柴油机PM排放控制技术探讨.docx
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柴油机PM排放控制技术探讨
柴油机PM排放控制技术探讨
摘要
本文针对车用柴油机PM的组成及对人类生活的危害所面临的若干问题，通过对柴油机污染物的生成机理、影响因素等方面的知识，进一步地阐述对柴油机污染物的净化措施等较高问题的本质，优化排放质量，以便使车用柴油机符合环保要求，更进一步的保护我们懒以生存的家园。
本论文共分四章：
第一章绪论部分简要概述了本课题的研究思路、现状分析及净化措施；第二章阐述了柴油机的有害排放物的生成机理及危害，提出了本论文主要研究工作和基本思路；第三章讲述了柴油机有害排放物的净化措施等问题并进行了讨论；第四章对本课题的研究结果进行了总结。
关键词：
车用柴油机；有害排放物；净化措施
Abstract
ThispaperandcompositionofthevehicledieselenginetohumanPMthedangersoflifefacingsomeproblems,throughthecreationofpollutantsofdieselmechanism,influencingfactorsandotheraspects,furtherdescribesthepurificationofdieselenginepollutantsnatureofproblemsmeasurestohigherquality,optimizingtheemissionsvehicledieselengine,soastomeetenvironmentalrequirements,furtherprotectuslazytosurvivehomes.
Thispaperisdividedintofourchapters:
thefirstchaptertheintroductionsectionofthistopicbrieflysummarizesthecurrentresearchapproach,analysisandpurificationmeasures;Thesecondchapterexpoundstheharmfulemissionsfromdieselgeneratingmechanismandharm,proposedthethisthesismainlyresearchworkandbasicideas;Thethirdchapterofadieselengineharmfulemissionspurificationmeasuresanddiscussedissues;Thefourthchapterofthistopicresearchresultsaresummarized.
Keywords:
automotivedieselengine;Harmfulemissions;Purificationmeasures
目录
1绪论……………………………………………………………………1
1.1车用柴油发动机排放物的生成机理及净化措施研究的意义…………6
1.2国内外对有害排放物的研究现状分析………………………………6
1.3对有害排放物所采取的各项净化措施…………………………………6
1.4本课题的主要研究工作的基本思路……………………………………6
2车用柴油机的排放物………………………………………………7
2.1引言……………………………………………………………………7
2.2柴油机的排放物及危害……………………………………………7
2.3柴油机排放物的生成机理…………………………………………9
2.4影响柴油机排放物生成的主要因素……………………………12
3排放物的控制措施…………………………………………………19
3.1减少柴油机排气污染物的控制技术……………………………19
3.2燃烧系统的改进……………………………………………………19
3.2.1直接喷射式燃烧系统的改进………………………193.2.2间接喷射式燃烧系统的改进………………………20
3.3进气系统的改进………………………………………………21
3.4燃料喷射系统的改进…………………………………………22
3.4.1高压喷射系统…………………………………………22
3.4.2改进喷油器结构………………………………………24
3.4.3电子控制喷射系统……………………………………25
3.5燃料的改良……………………………………………………32
3.5.1燃料的改质……………………………………………32
3.5.2燃油添加剂…………………………………………33
3.6柴油机排气污染物的机外净化措施…………………………33
3.6.1催化净化技术………………………………………………………33
3.6.2柴油机微粒物机外净化方法………………………………………34
4结果分析与讨论…………………………………………………………41
5总结…………………………………………………………………………………
参考文献………………………………………………………………………42
致谢…………………………………………………………………………43
1引言
与汽油机相比，现代车用柴油机具有动力性较高和经济性较好两大优点，而且具有高效率、低油耗、寿命长、使用可靠等特点。
20世纪30年代，世界各国开始将柴油机用于重型车，90年代柴油机轿车有了很大发展。
柴油车比汽油车省油三分之一，排放的污染物较少。
目前，欧洲的轿车消费市场上，柴油轿车占了40%。
我国的柴油车发展较晚，但发展迅速。
到2002年全国汽车产量为325万辆，柴油车占99.8万多辆，约占汽车总量的30%。
增速如此之快，难免给环境造成较大的影响。
随着柴油汽车的社会拥有量的迅速增大，伴随着工业文明的迅速发展而出现的环境问题不断增多。
环境保护问题越来越引起人们的高度重视。
柴油机工作时排放的产物可分为两类，一类是可见产物，即颗粒状物，如炭粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等，“墨斗鱼”是人们对尾气排放严重超标的重型柴油车的形象称呼。
这类产物中，有些为致癌物质，它们污染环境、阻碍视线。
另一类是一般情况下肉眼看不见的物质，如一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和二氧化硫（SO2）、碳氢化合物（HC）等.CO对人体有毒，而且在大气中不易自净;SO2有难闻的刺鼻气味：
HC、NO在一定的地理气候条件下，经太阳光的作用会形成毒性很强的光化学烟雾；NOx和SO2易溶于水形成酸雨。
显然，柴油机工作时排出的燃烧产物不仅会对人类的生存环境造成污染与破坏，而且由于柴油燃烧不完全，造成了能源的浪费。
炭烟越浓，排放的可燃物越多，对环境的污染越严重，能源的浪费就越大。
控制重点是氮氧化物和颗粒污染物。
近年的一项调查显示，在全国机动车的排放污染物分担率中，柴油车占氮氧化物的43%，占颗粒悬浮物的83%。
1.1车用柴油发动机排放物的生成机理及净化措施研究的意义
近几十年来，随着工业的发展和能源消耗的日益增加，由于燃烧过程产生的有害物质对大气产生了严重的污染。
特别是石油燃料的大量消耗所引起的严重后果，在工业与交通集中的那些地区对环境的污染表现得最为突出，并引起人们的普遍关注。
本课题对柴油机的有害排放物及其影响因素作了详细研究，对于有害排放物的生成机理和有针对性地采取措施以改善柴油机的有害排放物具有较大的理论价值和实用价值。
1.2国内外对有害排放物的研究现状分析
汽车是当今大气污染的最大污染源已经被许多国家调查所证实。
现在，世界上大约有两亿辆汽车，其中大部分在城市行驶，这些汽车每年排出两亿吨一氧化碳，四千万吨碳氢化合物，两千万吨一氧化氮等有害气体。
而且，随着汽车数量的逐年增加，汽车排放到大气中的有害物质还会随之而增加。
因此一些发达国家都采取了相应的应对措施，以减少汽车有害物的排放，例如：
美国、德国、日本、等一些发达国家。
1.3对有害排放物所采取的各项净化措施
车用柴油机的有害排放物所造成的危害，针对不同方面采取了不同的措施。
本课题主要从燃烧系统的改进、喷射系统的改进、点火系的改进、进气系统的改进等措施来净化汽油机的尾气排放。
1.4本课题的主要研究工作的基本思路
本课题研究的主要目的是充分利用现有的实验设备，搜集多方资料，采用理论分析法对结果进行修正处理，用实验法得到较合理的有害物排放值，分析出车用柴油机有害排放物的生成机理及其生成的影响因素。
以实验研究为基础丰富车用柴油机有害物排放理论，为降低排放寻找有效的净化措施，并为将来对柴油机燃烧过程和排放特性的进一步研究提供一定的参考。
2车用柴油机的排放物
2.1引言
与汽油机相比，现代车用柴油机具有动力性较高和经济性较好两大优点，而且具有高效率、低油耗、寿命长、使用可靠等特点。
20世纪30年代，世界各国开始将柴油机用于重型车，90年代柴油机轿车有了很大发展。
柴油车比汽油车省油三分之一，排放的污染物较少。
目前，欧洲的轿车消费市场上，柴油轿车占了40%。
我国的柴油车发展较晚，但发展迅速。
到2002年全国汽车产量为325万辆，柴油车占99.8万多辆，约占汽车总量的30%。
增速如此之快，难免给环境造成较大的影响。
随着柴油汽车的社会拥有量的迅速增大，伴随着工业文明的迅速发展而出现的环境问题不断增多。
环境保护问题越来越引起人们的高度重视。
柴油机工作时排放的产物可分为两类，一类是可见产物，即颗粒状物，如炭粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等，“墨斗鱼”是人们对尾气排放严重超标的重型柴油车的形象称呼。
这类产物中，有些为致癌物质，它们污染环境、阻碍视线。
另一类是一般情况下肉眼看不见的物质，如一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和二氧化硫（SO2）、碳氢化合物（HC）等.CO对人体有毒，而且在大气中不易自净;SO2有难闻的刺鼻气味：
HC、NO在一定的地理气候条件下，经太阳光的作用会形成毒性很强的光化学烟雾；NOx和SO2易溶于水形成酸雨。
显然，柴油机工作时排出的燃烧产物不仅会对人类的生存环境造成污染与破坏，而且由于柴油燃烧不完全，造成了能源的浪费。
炭烟越浓，排放的可燃物越多，对环境的污染越严重，能源的浪费就越大。
控制重点是氮氧化物和颗粒污染物。
近年的一项调查显示，在全国机动车的排放污染物分担率中，柴油车占氮氧化物的43%，占颗粒悬浮物的83%。
2.2柴油机的排放物及危害
柴油机排放的废气中，氮气（N）占75.2%，二氧化碳（CO2）占7.1%，氧气及其他成分占16.88%，有害排放占0.82%。
其中有害排放的主要成分包括：
氮氧化合物占35.4%，一氧化碳占35.4%，硫化物及微粒主要是炭烟，还包括油雾、金属颗粒等占20.66%。
与汽油机相比，柴油机排放的CO和HC要少得多，NOx与汽油机在同一数量级，而微粒及炭烟的排放要比汽油机多十几倍甚至更多。
因此柴油机的排放控制，重点是NOx和微粒及炭烟，其次是HC。
柴油机的燃烧过程比较复杂，影响因素较多，由于诸多原因的影响使柴油与空气难以达到完全燃烧的程度，可能会造成局部或整个燃烧空间内出现不完全燃烧，所以产生出不完全燃烧产物和燃烧中间产物，这些燃烧产物大部分是有毒的，或者具有强烈的刺激性和致癌作用，造成了对大气环境的污染和对人体的危害，必须加以控制。
（1）一氧化碳，一氧化碳是柴油在空气不足的情况下燃烧的中间产物，在柴油机排气中一般含量较低，当柴油机燃烧局部缺氧时容易产生。
一氧化碳生成量的多少取决于空燃比，由于柴油机空燃比较大，因此一氧化碳排放量不大。
一氧化碳浓度达到一定程度就能引起人体慢性中毒，导致人体组织缺氧，危害中枢神经，引起头痛、头晕、四肢无力等中毒症状，严重时会导致生命危险。
（2）氮氧化物，氮氧化物是在柴油机燃烧高温条件下产生的，其生成取决于燃烧过程中的温度和反应时间的长短。
在直接喷射柴油机中，由于空燃比较大，氧气较为丰富，燃烧温度也高，使氮氧化物的生成量较大。
在间接喷射柴油机中，燃烧首先在极缺氧的涡流室中进行，燃烧温度相对较低，当火焰喷入主燃烧室时，使燃烧在有充足空气中且燃烧温度较低的情况下进行，可避免氮氧化物的生成时机，所以氮氧化物排放量相对较低。
氮氧化物中NO、NOx都具有毒性对人体和环境破坏较大。
人吸入氮氧化物后出现眩晕、无力等，严重时出现窒息。
另外，还会与碳氢化合物一起引起光化学反应，造成更严重的危害。
（3）碳氢化合物，在柴油机排气中碳氢化合物的生成的主要途径为燃料不完全燃烧、缝隙效应、曲轴箱漏气等。
柴油机虽然有较大的空燃比，由于雾化质量很难达到使燃油与空气混合到理想的均匀程度，燃油在喷射时，难以避免地会喷到壁面上，而形成局部过浓混合气，形成局部不完全燃烧。
另外，喷射定时滞后与延迟、负荷与转速的变化、低温启动、怠速运转等情况下都会使未燃碳氢化合物的浓度增加。
排气中的碳氢化合物具有较大毒性，是一种很强的致癌物质。
另外碳氢化合物是引起光化学反应的起因物质，生成的过氧化物对环境的危害很大。
（4）颗粒物，柴油机的排放颗粒物主要是炭粒，其形成的过程也很复杂。
影响炭粒形成的主要因素是高温与贫氧，在过量空气系数很低、油气混合物不均匀而又处于高温下的油滴将被裂解，从而产生大量的炭粒。
在柴油机的燃烧过程中，炭粒的形成除过量空气系数、混合气均匀性和燃烧温度外，还与燃料的成分有较大的关系，如燃料的碳氢比、灰分等都影响炭粒的生成。
炭粒易粘附重碳氧化物及硫酸盐，形成的颗粒物悬浮于空气中，在大气中受阳光和其他物质作用将发生光化学反应，对环境产生危害。
2.3柴油机排放物的生成机理
关于柴油机排放物生成机理说法很多，目前尚无定论。
一般认为，碳烟也是不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧的情况下裂解过程释出并聚合而成的。
由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室内各区域的化学反应条件是不一致的，而且随时间而变化的，所以碳烟很可能是由许多不同途径生成的。
实验观察表明，在预混燃烧阶段，火焰亮度不大，据认为这时尚未产生大量的碳粒；进入扩散型燃烧，火焰亮度大增，而且在各种工况都如此，说明碳粒主要在扩散焰中产生。
柴油机燃烧过程中产生碳粒是难以避免的，它是烃燃料燃烧过程的中间产物。
Brome及Khan根据对火焰的研究资料，对碳烟颗粒的形成如图2—1的定性描述，认为烃燃料在过浓的高温区中是通过深度裂解和脱氢过程，产生较小分子量的物质，在后期出现聚合反应。
在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合，产生较大分子量物质。
这两个途径（或相互交错）最终产生碳烟颗粒。
B.BChakraborty和R.Long根据他们的研究和他人的资料，提出了碳烟形成机理如图2—2所示。
他们认为在反应过程的后几个阶段生成了一种很不活泼的，难于氧化的具有多个团的聚缩乙炔化合物，由于它有大量的三键，因此聚缩乙炔就易于聚合生成黑色的、在所有溶剂中都不溶解的聚合物。
高温和氢的缺乏进一步导致了聚合物的脱氢和环化，形成了几乎仅由碳组成的具有多环结构的不溶性的碳烟成分，这种碳络化物构成了具有六方晶格碳烟晶子。
片晶呈平行布置但相互间有不规则的位移。
聚缩乙炔不仅倾向于聚合，在提供相应的氢时，可在较低的温度下（小于1000℃）环化和氢化而形成多环芳香碳氢化合物，碳烟的这两种成分的组合可通过碳络合物吸收多环芳香碳氧化合物来进行，也可能多环芳香碳氧化合物是作为类似于石墨中的杂质那样，填入碳烟片晶层空隙之中了。
图2—1烃类燃料燃烧过程中生成碳烟颗粒的进程
图2—2碳烟形成机理
按照上述的定性描述，柴油机燃烧过程中碳烟的生成可概括为三个阶段。
１．成核阶段
燃料分子在高温缺氧条件下裂解为较小的烷基并脱氢为乙炔，经聚合为共轭多稀烃，最后环化为多环结构的呈六角形基本单元的片晶，如图2—3（a）所示。
图2—3碳烟颗粒的结构层次
２．单粒阶段
初生石墨状片晶的亲和力很强，它们存在时间很短，很快就聚合成各种大小的近于球形的单粒，这些单粒含有10000到100000个碳原子，其直径可能在20~0.6μm，但绝大多数在0.01~0.1μm之间，如图2—3（b）所示。
３．单粒的燃烧消失或附聚成更大絮团
球形的单粒在高温下与含氧化合物接触，可以发生下列反应：
C+CO2=2COC+H2O=CO+H2
当气体温度高，H2O和CO2的浓度也高时，在有利于碳粒燃烧的条件下，单粒就会逐渐减小尺寸以至完全消失。
在不利的工况下，由于区域内缺氧和CO浓度过高，或温度不足以使氧化反应顺利进行，这时碳粒不能燃烧，反而互相团聚，或从小的单粒变成大的单粒或由单粒附聚成更大的絮团，其最大尺寸可达0.1μm甚至1μm，如图2—3（c）所示。
这些絮团是由几十个到几百个球形单粒附聚起来的。
从气缸排出后，气体温度下降，球形单粒尺寸基本不变，而絮团则继续增大。
当温度低于300℃以下时，絮团增大特别明显，这可能是由于某些气相物质开始凝结并为微粒所吸收。
柴油机中燃料的高温裂解反应是不可避免的，特别在空间混合燃烧的柴油机中，由于高温气体包围着液态的油滴，造成了有利于裂解反应的条件，因此在燃烧初期产生了大量的碳粒，这一点已为燃烧过程的高速摄影所证实。
柴油机在正常燃烧时，在排气门打开以前，燃烧过程初期所形成的大量碳粒可以基本烧完，所以排气基本上是无烟的。
只是在某些不利工况下，碳粒不能及时燃烧反而团聚吸附，在气缸中和排气过程中形成更大的碳烟粒子或絮团，使排气冒黑烟。
2.4影响柴油机排放物生成的主要因素
现将影响HC、CO、NOx的生成和消失的主要因素分述如下：
１．过量空气系数
柴油机中的HC、CO、NOx的生成与过量空气系数ａ变化有关。
当燃烧室及供油系统的结构参数一定时，对于某一ａ值，CO排放浓度最低，偏离这一数值时，CO的排放浓度均要增加，如图2—4所示。
图2—4过量空气系数a对CO浓度影响
ａ减小时CO浓度增加的主要原因是：
当ａ减小时，循环喷油量增加，而氧浓度并没有增加，造成燃烧室内局部缺氧。
另外，一般来讲，随着循环喷油量的增加，发动机的转速也升高，混合气形成和燃烧的时间变短，混合气品质变差，混合气不均匀的程度加剧。
CO与O2的反应时间也随之缩短，部分CO来不及继续氧化变成CO2就排出机外，造成CO排放浓度的增加。
ａ增加时CO浓度增加的主要原因是：
当ａ增加时，混合气变稀，燃烧室内温度下降，造成局部地区温度过低，混合气超过稀燃极限，火焰在低温区和稀混合区内发生猝熄的现象增加，从而使CO的排放浓度增加。
图2—5为某直喷式柴油机HC和NOx浓度随过量空气系数ａ的变化曲线（为了比较，图中还给出了CO的变化曲线）。
从图中可以看出，对于某一a值，HC的排放浓度最低，ａ偏离此值时，HC的排放浓度均要增加。
图2—5直喷式柴油机ａ对HC、NOx的影响
（4100型柴油机，2800r/min，供油提前角为25.5℃A）
ａ减小时HC浓度增加的主要原因是：
当ａ减小时，混合气变浓，超富限的混合气增加，同时高温裂解加剧，造成HC的排放浓度增加。
ａ增加时HC浓度增加的主要原因是：
当ａ增加时，混合气变稀，混合气中超稀限的量增加，同时随着ａ增加燃烧室内的温度也降低。
这些因素限制了HC的氧化，从而使HC排放浓度增加。
过量空气系数对直喷式和间喷式柴油机NOx浓度的影响基本一致。
随着ａ的增加，NOx排放浓度明显降低。
在ａ较小的区段，NOx下降速度快；在ａ较大的区段，NOx下降速度较慢。
NOx排放浓度下降的主要原因是：
随着ａ增加，每循环喷油量减少，气缸内的放热率和平均燃烧温度降低，因而造成NOx排放浓度降低。
２．喷油定时
喷油提前角加大，将影响喷注内各区燃料的分布。
由于此时气缸内压力、温度低，使着火延迟时间加长，结果使稀熄火区加宽，并使喷到室壁的燃油量增加，喷油提前往往会引起不完全燃烧产物的增加。
喷油定时对NOx的影响如图2—6所示。
喷油时刻提前，由于燃油在较低的温度和压力下喷入气缸，结果使着火延迟角加大，但是着火延迟角加大总是小于喷油提前角的加大，
图2—6喷油定时对NOx排放的影响
因而着火时刻相对于上止点的曲轴转角提前，这将使生NOx成量增加，另一方面滞燃期延长，导致更多的燃料在稀火焰区蒸发混合，也使NOx的生成量增加，在喷注的其它区域，由于所达到的高温，也促进了这些区域NOx的生成。
因此，喷油时刻对NOx有重要影响。
推迟喷油时刻对减少直喷式和分隔式柴油机的NOx的排放都非常有效，这主要是由于燃烧室各部分所达到的最高温度降低所致。
推迟喷油对直喷式柴油机降低NOx排放更为有效。
由于直喷式柴油机的燃油消耗率本来就比分隔式更好，因此采用推迟喷油时刻的方法，柴油机的燃油消耗率也不至于太恶化。
但推迟喷油会引起烟度增加和CO、HC浓度的升高，对柴油机的功率，燃料消耗率和排气温度，也会带来一些不利影响。
有些柴油机在推迟喷油时刻的同时，还采用高喷射率的办法来解决柴油机由于喷油时刻推迟所造成的不利影响，结果不仅降低了NOx排放，而且CO和HC排放也有所改善。
由于喷射率高，喷油延续时间短，有可能使柴油机在喷油提前角减少的情况下，喷油终点仍保持不变，这样可以减少推迟喷油对放热率的影响，从而使柴油机功率、油耗及烟度比单独推迟喷油时的效果好。
３．空气涡流
适当增加燃烧室内空气涡流的强度，可改善燃油与空气的混合，促进混合气的形成，提高混合气的均匀性，减少异相燃烧。
同时燃烧室内局部区域混合气过浓或过稀的现象减少。
另外，涡流能加速燃烧，使气缸内最高燃烧压力和温度提高。
这些有利于未燃烃的氧化。
但空气涡流过强，则相邻两喷注之间形成互相重叠和干扰，使混合气过浓或过稀的现象更加严重，反而使HC排放增加，如图2—7所示。
图2—7涡流强度对HC浓度和油耗率的影响
（
为试验台上的涡流转速，
为谷值点）
４．涡轮增压
废气涡轮增压是提高柴油机功率、降低油耗的一项主要措施。
涡轮增压对柴油机排放也有重要影响。
在燃空比相同的情况下，涡轮增压使柴油机的进气压力和整个循环温度比不增压时高，这将有利于氧化反应，减少未燃烃及CO的生成，而且未燃烃在排气管和涡轮中还可以继续氧化，所以排气中HC的降低了。
由于增压后加大了空燃比，则更有利于排气中HC和CO的降低。
由于增压后燃烧温度高，空燃比大，所以导致较高的NOx浓度。
但如果将增压后的空气冷却，降低进气温度，可以使NOx排放降低到非增压时的水平，同时由于进气密度增加，中冷对柴油机烟度和燃烧经济性也有好的影响。
５．燃烧系统
分隔式燃烧系统比直喷式燃烧系统的有害排放物低得多，如图2—8所示。
在分隔式燃烧系统中有害排放物是在两个阶段产生的：
一是在辅助燃烧室（即涡流室或预燃室）中的燃烧，二是在燃气从辅助燃烧室流出之后在主燃烧室内混合和燃烧。
在部分负荷运转期间，随着负荷增加辅助燃烧室中喷入的燃料增多，氧的浓度减少，未燃烃和CO随着负荷增加而增加。
但在主燃室有强烈的燃烧涡流，加速了混合气的形成和燃烧，同时气缸内温度较高，加速了氧化速率，因而使HC及CO排放量都较直喷式为低。
图2—8世界各种型号柴油机排放物统计
分隔式柴油机NOx浓度也比直喷式低，因为涡流室（或预燃室）中温度虽高，但氧的浓度很低，不利于NOx生成。
当燃烧不完全的高温气夹带着未燃烧的燃料一起喷入主燃烧室后，很快与空气混和，这时氧虽有富余，但活塞已开始下降，燃气温度降低，而且气体在高温下停留的时间较短，也不利于NOx生成。
图2—9~图2—11给出了涡流式柴油机、直喷式柴油机及汽油机的排放特性对比。
图2—9汽油机和柴油机CO的排放对比
图2—10汽油机和柴油机H
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