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. 3 . 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. 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; 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. 3 . 2.1柴油机排放后处理系统 柴油机微粒后处理系统是利用泡沫陶瓷过滤微 粒，并利用微波对滤体进行再生. 3.2.1.1泡沫陶瓷过滤体 将陶瓷原料配制成泥浆，并在聚醋或聚醚泡沫 塑料内浸演成型，最后经烧制而成.结构如图2所 不。 泡沫陶瓷内部由许多小孔(称为“气室”)组 成，每个气室通过窗口与多个邻室相连，由于微粒 直径远小于气室直径，所以微粒的捕集发生在整个 气室里.其优点是多孔结构使火焰易于传播，从而

3.2.1.2微波再生 柴油机微粒排放后处理系统在国内率先采用了 微波再生这一新技术.与其它再生方法相比具有以 下特点. a.选择加热陶瓷材料对微波的吸收能力很 差，但微粒对微波的吸收能力却是陶瓷的100倍以 上，因此，在微波再生过程中，微粒是主要的被加 热对象，这种选择加热特性对于提高能量利用率、 延长过滤体寿命、提高再生效率都是十分有利的; b.空间加热当微波进人被加热物质时，引起 被加热物质分子偶极子高速振动的摩擦，从而产生 热量.微波能在过滤体中是空间分布的.因此，微 波再生具有加热迅速、均匀的特性，使再生过程能 量利用率高，且减少了因加热不均匀引起过滤体热 损坏的可能性. 柴油机微粒排放后处理系统主要由过滤器、微 波源、车用电源和自动控制系统四部分组成(图3)， 柴油机工作时，排气通过过滤体，其中的部分微粒 被过滤体捕集，净化后的排气排人大气.当过滤体 中的微粒积累到一定程度时则开始再生. 微波由微波源发出，在过滤器与微波源之间

由于微波源功率有限，再生过程中如有高速气 流流经过滤体，那么再生就很难实现.为了保证再 生能顺利进行，再生时旁通阀关闭排气管至过滤器 的通路，同时打开旁通通路，使废气直接排人大气， 以免气流对过滤体的冲击. 再生时，旁通阀、车用电源、微波源均由控制 系统自动控制. 经台架试验和整车台架试验，其过滤效率超过 钧%.微波再生效率超过80%，整个系统工作稳 定可靠，具有很高的实用价值. 3.2.2其它过滤材料 3.2.2.1壁流式蜂窝陶瓷 壁流式蜂窝陶瓷开有许多蜂窝孔，相邻的蜂窝 孔道两端交替堵孔.发动机排气从人口通道进人 后，须经过过滤体内部的多孔薄壁才能排出.由于 薄壁的气孔率高达400目/25.4mm，所以过滤效率 高，可达60%一80%;结构强度高，抗热冲击和 机械振动的能力强.但蜂窝陶瓷各向异性，其径向 膨胀系数是轴向膨胀系数的两倍，且微粒都沉积在 进气孔道内，因此再生过程中受热不均匀，易发生 热冲击损坏. 3.2.2.2编织陶瓷纤维 编织陶瓷纤维具有高度表面积化和良好的抗高 温能力，不受固定尺寸的限制，给过滤体内孔形状 和孔的分布提供了广泛的选择余地，通过改变各种 设计参数使应用达到优化.由于过滤体内纤维表面 全是有效过滤面积，所以过滤效率高达95%.但 是，陶瓷纤维是一种脆性材料，虽能适应催化剂因 素，却有生产工艺较复杂且易损坏的缺点. 设计一参数使应用达到优化由于过滤体内纤维表面 全是有效过滤面积，所以过滤效率高达95%.但 是，陶瓷纤维是一种脆性材料，虽能适应催化剂因 素，却有生产工艺较复杂且易损坏的缺点. 3.2.3非过滤技术—静电式微粒收集器柴油机排气微粒中有70%一80%呈带电状 态、每个带电微粒约带1一5个基本正电荷或负电 荷，整体呈电中性，国内外已尝试利用附加强电场 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.但由于附加设备体积大、结构复 杂以及高压电源的供给等给实用化带来一定的困 难. 3 . 2.4非过滤技术—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且 加负电压，下游的金属网网格较密且加正电压.当 微粒经过上游金属网时带上负电，经过下游带正电 的金属网时被吸附，从而达到微粒净化的目的.这 种方法装置简单且过滤效率高. 3.2.5微粒后处理的催化技术 常用的催化剂有贵金属(铂、把等)、贱金属 (锰、钻、钒、铬的氧化物)和稀土，催化剂可以 添加到嫩料中，也可浸在过滤体上，其目的是: 。.促进过滤体内碳粒的氧化，有效地降低碳粒