ns o f ( s o l u a b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t a tt h es a m ee n g i n es p e e dp a r t i c u l a t ee m i s s i o n si n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n ge n g i n el o a d t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s e o fe n g i n el o a d ，t h ep e r c e n t a g eo fs o fi np a r t i c u l a t ed e c r e a s e s g r a d u a l l y ，w h il e t h ep e r c e n t a g eo fi o f ( i o f - i n s o l u b l eo r g a n i c f r a c t i o n ) i n c r e a s e sg r a d u a l l y t h ep e r c e n t a g eo fs o f i n c r e a s e sf r o m 15 t o4 5 ，i t si n f l u e n c eo np a r t i c u l a t ec h a r a c t e r i s t i cc a nn o tb e i g n o r e d t h e t o t a lc o n t e n to fn - p a r a f f i nh y d r o c a r b o ni ns o fo f i v 山东大学博士学位论文 p a r t i c u l a t er a n g e sf r o m7 0 t o8 0 ，a n dt h a to fb r a n c h e dp a r a f f i ni s b e t w e e n2 a n d2 2 ；m u l t i r i n gh y d r o c a r b o nt a k e su pf r o m1 t o 13 u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h en u m b e ro fc a r b o n a t o mi ns o fi sd i s t r i b u t e d s l i g h t l y d i f f e r e n t i na d d i t i o n ，t h e p e r c e n t a g eo fs o fi np a r t i c u l a t ei sal i t t l es m a l l e rw i t ht h eb a gf i l t e r t h a nw i t ht h ec e r a m i cf i l t e r w i t ht h eb a gf i l t e r ，t h ep e r c e n t a g eo f e a c hc o m p o n e n ti ns o fa f t e rf i l t r a t i o ni sa l lb e l o w2 0 ，r e l a t i v e l y e v e n l yf i l t e r e d t h er e l a t i v e l y c o n t e n to fi n d i v i d u a lc o m p o n e n ti n c e r t a i no p e r a t i n gm o d ei sn e a r l y4 0 a f t e rf i l t e r e db yt h ec e r a m i c f i l t e r t h ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c yo fb a gf i l t e rt om u l t i r i n gh y d r o c a r b o n i sh i g h e rt h a nt h a to ft h ec e r a m i cf i l t e r i ns u m m a r y ，b a gf i l t e ri sa b e t t e rp o s t - t r e a t m e n td e v i c e 2 r e s e a r c ho nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e lp a r t i c u l a t e s b yt h eu s eo ft h et h e r m a lg r a v i m e t r i ca n a l y s i st e c h n i q u e ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c e so ft h o s ec o l l e c t e dd i e s e l e x h a u s tp a r t i c u l a t e su n d e rt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：t h eo x y g e n c o n t e n ti s1 0 ，2 0 ，3 0 ；h e a t i n gr a t ei s1 0 m i n ，2 0 m i n ， 3 0 c m i n ，4 0 c m i n ；a n dt h ep a r t i c u l a t em a s si sm o r et h a n5 m g ， f r o m3 5 m gt o3 m g ，l e s st h a n1 5 m g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ep a r t i c u l a t ec o m b u s t i o ni sc l e a r l yd i v i d e di n t ot w os t a g e s ， v o l a t i l em a t t e rb u r n i n g ( 1 0 w t e m p e r a t u r es t a g e ) a n df i x e dc a r b o n b u r n i n g ( h i g h t e m p e r a t u r es t a g e ) t h e w e i g h t l o s sa t l o w t e m p e r a t u r es t a g et a k e su pa b o u t2 0 o ft h et o t a lw e i g h tl o s s ， a n dt h eh i g h t e m p e r a t u r es t a g ea b o u t7 0 i ts h o w st h a t t h e c o m b u s t i o no fc a r b o ni st h em a i np a r to ft h ec o m b u s t i o np r o c e s s w h e nt h eo x y g e nc o n t e n tw a sl o w e r ，t h ec o m b u s t i o no ft h e p a r t i c u l a t e sn e e d sh i g h e rt e m p e r a t u r e w h e nr e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s l o w e r ，i tr e q u i r e sh i g h e ro x y g e nc o n t e n t i ns u m m a r y ，t h e c o m b u s t i o np e r f o r m a n c et e n d su p w a r d sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h e o x y g e nc o n t e n ta tl o wo x y g e nc o n t e n t m e a n w h i l e ，t h er e s u l t sa l s o s h o wt h a tt h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c ei sa l m o s tt h es a m ew h e nt h e o x y g e n c o n t e n ti s2 0 a n d3 0 w h i l e c o m p a r e d w i t ht h e v a b s t r a c t p e r f o r m a n c ea t 1o o x y g e nc o n t e n t ，t h ed i f f e r e n c ei so b v i o u s t h i s i n d i c a t e st h a ti n c r e a s i n gt h eo x y g e nc o n t e n th a sl i t t l ee f f e c to nt h e c o m b u s t i o n p e r f o r m a n c e o f p a r t i c u l a t e s w h e n o x y g e n c o n t e n t c h a n g e sf r o m2 0 t o30 t h er e s e a r c ha l s of i n d st h a ta v e r a g e r e a c t i o na c t i v a t i o ne n e r g yi sa b o u t6 0 k j m o lw h e nt h e o x y g e n c o n t e n ti s2 0 a n d30 ，w h i c hi se q u i v a l e n tt ot h ev a l u ec a u s e db y t h ea d d i t i o no ff u e la d d i t i v e su s e di nc e r a m i cf i l t e r a tp r e s e n t ，t h e u s eo ff u e la d d i t i v e sc a nr e d u c et h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fp a r t i c l e st o t h i s f i g u r e ，t h a t i st o s a y ，w h e ns e t t i n gac o m b u s t i o nr e a c t i o n a t m o s p h e r ew i t ha i ro rh i g h e r o x y g e n - c o n t e n tg a s ，t h er e q u i r e m e n t s o fp a s s i v ef i l t e rr e g e n e r a t i o nt ot h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fp a r t i c l e s c a nb em e t 3 b a s e do nt h es o u n dp r o p a g a t i o nc o n t r o le q u a t i o no fi d e a l f l u i dp a r t i c l e ，t h ee q u a t i o nu s e di n p a r t i c u l a t ef i l t e r i sd e d u c e d t a k i n gf l o wv e l o c i t y ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dv i s c o s i t yi n t oa c c o u n t o nt h i sb a s i s ，b yu s i n gd a r c y sl a wt os o l v et h ep r e s s u r e d r o p p r o b l e mo f h o l ew a l la tn e i g h b o r i n gf i l t e ru n i t ，t h ef i l t e rp r o p a g a t i o n c o n s t a n ta n dt h ec o m p u t a t i o nm o d e lo ft r a n s f e rm a t r i xa r es e tu p b a s e do nt h i s ，t h ei n s e r t i o nl o s so fe n g i n eu n d e rs p e c i f i co p e r a t i n g m o d ei sc a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dv a l u e ，v e r i f y i n g t h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s 4 t h et h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo f g a sf l o wo f p a r t i c u l a t ef i l t e r i ss e t u p o nt h eb a s i so fk - t u r b u l e n tf l o w t h e o r y ，t h ef i l t r a t i o nu n i ti sa s s u m e dt ob et h ep o r o u sm e d i u ma n d t h ee x h a u s tf l o wc h a r a c t e r i s t i c si nb a gf i l t e ri ss i m u l a t e da n ds o l v e d w i t ht h ef l u e n ts o f t w a r e t h ec o m p a r i s o no fn u m e r i c a lv a l u e sa n d e x p e r i m e n t a lv a l u e sv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h ee s t a b l i s h e dm o d e l t h e c a l c u l a t i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h e p r e s s u r e d e c r e a s e s p r o g r e s s i v e l yi nt h eb a gf i l t e r , w h i l ed e c r e a s e sa b r u p t l yi nf i l t r a t i o n u n i t t h i si n d i c a t e st h a tt h ef i l t r a t i o nu n i ti st h em a i nc a u s eo f p r e s s u r el o s s i na d d i t io n ，t h en e i g h b o r h o o do ft h ee n t r a n c ew a l l s u r f a c ei sa n o t h e rc o n c e n t r a t e dp o s i t i o no fp r e s s u r el o s s t h e v l 山东大学博士学位论文 s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw i l la l s oa f f e c tt h ew h o l ep r e s s u r el o s so fb a g f i i t e r 5 t h es t a t i o n a r yp a r t i c u l a t e - d i s c h a r g i n gs y s t e mi sd e s i g n e d i t c a nb ea p p l i e dt os t a t i o n a r yd i e s e le n g i n e sa sw e l la sb u s e sa n do t h e r e q u i p m e n tw i t hl i t t l er e q u e s tt ol o c a t i o na n dw h i c hu s eb a gf i l t e rt o c o n t r o lp a r t i c u l a t ee m i s s i o n s t h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fr e g e n e r a t i o n i ss o l v e d k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ：e x h a u s tp a r t i c u l a t e ；b a gf i l t e r ；c e r a m i cf i l t e r ； r e g e n e r a t i o n v n 符号表 符号表 符号空白滤纸质量，g 口。半径，m 脚p微粒质量，g 乃单元宽度的一半，m7 微粒样品质量，g 彳指前因子，m i n 1 m s o fs o f 质量，g c 声速，m s c 2 压力跳跃系数，m 。 g燃尽系数，m i n 1 q定压热容，j ( m o l k ) e 活化能，k j m o l 总燃尽率 石频率，h z ，微粒失重量与可燃质含量 川 的比值 v i 后期燃尽率 壁面厚度，m 波数 插入损失，d b 声压级，d b 反应级数 初始质量，g i o f 质量，g 反应结束时的质量，g 刀转速，r m i n 功率，k w p声压，p a 吼体积流量，m 3 s 尺 气体常数，j ( m o l k ) s 熵，j ( k g k ) 综合燃烧特性指数， s m l n 2 k 一 。k 。 &苏士兰常数，k ，时间，s 丁 温度，k 瓦环境温度，k 7 ：着火温度，k 乃燃尽温度，k ， 速度，m s 轴向平均速度，m s 五厅l k 0 研 ， 山东大学博士学位论文 艺 y 声学速度，m s 6 孔隙度 渗流速度，r n s ，7 升温速率，。o l m i n 体积，m 3 透过率 p 叫西) 弧最大燃烧速度，r e # r a i n k 导热率，w ( m k ) p 吖西x 一 平均燃烧速度，r a g r a i n 卢 动力粘度，p a s 希腊字母, o o 大气密度，k g m 3 口 a o 口l y 转化率o r ，渗透率，m 2 渗透性系数，所2 衰减系数 比热比 犀剪波数 仃z ：竺2 普朗特数 准则数 f o 时间，m i n 妒 孔隙率 c o 圆频率 胁：监马赫数 c i x 山东大学博士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已 经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 幛日期：学 论文作者签名：2 1l 笠旦i = 缂日 期：迦2 ：工：i 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或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 山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 黼粼：蟊啤新弥l 慨啦。 山东大学博士学位论文 1 1研究背景 第一章绪论 柴油机的发展已经经历了百年的历史，凭借其良好的经济性 和耐久性而广泛地应用于各种动力装置中，如船舶和车辆工程 等。尤其是在2 0 世纪7 0 年代世界能源危机以后，车用柴油机更 加受到人们的重视，城市公交车、大型客车和重载车基本上都采 用了柴油机。目前世界范围内汽车动力装置柴油化的趋势日益明 显，欧洲已将发展柴油机轿车作为缓解空气污染和削减汽车二氧 化碳排放量的策略之一。我们国家有关部门在近几年出台的汽车 相关政策中都提出大力推广现代柴油轿车、适度增加柴油轿车的 比例【1 1 。 与汽油机相比，柴油机排放的有害气体中碳氢化合物( h c ) 和一氧化碳( c o ) 排放量相当低，一般只有汽油机的几十分之 一，氮氧化物( n o x ) 排放量则处于同一数量级，但微粒排放 ( p m p a r t i c u l a t em a t t e r ) 约为汽油机的3 0 一8 0 倍。由此可见， 柴油机有害排放物主要是微粒和n o x 。根据德国环保局( u b a ) 的研究报告，在交通运输业中，有4 9 的微粒和碳烟以及4 3 的n o x 来自于柴油机的废气排放1 2 - 4 1 。 1 1 1 柴油机微粒排放及危害 柴油机排气微粒的定义和所采用的测试方法有关。由于美 国环保局( e p a ) 规定的微粒稀释质量法是目前各国所有标准中 所采用的方法，所以e p a 对柴油机微粒的定义也是一般所公认 的。它所定义的柴油机排气微粒是：柴油机排出的全部废气经干 净室温空气稀释后，在温度冷却至5 2 的条件下，在规定的过 滤介质上所收集到的除去非化合形态的凝聚水以后的其它所有 固体状和液体状的微粒【5 西】。其中碳烟是微粒的重要组成部分， 因为其它物质都是被碳烟吸附过来的。按照这个定义，柴油机排 第一章绪论 气微粒包含以碳元素为主的碳烟( s o o t ) 、未氧化或未完全氧化 的碳氢化合物( 即可溶有机成分，s o f - s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 、 硫酸盐以及与硫酸盐结合的水和其它杂质。图1 1 为柴油机排气 微粒组成与结构示意图”。 柴油机排放的微粒 对人体的严重危害性通 过国内外学者的研究已 经被人们所认识。许多研 究已经证实，柴油机微粒 可以引起慢性肺病 1s - 9 1 。 另外，美屋联邦环保局的 a m e s 等人进行的毒性试图1 1柴油机排气微粒组成结构示意图 验证实，柴油机微粒中s o f 的毒性比汽油机大得多，吸附在碳 粒表面的可挥发性和可溶性物质具有诱变作用，而这些诱变物的 9 0 以上是致瘵物质。 柴油机排气微粒( 表现为冒黑烟) 属于亚微米级范围，微 粒中有9 0 ( 质量比) 以上的微粒直径在0 0 1 s 州- 10 删之间。 微粒的大小和形状决定微粒最终进入人体的部位，大于1 0 a n 的 微粒会被人的鼻腔和呼吸道阻拦，而小于25n a n 的微粒可进入肺 泡中，可能导致与心肺功能障碍有关的疾病。根据英国环境部门 的研究，直径为25 岬的微粒在大气中停留的时间为7 3 0 天， 所以这种微粒可以长距离传输而污染更远的地方，造成的危害更 太。同时对于由较小微粒构成的复合结构体来说，其表面积较大， 更容易吸附一些对人体健康有害的有机物因而毒性更大。 除了对人体有害外，微粒还会遮挡阳光降低可见度。它还 具有腐蚀性，通过在材料上的覆盖并同其它污染物共同作用影响 材料的使用性能，会对建筑物表面造成污损，腐蚀暴露在外的材 抖等等。 由此可见，柴油车冒黑烟不单是个简单的视觉j i j _ | 题，它不仅 2 山东大学博士学位论文 对市民健康和环境危害很大，而且还对我们城市的形象造成负面 影响。 1 1 2 柴油机微粒排放控制标准 随着发动机污染物排放对环境和公众健康影响的问题日益 突出，目前全世界很多国家都建立了发动机或汽车尾气排放标 准。在过去的几十年里，这些标准日趋严格。 目前，世界上实行的柴油机排放标准主要有美国、欧洲和 日本三个主要法规体系。世界上其它国家也都是在不同程度上采 用这些法规和标准，尤其以采用美国和欧洲法规的比较多，我国 采用的也是欧洲排放标准体系。这几大排放法规体系都对微粒排 放提出了严格的要求，要求持续降低柴油机的微粒排放。由于日 本的测试方法与美国和欧洲有很大不同，也很少有国家采用日本 法规，在此不予介绍。下面分别重点介绍欧洲、美国和中国的排 放法规。 1 1 2 1欧盟 欧盟作为大力倡导使用柴油车的先驱，不仅大量制造各种 用途的柴油车，而且在柴油机微粒排放领域开展了大量工作，并 且根据柴油机排放的特点，提出了较为完备和体系的微粒排放法 规【l0 - 1 3 1 。 在车用柴油机领域，欧盟对重型车用柴油机的微粒排放控 制是从l9 9 2 年的欧i 标准开始，分两个阶段执行欧盟 9 1 5 4 2 e e c 指令，1 9 9 5 年实行欧i i 标准。从19 9 9 9 6 e c 和 2 0 0 1 2 7 e c 指令开始，2 0 0 0 年、2 0 0 5 年、2 0 0 8 年和2 0 12 年欧 盟执行更为严格的欧i i i 、欧、欧v 和欧法规。欧i i i 法规以后 修改了e c er 4 9l3 工况试验规范，改用欧洲稳态测试循环e s c ( e u r o p e a ns t e a d ys t a t ec y c l e ) ，在工况点的选取和加权系数上 作了较大的更改，更接近于实际使用状况。对于带有排气后处理 装置的重型柴油机，要附加一个类似美国f t p ( f e d e r a lt e s t p r o c e d u r e ) 的欧洲瞬态循环e t c ( e u r o p e a nt r a n s i e n tc y c l e ) ， 第一苹绪论 以检验后处理系统的动态性能。从2 0 0 0 年开始，在测试循环中 还增加了一个动态烟度测试e l r ( e u r o p e a nl o a dr e s p o n s e t e s t ) 。 对于轻型柴油车，欧盟自九十年代初开始实施控制其微粒 排放的，l9 9 2 年欧i 标准开始执行欧盟9 l 4 4 l e e c 指令，19 9 5 年的欧n 标准执行9 4 12 e c 指令。从9 8 6 9 e c 指令开始，2 0 0 0 年、2 0 0 5 年和2 0 0 8 年欧盟执行更为严格的欧、欧和欧v 标 准，排放测试采用e c e l 5 + n u d c 循环。 表1 1 和表1 2 给出了欧盟车用柴油机的微粒排放标准 【i 0 - 1 3 】 o 从表中看出，重型车欧i i 标准与欧i 标准相比，p m 排放限 值降幅达5 0 以上，从欧i i 到欧i 标准，p m 限值继续降低，而 从欧i 到欧、欧v 标准，p m 排放限值要求降低8 0 ，这是巨 大的挑战。 轻型车对p m 排放限值的要求也是越来越严格。 表1 1 欧盟重型柴油车排放标准 备注：额定功率小于8 5 k w 的柴油机： 单缸工作容积小于o 7 l ，额定转速大于3 0 0 0 r r a i n 的柴油机。 4 山东大学博士学位论文 表1 2 欧盟轻型柴油车排放标准( 单位：g k i n ) 法规年份测试循环 c oh cn o x p mn o x + h c 欧i1 9 9 2e c e 1 5 + e u d c2 7 2一一 0 140 9 7 1 o 0 1 0 0 9 0 欧i i1 9 9 5e c e - 1 5 + e u d c 2 2 一一 0 0 8 0 5 0 欧i l l2 0 0 0e c e 15 + n u d c 0 6 4 0 50 0 50 5 6 欧2 0 0 5e c e 15 + n u d c o 5 0一o 2 50 0 2 5o 3 0 欧v2 0 0 8e c e 1 5 + n u d c o 5 0 0 2 00 0 0 5o 2 5 备注：直喷式柴油机；非直喷式柴油机； 冷启动后的4 0 s 运行被取消，马上就测量。 1 1 2 2美国 美国是当今世界上控制汽车排放最严格的国家，主要分为联 邦政府标准和加利福尼亚州标准，其中加州制定的标准更为严 格。由于美国法规的先进性，许多控制汽车排放较早的国家一直 都在采用美国法规，美国法规的测量方法一般较欧洲法规要复 杂，其运行工况多为瞬态工况，因此对设备的要求也比较高。这 里主要介绍联邦法规。 对于重型车用柴油机，为了控制微粒排放，美国从19 8 4 年 开始采用瞬态测试循环( t r a n s i e n tc y c l e ) ，从l9 9 8 年开始增加 了一个补充排放测试循环s e t ( s u p p l e m e n t a le m i s s i o n st e s t ) ， 类似于欧盟的e s c 循环。19 9 7 年制定了2 0 0 4 年以后的排放法规， 2 0 0 0 年美国环境保护局( e p a ) 又通过了u s 2 0 0 7 排放标准，新 的排放标准要比u s 2 0 0 2 2 0 0 4 标准严格很多，其中p m 排放值为 0 0 1g b h p h r 。法规要求，重型柴油车从2 0 0 7 年开始，要完全实 现微粒物的排放标准。 对于轻型车用柴油机，19 8 0 年美国e p a 首先提出了对其p m 排放量进行限制。l9 9 1 年推出了第一阶段的排放标准，采用 f t p 7 5 测试循环，从l9 9 4 年开始执行。l9 9 9 年制定了第二阶段 排放标准，从2 0 0 4 年开始执行。 其排放限值如表卜3 和表1 4 所示【1 0 朋】。 第一章绪论 备注：卡车用；公交车用。 表1 - 4美国轻型车用柴油机排放标准( 单位：g k i n ) 可见，无论是重型柴油车，还是轻型柴油车，其微粒限值 都逐步严格。 1 1 2 3中国 我国从2 0 世纪8 0 年代开始着手排放控制工作，曾颁布 g b 38 4 4 19 8 3 汽车柴油机全负荷烟度排放标准，该项标准在 l9 9 9 年作了修订，变为g b 3 8 4 7 19 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限值及测试方法；和 g b 38 4 3 19 8 3 柴油车自由加速烟度排放标准，该项标准在19 9 3 年作了修订，变为g b 14 7 6 1 6 19 9 3 柴油车自由加速烟度排放 标准。上述全负荷烟度排放标准和自由加速烟度排放标准，都 是用滤纸烟度法测量和控制车用柴油机的烟度排放的【1 3 1 。 从l9 9 7 年开始实施g b l4 7 6 1 1 - l9 9 7 标准，于l9 9 9 年和2 0 0 1 年颁布了g b