柴油机微粒排放净化技术

柴油机微粒排放的净化技术

1前言

柴油机的微粒排放不同程度地危害人类和破坏

其生态环境，所以净化柴油机的微粒排放问题受到人们的日益关注.本文介绍世界各国开发的柴油机微粒排放的净化技术，并分析各种技术的特点和存在问题.

2柴油机微粒排放

柴油机排放物中的有害成分主要有c0、IlC、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.为此，世界各国对柴油机微粒排放的限制越来越严格，欧洲限制柴油机微粒排放的有关法规列于下表.

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.

3柴油机微粒排放的主要净化措施

3.1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.

3.1.1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.

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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.

3，1.3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.

3.1.4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(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.

3.2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;

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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.

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