柴油機PM排放控制技術探討

1、柴油機pm排放控制技術探討摘 要本文針對車用柴油機pm的組成及對人類生活的危害所面臨的若干問題，通過對柴油機污染物的生成機理、影響因素等方面的知識，進一步地闡述對柴油機污染物的凈化措施等較高問題的本質，優(yōu)化排放質量，以便使車用柴油機符合環(huán)保要求，更進一步的保護我們懶以生存的家園。本論文共分四章：第一章緒論部分簡要概述了本課題的研究思路、現狀分析及凈化措施；第二章闡述了柴油機的有害排放物的生成機理及危害，提出了本論文主要研究工作和基本思路； 第三章講述了柴油機有害排放物的凈化措施等問題并進行了討論；第四章 對本課題的研究結果進行了總結。關鍵詞：車用柴油機；有害排放物；凈化措施 abstractt

2、his paper and composition of the vehicle diesel engine to human pm the dangers of life facing some problems, through the creation of pollutants of diesel mechanism, influencing factors and other aspects, further describes the purification of diesel engine pollutants nature of problems measures to hi

3、gher quality, optimizing the emissions vehicle diesel engine, so as to meet environmental requirements, further protect us lazy to survive homes.this paper is divided into four chapters: the first chapter the introduction section of this topic briefly summarizes the current research approach, analys

4、is and purification measures; the second chapter expounds the harmful emissions from diesel generating mechanism and harm, proposed the this thesis mainly research work and basic ideas; the third chapter of a diesel engine harmful emissions purification measures and discussed issues; the fourth chap

5、ter of this topic research results are summarized.keywords: automotive diesel engine; harmful emissions; purification measures 目 錄1 緒論 11.1 車用柴油發(fā)動機排放物的生成機理及凈化措施研究的意義 61.2 國內外對有害排放物的研究現狀分析 61.3 對有害排放物所采取的各項凈化措施 61.4 本課題的主要研究工作的基本思路 62車用柴油機的排放物 72.1 引言 72.2柴油機的排放物及危害 72.3柴油機排放物的生成機理 92.4影響柴油機排放物生成的主要因

6、素 123 排放物的控制措施 193.1減少柴油機排氣污染物的控制技術193.2 燃燒系統(tǒng)的改進193.2.1 直接噴射式燃燒系統(tǒng)的改進19 3.2.2 間接噴射式燃燒系統(tǒng)的改進203.3進氣系統(tǒng)的改進213.4燃料噴射系統(tǒng)的改進223.4.1 高壓噴射系統(tǒng)223.4.2 改進噴油器結構243.4.3 電子控制噴射系統(tǒng)253.5 燃料的改良323.5.1 燃料的改質323.5.2 燃油添加劑 333.6柴油機排氣污染物的機外凈化措施 333.6.1 催化凈化技術333.6.2 柴油機微粒物機外凈化方法344 結果分析與討論415 總結參考文獻 42致 謝 431 引言與汽油機相比，現代車用柴油

7、機具有動力性較高和經濟性較好兩大優(yōu)點，而且具有高效率、低油耗、壽命長、使用可靠等特點。20世紀30年代，世界各國開始將柴油機用于重型車，90年代柴油機轎車有了很大發(fā)展。柴油車比汽油車省油三分之一，排放的污染物較少。目前，歐洲的轎車消費市場上，柴油轎車占了40%。我國的柴油車發(fā)展較晚，但發(fā)展迅速。到2002年全國汽車產量為325萬輛，柴油車占99.8萬多輛，約占汽車總量的30%。增速如此之快，難免給環(huán)境造成較大的影響。隨著柴油汽車的社會擁有量的迅速增大，伴隨著工業(yè)文明的迅速發(fā)展而出現的環(huán)境問題不斷增多。環(huán)境保護問題越來越引起人們的高度重視。柴油機工作時排放的產物可分為兩類，一類是可見產物，即顆粒

8、狀物，如炭粒、重碳氫化合物、硫酸鹽、油氣、水汽及灰分等，“墨斗魚”是人們對尾氣排放嚴重超標的重型柴油車的形象稱呼。這類產物中，有些為致癌物質，它們污染環(huán)境、阻礙視線。另一類是一般情況下肉眼看不見的物質，如一氧化碳（co）、氮氧化合物（nox）和二氧化硫（so2）、碳氫化合物（hc）等.co對人體有毒，而且在大氣中不易自凈;so2有難聞的刺鼻氣味：hc、no在一定的地理氣候條件下，經太陽光的作用會形成毒性很強的光化學煙霧；nox和so2易溶于水形成酸雨。顯然，柴油機工作時排出的燃燒產物不僅會對人類的生存環(huán)境造成污染與破壞，而且由于柴油燃燒不完全，造成了能源的浪費。炭煙越濃，排放的可燃物越多，對環(huán)

9、境的污染越嚴重，能源的浪費就越大。控制重點是氮氧化物和顆粒污染物。近年的一項調查顯示，在全國機動車的排放污染物分擔率中，柴油車占氮氧化物的43%，占顆粒懸浮物的83%。1.1 車用柴油發(fā)動機排放物的生成機理及凈化措施研究的意義近幾十年來，隨著工業(yè)的發(fā)展和能源消耗的日益增加，由于燃燒過程產生的有害物質對大氣產生了嚴重的污染。特別是石油燃料的大量消耗所引起的嚴重后果，在工業(yè)與交通集中的那些地區(qū)對環(huán)境的污染表現得最為突出，并引起人們的普遍關注。本課題對柴油機的有害排放物及其影響因素作了詳細研究，對于有害排放物的生成機理和有針對性地采取措施以改善柴油機的有害排放物具有較大的理論價值和實用價值。1.2

10、國內外對有害排放物的研究現狀分析汽車是當今大氣污染的最大污染源已經被許多國家調查所證實?，F在，世界上大約有兩億輛汽車，其中大部分在城市行駛，這些汽車每年排出兩億噸一氧化碳，四千萬噸碳氫化合物，兩千萬噸一氧化氮等有害氣體。而且，隨著汽車數量的逐年增加，汽車排放到大氣中的有害物質還會隨之而增加。因此一些發(fā)達國家都采取了相應的應對措施，以減少汽車有害物的排放，例如：美國、德國、日本、等一些發(fā)達國家。1.3 對有害排放物所采取的各項凈化措施車用柴油機的有害排放物所造成的危害，針對不同方面采取了不同的措施。本課題主要從燃燒系統(tǒng)的改進、噴射系統(tǒng)的改進、點火系的改進、進氣系統(tǒng)的改進等措施來凈化汽油機的尾氣排

11、放。1.4 本課題的主要研究工作的基本思路本課題研究的主要目的是充分利用現有的實驗設備，搜集多方資料，采用理論分析法對結果進行修正處理，用實驗法得到較合理的有害物排放值，分析出車用柴油機有害排放物的生成機理及其生成的影響因素。以實驗研究為基礎豐富車用柴油機有害物排放理論，為降低排放尋找有效的凈化措施，并為將來對柴油機燃燒過程和排放特性的進一步研究提供一定的參考。2 車用柴油機的排放物2.1 引言與汽油機相比，現代車用柴油機具有動力性較高和經濟性較好兩大優(yōu)點，而且具有高效率、低油耗、壽命長、使用可靠等特點。20世紀30年代，世界各國開始將柴油機用于重型車，90年代柴油機轎車有了很大發(fā)展。柴油車比

12、汽油車省油三分之一，排放的污染物較少。目前，歐洲的轎車消費市場上，柴油轎車占了40%。我國的柴油車發(fā)展較晚，但發(fā)展迅速。到2002年全國汽車產量為325萬輛，柴油車占99.8萬多輛，約占汽車總量的30%。增速如此之快，難免給環(huán)境造成較大的影響。隨著柴油汽車的社會擁有量的迅速增大，伴隨著工業(yè)文明的迅速發(fā)展而出現的環(huán)境問題不斷增多。環(huán)境保護問題越來越引起人們的高度重視。柴油機工作時排放的產物可分為兩類，一類是可見產物，即顆粒狀物，如炭粒、重碳氫化合物、硫酸鹽、油氣、水汽及灰分等，“墨斗魚”是人們對尾氣排放嚴重超標的重型柴油車的形象稱呼。這類產物中，有些為致癌物質，它們污染環(huán)境、阻礙視線。另一類是一

13、般情況下肉眼看不見的物質，如一氧化碳（co）、氮氧化合物（nox）和二氧化硫（so2）、碳氫化合物（hc）等.co對人體有毒，而且在大氣中不易自凈;so2有難聞的刺鼻氣味：hc、no在一定的地理氣候條件下，經太陽光的作用會形成毒性很強的光化學煙霧；nox和so2易溶于水形成酸雨。顯然，柴油機工作時排出的燃燒產物不僅會對人類的生存環(huán)境造成污染與破壞，而且由于柴油燃燒不完全，造成了能源的浪費。炭煙越濃，排放的可燃物越多，對環(huán)境的污染越嚴重，能源的浪費就越大?？刂浦攸c是氮氧化物和顆粒污染物。近年的一項調查顯示，在全國機動車的排放污染物分擔率中，柴油車占氮氧化物的43%，占顆粒懸浮物的83%。2.2

14、柴油機的排放物及危害柴油機排放的廢氣中，氮氣（n）占75.2%，二氧化碳（co2）占7.1%，氧氣及其他成分占16.88%，有害排放占0.82%。其中有害排放的主要成分包括：氮氧化合物占35.4%，一氧化碳占35.4%，硫化物及微粒主要是炭煙，還包括油霧、金屬顆粒等占20.66%。與汽油機相比，柴油機排放的co和hc要少得多，nox與汽油機在同一數量級，而微粒及炭煙的排放要比汽油機多十幾倍甚至更多。因此柴油機的排放控制，重點是nox和微粒及炭煙，其次是hc。柴油機的燃燒過程比較復雜，影響因素較多，由于諸多原因的影響使柴油與空氣難以達到完全燃燒的程度，可能會造成局部或整個燃燒空間內出現不完全燃燒

15、，所以產生出不完全燃燒產物和燃燒中間產物，這些燃燒產物大部分是有毒的，或者具有強烈的刺激性和致癌作用，造成了對大氣環(huán)境的污染和對人體的危害，必須加以控制。（1）一氧化碳，一氧化碳是柴油在空氣不足的情況下燃燒的中間產物，在柴油機排氣中一般含量較低，當柴油機燃燒局部缺氧時容易產生。一氧化碳生成量的多少取決于空燃比，由于柴油機空燃比較大，因此一氧化碳排放量不大。一氧化碳濃度達到一定程度就能引起人體慢性中毒，導致人體組織缺氧，危害中樞神經，引起頭痛、頭暈、四肢無力等中毒癥狀，嚴重時會導致生命危險。（2）氮氧化物，氮氧化物是在柴油機燃燒高溫條件下產生的，其生成取決于燃燒過程中的溫度和反應時間的長短。在直

16、接噴射柴油機中，由于空燃比較大，氧氣較為豐富，燃燒溫度也高，使氮氧化物的生成量較大。在間接噴射柴油機中，燃燒首先在極缺氧的渦流室中進行，燃燒溫度相對較低，當火焰噴入主燃燒室時，使燃燒在有充足空氣中且燃燒溫度較低的情況下進行，可避免氮氧化物的生成時機，所以氮氧化物排放量相對較低。氮氧化物中no、nox都具有毒性對人體和環(huán)境破壞較大。人吸入氮氧化物后出現眩暈、無力等，嚴重時出現窒息。另外，還會與碳氫化合物一起引起光化學反應，造成更嚴重的危害。（3）碳氫化合物，在柴油機排氣中碳氫化合物的生成的主要途徑為燃料不完全燃燒、縫隙效應、曲軸箱漏氣等。柴油機雖然有較大的空燃比，由于霧化質量很難達到使燃油與空氣

17、混合到理想的均勻程度，燃油在噴射時，難以避免地會噴到壁面上，而形成局部過濃混合氣，形成局部不完全燃燒。另外，噴射定時滯后與延遲、負荷與轉速的變化、低溫啟動、怠速運轉等情況下都會使未燃碳氫化合物的濃度增加。排氣中的碳氫化合物具有較大毒性，是一種很強的致癌物質。另外碳氫化合物是引起光化學反應的起因物質，生成的過氧化物對環(huán)境的危害很大。（4）顆粒物，柴油機的排放顆粒物主要是炭粒，其形成的過程也很復雜。影響炭粒形成的主要因素是高溫與貧氧，在過量空氣系數很低、油氣混合物不均勻而又處于高溫下的油滴將被裂解，從而產生大量的炭粒。在柴油機的燃燒過程中，炭粒的形成除過量空氣系數、混合氣均勻性和燃燒溫度外，還與燃

18、料的成分有較大的關系，如燃料的碳氫比、灰分等都影響炭粒的生成。炭粒易粘附重碳氧化物及硫酸鹽，形成的顆粒物懸浮于空氣中，在大氣中受陽光和其他物質作用將發(fā)生光化學反應，對環(huán)境產生危害。2.3柴油機排放物的生成機理關于柴油機排放物生成機理說法很多，目前尚無定論。一般認為，碳煙也是不完全燃燒產物，是烴燃燒在高溫缺氧的情況下裂解過程釋出并聚合而成的。由于柴油機是非均質燃燒，燃燒室內各區(qū)域的化學反應條件是不一致的，而且隨時間而變化的，所以碳煙很可能是由許多不同途徑生成的。實驗觀察表明，在預混燃燒階段，火焰亮度不大，據認為這時尚未產生大量的碳粒；進入擴散型燃燒，火焰亮度大增，而且在各種工況都如此，說明碳粒主

19、要在擴散焰中產生。柴油機燃燒過程中產生碳粒是難以避免的，它是烴燃料燃燒過程的中間產物。brome及khan根據對火焰的研究資料，對碳煙顆粒的形成如圖21的定性描述，認為烴燃料在過濃的高溫區(qū)中是通過深度裂解和脫氫過程，產生較小分子量的物質，在后期出現聚合反應。在燃燒室壁等非火焰區(qū)則通過聚合，產生較大分子量物質。這兩個途徑（或相互交錯）最終產生碳煙顆粒。b.b chakraborty和r.long根據他們的研究和他人的資料，提出了碳煙形成機理如圖22所示。他們認為在反應過程的后幾個階段生成了一種很不活潑的，難于氧化的具有多個團的聚縮乙炔化合物，由于它有大量的三鍵，因此聚縮乙炔就易于聚合生成黑色的、

20、在所有溶劑中都不溶解的聚合物。高溫和氫的缺乏進一步導致了聚合物的脫氫和環(huán)化，形成了幾乎僅由碳組成的具有多環(huán)結構的不溶性的碳煙成分，這種碳絡化物構成了具有六方晶格碳煙晶子。片晶呈平行布置但相互間有不規(guī)則的位移。聚縮乙炔不僅傾向于聚合，在提供相應的氫時，可在較低的溫度下（小于1000）環(huán)化和氫化而形成多環(huán)芳香碳氫化合物，碳煙的這兩種成分的組合可通過碳絡合物吸收多環(huán)芳香碳氧化合物來進行，也可能多環(huán)芳香碳氧化合物是作為類似于石墨中的雜質那樣，填入碳煙片晶層空隙之中了。圖21 烴類燃料燃燒過程中生成碳煙顆粒的進程圖22 碳煙形成機理按照上述的定性描述，柴油機燃燒過程中碳煙的生成可概括為三個階段。成核階段

21、燃料分子在高溫缺氧條件下裂解為較小的烷基并脫氫為乙炔，經聚合為共軛多稀烴，最后環(huán)化為多環(huán)結構的呈六角形基本單元的片晶，如圖23（a）所示。圖23 碳煙顆粒的結構層次單粒階段初生石墨狀片晶的親和力很強，它們存在時間很短，很快就聚合成各種大小的近于球形的單粒，這些單粒含有10000到100000個碳原子，其直徑可能在200.6m，但絕大多數在0.010.1m之間，如圖23（b）所示。單粒的燃燒消失或附聚成更大絮團球形的單粒在高溫下與含氧化合物接觸，可以發(fā)生下列反應：c+co2=2co c+h2o=co+h2當氣體溫度高，h2o和co2的濃度也高時，在有利于碳粒燃燒的條件下，單粒就會逐漸減小尺寸以至

22、完全消失。在不利的工況下，由于區(qū)域內缺氧和co濃度過高，或溫度不足以使氧化反應順利進行，這時碳粒不能燃燒，反而互相團聚，或從小的單粒變成大的單粒或由單粒附聚成更大的絮團，其最大尺寸可達0.1m甚至1m，如圖23（c）所示。這些絮團是由幾十個到幾百個球形單粒附聚起來的。從氣缸排出后，氣體溫度下降，球形單粒尺寸基本不變，而絮團則繼續(xù)增大。當溫度低于300以下時，絮團增大特別明顯，這可能是由于某些氣相物質開始凝結并為微粒所吸收。柴油機中燃料的高溫裂解反應是不可避免的，特別在空間混合燃燒的柴油機中，由于高溫氣體包圍著液態(tài)的油滴，造成了有利于裂解反應的條件，因此在燃燒初期產生了大量的碳粒，這一點已為燃燒

23、過程的高速攝影所證實。柴油機在正常燃燒時，在排氣門打開以前，燃燒過程初期所形成的大量碳粒可以基本燒完，所以排氣基本上是無煙的。只是在某些不利工況下，碳粒不能及時燃燒反而團聚吸附，在氣缸中和排氣過程中形成更大的碳煙粒子或絮團，使排氣冒黑煙。2.4 影響柴油機排放物生成的主要因素現將影響hc、co、nox的生成和消失的主要因素分述如下：過量空氣系數柴油機中的hc、co、nox的生成與過量空氣系數變化有關。當燃燒室及供油系統(tǒng)的結構參數一定時，對于某一值，co排放濃度最低，偏離這一數值時，co的排放濃度均要增加，如圖24所示。圖24 過量空氣系數a對co濃度影響減小時co濃度增加的主要原因是：當減小時

24、，循環(huán)噴油量增加，而氧濃度并沒有增加，造成燃燒室內局部缺氧。另外，一般來講，隨著循環(huán)噴油量的增加，發(fā)動機的轉速也升高，混合氣形成和燃燒的時間變短，混合氣品質變差，混合氣不均勻的程度加劇。co與o2的反應時間也隨之縮短，部分co來不及繼續(xù)氧化變成co2就排出機外，造成co排放濃度的增加。增加時co濃度增加的主要原因是：當增加時，混合氣變稀，燃燒室內溫度下降，造成局部地區(qū)溫度過低，混合氣超過稀燃極限，火焰在低溫區(qū)和稀混合區(qū)內發(fā)生猝熄的現象增加，從而使co的排放濃度增加。圖25為某直噴式柴油機hc和nox濃度隨過量空氣系數的變化曲線（為了比較，圖中還給出了co的變化曲線）。從圖中可以看出，對于某一a

25、值，hc的排放濃度最低，偏離此值時，hc的排放濃度均要增加。圖25 直噴式柴油機對hc、nox的影響（4100型柴油機，2800r/min，供油提前角為25.5a）減小時hc濃度增加的主要原因是：當減小時，混合氣變濃，超富限的混合氣增加，同時高溫裂解加劇，造成hc的排放濃度增加。增加時hc濃度增加的主要原因是：當增加時，混合氣變稀，混合氣中超稀限的量增加，同時隨著增加燃燒室內的溫度也降低。這些因素限制了hc的氧化，從而使hc排放濃度增加。過量空氣系數對直噴式和間噴式柴油機nox濃度的影響基本一致。隨著的增加，nox排放濃度明顯降低。在較小的區(qū)段，nox下降速度快；在較大的區(qū)段，nox下降速度較

26、慢。nox排放濃度下降的主要原因是：隨著增加，每循環(huán)噴油量減少，氣缸內的放熱率和平均燃燒溫度降低，因而造成nox排放濃度降低。噴油定時噴油提前角加大，將影響噴注內各區(qū)燃料的分布。由于此時氣缸內壓力、溫度低，使著火延遲時間加長，結果使稀熄火區(qū)加寬，并使噴到室壁的燃油量增加，噴油提前往往會引起不完全燃燒產物的增加。噴油定時對nox的影響如圖26所示。噴油時刻提前，由于燃油在較低的溫度和壓力下噴入氣缸，結果使著火延遲角加大，但是著火延遲角加大總是小于噴油提前角的加大，圖26 噴油定時對nox排放的影響因而著火時刻相對于上止點的曲軸轉角提前，這將使生nox成量增加，另一方面滯燃期延長，導致更多的燃料在

27、稀火焰區(qū)蒸發(fā)混合，也使nox的生成量增加，在噴注的其它區(qū)域，由于所達到的高溫，也促進了這些區(qū)域nox的生成。因此，噴油時刻對nox有重要影響。推遲噴油時刻對減少直噴式和分隔式柴油機的nox的排放都非常有效，這主要是由于燃燒室各部分所達到的最高溫度降低所致。推遲噴油對直噴式柴油機降低nox排放更為有效。由于直噴式柴油機的燃油消耗率本來就比分隔式更好，因此采用推遲噴油時刻的方法，柴油機的燃油消耗率也不至于太惡化。但推遲噴油會引起煙度增加和co、hc濃度的升高，對柴油機的功率，燃料消耗率和排氣溫度，也會帶來一些不利影響。有些柴油機在推遲噴油時刻的同時，還采用高噴射率的辦法來解決柴油機由于噴油時刻推遲

28、所造成的不利影響，結果不僅降低了nox排放，而且co和hc排放也有所改善。由于噴射率高，噴油延續(xù)時間短，有可能使柴油機在噴油提前角減少的情況下，噴油終點仍保持不變，這樣可以減少推遲噴油對放熱率的影響，從而使柴油機功率、油耗及煙度比單獨推遲噴油時的效果好?？諝鉁u流適當增加燃燒室內空氣渦流的強度，可改善燃油與空氣的混合，促進混合氣的形成，提高混合氣的均勻性，減少異相燃燒。同時燃燒室內局部區(qū)域混合氣過濃或過稀的現象減少。另外，渦流能加速燃燒，使氣缸內最高燃燒壓力和溫度提高。這些有利于未燃烴的氧化。但空氣渦流過強，則相鄰兩噴注之間形成互相重疊和干擾，使混合氣過濃或過稀的現象更加嚴重，反而使hc排放增加

29、，如圖27所示。圖27 渦流強度對hc濃度和油耗率的影響(為試驗臺上的渦流轉速，為谷值點)渦輪增壓廢氣渦輪增壓是提高柴油機功率、降低油耗的一項主要措施。渦輪增壓對柴油機排放也有重要影響。在燃空比相同的情況下，渦輪增壓使柴油機的進氣壓力和整個循環(huán)溫度比不增壓時高，這將有利于氧化反應，減少未燃烴及co的生成，而且未燃烴在排氣管和渦輪中還可以繼續(xù)氧化，所以排氣中hc的降低了。由于增壓后加大了空燃比，則更有利于排氣中hc和co的降低。由于增壓后燃燒溫度高，空燃比大，所以導致較高的nox濃度。但如果將增壓后的空氣冷卻，降低進氣溫度，可以使nox排放降低到非增壓時的水平，同時由于進氣密度增加，中冷對柴油機

30、煙度和燃燒經濟性也有好的影響。燃燒系統(tǒng)分隔式燃燒系統(tǒng)比直噴式燃燒系統(tǒng)的有害排放物低得多，如圖28所示。在分隔式燃燒系統(tǒng)中有害排放物是在兩個階段產生的：一是在輔助燃燒室（即渦流室或預燃室）中的燃燒，二是在燃氣從輔助燃燒室流出之后在主燃燒室內混合和燃燒。在部分負荷運轉期間，隨著負荷增加輔助燃燒室中噴入的燃料增多，氧的濃度減少，未燃烴和co隨著負荷增加而增加。但在主燃室有強烈的燃燒渦流，加速了混合氣的形成和燃燒，同時氣缸內溫度較高，加速了氧化速率，因而使hc及co排放量都較直噴式為低。圖28 世界各種型號柴油機排放物統(tǒng)計分隔式柴油機nox濃度也比直噴式低，因為渦流室（或預燃室）中溫度雖高，但氧的濃度

31、很低，不利于nox生成。當燃燒不完全的高溫氣夾帶著未燃燒的燃料一起噴入主燃燒室后，很快與空氣混和，這時氧雖有富余，但活塞已開始下降，燃氣溫度降低，而且氣體在高溫下停留的時間較短，也不利于nox生成。圖29 圖211給出了渦流式柴油機、直噴式柴油機及汽油機的排放特性對比。圖29 汽油機和柴油機co的排放對比圖210汽油機和柴油機hc的排放對比圖211 汽油機和柴油機的排放對比3排放物的凈化措施3.1減少柴油機排氣污染物的控制技術柴油機排氣中的有害排放物主要是nox和微粒，co和hc的排出量較少，對大氣污染不產生嚴重影響，而且比較容易通過燃燒系統(tǒng)匹配加以解決。由于柴油機排放的nox和微粒顆粒的生成

32、條件有相反的傾向，例如為減少nox排放要降低燃燒溫度，但燃燒溫度的降低會使油耗增加，功率輸出降低，更會造成微粒排放量增加。因此柴油機在微?？刂萍夹g的開發(fā)上必須兼顧對nox生成量的影響。同樣在研究減少nox排放率的控制技術之同時也必須兼顧微粒排放量、燃油消耗率及輸出功率等問題，如此發(fā)展的控制技術才有實用價值。以下內容將介紹減少柴油機排氣污染物所采取的一些方法。3.2 燃燒系統(tǒng)的改進3.2.1 直接噴射式燃燒系統(tǒng)的改迸柴油機的燃燒室型式、形狀和結構參數對柴油機的燃燒和污染物的生成具有重要的影響，現代柴油機必須在節(jié)油、低污染、高輸出功率方面進行綜合的優(yōu)化設計。在燃燒室的改進上，其基本原則是使燃燒室與

33、進氣渦流、噴油合理匹配，以減少污染物的生成。圖31所示為英國泊金斯于70年代中期研制的擠流口型燃燒室，口徑比為0.385，其收口程度特別明顯。縮口的作用是能在壓縮過程中產生強烈的擠壓渦流。在燃燒室中進氣渦流和擠壓渦流復合運動，再以合理的燃油噴注方向相匹配，使混合氣形成更加完善。該燃燒系統(tǒng)能夠在較低的過量空氣系數下實現完全燃燒，并可以減少噴油提前角，降低放熱率峰值，使最高燃燒壓力和最高燃燒溫度下降，從而大大減少了nox的生成量，同時排煙和油耗也有所降低。 圖31擠流口型燃燒 圖32五十鈴汽車 圖33四角形 室縮口燃燒室 公司的四角形燃燒室 圖32為日本五十鈴汽車公司1972年在6bb1柴油機上采

34、用的四角型燃燒室。這種燃燒室底部與一般w形燃燒室相同，而上部呈正方形，其四角制成圓弧。四角型的四邊和四角都對渦流運動起著阻滯作用。當燃燒室內氣體渦流運動隨轉速升高而加強時，這些邊和角就能遏制它不致過強。同時，由于燃燒室上方下圓特殊結構造成上下層氣流運動的速度差，可以形成較強的紊流，因而能改善混合氣形成和加速火焰?zhèn)鞑ィ共裼蜋C碳煙生成量減少，燃油經濟性也得到改善。1981年五十鈴再進一步將四角型燃燒室的開口部改為縮口型，如圖33所示。利用燃燒室形狀的突變來增加擠流強度和在燃燒室中產生更多的渦流，因此大大改善了混合氣的形成，提高了燃燒速度，為推遲噴油減少nox排放創(chuàng)造了有利條件，對降低hc、nox

35、及碳煙排放有顯著效果。3.2.2 間接噴射式燃燒系統(tǒng)的改進間接噴射式燃燒室與直接噴射式柴油機相比，因二次燃燒的結果，nox和碳煙排放量均較直噴式低。但因燃燒室散熱面積大，以及附室噴孔的節(jié)流損失，所以熱效率低，燃料消耗率高。以前大多數使用間接噴射式燃燒系統(tǒng)，所以目前相當比例的轎車和輕型貨車使用渦流室燃燒系統(tǒng)。圖34為日產汽車公司開發(fā)的一種設有副噴口的渦流室燃燒室的構造。在壓縮過程中，由副噴口噴入渦流室的高速空氣噴流能造成紊流，有助于燃料的分散，縮短著火延遲期。同時，有一部分燃油能經副噴口進入主燃燒室，可以抑制渦流室內混合氣過濃，故對減少碳煙生成以及nox和hc排放量均有良好效果。圖34 設有副噴

36、口的渦流室式燃燒室3.3進氣系統(tǒng)的改進高速直噴式柴油機除了采用超高噴射壓力以外（噴油壓力在120150mpa以上），大都需要組織進氣渦流來改善混合氣形成和促進燃燒過程的進行。渦流比的大小對柴油機性能和排放有很大影響。因此，必須按照實際情況選擇最佳渦流強度與燃燒室及燃燒系統(tǒng)相匹配。以往設計的螺旋進氣道其渦流強度只能在發(fā)動機的某個工況運轉點才能實現，在大部分工況都不能處在最佳匹配點狀態(tài)。為了更有效控制氣缸中的渦流強度，1985年五十鈴汽車公司研制了可變渦流比控制系統(tǒng)，如圖35所示。該機構的工作原理是：在氣缸蓋進氣道中設置了一個副進氣道，副進氣道入口有一個閥門，該閥門的開啟由氣動活塞控制。電子控制裝

37、置根據發(fā)動機轉速、負荷（齒桿位置）、水溫傳感器發(fā)出的信號控制電磁閥電路的接通和關斷，即可控制壓縮空氣。氣動活塞受壓縮空氣作用決定副進氣道口閥的開閉，以控制渦流的強弱。采用這種裝置后，發(fā)動機性能有所改善，也可減少排氣污染。圖35可變渦流比控制機構3.4燃料噴射系統(tǒng)的改進在改善柴油機的性能和降低ho、nox及碳煙方面，燃油噴射裝置具有重要作用。采用高壓噴射、預噴射、電子控制噴油系統(tǒng)等燃料噴射裝置已取得相當滿意的效果。3.4.1 高壓噴射系統(tǒng)直噴式柴油機的燃油是依靠本身所具有的動量，在高速流動的過程中油束分裂成微小的油滴并卷入新鮮空氣以形成良好的混合氣。高壓噴射能使燃油得到大的能量，使霧粒細小，噴霧

38、蒸發(fā)速度及混合氣形成速度加快，燃油噴射時期縮短，故能提高燃燒性能，縮短燃燒時間，使nox和碳煙微粒排放量減少，發(fā)動機的輸出功率增加，油耗降低。圖36示出了噴射壓力、噴孔數和氣門結構對柴油機nox和微粒排放的影響。圖36 噴油系統(tǒng)改進對柴油機排放的影響目前開發(fā)的100mpa以上的高壓噴射裝置有直列式噴射泵、凸輪驅動單體泵和蓄壓式（含油壓驅動式）單體泵三大類。各種不同類型存在的問題列表 表31 各種高壓噴射裝置及其存在的問題盡管高壓噴射目前仍存在上述問題，但可以肯定高壓噴射將是柴油機的重要發(fā)展方向。3.4.2 改進噴油器結構圖37所示為日本本田汽車公司采用的一種預噴射式噴油器結構。噴油器中裝有兩對

39、彈簧和推桿以取代一般噴油器的單一彈簧和推桿。當油壓超高第一彈簧力時，噴油嘴針閥上升，預先噴入極少量的燃油到氣缸中，油壓超過第一和第二彈簧力之和時，針閥上升之全行程，再將主噴油量噴入氣缸。主噴射時燃燒室中已有燃燒火焰，因此主噴射階段噴霧燃燒迅速，對于減少起動時的白煙、全負荷時碳煙及nox排放具有相當好的效果。由于燃油分成兩段噴射，可以降低最高燃燒壓力，因此可以降低發(fā)動機的噪音。減少噴油器壓力室容積可以減少hc排放。在噴射結束時，壓力室的燃油在高溫作用下受熱膨脹進入氣缸，其情況與噴注尾部相似。這些燃油在排氣門開啟前無法燃燒，結果造成排氣中hc過高，因此現在的噴油器都力求減少壓力室容積以減少hc排放

40、，如圖38所示。對噴油器來說，可采用無壓力室或減少壓力室容積到最小程度，但壓力室容積的減少受噴油器壽命的限制。由于高壓油管物理特性的限制，傳統(tǒng)的泵一管一嘴系統(tǒng)很難產生較高的噴射壓力，因此可采用泵噴嘴。泵噴嘴就是將油泵和油嘴做成一體的燃油噴射系統(tǒng)。由于取消了高壓油管，燃油的噴射壓力可以達到1800bar左右，并且縮短了燃油噴射的時間，對改善柴油機的排放具有良好的潛力。采用泵噴嘴的柴油機，由于在氣缸蓋上產生很大的壓力，對氣缸套和氣缸蓋的剛度要求較高。另外，高壓油泵的凸輪和曲軸相距較遠，對傳動系統(tǒng)的剛度要求也較高。這兩項要求限制了泵噴嘴系統(tǒng)燃油噴射壓力的進一步提高。 圖37 預噴射式噴油器 圖38

41、減小噴油器壓力室的容積3.4.3 電子控制噴射系統(tǒng)為提高柴油機的輸出功率，節(jié)省燃油消耗，降低排氣污染和提高加速性能，現代高性能柴油機的噴射系統(tǒng)已改用電子控制。電子控制與機械控制相比其突出的優(yōu)點是控制的精確性和相應的快速性。它可以在任何工況下選擇最佳噴油量和最佳噴油時刻，從而改善了柴油機的性能。國外研究表明，用電子控制調速器和噴油定時，可以使全負荷扭矩增加10%，燃油消耗率降低5%左右，排氣煙度下降50%，其它排氣污染物也有所降低。柴油機電子控制技術與汽油機電控技術有相似之處，都是由傳感器、電控單元和執(zhí)行器三大部分組成，在傳感器中，大多數傳感器，如轉速、壓力、溫度傳感器、油門踏板傳感器都是一樣的

42、。電控單元在硬件方面相似，在整車管理系統(tǒng)的軟件方面也很相似，電控單元都朝著集成化、智能化、綜合控制化方向發(fā)展。國外汽油機電控技術已經成熟，商品化程度很高，因此大部分傳感器和電控單元已不是難點，但是柴油機的燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點，其噴射壓力為汽油噴射的幾百倍，甚至上千倍，要求有很好的可靠性和耐久性，而且柴油噴射對噴射正時的精度要求很高，相對于上死點的角度位置要求很準確，這就導致了柴油噴射的執(zhí)行器要復雜得多。從控制對象來看，機械控制是用機械調速器控制噴油量，機械式提前器控制噴射正時，電子控制不僅控制噴油量、噴油正時，而且控制噴射速率、噴射壓力，所感應的工況由單一的轉速工況發(fā)展到感應整個

43、發(fā)動機運行工況和環(huán)境條件，這勢必帶來控制的復雜性。因此柴油機電控技術的關鍵是執(zhí)行器，即電控柴油噴射機構。各個國家都在致力于開發(fā)研制各種類型的電控柴油噴射機構，以尋求最佳方案。電控柴油噴射系統(tǒng)有兩大類，一類是位置控制，一類是時間控制。從發(fā)展的順序上講，首先發(fā)展的是位置控制系統(tǒng)。因此，人們稱它為第一代柴油機電控系統(tǒng)，而把時間控制系統(tǒng)稱為第二代。位置控制的特點是不僅保留了傳統(tǒng)的泵一管一嘴系統(tǒng)，而且還保留了噴油泵中的齒條、滑套、柱塞上控制斜槽等控制油量的傳動機構，只是對齒條和滑套的運動位置予以電子控制。時間控制是用高速電磁閥直接控制高壓燃油。一般情況下電磁閥關閉即開始噴油，電磁閥打開噴油結束。噴油時刻

44、取決于電磁閥關閉的時刻，噴油量取決于電磁閥關閉的持續(xù)時間。而傳統(tǒng)的油泵上的齒條、滑套、柱塞上的斜槽、提前器等均可予以取消。時間控制的自由度更大。（1）在分配式噴油泵上實施位置控制的電控噴油系統(tǒng)圖39為豐田汽車公司在皇冠牌轎車上使用的2lte電控柴油噴射系統(tǒng)，它是在ve分配泵上進行電控的系統(tǒng)。噴油量控制由ve泵滑套位置改變泄放孔開放時間早晚而定，滑套的移動由電磁閥的鐵芯經一根杠桿來操縱。電磁閥鐵芯的位置，由油門踏板位置傳感器及發(fā)動機轉速傳感器的基本信號，加上冷卻水溫度傳感器及進氣溫度的修正信號經過計算機計算后決定?；咨涎b有滑套位置傳感器，以進行回位控制。正時控制用一個電磁閥控制ve泵上原有的高

45、壓室和低壓室的壓差，使活塞運動，改變凸輪的相位，控制噴油正時，也有一個提前器位置信號傳感器作反饋信號，該系統(tǒng)用在豐田2l型4缸非直噴式柴油機上，該發(fā)動機的標定功率為70.5kw，標定轉速為4000r/min，并且已商品化多年。圖39 皇冠牌轎車上使用的2lte電控噴油系統(tǒng)德國boack公司的ecd系統(tǒng)和日本zexel公司的covec系統(tǒng)也是在ve分配泵實行電控，只是采用電磁閥直接操縱分配泵上的滑套，實現油量控制。其正時控制與上述2lte電控柴油機噴射系統(tǒng)相近似。日本的covec系統(tǒng)最早用于五十鈴4fb1的非直噴式柴油機上。boack公司的電控分配泵已用在奔馳e290直噴式增壓柴油機上，該機2.

46、9l、5缸、氣門，標定功率95kw，標定轉速4000r/min，轎車用，全面達到1996年歐洲排放法規(guī)要求。（2）在直列式噴油泵上實施位置控制的電控噴油系統(tǒng)圖310、圖311是德國boack公司在直列泵上采用的電控系統(tǒng)。re25電子調速器是通過液壓伺服活塞推動齒桿運動，實現油量控制。液壓伺服活塞由電磁閥控制，它的工作介質為柴油，通過一個電動輸油泵同時給噴油泵和re25的液壓伺服系統(tǒng)供油。re24電子調速器則是通過線性電磁鐵推動齒桿運動，與re25相比，它的推力較小，但響應速度較快。（3）采用時間控制的電控噴油系統(tǒng)目前以時間控制的電控噴油系統(tǒng)有多種形式，如美國底特律柴油公司的ddec電控泵噴嘴系

47、統(tǒng)（圖312），德國boack公司eup13電控單體泵系統(tǒng)（圖313），日本電裝公司的ecdu2系統(tǒng)，美國bkm公司的sevrojet系統(tǒng)，美國caterpillar公司的heui系統(tǒng)的蓄壓式電控噴油系統(tǒng)。 圖310 re25型電子調速器結構 圖311 re24型電子調速器結構servojet系統(tǒng)是一種共軌蓄壓式電控噴油系統(tǒng)，整個系統(tǒng)如圖314所示。系統(tǒng)中輸油泵為一個低壓的電動葉片泵。共軌壓力軸向柱塞泵是一個有5個或個柱塞的kv型斜盤式軸向柱塞泵，輸油壓力為210mpa。軸向柱塞泵將燃油送到共軌中，共軌壓力由壓力調節(jié)器根據ecu指令予以調節(jié)。噴油器是由電磁三通閥控制的蓄壓式結構，如圖315所示

48、。servojet系統(tǒng)的工作原理如圖316、圖317所示。當電磁閥通電時，關閉了回油通道，共軌燃油進入增壓活塞上方，活塞就下行。增壓活塞的面積比增壓柱塞的面積大1016倍，因此10mpa的共軌燃油在增壓柱塞下方增壓到100160mpa。高壓燃油通過蓄壓室單向閥進入噴油嘴存油槽和針閥的上部。此時針閥由于針閥尾部的壓力和噴油嘴彈簧的壓力不會升起噴油，如圖316。當電磁閥斷電而打開回油通路時，如圖317，由于三通閥聯動作用，共軌燃油不能進入增壓活塞上方，增壓活塞上方的燃油通過回油管道而泄壓。增壓活塞和增壓柱塞上行，導致增壓柱塞下方和針閥尾部上的油壓也降下來。蓄壓室中的高壓燃油通過噴油嘴存油槽作用在針

49、閥上使針閥向上抬起，實現高壓噴射。噴油始點取決于電磁閥打開的時刻，而噴油量卻取決于共軌中的油壓。servojet系統(tǒng)由于采用中壓共軌，電磁閥所承受的燃油壓力較低，使電磁閥結構簡化。同時該系統(tǒng)可實現高壓噴射，短的噴油持續(xù)期，噴油正時和噴油量的柔性控制，也可實現預噴射。 圖312 ddec電控泵噴嘴系統(tǒng) 圖313 eup13 電控單體泵系統(tǒng)圖314 servojet系統(tǒng)示意圖圖315 servojet帶電磁閥的蓄壓式噴油器圖316 servojet系統(tǒng)工作原理圖圖317 servojet系統(tǒng)工作原理圖b美國caterpillar公司的heu1系統(tǒng)也是一種中壓共軌電控噴射系統(tǒng)，如圖318所示。它的共

50、軌中不用燃油而用柴油機的潤滑油，因此系統(tǒng)中有潤滑油和燃油兩套油路。圖318 caterpillar公司的heui系統(tǒng)3.5 燃料的改良3.5.1 燃料的改質燃料的品質影響燃燒過程，因此直接會影響污染物的排放。從減少柴油機顆粒物排放觀點看柴油的品質時，以含硫量、芳烴含量、揮發(fā)性、十六烷值等項較為重要。有關研究表明，柴油機微粒排放中有5%10%是由于柴油中硫所形成的硫酸和以微粒形式存在的多種金屬硫化物（硫酸鹽等）引起。硫酸會加劇氣缸磨損，降低柴油中硫含量可以延長發(fā)動機使用壽命，減少排放污染物。為了達到美國1991年排放法規(guī)，需使用含0.1%硫的柴油，而要達到年排放法規(guī)，柴油中含硫量必須降低到0.0

51、5%。柴油中芳烴含量對微粒物的生成具有重要影響。芳烴著火性較差，在燃燒時容易產生較多的碳煙。降低柴油中芳烴含量可以減少柴油機微粒物的排放。根據caterpillar/mobil研究資料顯示，將芳烴的含量由一般柴油含量的29%降低到17%時，微粒排放量可減少30%。同時由于芳烴含量降低會使十六烷值提高，對提高柴油機的冷起動性能、減少hc和nox排放也有很大作用。柴油中芳烴含量對微粒物的生成具有重要影響。芳烴著火性較差，在燃燒時容易產生較多的碳煙。降低柴油中芳烴含量可以減少柴油機微粒物的排放。根據研究資料顯示，將芳烴的含量由一般柴油含量的降低到時，微粒排放量可減少同時由于芳烴含量降低會使十六烷值提

52、高，對提高柴油機的冷起動性能、減少和排放也有很大作用。3.5.2 燃油添加劑在柴油中加消煙添加劑可明顯降低排氣煙度。消煙劑為金屬的有機化合物，一般含鋇、錳、鎂、鋅等，用量為千分之一到千分之五。對于消煙機理目前還不清楚，有人認為消煙劑沒有抑制碳煙的生成，而是促進了碳煙粒子的后燃，并釋放出少量熱使廢氣溫度有所提高。消煙劑促使碳粒在膨脹過程中后燃的原因估計有三點：碳煙晶子附聚成較大的粒子被抑制碳粒氧化反應溫度被降低，從原來的640750降低為550630，這使碳粒的燃燒時間加長，所以碳煙減少消煙劑中含有的金屬在原子狀態(tài)下被釋放出來起了催化劑作用但是消煙添加劑往往引起燃料燃燒的灰分和沉積物增多，引起發(fā)

53、動機的磨損，如采用含鋇添加劑，燃燒中生成氧化鋇物質。在添加劑體積百分比為0.5%時，燃料中的含灰量已達到不能允許的程度，由此而引起沉積現象。沉積在噴嘴和燃燒室上時會引起發(fā)動機工作過程惡化，以至在工作較長一段時間后，發(fā)動機廢氣中的碳煙量又增加。氧化鋇是一種熔點高的白色物質，它可使氣缸和第一道活塞環(huán)磨損加劇。近年來國外開展了用燃油添加劑減少微粒物的研究，已有用銅添加劑控制微粒排放的報告。銅能改變排氣微粒的氧化特性，燃油中加入銅添加劑能使收集在微粒捕集裝置中的微粒繼續(xù)氧化。3.6柴油機排氣污染物的機外凈化措施3.6.1 催化凈化技術使用催化凈化技術來減少發(fā)動機的氣態(tài)污染物在汽油機上已廣泛使用，而在柴

54、油機上應用的還不多。這是由于co和hc比汽油機低得多，一般能符合當前各國排放要求，而且柴油機廢氣處理困難較多。柴油機廢氣中nox與汽油機相近，是需要控制的。但廢氣中氧的濃度高，不能用還原催化劑凈化nox。另外廢氣中氧的濃度高，雖對采用氧化催化劑凈化co和hc等有害成分有利，可以不用二次空氣，但柴油機排氣溫度低，使催化劑轉化率受到不利影響。柴油機排放中碳煙多，so2也比汽油機多，都會降低催化轉化器的壽命。特別是柴油機在變工況低負荷下工作時，廢氣中大量的碳煙和瀝青等成分會粘附在催化劑表面，使催化劑失去活性。由于應用催化劑遇到的問題，柴油機使用催化反應器處理廢氣的辦法采用的很少。只有地下礦坑或隧道使

55、用的柴油機，因為排氣凈化要求嚴格，需要采用這種辦法處理co和hc。在廢氣處理中，為了保證催化劑有足夠的溫度，要求催化劑的安裝盡量靠近排氣歧管，并盡量避免柴油機在怠速下長期運轉。同時，還要采取措施，設法對失去活性的催化劑進行處理，燒掉附著在催化劑表面的碳粒和瀝青，使催化劑再生，以延長使用壽命。3.6.2 柴油機微粒物機外凈化方法微粒的機外凈化裝置是由捕集徽粒的過濾器（又稱捕集器）及氧化再生系統(tǒng)組成。捕集器可將排氣中的微粒捕捉不使其排出，再利用催化劑、氧化器、燃燒器等進行分解、燃燒。這種裝置可將柴油機微粒減少70%90%。(1) 捕集器用來捕集微粒的過濾器的材料和構造有許多種，常用的有整體式陶瓷（圖319）、金屬絲網（圖320）、編織纖維圈（圖321）、陶瓷纖維、泡沫陶瓷等。圖319 整體式陶瓷捕集器柴油機中的微粒能被過濾材料捕集主要有種機理：撞擊、攔截和擴散。（）撞擊排氣流中較大的顆粒，當氣流遇到過濾材料改變方向時，離開氣流撞擊在過濾材