（动力机械及工程专业论文）柴油机微粒捕集器再生技术研究.pdf

摘要 从柴油机工作原理的提出到现在的一百多年来，柴油机技术得到了全面的 发展，柴油机以其良好的动力性、经济性和可靠性而广泛地应用于各种机械装 置，尤其是作为车辆动力。微粒作为柴油机的主要排放物之一，因对人体危害 之大，已引起世界各国政府的普遍关注并纷纷制定了严格的柴油机车排放法 规。当今，柴油机微粒的排放控制技术已成为柴油机技术发展中的核心之一， 特别是排气后处理技术的研究。 论文介绍了柴油机微粒排放控制的机内与机外净化技术，通过对各种技术 的对比分析，提出微粒捕集技术是最为有效的控制柴油机微粒排放的技术措施， 而微粒捕集器的再生技术则是其应用成功与否的关键所在。本文研究了柴油机 微粒的形成机理、物理特性、排放规律以及柴油机运转参数对其排放的影响， 同时深入探讨了微粒捕集器的捕集机理、过滤体材料特性与其发展现状以及再 生技术的对比分析。通过比较分析与研究当前微粒捕集器的再生技术，可以得 出这样的结论：单纯的采用某一种再生技术都有其不足之处，多种再生技术的 组合是发展趋势。故作者提出了两种组合方式的再生技术，并同时分别选择了 相应的过滤体结构方式。第一种再生技术是柴油添加剂与电加热相结合，通过 柴油添加剂降低微粒起燃温度，再生时补充少许空气，只需少量的电能就能点 燃微粒，通过微粒燃烧产生火焰的蔓延来完成整个捕集器的再生，过滤体材料 选用编织纤维。第二种再生技术是基于对补气技术研究，采用补气与电加热装 置相结合，过滤体选用壁流陶瓷过滤体，利用补气可以降低柴油机的微粒排放， 然而仅利用补气不足以达到微粒排放要求，必须进一步借助过滤体捕集微粒来 满足微粒排放要求，利用电加热装置使捕集器再生，同时补气还有利于延长捕 集器的再生间隔时间和再生过程。论文以s o f i m 8 1 4 0 2 7 柴油机为研究对象，对 两种捕集器系统进行了结构设计和实验研究，通过对发动机的排放特性和净化 装置的过滤特性进行测定与分析，得出微粒捕集器再生的技术参数。从安装微 粒捕集器净化装置前后的对比实验可以看出：采用微粒捕集器后，柴油机微粒 排放得到了明显改善。 关键词：柴油机，排放控制，微粒捕集器，再生 a b s t r a c t i tw a sm o r et h a n1 0 0y e a r st h a td i e s e le e 【g i n e st e c h n o l o g yh a sc o m p r e h e n s i v e d e v e l o p e df r o mi t sw o r kp r i n c i p l ea p p e a r i n gt on o w i ti sw i d e l ya p p l i e dt om a n y k i n d so fm e c h a n i s mb e c a u s eo fi t sg o o dp o w e r ，t h ee f f i c i e n c ya n dt h er e l i a b i l i t y ， e s p e c i a l l ya st h ev e h i c l ep o w e r h o w e v e r , t h ep a r t i c u l a t ea so n eo ft h em a i n l yd i e s e l e n g i n ee x h a u s tc o m p o n e n t s ，b e c a u s ei t i sh a r mt ot h eh u m a nh e a l t h ，w h i c hh a s a r o u s e dt h ev a r i o u sc o u n t r i e sg o v e r n m e n t sa t t e n t i o nw h i c hf o r m u l a t e dt h es t r i c t d i e s e le r i g i n e v e h i c l ee m i s s i o nr e g u l a t i o n s n o w a d a y s ，t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h e p a r t i c u l a t ee x h a u s t sh a sb e c o m eo n e o fc o r e si nd i e s e le n g i n et e c h n o l o g i c a lr e s e a r c h ， e s p e c i a l l yt h er e s e a r c ho fe x h a u s t sp o s t p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ep a p e ri n t r o d u c e d t h em a i np a r t i c u l a t ee x h a u s tc o n t r o lt e c h n o l o g i e so f i n s i d ea n do u t s i d ed i e s e l d r a w i n gt h ec o n c l u s i o nt h a td i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p n t e c h n o l o g yi st h em o s te f f e c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g ym e a s u r eo fd i e s e lp a r t i c u l a t e e x h a u s t b yc o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gm a n yk i n d s o f t e c h n o l o g i e s ，b u tt h e r e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fd p f i st h ek e yc o n d i t i o nt h a ti sa p p l i e ds u c c e s s f u lo rn o t a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rs t u d i e dt h ed i e s e l e n g i n ep a r t i c u l a t ef o r m a t i o n m e c h a n i s m ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t y ，t h ee x h a u s tr u l ea sw e l l a st h ed i e s e le n g i n e w o r k i n gp a r a m e t e rw h i c hi n f l u e n c et h ep a r t i c u l a t ee m i s s i o n ，s i m u l t a n e o u s l y ， d i s c u s s e dt h ep a r t i c u l a t ef i l t e rt r a p p i n gm e c h a n i s m ，t h ef i l t e rm a t e r i a l sc h a r a c t e r i s t i c s a n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，a sw e l la sr e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e s b ys t u d y i n gd p f s r e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，w em a y d r a ws u c hc o n c l u s i o nt h a te a c hk i n do f r e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo w n si t sd e f i c i e n c y s o ，t h ea u t h o ri n t e n t i o n a l l yp r o p o s e d t w ok i n d so fc o m b i n a t i o nw a y sr e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e p a r a t e l ym a t c h e di t s t h ef i l t e r t h ef i r s tl 【i n do fr e g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi saw a yw h i c hc o m b i n e st h e d i e s e lo i lc h e m i c a la d d i t i v ea n dt h ee l e c t r i ch e a t i n g b e c a u s eo fr e d u c i n gt h e p a r t i c u l a t ek i n d l i n gt e m p e r a t u r eb yu s i n gt h ed i e s e lo i lc h e m i c a la d d i t i v e a tt h e r e g e n e r a t i o nt i m e ，t h er e g e n e r a t i o ne q u i p m e n ts u p p l yt h el i t t l ea i ra n de l e c t r i c a l e n e r g y ，t h ep a r t i c u l a t ec a nb ef i r e da n di t sf l a m es p r e a dt oa c c o m p l i s hd p f r e g e n e r a t i o n ；t h ef i l t e rm a t e r i a li sc e r a m i cf i b e r t h es e c o n dk i n do fr e g e n e r a t i o n t e c h n o l o g yi sb a s e do nt h er e s e a r c ho fs u p p l ya i r ，t h er e g e n e r a t i o nw a yw h i c hu s e s t h ee l e c t r i ch e a t i n gi n s t a l l m e n t ，s e l e c t i n gt h ew a l l - f l o wc e r a m i ca st h ef i l t e r t h e i i s u p p l ya i rc a l lr e d u c et h ed i e s e le n g i n ep a r t i c u l a t ee m i s s i o n ，h o w e v e r ，o n l yu s e do f s u p p l ya i rw h i c hi si n s u f f i c i e n tt oa c h i e v et h ep a r t i c u l a t ee m i s s i o nr e q u e s t ，h a dt o f u r t h e rt od r a ws u p p o r tf r o mt h ef i l t e rt r a p p i n gp a r t i c u l a t et os a t i s f yt h ep a r t i c u l a t e e m i s s i o nr e q u e s t t h ed p f sr e g e n e r a t i o ni sc a u s e db yu s i n gt h ee l e c t r i ch e a t i n g i n s t a l l m e n t ；s i m u l t a n e o u s l y ，t h es u p p l ya i ri sa l s oa d v a n t a g e o u st ol e n g t h e nt h et r a p s r e g e n e r a t i o n t i m ei n t e r v a la n dt h e r e g e n e r a t i v ep r o c e s s t h ep a p e rt a k et h e s o f i m 8 1 4 0 2 7d i e s e le n g i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，h a sc a r r i e do nt w ok i n d so f d p f ss y s t e m ss t r u c t u r a id e s i g na n dt h ee x p e r i m e n t a l s t u d y ，o b t a i n e dt h ed p f r e g e n e r a t i o n st e c h n i c a lp a r a m e t e rb yt e s t i n ga n da n a l y z i n gt h ed i e s e le n g i n ee x h a u s t c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed p fc h a r a c t e r i s t i c b yi n s t a l l i n gt h ed p fi n s t a l l m e n t ，t h e c o n t r a s te x p e r i m e n tt ob es h o w e d ：a f t e ru s i n gt h ed p f ，d i e s e le n g i n e sp a r t i c u l a t e e x h a u s th a dt h eo b v i o u si m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e m i s s i o n sc o n t r o l ，d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e lr e g e n e r a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章引言 1 8 8 2 年德国人狄赛尔( r u d o l fd i e s e l ) 提出了柴油机工作原理，1 8 9 6 年制 成了第一台四冲程柴油机。一百多年来，柴油机技术得到了全面发展，应用领 域越来越广泛。大量研究成果表明，柴油机由于具有高的压缩比而使其燃烧热 效率比汽油机高，因而具有较低的燃油消耗率和较大的功率；通常在正常行驶 下柴油机比汽油机可节油2 0 左右，柴油机功率使用范围宽广，采用增压较汽 油机简便；另外柴油机环境适应性好，在同样油箱容积下，同功率的柴油车最 大行程约为汽油车的1 _ 3 1 6 倍。柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械 中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型：装备了最先进技术的柴油机， 升功率可达到3 0 5 0 k w l ，转矩储备系数可达到0 3 5 以上，最低燃油耗可达到 1 9 8 9 k w h ，标定功率油耗可达到2 0 4 9 k w h 。正因为柴油机具有如此的优点，所 以柴油机被广泛应用于船舶、铁路、汽车、农业机械、工程机械、军事车辆、 发电机组等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显。世界汽车工业 发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取 措施促进柴油车的普及与发展。由于柴油机混合气形成和燃烧的特点使其在有 害排放物方面( 与相同排量的汽油机相比) ：h c ，c o 的排放量是汽油机的几十分 之一，然而因不能使用汽油型的三元催化剂，从而导致其排出的n o x 和微粒 ( p m ) 排放物比汽油机要高许多；在没有经过后处理情况下，n o x 排放量与汽 油机处于同一数量级，而p m 的排放是汽油机的3 0 5 0 倍1 1 j 。近几年，因柴油车 的大量出现而引发了“社会问题”，尤其是它排出的黑烟和颗粒物( 直径2 跏m 左 右) 被认为对人体有较大毒害，可以引起慢性肺病。美国环保局( e p a ) 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9 0 以上为 致癌物质【2 1 。因此，减少柴油机的微粒排放成为柴油机进一步发展的课题之一， 具有十分重要的意义。 1 2 国内外柴油机车发展概况 武汉理t 大学硕士学位论文 据调查，全球柴油发动机汽车的销售增长了1 4 1 ，而新车市场的整体销量 仅增长1 4 。从目前的情况看，欧洲柴油车发展最快，而且轿车柴油化发展趋 势正在加速。据了解，导致欧洲柴油化的主要原因大致有三方面：一是柴油车 节能效果比较明显；二是在柴油车排放的尾气中的氮氧化物、碳氢化合物等对 人体有害气体明显少于汽油车；三是欧洲国家的柴油机技术领先世界水平，发 展柴油车有利于欧洲保持其在汽车领域的领先地位。上世纪9 0 年代初期，欧洲 的轿车中大约有2 0 为柴油车，到9 0 年代末期，这一比例达到了4 0 。现在的 比例更高，柴油车在新车中的比例2 0 0 4 年为4 5 ，到2 0 1 2 年将上升至5 3 。 与欧洲状况类似，日本的柴油化步伐也在加快，一些日本汽车企业已经在柴油 机领域取得了长足的发展。目前，丰田、日产等公司已经开发了性能比较优越 的柴油机。韩国在柴油机发展方面大量借鉴欧洲的技术，现代公司的柴油机制 造水平亦达到相当的水平。美国之所以柴油化进程比较慢，主要原因是美国的 石油价格比较便宜：在环保和节能领域，美国走的是复合能源的道路。同样， 在过去的5 年中，美国以柴油作为动力燃料的汽车的销售也增长了5 6 ：统计 显示，2 0 0 0 年注册的新柴油轿车为3 0 1 万辆，到2 0 0 4 年这一数字增加到了4 7 万。从全球范围来看，柴油车占总车辆数的2 5 。现在欧洲柴油轿车已占轿车 年产量的3 2 ，法国、西班牙、奥地利等国更高达5 0 。 我国柴油机产业自8 0 年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型和技术 的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外8 0 年代末9 0 年代初水平，不 过差距正在逐步缩小，一些国外柴油机近几年开始采用的排放控制技术在少数 国产柴油机上也有应用。最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧i i i 排放限值要求，一些甚至可以达到欧排放限值要求。特别是进入9 0 年代，由 于制造水平的提高特别是排放控制技术的长足进展以及人们对柴油机的重新认 识，柴油机在车用动力中占据着越来越重要的地位。在中、重型汽车动力领域， 柴油机保持了其独占地位；在轻型车动力领域内，柴油机的应用也不断扩大； 在轿车领域，低油耗、低污染的柴油轿车在欧洲得到迅速发展。据有关消息， 我国也有厂家即将生产柴油轿车。图1 - 1 是我国自1 9 9 8 ，2 0 0 1 年的柴油机产量。 图1 - 1 中看出从1 9 9 8 到2 0 0 1 年，柴油机产量每年稳步增长，平均增幅达1 3 。 随着中国经济快速发展，机动车的社会保有量大幅度增加。据中国汽车工业协 会最新统计，从汽车柴油化率来看，2 0 0 5 年我国重卡为9 9 、中卡9 8 、轻卡 8 9 ；大客9 1 、中客9 7 、轻客3 5 。因此可以说，商用车，尤其是中、重 2 武汉理工大学硕士学位论文 卡( 相对于中、重卡来讲，大、中型客车的市场份额很小) 的市场走向决定了车用 柴油机的市场走向。在我国，中、重型卡车市场一直是柴油机的主要阵地，这 个市场大约占据了柴油机产销量( 按功率计) 的7 0 以上。 资料来源：中国汽车工业协会统汁 年份 图1 - 1 我国柴油机的历年产量 此外，在2 0 0 4 年乘用车市场中，原来一直是汽油机一统天下的局面，随着 一汽一大众柴油轿车的推出，柴油轿车也开始逐步登上舞台；在m p v 市场，江 淮汽车也投放了第一款国产柴油版瑞风m p v ；在s u v 市场，柴油动力的s u v 产品也不断推出，如江铃陆风、华泰汽车、福田汽车、上海万丰等企业都有柴 油s u v 产品销售。对于乘用车柴油化问题，由于油品、法规、技术以及人们对 柴油车的认识等因素的影响，中国柴油乘用车的普及尚需时日。2 0 0 5 年，一汽 一大众柴油轿车的增长速度虽然超过7 0 ，远远高于轿车行业平均增速，但其 全年销量只占其全部轿车销量的8 左右，柴油轿车在全国轿车中所占的比例就 更低。目前，在国内的各大柴油机厂中，正竞相规划未来乘用车用柴油机的研 发和生产。例如，玉柴的y c 4 w ，排量1 2 升，功率为7 5 马力，正与长安微客 试配。而新近下线的云内d 1 6 1 9 t c i 轿车柴油机，排量分为1 6 升、1 9 升两档， 功率达9 5 1 1 0 马力，四气门增压中冷，双顶置凸轮轴、四气门技术，高集成度 冷却、润滑模块系统，铸铁机体、铝合金缸盖结构，达欧i i i 排放标准，具有欧 潜力，其电控高压共轨系统采用博世公司生产的产品，铝合金缸盖从英国进 口，2 0 0 6 年实现国产。云内这款轿车柴油机的配套零部件国产化率目前为7 0 ， 其所适用的车型包括轿车、m p v 、s u v 等，现正与江准、长安f 福特) 、金杯、 东南等厂试配套。一些整车厂也在避行乘用车用柴油机的研发，奇瑞公司与奥 3 武汉理工大学硕士学位论文 地利a v l 发动机公司合作，联合研发的a c t e c o 系列中的1 9 d t c i 柴油发动 机深受好评，这个系列中的柴油机排量为1 9 升，尾气排放能达欧标准，燃油 消耗较普通汽油机减少2 0 3 5 。随着柴油品质的提升、发动机技术的进一步 改进，国内使用柴油车的呼声已越来越高。与此同时，决策部门也看到了柴油 车的大势所趋，逐渐改变了对柴油车的限制政策。 1 3 日益严格的柴油机车排放法规【3 9 】 随着汽车工业的快速发展，汽车的生产量和保有量急剧增加，汽车排放污染 已成为大气污染最主要的根源，严重地危害着人类的健康。研究统计，目前大气 中3 8 5 的一氧化碳( c o ) 、2 1 7 的碳氢化合物( h c ) 、8 7 6 的氮氧化物( n o x ) 、 1 1 7 的二氧化碳( c 0 2 ) 、6 2 的二氧化硫( s 0 2 ) 、3 2 的微粒物( p m ) 来自汽车废 气排放。因此解决汽车排放对环境污染的危害，已成为世界各国多年来研究的最 重要课题之一。正因为如此，世界各国制定了限值不一的排放法规。可以不夸 张地说，正是排放法规的日益严格，促进了世界汽车技术、尤其是柴油机技术 突飞猛进的发展。 当今世界十分关注柴油机排放污染物对环境和人体的危害问题，柴油机的 主要排放物是氮氧化物( n o x ) 和微粒( p m ) 。各国政府开始纷纷重视柴油机排 放问题，并通过环保机构制定了日益严格、分阶段实施的标准和法规来限制危 害物的排放量，各研究机构和发动机制造厂商也在寻求各种措施来降低排气污 染物，以满足日益严格的法规要求。 美国是世界上控制汽车排放最早的、最严格的国家。众所周知，美国由于 汽油价格相对便宜，目前轿车大多还是采用汽油机。但这并不意味着美国在柴 油机技术开发上不愿意花力气。事实上，与很多人的想象不一样，美国的排放 标准比同年代的欧洲标准要严格得多。美国在2 0 0 6 年开始实施超低排放标准， 要达到的是比2 0 0 2 年的排放限值低9 0 的要求。2 0 0 2 年的排放标准允许排放 量已是上世纪7 0 年代的1 1 0 ，即是说，到2 0 0 6 年，允许的排放量是7 0 年代的 1 1 0 0 。说得更通俗些，这意味着超低排放的发动机必须要达到这样的要求，即 排出的尾气比吸进的空气还要干净。美国环保局要求汽车制造商必须找到更先 进的控制技术来降低尾气污染。为此，早在1 9 9 1 年，世界上2 6 家著名的汽车 及零部件公司台作，在美国组成了清洁柴油机研究联合体，专门研究柴油机的 4 武汉理工大学硕士学位论文 排放问题。1 9 9 9 年第二期研究项目完成后，开发的柴油机技术已相当于欧洲v 号水平，达到世界领先。现在该联合体正在进行第三、第四期项目的研究。如 今，美国加州空气资源署2 0 0 4 年起采用l e v 2 排放标准，在该标准中，n o x 和 p m 的排放标准在所有的尾气成分中明显限制得更加严格。 欧盟的重型车用发动机从1 9 9 8 年1 0 月前使用稳态发动机试验循环( e c e r 一4 9 ) ，2 0 0 2 年1 0 月开始使用欧洲固定循环试验e s c ( e u r o p e a n s t a t i o n a r y c y c l e ) 瞬态循环e t c ( e u r o p e a nt r a n s i e n tc y c l e ) ，用于烟度测量的加载响应瞬态循环试 验e l r ( e u r o p e a nl o a dr e s p o n s e ) 。欧盟轻型汽车排放污染物的测试规范为e c e 一1 5 + e u d c 循环，此处应给予注意的是欧盟自2 0 0 0 年开始执行的试验规范与 e c e 一1 5 + e u d c 完全相同，但无冷启动后的4 0 s 怠速，这一点与我国目前采用 的测试规范不同，该试验规范也称之为新欧洲试验规范，英文缩写为n e d c ( n e w e u r o p e a nd r i v i n gc y c l e ) 。n e d c 与e c e - 1 5 + e u d c 的不同在于n e d c 中规定发 动机启动后立即测量排放和增加一7 下的低温排放试验。欧盟现在执行的欧i v 大幅度地降低了污染物的排放，欧盟与美国重型柴油机排放法规的具体发展比 较如图1 2 所示。 图1 - 2 欧美重型柴油机排放法规趋势 日本对汽车污染物的控制比美国起步晚，但2 0 世纪7 0 年代以来，它对氮 氧化物 o x ) 的控制进程却比美国快。由于日本的测试方法与美国和欧洲不同， 5 武汉理工大学硕士学位论文 因此，其排放限值也无法直接相比。事实上，很少有国家采用同本法规，但由 于日本是控制汽车排放较早的国家之一，也是控制技术较为先进的国家，且其 控制法规自成体系，因此，一直被人们认为是一个独立的机动车排放法规体系 ( 表1 - 1 所示) 。 表1 一1 日本重型车用柴油机n o x 和p m 的排放标准 阶段n o x ( g k w h )p m ( g k w h ) 1 9 9 8 年2 0 0 3 年 4 5o 2 5 2 0 0 4 年2 0 0 7 年 3 _ 3 8o 1 8 2 0 0 8 年2 0 1 0 年1 6 90 0 9 我国由于受国家经济技术水平的限制，对汽车排放尤其是柴油车机排气污 染控制起步较晚，它主要借鉴了欧洲排放法规标准体系。我国机动车污染控制 工作始于1 9 7 9 年中华人民共和国环境保护法f 试行1 颁布以后，1 9 8 4 年4 月 1 日起实施g b 3 8 4 2 3 8 4 4 8 3 四冲程汽油车怠速排放污染物、柴油车自由加 速烟度、柴油车全负荷烟度等排放标准。在1 9 9 3 年发布了标准 g b l 4 7 6 1 7 1 9 9 3 汽车柴油机全负荷烟度排放标准，g b1 4 7 6 1 6 1 9 9 3 柴油车 自由加速烟度排放标准及g b 厂r 3 8 4 6 柴油机自由加速烟度的测量滤纸烟度法。 标准g b l 4 7 6 1 6 1 9 9 3 中规定了道路用柴油车在自由加速工况下烟度排放标准 值。2 0 0 5 年，基于g b l 4 6 7 1 2 0 0 1 车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测 量方法发布了g b l 4 7 6 1 2 0 0 5 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排 气污染物排放限值及测量方法( 中国i i i 、v 阶段) ，该标准规定对于按e s c ( e u r o p e a ns t e a d ys t a t ec y c l e 稳态循环) 试验测得的一氧化碳、总碳氢化合物、 氮氧化物和颗粒物的比质量，以及e l r ( e u r o p e a nl o a dr e s p o n s et e s t 负荷烟度试 验) 试验测得的不透光烟度，都不应超出表1 2 中给出的数值。 表1 2e s c 与e l r 测试限值 毓诧虢f c o )碳毓扼舟翡f h e 巍钒拖物n o x )删妞物l 刚)娥搜 骱段 g k w hg k w hg i k * v h酷w h n r l h i 2 t0 6 65 o o l oo l j n l50 4 63 500 20s v1s0 4 62 oo 。205 e e v1 - 5 0 ，2 5 2000 2o l s 4 。辩瓣融摊撤骶o7 5 d i n 5 ，技糍跫功枣转建越泣3 0 0 0 r ：w a 纳麓鞠靴。 第1 i i 阶段进行型式核准的传统柴油机，包括那些安装了燃料电喷系统，排气 再循环( e g r ) ，和( 或) 氧化型催化器的柴油机，均应采用e s c 和e l r 试验 6 武汉理工大学硕士学位论文 规程测定其排气污染物。对于安装了先进的排气后处理装置包括n o x 催化器和 ( 或) 颗粒物捕集器的柴油机，应附加e t c ( e u r o p e a nt r a n s i e n tc y c l e 瞬态循环) 试验规程测定排气污染物。对于第、v 阶段或e e v ( e n h a n c e de n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l yv e h i c l e 环境友好汽车) 的型式核准试验，应采用e s c 、e l r 和e t c 试 验规程测定其排气污染物。对于需进行e t c 附加试验的柴油机，其一氧化碳、 非甲烷碳氢化合物、甲烷( 如适用) 、氮氧化物和颗粒物( 如适用) 的比质量， 都不应超出表1 - 3 给出的数值，从图1 2 中可以看出我国排放控制的趋势。 图1 2我国柴油机p m 、n o x 的排放法规趋势 表1 - 3e t c 试验限值 阶一氧化碳非甲烷碳氢化合物甲烷 氮氧化物( n o x ) 颗粒物( p m ) ” 段 ( c o )( t c m h c ) g k w h( c h 4 ) ”( g k w h )( g k w h ) g a c w hg k w h 5 4 5o 7 8 1 6 5 o0 1 6 、0 2 1 ( 3 ) 4 00 5 51 13 50 0 3 v 4 00 5 51 12 oo 0 3 e e v3 o0 4 00 。6 52 0o 0 2 ( 1 ) 仅对n g 发动机。 ( 2 ) 不适用于第i 、和v 阶段的燃气发动机。 ( 3 ) 对每缸排量低于0 7 5 d m 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 从中我们可以看到不仅在限值上更小，在测试方法也做了修改( 表1 - 4 ) ， 不同于以前国i 、国i i 的1 3 工况测试方法。自从我国在2 0 0 0 年开始实施国i 到2 0 0 4 年开始实施国i i ，轻型汽车国号也自2 0 0 7 年1 月1 日起实施，国 7 武汉理工大学硕士学位论文 号自2 0 1 0 年1 月1 日起实旅，国v 号从2 0 1 2 年1 月1 号开始。从图1 1 和表 1 1 中可以看出是国号与欧洲号大体上靠近、接轨。与此同时，我国也颁 布了许多地方法规。例如，为改善环境质量，北京市环境保护局和北京市技术 监督局联合制定了非道路用柴油机排气可见污染物限值及测量方法和非 道路用柴油机排气污染物限值及测量方法两个地方标准已从2 0 0 4 年4 月1 日 起开始实施，目前北京已提前实施国i i i 排放标准。上海市环境保护局和上海市 技术监督局也发布了柴油车自由加速烟度排放标准。 表1 - 4g b l 4 7 6 1 2 0 0 5 测试循环工况 发磅枫类型测薰循环工况 传统式柴油撬 e s e 、e 乙r 气体燃料发动桃( 如：l p g 、c n g ) e t e 装有毙进的摊放后处理装鬣的柴油发动 e s c 、e l r ：和e t c 机( 如装有：颗粒物擒集器、n o x 催化 转化器等) 毙避技术柴油机( 第l v 、v 阶段或e e v ) e s c 。e l r j y 啦e t c 1 4 柴油机微粒净化机内处理技术 1 4 1 传统柴油机燃烧过程的优化措施 1 、采用可变定时的高压燃油喷射系统 在优化燃烧过程中，燃油喷射系统占有重要的地位。满足排放要求则需要 燃油喷射系统具有高的性能，并能根据每一工况的需要改善喷油定时。通常采 用高的喷油压力，压力越高，则燃油粒径减小，贯穿距加大，雾锥角加大，喷 雾区的总面积也跟着加大，再加上紊流的增强，这些都直接促进了燃油与空气 的混合。其直接效果是降低了每一时刻浓混合气成分的比例，使生成微粒碳烟 的范围自然缩小。即使不可避免仍有过浓混合气出现，但因粒子小，周围空气 多，也会加快燃烧和氧化速率，是碳烟形成之初就被加速氧化。所以高压喷射 必然是微粒碳烟排放降低。 2 、可变涡流的四气门机构 8 武汉理工大学硕士学位论文 应注意到能满足未来排放法规的涡流燃烧过程所具有的作用只有结合四气 门缸盖才能充分发挥出来，在四气门缸盖中喷嘴垂直地设置在其中间。这种方 案能使燃油均匀地分布到各个油注中，因而为燃油和空气良好混合提供了有利 的先决条件，这是二气门机构致命的缺点。四气门机构还有个优点是可根据转 速和负荷变化改变涡流强度。由此可在整个转速和负荷范围内，确保在燃烧室 内获得适合的每一喷油率的气流运动。在全负荷、高转速范围内涡流强度低， 氮氧化物排放也低，而在低转速和低负荷时，一定程度上通过提高涡流强度能 弥补喷油系统效率的减弱。 3 、优化喷油规律 现代柴油机燃烧技术研究表明，为达到混合气形成和燃烧的基本要求，理 想的喷油规律对于提高功率、降低油耗、减少排气污染有着十分显著的作用。 理想的喷油规律是初期缓喷，中期急喷，后期速断。具体地说，初期缓喷，以 抑制着火滞后期内混合气形成量，限制初期碳烟及n o x 形成并降低燃烧噪声； 中期急喷，采用高喷射压力和高喷油速率以加速扩散燃烧速度，减少c o 、h c 和微粒排放，提高热效率；后期速断，避免低喷油压力和低喷油速率引起的燃 烧不充分以防c o 、h c 和p m 的增加。 1 4 2 柴油机的新型燃烧系统 从排放的角度看，柴油机与汽油机相比，最令人头痛的问题是高的p m 和 n o x 的排放，产生这个问题的原因主要是两者的燃烧方式不同。柴油机通常采 用扩散燃烧，传统的汽油机一般采用预混合燃烧。近年来，上述的柴油机与汽 油机固有的燃烧方式的区别已经被打破。在缸内直喷式汽油机的部分工况中已 经采用了扩散燃烧，从而使汽油机的热效率和排放性能得到大幅度提高。 柴油机混合气的过量空气系数一般为1 2 4 0 ，就平均过量空气系数而言， 属于低n 0 x 的稀燃范围，但由于扩散燃烧方式所固有的混合气浓度分布极不均匀 的特点，造成了总体上“很稀”，而实际上存在许多局部“很浓”的适宜碳烟产生的 区域和理论混合比附近的有利于n o x 产生的区域。因此，从燃烧学的角度来看， 要彻底解决柴油机p m 和n o x 的排放问题，必须改变传统的柴油机的燃烧方式， 但还应保留柴油机热效率高的优势。近年来成为研究热点的均匀充气压燃( 预 混压燃) h c c i ( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) 发动机的概念，就 9 武汉理工大学硕士学位论文 是基于这种考虑提出的。h c c i 发动机被认为是解决排放和节约能源的最有希望 的途径之一。无论是柴油机还是火花点火发动机，要同时实现高效率和低污染 都是困难的。h c c i 发动机由于同时具备两方面的优势，因而它的开发已成为下 一代发动机开发的热点。与传统发动机相b ? , h c c i 发动机具有明显的竞争优势。 其一是n o x 生成少，原因有两个：一是采用稀燃，火焰温度低，难以生成n o x ： 二是多点同时着火，燃烧期短，发动机的燃烧过程在空间和时问上的温度梯度 极低并且无火焰传播和扩散燃烧，抑制了n o x 的生成。其二是p m 生成少，原因 是燃料和空气混合非常均匀，燃烧过程中不存在产生p m 的燃烧条件。其三是发 动机经济性高，原因是采用稀混合气燃烧和高压缩比。其四是部分负荷时总h c 生成少，原因是失火和部分燃烧减少。丰田公司于1 9 9 5 年发布的u n i b u s ( 均质 松散燃烧系统) 燃烧方式和日产汽车公司1 9 9 6 年发布的m k ( 谐振动力) 燃烧方 式，在处理p m 和n o x 排放上都取得了很好的效果。 1 4 3 增压中冷技术 柴油机涡流增压技术首次应用是在1 9 4 0 年，涡流增压中冷技术问世则是在 2 0 世纪6 0 年代。柴油机采用增压中冷技术不仅可显著提高柴油机动力性和经济 性，而且能极大地改善排放指标，特别是n o x 和p m 。这是因为，采用增压中 冷以后，进气管内的空气压力、温度、着火滞后期、燃烧速率和过量空气系数 等都发生了变化，这些变化使得n o x 的生成更加困难；另一方而增压可使气缸 内浓度增加，为改进混合气形成和燃烧创造条件。同时增压还可以提高进气温 度，促使液体燃料蒸发汽化，从而减少微粒的生成。目前在美国所有的载重车 全都采用了增压或增压中冷柴油机，其中采用中冷技术的己占将近7 成。在欧 洲，增压及增压中冷技术还被迅速应用于小缸径轿车柴油机上。 1 4 4 柴油机电控燃油喷射技术 如同汽油机一样，车用柴油机实现电子控制也是当前技术发展的必然趋势。 柴油机电控燃油喷射系统任务是对喷油系统进行电子控制，满足柴油机在整个 运转范围内实现喷油定时、喷油压力、喷油量、喷油规律的最佳控制。采用转 速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参 数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等 1 0 武汉理l + 大学硕士学位论文 执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。 1 5 柴油机微粒净化机外处理技术 1 5 1 氧化催化器 柴油机氧化催化剂与汽油机的基本相同，可用p t 等贵金属。氧化催化器是 利用氧化催化剂( o x i d i z i n g c a t a l y s t ) 来降低柴油机尾气中的碳氢化台物、一氧 化碳和s o f 等的化学反应活化能，使这些物质能与尾气中的氧气在较低的温度 下进行氧化反应，转化为二氧化碳和水。氧化催化器已经被广泛地用于新型柴 油机，也用于对现有柴油机的改造。它们的可靠性好，可以保证车辆在6 0 0 0 0 0 公里的行驶里程内具有良好的排放控制性能而几乎不出现任何故障。根据 m c k i a n o n 的研究，目前影响其性能的丰耍问题是燃油含硫量较高，除此之外还 有排气温度。较高的尾气温度将有助于s o f 的氧化，提高转换效率；但是尾气 温度过高( 4 0 0 一5 0 0 0 c 以上1 ，s o f 和燃油中的硫转化成硫酸赫的量将大大增加， 这样有可能使总的颗粒量增加而不是减少。此外，硫酸盐覆盖在催化氧化器内 表丽将使得催化氧化器失去活性，大大降低其转换效率。总而言之，催化氧化 器的使用要求燃用低硫柴油含硫量要小于0 0 5 ，甚至低至0 0 1 。除此之外， 应结合特定的发动机开发适合的氧化催化剂针对特定工况丌发相应的催化剂、 贵金属的选择与用量、助剂的选择与用量、冷起动问题的解决、性能整体的设 计与优化、c a e 技术的应用。 1 5 2 四效催化净化器 对于汽油机的排气净化，最为有效的方法是采用三效催化净化器，为了使 h c 、c o 和n o x 的氧化还原反应进行的完全，通常采用氧传感嚣闭环反馈控制 系统。由于柴油机大部分工况为稀混合气，因此三效催化器不能用于柴油机。 柴油机的动态检测也表明了这一点，h c 和n o x 的比例并不有利于此二者的反 应。大部分n o x 是在高负荷的高温状态下产生的，而此时h c 氧化较为最佳， 但没有足够的h c 用来还原n o x 。尽管可以将柴油机氧化催化器、微粒捕集器 和n o x 还原催化剂合三为一，作为一个整套的排气后处理装置，但其体积庞大， 成本昂贵，令用户难以接受。因此现在很少见到在排气系统中可同时除去c o 、 成本昂贵，令用户难以接受。因此现在很少见到在排气系统中可同时除去c o 、 武汉理工大学硕士学位论文 h c 、n o x 和p m 的，称之为“四效催化器”的后处理装置。正如三元催化剂中c o ， h c 和n o x 互为氧化剂和还原剂那样，四效催化器能使微粒和n o x 互为氧化剂 和还原剂，并在同一催化床上同时除去c o ，h c ，p m 和n o x 。用催化的方法同时 去除n 0 x 和p m 的理念是由y o s h i d a 首次提出的。c o o p e r 等人通过试验发现： n o 在p t 催化剂作用下能被氧化成