汽车柴油机的微粒排放Word文件下载.docx

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柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在工程机械领域得到了广泛的应用，如压路机、装载机、挖掘机、推土机等都是以柴油机作为动力。

虽然柴油机具有许多优点，但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有HC、CO、SO、NO和PM（微粒）。

尤其是在施工现场，由于工程机械和运输车辆来往比较频繁，加之通风条件的限制，这些工程机械排放的有害气体严重超标且会弥漫于整个上作面，极大地危害了施工人员的身体健康和施工的正常进行，因此，对柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义

1.3综合分析以及设计目的

随着世界汽车对汽车发动机动力性、经济性和排放提出了更高要求和计算机技术的迅速发展，柴油机被公认为节能的代表和减少汽车尾气排放污染的有力工具，汽车柴油化也是汽车发动机发展的一大趋势。

本文结合当前发展状况，论述了缸内直接喷注技术和柴油化趋势是未来车用发动机的发展方向。

柴油机的开发焦点已由传统的优先考虑经济性、可靠性和耐久性逐步转为目前的优先考虑环保的要求，即以优先保护好人类赖以生存的地球环境为出发点去考虑采用何种技术，去评价其先进性。

优先考虑柴油机排放、噪声对环境的影响问题，与过去相比也有不同

柴油机微粒的排放控制技术已成为柴油机技术发展中的核心之一,特别是排气后处理技术的研究。

论文介绍了柴油机微粒排放...通过比较分析与研究当前微粒捕集器的再生技术,可以得出这样的结论:

单纯的采用某一种再生技术都有其不足之处微粒（PM）是柴油机废气中一种有害的物质。

根据美国EPA的定义柴油机的排气微粒是指：

稀释到51.7℃以下的柴油机排气流过带聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质。

柴油机排气微粒分析是研究柴油机燃烧过程的一个重要手段，也是研究和防治发动机废气造成的环境污染所必不可少的重要内容。

针对柴油机微粒的排放，世界各国各地区制定了相应的排放控制法规。

了解柴油机微粒的产生机理，熟悉微粒的测试原理及注意事项，如何依照法规完成对柴油机微粒排放的测试，并对柴油机微粒排放水平作出合理的评价是该实验的主要目的。

1.4柴油机微粒排放的主要净化措施

1.4.1机内净化措施

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.

一.燃烧系统的优化燃烧过程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.a.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嫩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;

b.嫩烧方式的改进为了减少微粒排放，日本、美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;

c.进气旋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旋流;

而高速时要求有较低的进气旋流.采用可变涡流进气道技术可使运行中的涡流比在0.2一2.5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;

d.四气门技术采用四气门结构，使活塞上的嫩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:

e.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嫩烧室的绝热效果.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

二.进气增压与空气冷却技术进气增压与中冷可以增加进气量，这样姗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（vCT）并配合先进的控制系统，可有效地降低微粒排放量

三.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

四.燃料的改进措施a.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:

被进一步氧化并与嫩烧过程中生成的HZO结合，形成HZSO.和硫酸盐（如C‘50‘等），增加了微粒的排放量.当嫩料中的S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S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.日本也于1997年全部供应低硫柴油;

b.降低燃油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:

c.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

1.4.2机外净化措施

机外净化即排气后处理，将柴油机排气引人专门的后处理装置中，消除其中的部分微粒后再排人大气.主要的机外净化措施示于图1.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.

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500一600℃，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、电自加热再生、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．柴油机排放后处理系统柴油机微粒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

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了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.空间加热当微波进人被加热物质时，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（图3），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，净化后的排气排人大气.当过滤体中的微粒积累到一定程度时则开始再生.微波由微波源发出，在过滤器与微波源之间.一块石英玻璃不吸收微波能，其主要作用是隔离高温烟气，防止对微波能源造成损坏和污染

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，使废气直接排人大气，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，其过滤效率超过钧%.微波再生效率超过80%，整个系统工作稳定可靠，具有很高的实用价值.

二．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.发动机排气从人口通道进人后，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目/25.4mm，所以过滤效率高，可达60%一80%;

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.设计一参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

三．非过滤技术—静电式微粒收集器

柴油机排气微粒中有70%一80%呈带电状态、每个带电微粒约带1一5个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性，国内外已尝试利用附加强电场对呈带电特性的碳烟微粒进行静电吸附，并取得了一定的试验成果.但由于附加设备体积大、结构复杂以及高压电源的供给等给实用化带来一定的困难.

四．过滤技术—电压捕集技术

在柴油机排气管的上下游分别装金属网，网间加约50V直流电压.一般上游的金属网网格较大且加负电压，下游的金属网网格较密且加正电压.当微粒经过上游金属网时带上负电，经过下游带正电的金属网时被吸附，从而达到微粒净化的目的.这种方法装置简单且过滤效率高

五．微粒后处理的催化技术

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

1.4.3结束语

柴油机微粒排放的净化技术，无论是机内净化还是机外净化，虽都有一定的净化效果，但对于不同类型的柴油机或同一台柴油机的不同工况，每种技术都有一定的局限性，有的技术尚不成熟.鉴于柴油机排气微粒与N0，的生成机理不同，因此在采取措施减少微粒排放的同时往往会造成No:

排放的增加.今后研究的重点主要是:

a.进一步探讨柴油机微粒排放的机理;

b.不断开发新的机内、外净化措施，并寻求将机内、外净化措施有机结合，以达到更理想的净化效果;

开发能同时降低柴油机微粒与No，排放的技术措施

第二章燃料方面的控制措施

2.1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%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，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。

2.2燃油的改性

2.2.1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。

2.2.2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。

2.2.3降低燃油中的含S量

你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，VanBeckhoven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%。

2.2.4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%。

2.2.5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。

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。

这些技术措施都有助丁降低柴油机尾气有害排放物。

2.3结束语

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

第三章柴油机机内净化技术

柴油机机内净化技术主要是改善油气混合气，防止局部过量空气系数超过0.9（这有利于NO的生产）和低于0.6（这有利于碳烟的生产）。

降低微粒和碳烟的排放与改善燃烧过程是一致的，使柴油机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。

但是这些减少措施往往会增加NO的排放，这为柴油机的排放控制造成了特殊的困难。

因此在确定尾气净化措施时，需要从目前先进的净化技术出发，根据机器性能，采取多种措施综合使用，才能达到净化的目的。

3.1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λ≈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燃烧过程（PREDIC）等均是采用这种思路。

采用预混稀薄燃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。

3.2喷油系统的改进

3.2.1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。

3.2.2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。

3.2.3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1℃A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5℃A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。

3.2.4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，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。

3.3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。

3.3.1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0~5℃，最高燃烧温度和排气温度可降低1~