柴油车颗粒物排放控制技术研究(1)

生效果。滤芯应满足较高的性能指标： 具有较高
国家存在着很大差距， 而我国的柴油车的拥有量
的过滤效率， 具有大的过滤面积， 耐热冲击性好，
已经占了 ２０％￣３０％， 所以加大柴油车技术革新，
具有较强的机械性能指标， 热稳定性好， 能承受
跟上世界先进水平是我国今后奋斗的目标。
较高的热负荷， 具有较小的热膨胀系数， 通过性
缩短， 混合气适当变稀， 这些因素使颗粒物排放
面的设计， 提高气缸套圆度及改进进气门挺杆的
以及油耗都有所降低。但是， 进气温度上升使 ＮＯｘ
密封等措施， 减少从气门推杆泄漏的机油等措施
增多， 空气密度因温升而下降， 也使进气量未达
来实现。并且， 在保证车辆正常工作的前提下， 尽
到期望的水平。于是出现了将增压后空气再进行
水 汽 化 时 产 生 比 自 身 大 １７００ 倍 体 积 的 蒸 汽 时 ，
发展， 以加大循环充气量， 改善其动力性、经济性
会突破油膜使油再度雾化， 从而更充分燃烧， 有
及排放性能。柴油机使用四气门（ 两进两排） 技
效地减少了颗粒物排放。
术， 可增大进气通过的最小横截面积， 增加循环
进气量， 提高柴油机功率和转速； 可实现喷油嘴
微粒捕集器对碳的过滤效率较高， 可达到 ６０％。目前， 柴油机微粒捕集器的捕集效果已通过 蜂窝陶瓷滤芯的应用而解决， 但在过滤过程中，
机械工业出版社， １９９８． ［ ２］ 邱卓丹， 张洪涛．柴油机微粒排放后处理技术的研究现
状及发展趋势［ Ｊ］ ．小型内燃机与摩托车， ２００５．２． ［ ３］ 刘志明， 郝郑平， 等．柴油机排放碳颗粒物和 ＮＯｘ 催化净
以 ７０％左 右 的 柴 油 为 基 础 ， 加 入 由 １５％左 右 的
ＮＯｘ 降低 ８０％， 微粒减少 ９０％， 耗油量降低 １６％。
水、１５％左右的乳化剂， 经过超磁高强剪切乳化而
１．２．３ 采用多气门技术
成 为 一 种“ 油 包 水 ”型 环 保 节 能 柴 油 ， 其 原 理 是
目 前 ， 车 用 中 、小 型 柴 油 机 正 向 多 气 门 方 向
１ 柴油机颗粒物排放控制技术措施
尝试使用乙醇、植物油、压缩天然气等代替燃料 ， 然而，究竟采用何种代用燃料， 不仅考虑其技术
柴油机造成污染物排放的根本原因在于油
上是否可行， 来源是否丰富， 对环境是否安全等
气混合不好， 如果能达到理想的混合， 碳烟是不
问 题 ， 而 且 还 要 考 虑 其 价 格 是 否 可 以 接 受 。目 前 ，
１．１ 改善燃油质量 从燃料的角度来讲， 影响柴油机碳颗粒排放
的 因 素 主 要 有 燃 料 的 含 硫 量 、密 度 、挥 发 性 及 碳 原子数， 其中燃料的含硫量是最重要的参数，通 过加氢脱硫的方式除去燃料中的硫， 随后进一步 氢化处理， 可提高燃料质量， 当燃料中的硫从 ０．１２％下降到 ０．０５％时， 微粒排放量将减少 ８％～ １０％， 可防止催化剂中毒， 保证较高的催化效率， 从 而 使 微 粒 排 放 物 的 数 量 大 大 减 少 。另 外 国 外 已
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
机进行的一项示范研究表明， 当使用 Ｓ 的质量分
集中防止二次分散及反电晕等问题， 但是随着技
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％
文献标识码： Ａ
０前言
染， 随着人们对环境保护的日益重视， 世界各国
都相继制定了严格的排放标准来限制汽车的排
北
放， 这就要求各汽车制造商必须对汽车加以改
相比汽油机而言， 柴油机由于具有高的压缩
进， 以满足日益严格的排放法规。
京
比而使其燃油效率比汽油机大， 具有较低的燃油
目前国内外控制柴油机微粒排放的措施主
好， 流通阻力小， 在外形尺寸相同的情况下背压
参考文献
小， 背压增长率低， 适应再生能力强， 质量轻。目
［ １］ 李 勤．现 代 内 燃 机 排 放 污 染 物 的 测 量 与 控 制［ Ｍ］ ．北 京
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。
进 气 涡 轮 增 压 技 术 是 使 发 动 机 轻 量 化 、提 高
排放的蓝烟的重要组成部分。因此， 必须尽量防
输出功率的有效措施， 也是现代柴油机的代表性
止和减少机油窜入燃烧室， 通过改进润滑油系统
技术。经进气涡轮增压后， 进气温度提高， 滞燃期
设计， 减少裙部间隙， 优化活塞、活塞环和气缸表
文章编号： １００２－ ４５８１（ ２００８） ０２－ ００２３－ ０３
·柴 油 车 颗 粒 物 排 放 控 制 技 术 研 究·
柴油车颗粒物排放控制技术研究
黄定华 １， 李孟良 ２ ＨＵＡＮＧ Ｄｉｎｇ－ｈｕａ１， ＬＩ Ｍｅｎｇ－ｌｉａｎｇ２
（ １．武汉理工大学汽车工程学院， 湖北武汉 ４３００７０； ２．中国汽车技术研究中心， 天津 ３００１６２）
２结论
微粒捕集器通过其中有极小孔隙的过滤介质（ 滤
随着世界各国城市交通运输车辆的急剧增
北
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。
加， 柴油机排放的微粒已经成为对地球环境的主 要污染源之一。世界各国业已开始研究采取上述
京
微粒捕集器的工作主体是滤芯， 目前常用的
技术措施减少和控制污染物的排放。随着环保要
摘 要： 简 要 介 绍 了 柴 油 车 颗 粒 物 排 放 的 特 点 ， 结 合 国 内 外 的 研 究 状 况 ， 从 选 择 燃 料 、柴 油 机 改 进 设 计 和 排 气 后 处
理三方面对柴油车颗粒物排放控制进行了分析和研究。
关键词： 柴油机； 排放控制； 燃料； 排气后处理
中图分类号： Ｕ４６４．１７２：×７３４．２０１
化 ， 以 及 最 佳 的 点 火 时 间 、足 够 的 点 火 能 量 和 最
京
少的污染排放。
则降低 ＥＧＲ 率， 以保证较多的新鲜空气充量。
１．２．５ 防止机油的泄漏
汽
柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全
柴油机尾气排放中的 ＰＭ 除了燃油燃烧生成
新 的 技 术， 因 为 它 集 成 了 计 算 机 控 制 技 术 、现 代
１．２ 柴油机的改进
正中布置， 保证各喷嘴喷注的形态和混合条件相
１．２．１ 共轨式燃油喷射技术
同， 使喷注分布和混合气形成更加合理； 低速时
柴油机污染物的排放量很大程度上取决于
可通过关闭一个进气道来提高缸内漩流速度， 并
气缸内的燃烧过程， 改进燃烧过程的各个环节（如 燃 烧 喷 射 系 统 、进 气 系 统 、进 气 口 形 状 和 燃 烧 室
术的发展也是极有前景的。 １．３．４ 静电旋风技术
～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。
消耗率和较大的功率， 因而以其优良的动力性、
汽
要 有 燃 料 改 进 、柴 油 机 的 改 进 设 计 以 及 排 气 后 处
经 济 性 、耐 久 性 在 汽 车 中 得 到 了 越 来 越 广 泛 的 应
用， 尤以载重车、大中型客车和特种车为主， 近几
理等。
车
年来在轿车上的使用也逐渐增多，我国柴油车的 保 有 量 在 最 近 几 十 年 也 持 续 快 速 增 加 。不 过 由 于 柴油机混合气形成和燃烧的特点，使得其颗粒物 的排放是汽油机的 ３０￣５０ 倍。这些大量排放出来 的微粒对人体呼吸系统危害极大， 可以引起慢性 肺病。美国环保局（ ＥＰＡ） 的试验证明， 吸附在柴 油机排气微粒表面的可溶有机物具有诱变作用， 其组分的 ９０％以上为致癌物质。因此， 控制柴油 机的微粒排放具有十分重要的意义。
可能生成的， 但由于实际情况中油气混合不好导
不论是乙醇还是植物油都未能在柴油机上大量
致局部缺氧， 使得碳烟大量生成。
使用， 主要原因是价格比柴油高出许多。
由于柴油机微粒的排放造成了对大气的污
另外， 合成柴油也能很好地降低排放。它是
《 北 京 汽 车 》２００８．Ｎｏ．２
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·柴 油 车 颗 粒 物 排 放 控 制 技 术 研 究·
化技术的研究进展［ Ｊ］ ． 环境污染治理技术与设备， ２０００．１０． ［ ４］ 裴梅香， 林赫， 黄震．柴油机排气后处理技术及发展方向
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
油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合， 定时、
虽然废气再循环（ ＥＧＲ） 的主要目的是降低
定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，
ＮＯｘ 的排放， 但合理选择 ＥＧＲ 率也可以防止产生
北
从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾
百度文库
较多的颗粒： 一般在中、低负荷时采用较大的 ＥＧＲ
率， 在全负荷时不用， 以保证性能， 当转速提高时
汽
过滤材料有： 金属丝网、陶瓷纤维、泡沫陶瓷和壁
求越来越高， 排放标准越来越严格， 研究新的柴油
流式蜂窝陶瓷等。滤芯决定过滤器的过滤效率、 机微粒排放控制措施是世界各国共同努力的目
车
工 作 可 靠 性 、使 用 寿 命 以 及 再 生 技 术 的 使 用 和 再
标。我国的柴油车微粒排放控制水平与世界发达
明 ： 这 一 技 术 可 使 柴 油 机 体 积 功 率 提 高 ２００％，
滤。柴油机加装氧化催化转化器是一种有效的机
· ２４ ·
《 北 京 汽 车 》２００８．Ｎｏ．２
·柴 油 车 颗 粒 物 排 放 控 制 技 术 研 究·
外净化排气中的可燃气体和可溶性 ＳＯＦ 有机组分
柴油机排气微粒中有 ７０％～８０％呈带电状态，
研究人员对静电旋风技术捕集去除柴油机 ＰＭ 的效果进行了探索性研究。结果表明， 借助高 压脉冲静电作用不仅能较好地捕集柴油机排气 ＰＭ， 而且尾气中的 ＨＣ 和 ＮＯｘ 也有一定的去除 作 用 。 静 电 旋 风 捕 集 器 具 有 排 气 阻 力 小 、清 灰 简 单等优势。
１．３．２ 采用微粒捕集器（ ＤＰＦ） 微粒捕集器由微粒过滤器和再生装置组成。
可能减少机油的使用。
冷却的中冷技术， 使进气温度降低， 循环进气量
更大， ＮＯｘ 排放下降而功率进一步增加。采用废气
１．３ 尾气后处理技术
涡轮增压与中冷技术是降低 ＮＯｘ 和微粒、改善柴 油机经济性和提高动力性的最佳措施。实践证
１．３．１ 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
的常用措施。采取此措施（ 以铂 Ｐｔ、钯 Ｐｄ 贵重金
每个带电微粒约带 １～５ 个基本正电荷或负电荷，
属作为催化剂） 能使 Ｈ 颗粒 ＰＭ 减少 ５０％～７０％。
整体呈电中性。目前利用附加强电场对呈带电特
但是， 氧化催化器的缺点是会将排气中的
性的碳烟微粒进行静电吸附， 并取得了一定的试
ＳＯ２ 氧化为 ＳＯ， 生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒， 额外增加颗粒物排放量。美国最近针对新型柴油
外， 机油产生的 ＰＭ 也占相当部分。ＰＭ 可分为可
车
传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技
溶性有机物（ ＳＯＦ） 和不可溶有 机 物（ ＩＯＦ） 两 部
术的主要特点是： 采用先进的电子控制装置及配
分， 两者所占的比例大约为 ３９％和 ６１％。在 ＳＯＦ
有高速电磁开关阀； 采用共轨方式供油； 高速电
中， 由机油产生的 ＰＭ 占绝大部分， 约占 ＰＭ 总量
磁开关阀频响高， 控制灵活； 系统结构移植方便，
的 ２９％； 机 油 除 产 生 ＳＯＦ 外 也 产 生 ＩＯＦ， 来 自 机
适应范围宽。
油的 ＰＭ 总计占 ＰＭ 总量 ３４％。同时， 窜入燃烧室
１．２．２ 进气涡轮增压与中冷技术
中不完全燃烧的机油随尾气排出， 是形成柴油机
通过特殊设计， 充分利用进气惯性来提高低速进 气量。以上各点对减少有害排放物都是有利的，
形状等）都会改善燃烧过程。共轨式电控燃油喷射
特别是低速涡流比和进气量的提高， 部分解决了
技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃
传统机型低速性能较差的缺点。
油， 分送到每个喷油器， 并借助于集成在每个喷
１．２．４ 采用废气再循环技术（ ＥＧＲ）