柴油机微粒排放净化技术

柴油机微粒排放净化技术

摘要：近年来随着环境保护的日趋重视，世界各国对环境的要求都很高。柴油机的微粒排放技术更是不同程度的危害人类和破坏着生态环境，所以柴油机的微粒净化技术问题也是备受关注的。文章就现在已经采用的柴油机微粒净化技术和未来的发展趋势，做到柴油机排放标准化，尽量做到污染小或者无污染。

关键词：柴油机微粒；机外净化；机内净化

学习本课程的目的和意义：本课程是以经济性、动力性、排放、振动、噪声等深入到工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各个因素，确定奋斗的极限，分析和比较内燃机不同的热力循环。

学习体会：通过这段时间的学习，使我从对发动机知识的一无所知到有所了解，明白了内燃机汽缸工作的流程，发动机动力性和经济性的相关知识，怎样进行废气涡轮增压，还有废气排放等等。虽然只是对内燃机有了大概的了解，但对我今后学习更深层次的相关知识奠定了基础。

1柴油机微粒排放

柴油机排放物中的有害成分主要有c0、HC、NO、微粒等，而微粒的成分主要包括碳烟颗粒(占30%)、可溶碳氢有机物(占35%)、硫及水(占35%).由于排放的微粒比表面积大、吸附力强(吸附有多环芳香烃、苯并花等)且微粒直径小(只有0.01一0.05林m)、重量轻，故能长时间悬浮在大气中，易被人体吸人并沉积在肺胞中，对人类的健康有极大的危害。柴油机排放的烟粒主要由燃油中的碳生成，并受燃油种类、燃油分子中碳原子数及氢原子比的影响。柴油机碳烟也是不完全燃烧的产物，是燃料在高温缺氧条件下进行过裂解脱氢以后的产物。从高温裂解的角度出发，碳烟微粒是在扩散火焰中燃油较浓的燃烧处形成的。柴油机的烟粒生成和长大一般分为两个阶段：

（1）烟粒生长阶段：这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌生凝聚相。

（2）烟粒长大阶段：包括表面生长和聚集两种形式。表面生长指烟粒粘住来自气相的物质使其质量增大，同时发生脱氢反映，但不会改变烟粒数量。而聚集过程指通过碰撞使烟粒长大，烟粒数量减少，生成链状或团絮状的聚集无。在柴油机中，烟粒聚集过程与烟粒在空气中的氧化过程同时发生，

即在燃烧早期生成的碳烟微粒，在温度高于碳反应温度的高氧区和扰流火焰出现的地方，在燃烧后期和氧混合而完全燃烧。

世界各国对柴油机微粒排放的限制也越来越严格，欧洲限制柴油机微粒排放的有关法规列于表1。由于喷人燃烧室的嫩料与空气混合不完全，高温燃料及嫩气历经高温聚合及分解反应，产生了高分子量的HC，经过进一步的凝聚作用，产生了碳烟颗粒，虽大部分在随后的富氧区烧掉，但终究因混合不完全仍有约1%的碳烟颗粒没被烧掉，重的颗粒随即排出.可溶碳氢有机物来源于未燃的燃油和机油.碳氢有机物在冷凝过程中吸附在碳烟颗粒的表面，成为柴油机微粒排放的一部分.为了达到日益严格的排放法规的要求，目前世界各国都在积极开发减少柴油机微粒排放的技术措施。

2柴油机微粒排放的主要净化措施

2.1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。

2.1.1燃烧系统的优化燃烧

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。

2.1.2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。

2.1.3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。

2.1.4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，增加了微粒的排放量。

b.降低燃油比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。

2.2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如图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。

2.2.1柴油机排放后处理系统