柴油机排放的检测论文

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(只有一林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.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一之间变化，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.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，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.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从下降到时，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，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.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.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.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.其它过滤材料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/，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.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.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.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.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，有效地降低碳粒的着火温度，使过滤体“再生”更容易;b.有效地降低排气中的HC和C0含量.但由于催化剂的氧化作用，排气中的硫易形成硫化物，不仅会引起催化剂‘’中毒”，而且会因硫化物沉积在过滤体内而降低过滤效率和使排气阻力增加.同样，金属添加剂的燃烧产物流经过滤体时也会有一部分沉积物，也会影响过滤效率和增加排气阻力.贵金属催化剂不会导致两次污染，且催化效率高，但价格昂贵，贱金属和稀土催化剂价格低，但催化效率不如贵金属催化剂。我国是世界上稀土蕴藏量最大的国家，故稀土催化剂在我国大有前途.4结束语柴油机微粒排放的净化技术，无论是机内净化还是机外净化，虽都有一定的净化效果，但对于不同类型的柴油机或同一台柴油机的不同工况，每种技术都有一定的局限性，有的技术尚不成熟.鉴于柴油机排气微粒与N0，的生成机理不同，因此在采取措施减少微粒排放的同时往往会造成No:排放的增加.今后研究的重点主要是:a.进一步探讨柴油机微粒排放的机理;b.不断开发新的机内、外净化措施，并寻求将机内、外净化措施有机结合，以达到更理想的净化效果;。.开发能同时降低柴油机微粒与No，排放的技术措施.

引言近年来，随着人们对环境保护的日趋重视，世界各国对内燃机废气排放的法规变得越来越严格对发动机排放控制技术的研究也在不断深入，各种类型的排气净化装置为机动车的污染控制提供了新的方法和途径。车用柴油机排放物中碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的量较少，而NOx及微粒的排放量相对较多，其控制的难度较大，国外在相关领域已经有成功的技术，国内也正在加紧研究和开发有效的控制技术和装置。1柴油机排放物的组成和降低方法柴油机排放物是一个复杂的气态、液态和固态物质的混合物。主要的有害排放物包括碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、碳烟及微粒排放物。为满足日益严格的排放法规的要求，出现了各种柴油机污染物控制技术，针对不同的成分及其控制目标而采用不同的技术手段。碳氢化合物（HC）是在燃烧过程中处于相对温度较低的区域的未燃燃料。主要来自润滑油、喷油器的压力室和喷孔中的燃料、活塞环上被冷却的混合气、着火期内形成的过稀混合气以及燃烧结束时混合不好的燃料[1]。降低HC的措施[2,6]主要包括：①消除喷油系统的各种问题（二次喷射、较大的喷嘴压力室容积等）；②改造燃烧室，减小死区容积；③提高压缩比；④合理的供油规律；⑤控制初期喷油速率。氮氧化物（NOx）主要取决于燃烧室局部的最高温度。可采取下列措施减少NOx:①多气门技术；②增压中冷技术；③控制喷油速率；④废气再循环。碳烟（烟度）主要是由于燃烧室局部空气不足，燃油与空气混合不好而产生的，可通过燃油与空气的精确控制及充分混合以减少碳烟。具体措施：①采用废气涡轮增压；②采用进气压力/燃料流量控制装置；③提高喷油压力；④增大低速时的燃油喷射速率；⑤减小传动机构磨损的敏感性。微粒排放物（PM）主要取决于燃料燃烧是否完全，由燃烧后的一些固体和液体残余物组成，包括润滑油、未燃燃料、HC、碳烟等。为减少微粒要求燃料迅速而完全地燃烧，可采取下列一些措施：①提高喷射压力；②改进燃烧室结构；③减少机油消耗；④使用低硫燃油；⑤改善低速时的喷油率；⑥喷油提前；⑦增加着火延迟期内的燃油量。以上措施有时是相互矛盾的，或者与发动机的其它特性（如经济性）相矛盾。比如，喷油定时对降低氮氧化物与减少微粒的作用相矛盾。燃烧室结构、进排气系统特性及燃油喷射装置的喷射特性等对排放的影响较大，必须寻求相关结构和参数的最佳匹配。2柴油机电子控制技术与排放控制柴油机的电子控制推动了柴油机的技术进步柴油机电控包含整机的控制与各子系统的控制。由于电子控制的柴油机具有控制的灵活性，这样有可能通过对各系统的优化控制，使柴油机在各种工况以及环境条件下实现各系统（如喷射系统、增压系统等）的最佳匹配，因此，柴油机采用电控技术为控制排放、节约能源、降低噪声、改善性能提供了灵活而有效的手段。电控柴油机的核心部分是电控燃油喷射系统自70年代末期开始，国外在电控燃油喷射系统研究方面取得了巨大的进步。国外研制的电控燃油喷射系统有多种多样的结构形式，不同的系统应用于不同的领域。从技术发展的角度来看，柱塞泵式的燃油喷射系统已经由位置控制方式向时间控制方式发展，同时，共轨式电控喷射系统也正处于试用化研究和开发阶段。在我国，电子控制技术应用于柴油机的研究起步较晚，近几年来，对电控燃油喷射系统的研究在不断加强。燃油喷油系统正朝着高压喷射、喷油量、喷油时刻及喷射压力的灵活控制以及喷油速率柔性控制的方向发展。柴油机电控技术的应用能极大地改善柴油机的综合性能，但并不是说柴油机采用电控就能使排放大幅度的降低。影响柴油机排放的结构因素多种多样，必须从改善柴油机工作过程的角度，实现进排气系统、燃烧系统、喷油系统结构与特性的优化从根本上减少有害排放物的生成，才能达到减少排气污染的目的。柴油机的电子控制能根据发动机的工况变化实现发动机各系统的结构与特性的优化匹配，从而达到降低柴油机排放的目的。3柴油机排气后处理的方法柴油机颗粒排放物是固态和液态的有机和无机组分的混合物，它是在某一定温度下在具有一定稀释比的通道中利用滤纸所收集到的除水以外的所有物质。柴油机微粒由三部分组成，即固态的未燃碳微粒的聚合物、可溶性有机微粒物和无机盐类。其中可溶性有机物微粒是未燃的HC,一部分吸附在碳微粒表面，另一部分呈现蒸气态单独存在。通过排气后处理来降低柴油机微粒排放量的方式一般有微粒捕集器和催化氧化器。3·1微粒捕集器微粒捕集器装置主要由过滤材料制成，所采用的过滤材料主要有金属丝网、陶瓷纤维、泡沫塑料和单石体陶瓷等。微粒通过扩散、沉积和撞击作用被过滤材料所捕集。微粒捕集装置所捕集到的微粒物必须通过一定的方式及时从捕集器中清除（捕集器的再生），否则会引起柴油机排气背压升高，甚至使发动机产生破坏。微粒捕集器的再生一般采用燃烧法，可以采用外部再生或内部再生，外部再生是使柴油机工作一段时间以后将微粒捕集装置卸下来将捕集到的微粒清除掉，而内部再生则是在微粒捕集装置中自动地将捕集到的微粒烧掉。再生也可分为被动再生和主动再生，被动再生是利用柴油机本身所具有的能量进行再生，主动再生是利用外加能源进行再生。再生装置的工作可靠性是微粒捕集装置关键技术问题，尽管在技术上存在可行性，但一套高效的微粒捕集装置的成本还很高，目前还难以得到广泛的使用。3·2催化转化装置柴油机催化转化装置是通过采用氧化型催化器（OCC）如图1所示，降低排气微粒物中的可溶性HC （SOF）的含量，从而降低总的微粒排放量；还可以有效地降低排气中的气态有害物HC和CO。OCC对微粒的捕集效率远不及微粒捕集器，但由于HC的点火温度较低，所以OCC不需要附加昂贵的再生系统，投资费用较低。影响OCC可靠性工作的最主要因素是排气温度和燃油的含硫量。较高的废气温度将有助于SOF的氧化，提高转化效率但在过高的温度下（400℃~500℃以上）， SOx和燃油中的S转化为硫酸盐的量将大大增加，这样有可能使总的微粒量增加而不是减少。另外，硫酸盐覆盖在OCC内表面将使得OCC失去活性，大大降低其转化效率。总而言之， OCC的使用一般要求柴油机使用燃油中的含硫量要小于0·05%,甚至达0·01%。图1催化转化装置的结构图4柴油机排气净化装置的研制4·1排气净化装置的结构特点由于微粒捕捉与再生装置的结构比较复杂，对微粒捕捉与再生过程的控制需要复杂的控制系统其成本较高。而催化转化装置具有结构简单的特点，但其转化率及工作温度范围都存在一定的局限性。在分析上述两种方法特点的基础上，作者研制了一种新型柴油机排气净化装置，如图2所示。图2新型柴油机排气净化装置结构原理图在该净化装置中，起燃单元主要由涂有催化剂的金属网板组成，它能使排气中的部分HC氧化而使排气温度适当升高；保温单元主要由陶瓷蜂窝构成，它能使排气保持较高的温度，以利于催化氧化；微粒催化净化单元则由催化剂和过滤器组合而成，主要作用在于捕捉部分排气微粒，在催化剂的作用下使之氧化，从而减少柴油机排气中的微粒排放；消声单元则用于降低排气噪声。该装置具有如下特点①微粒捕捉与催化转化相结合的结构设计②合理的空速，即在温度在25℃和压力为100Kpa的标准状态下，排气容积流量（L/H）与催化剂载体容积（L）之比值③适当的工作温度范围（250°-650°④不需要附加的再生装置。4·2排放特性试验在一台IVECO增压柴油机上，笔者按照上述原理设计了两种结构的净化器，并且对几种结构的净化装置进行了试验对比，试验结果如图3所示。其中净化器方案1和净化器方案2为自行设计的排气净化装置，原装净化器为国外直接为IVECO发动机配套的净化器。由图2可见，所开发的净化器1和2对烟度的降低有一定的效果，特别是方案使发动机外特性的烟度降低0·5-1·0 Rb。图3全负荷烟度试验结果在整车上进行了自由加速试验，试验结果如表1所示。可以看出，使用净化器以后，自由加速烟度降低的幅度达50%。表1自由加速烟度试验结果原车净化消声器烟度变化率自由加速烟度2·6 Rb 1·5结论（1）降低柴油机的排气污染可以从机内和机外两方面采取必要的措施，但最根本还是在发动机内部通过合理组织燃烧过程，减少有害排放物的生成。（2）电控柴油机技术的应用为控制污染物的生成提供有效的途径。（3）排气后处理装置在一定的程度上能减少排气污染物的排放量。（4）所开发的排气净化装置对于减小柴油机的烟度具有一定的效果，为该项技术的应用作出了有益的尝试。