机械制造行业工程机械用柴油机尾气控制技术Word格式.docx
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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。
1.2燃油的改性
1.2.1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。
1.2.2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。
1.2.3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，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%。
1.2.4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%。
1.2.5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。
2.1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。
2.2喷油系统的改进
2.2.1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。
2.2.2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。
2.2.3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。
2.2.4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。
2.3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。
2.3.1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1~3℃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排气排放物的有效措施之一。
2.3.2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总面积，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。
变涡流比影响，研究人员对某6108柴油机进行了涡流比变化对NOx，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。
2.4优化燃烧系统
优化燃烧系统指的是供油系统、进气流动和燃烧室的形状的最佳匹配。
单独看来，采用何种强度的涡流、何种程度的高压喷油、何种形式的燃烧室，没有最佳方案。
但三者的最佳配合就是最优组合。
例如，当喷油压力较低需要借助高强度气流运动来加速油气混合，在重型车用柴油机上，采用较高的喷油压力和较多的喷孔数，可以使进气涡流降低。
中央带凸起的燃烧室气流运动较强，且可维持较长的时间，这对加速扩散燃烧有利。
中央带凸起的燃烧室燃烧过程急速，主燃期较短，适当延迟供油定时可在油耗率和烟度变化不大的前提下大幅度降低NOx排放。
目前，直喷式柴油机的发展趋势是，提高喷油压力；
增加喷油器的喷孔数，减少孔径；
根据柴油机工况优化喷油定时，使喷油正时不仅随转速而且能随负荷的变化自动调节。
采用分隔式燃烧室，由于火焰高峰温度较低，不利于NOx的生成；
碳烟大部分在副燃烧室中产生，进入主燃烧室后，大部分被氧化，有效地减少颗粒和HC排放，分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室NOx的排放量低1/3-1/2。
新开发的燃烧系统采用强烈持续的后期扰动，可有效降低碳烟和微粒的排放，几近似于无烟。
这又为进一步采用废气再循环或推迟喷油提前角来降低NOx排放创造了条件。
2.5应用柴油机电控技术
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。
2.6采用废气再循环（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O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，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%~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（VenturiPipe），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。
2.7防止机油的泄漏
柴油机尾气排放中PM除了燃油燃烧生成外，机油产生的PM也占相当部分。
PM可分为可溶性有机物（SOF）和不可溶有机物（IOF）两部分，两者所占的比例大约为39%和61%。
在SOF中，由机油产生的PM占绝大部分，约占PM总量的29%；
机油除产生SOF外也产生IOF，来自机油的PM总计占PM总量34%。
同时，窜入燃烧室中不完全燃烧的机油随尾气排出，是形成柴油机排放的蓝烟的重要组成部分。
因此，必须尽量防止和减少机油窜入燃烧室，这应通过改进润滑油系统设计，减少裙部间隙，优化活塞、活塞环和气缸表面的设计，提高气缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施，减少从气门推杆泄漏的机油等措施来实现。
2.8加水燃烧
在柴油中加入少量的水，形成“油包水”形式的乳化燃料，燃烧时液态水受热变为汽态时，吸收汽化潜热，使燃烧温度和压力下降，以致在提高燃油蒸发速度的同时，减少了热裂反应，从而抑制NOx的生成，同时，由于液态水受热变为汽态会形成“爆炸”，具有进一步雾化的作用，使燃料和空气进一步混合，减少PM的排放。
实验证明：
当喷水量等于燃油量时，NOx＋HC的排放将降低50%左右，而功率仅仅降低4%，降低排放效果较好。
但是，进气管喷水会造成进气管、气缸腐蚀增加，油底壳易积水，并要求喷水量能随发动机负荷的改变而调节，这在设计和l结构上存在一定的困难。
3柴油机尾气后处理技术
柴油机尾气中氧含量较高，HC和CO的含量比汽油机低的多，其主要有害物是NOx和碳烟，因此柴油机尾气净化的重点是降低NOx和减少碳烟。
措施为用选择性还原催化转化器在富氧条件下还原NOx，用氧化催化转化器降低HC和CO的排放量和颗粒PM状物质中的有机成分；
用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。
3.1NOx的后处理措施
去除NOx的最理想的方法是将NO催化分解为N和O，但是在O和SO作用下催化剂很快失活，因而这种方法的实用前景渺茫。
目前，柴油机尾气NOX净化研究主要从选择性催化还原和吸附一催化还原两条技术路线入手，碳素纤维还原技术。
选择性催化还原最重要的是确定还原剂和催化剂。
研究者对NH3选择性催化还原柴油机排气NOX也进行过尝试，结果表明其净化率可达65%以上.但是，这种方法只适合于固定式柴油机排气的净化处理，对于运行工况多变的柴油车，因存在NH3泄漏问题而不适用。
1990年，1wamoto和Held分别报道在Cu/ZSM一5催化剂上，HC能选择性催化还原NOx，到目前为止，研究过的催化剂可分为负载型贵金属、负载型金属氧化物和离子交换的沸石三大类。
拓宽催化剂或催化剂一还原剂组合的活性温度范围，提高催化剂在S02和水热环境中的稳定性是今后的努力方向。
吸附一催化还原NO是在稀燃阶段将NOx吸附储存起来，而在短暂的富燃阶段，NOx释放并被排气中的HC还原。
吸附还原型三元催化剂的活性成分是贵金属和碱土金属（或稀土金属），影响吸附一还原催化剂性能的主要因素是吸附剂在柴油机尾气温度下吸附NO的容量及其抗SO2和CO2毒害能力，提高这两方面的性能是今后的努力目标。
吸附一催化还原已被日本汽车生产厂家证明适用于部分新车型的NOX净化，但这种方法在一定程度上牺牲了燃料的经济性，还要求燃料含S量非常低。
对于超低S燃料，现有吸附一催化还原技术可将NOX降低90%。
适用于S高含量燃料的吸附一催化技术目前尚在开发之中。
对于同时净化PM和NO的技术，部分研究结果表明，在钙钛和贵金属催化剂上碳粒能还原NOx。
最近，日本丰田公司开发出一种连续式同时催化净化PM和NOX并对NO和HC也具有较好的净化作用，所以有望在同一种催化剂上同时净化PM，NO，CO和HC，即开发出所谓的“四效催化剂”，其开发成功无疑将极大地推动柴油机尾气控制技术的进步。
采用碳素纤维加载低电压技术，可有效减少NOx的排放。
碳素纤维具有催化活性，能促进废气中的NO与C或HC进行氧化还原反应，随着电压的升高，可使NOX排放明显降低。
目前，该技术正处于研究阶段，尚未取得突破性进展，同时该技术净化效果的发挥必须以微粒的有效消除为基础。
对不同基材的活性碳素纤维采用硝酸浸渍，并以此作为直接还原剂，以达到脱除NO的目的。
如采用硝酸浸渍的沥青基、粘胶基、聚丙稀晴基等为原材料制成的活性碳素纤维。
不过，这些研究仍处于试验室阶段。
3.2PM的后处理技术
3.2.1加装氧化催化转化器
柴油机PM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PM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368×
10-6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S的质量分数为54×
10-6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。
3.2.2采用微粒捕集器
微粒捕集器由微粒过滤器和再生装置组成。
微粒捕集器通过其中有极小孔隙的过滤介质（滤芯）捕集柴油机排气中的固态碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。
微粒捕集器的工作主体是滤芯，目前常用的过滤材料有：
金属丝网、陶瓷纤维、泡沫陶瓷和壁流式蜂窝陶瓷等。
滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。
滤芯应满足较高的性能指标：
具有较高的过滤效率，具有大的过滤面积?
耐热冲击性好，具有较强的机械性能指标，热稳定性好，能承受较高的热负荷?
具有较小的热膨胀系数?
通过性好，流通阻力小?
在外形尺寸相同的情况下，背压小，背压增长率低，适应再生能力强?
质量轻。
目前，最常使用的过滤材料为堇青石（其主要成分为MgO.AlO.SiO）和碳化硅晶体SiC。
微粒捕集器对碳的过滤效率较高，可达到60%。
在过滤过程中，会导致柴油机排气背压升高，当排气背压达到16~20kPa时，柴油机性能开始恶化，因此必须定期地除去颗粒，使过滤器恢复到原来的工作状态，即过滤器再生。
微粒捕集器的再生方式可分为“被动”再生和“主动”再生：
“被动”方式即为催化再生，是在过滤器载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗粒的氧化反应的活化能，降低碳粒的起燃温度来实现颗粒过滤器的再生；
“主动”再生方式又称为“热再生”，即外加能量（热能）的再生方式，利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤器内的微粒PM。
根据外加能量的形式可分为：
全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、电自加热再生和微波再生等。
随后又开发出CRT（连续再生捕集器）系统、节流再生、逆向喷气再生、振动再生等几种非加热再生方式。
就目前而言，在再生过滤器的研究中需进一步解决的问题有：
降低再生温度，进一步降低再生所需要的能量。
在柴油机的排气温度下使其能有效地再生，达到减少能量损耗和简化机构的目的：
对于使用气压制动的车辆，逆向喷气再生技术是今后的一个发展方向。
但其结构和能量的来源以及可靠性都有待于进一步深入研究。
连续再生将是以后一个重要的发展方向，但就中国而言，由于受柴油中的硫含量太高的影响（要求为50×
10），国内在相当长的时间内受化工技术的影响不能使用。
在各种柴油机微粒捕捉器再生技术中，除连续再生外，都要对再生时机进行判断，即进行再生控制，再生控制系统是微粒捕捉器不可缺少的部分。
现代自动捕集器系统已经具备在线诊断系统形式的电子监测，并同时控制再生过程，除了简单地监测背压，还用复杂的运算来确定烟尘装载量。
最新开发的烟尘传感器（如测电导率）可连续监控排气的清洁度，保证了捕集器在正确的时机进行再生。
3.2.3静电式微粒收集器
柴油机排气微粒中有70%~80%呈带电状态，每个带电微粒约带1~5个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性。
目前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。
但目前的问题是设备体积过大，成本太高，在车辆上使用最困难的是高压电的供给及收集中防止二次分散及反电晕等问题。
但是随着技术的发展也是极有前景的。
3.2.4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，加负电压；
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