柴油機(jī)微粒排放凈化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)主題:柴油機(jī)微粒排放凈化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)系:汽車與動(dòng)力工程系專業(yè):汽車檢測(cè)與維修技術(shù)。學(xué)生: 第七名講師: 2020年5月柴油機(jī)微粒排放凈化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)摘要近年來，隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，世界各國(guó)對(duì)環(huán)境的要求都很高。柴油機(jī)的微粒排放對(duì)人類的危害更大，不同程度地破壞了生態(tài)環(huán)境，因此柴油機(jī)微粒的凈化技術(shù)也備受關(guān)注。本文對(duì)目前已采用的柴油機(jī)微粒凈化技術(shù)及其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討，以使柴油機(jī)排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，盡可能少污染或無污染。關(guān)鍵詞:柴油機(jī)微粒；碳顆粒；耐烴有機(jī)物目錄TOC o 2-2 h z t 標(biāo)題 1,1,標(biāo)題 3,3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc6

2、800 1緒 論1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc9470 2柴油機(jī)微粒的組成、成份分析2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc1822 2.1 柴油機(jī)燃燒過程分析2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc29235 2.2 通過廢氣實(shí)驗(yàn)測(cè)得各種微粒所占比例3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc31627 3 柴油機(jī)微粒的生成機(jī)理4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc17132 4各種微粒的處理方法5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc14586 4.1 分析微粒的質(zhì)量與成份5

3、 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20210 4.1.1 熱解質(zhì)量分析法5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20116 4.1.2真空揮發(fā)法5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc19775 4.1.3 索式萃取法5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20991 4.2 分析影響微粒生成的因素6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc5419 4.2.1負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的影響6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc7249 4.2.2燃料的影響7 HYPERLINK l _RefHea

4、ding_Toc1551 4.2.3 噴油參數(shù)的影響7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc14259 4.2.4 空氣渦流的影響8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20699 4.2.5 其他因素的影響9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc19224 5現(xiàn)如今主要采用的凈化技術(shù)10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc23407 5.1 柴油機(jī)的機(jī)凈化技術(shù)10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc31923 5.1.1 優(yōu)化燃燒過程10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296

5、28 5.1.2 降低機(jī)油消耗量10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc18704 5.1.3 燃料的改進(jìn)措施11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc30971 5.2 柴油機(jī)的機(jī)后凈化技術(shù)11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc31736 5.3 微粒捕集器12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc4980 5.4 氧化催化轉(zhuǎn)換器12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc8595 6未來凈化技術(shù)的改進(jìn)13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc6064 6.1 柴油機(jī)燃燒室的改進(jìn)1

6、3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc14682 6.2 柴油機(jī)燃油和燃燒方式的改進(jìn)15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc22540 6.2.1 燃油的取代15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471 6.2.2 燃油的霧化16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc1 6.2.3燃油噴射控制17 HYPERLINK l _RefHeading_Toc11090 6.3 進(jìn)氣系統(tǒng)的改進(jìn)17 HYPERLINK l _RefHeading_Toc11939 6.3.1 采用增壓中冷技術(shù)17 HYPERLINK l _

7、RefHeading_Toc28878 6.3.2多氣門技術(shù)17 HYPERLINK l _RefHeading_Toc29222 結(jié) 論18 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20996 參考文獻(xiàn)19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc5220 致 201兆理論隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境問題日益浮現(xiàn)在人們的眼前，所以人們也更加注重環(huán)保！面對(duì)國(guó)際上日益嚴(yán)格的柴油機(jī)排放法規(guī)，柴油機(jī)排氣技術(shù)的研究不斷更新，各種類型的排氣凈化裝置為機(jī)動(dòng)車污染控制提供了新的方法和途徑。柴油車不僅具有動(dòng)力性好、經(jīng)濟(jì)性好、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，還能減少10% 20%的碳氧化物排放，極大地吸引了

8、人們對(duì)柴油車的關(guān)注。但柴油車的顆粒物排放量是汽油車的30 80倍，嚴(yán)重污染環(huán)境，危害人體健康。阻礙其發(fā)展的是柴油機(jī)的氮氧化物和顆粒物排放，所以改善柴油機(jī)排放是保護(hù)環(huán)境的重要一項(xiàng)！2柴油機(jī)微粒的成分及成分分析2.1柴油機(jī)燃燒過程分析由于柴油機(jī)蒸發(fā)性差，柴油噴油器在高壓下將柴油噴入氣缸，并分散成數(shù)百萬個(gè)微小的油滴。這些油滴在氣缸的熱氣中被加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散、混合并在燃燒前發(fā)生反應(yīng)，最后著火。因?yàn)槊看螄娚涠家掷m(xù)一段時(shí)間，通常氣缸著火時(shí)噴射過程還沒有結(jié)束，所以混合氣形成和燃燒的過程會(huì)重疊，也就是噴油和燃燒。柴油在氣缸內(nèi)的燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程。燃燒過程的完善程度直接影響柴油機(jī)的工作功率、熱效

9、率和使用壽命。燃燒過程分為四個(gè)階段:延遲燃燒、快速燃燒、緩慢燃燒和后燃燒。第一階段，點(diǎn)火延遲期，是指從柴油開始噴入氣缸到點(diǎn)火的這段時(shí)間。這一階段包括燃料的霧化、加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散和空氣混合等物理變化，從而與重分子的裂解、燃料的低溫氧化等化學(xué)變化同時(shí)著火，到一個(gè)或多個(gè)混合物濃度和溫度適宜并充分氧化的地方。第二階段快燃期是指從火災(zāi)開始到最高壓力出現(xiàn)的時(shí)期。在這個(gè)階段，點(diǎn)火延遲期噴射的燃油并沒有全部燃燒，主要取決于混合氣的形成條件，但至少有相當(dāng)一部分噴入氣缸并混合的燃油會(huì)燃燒。第三階段慢燃期是指從最高壓力到最高溫度的時(shí)期。緩燃期開始時(shí)，雖然氣缸已形成燃燒產(chǎn)物，但仍有大量混合氣燃燒。在慢燃期的前期，噴射

10、過程可能還沒有結(jié)束，所以慢燃期的燃燒過程還在以相當(dāng)高的速度進(jìn)行，釋放出大量的熱量，使得燃?xì)鉁囟壬仙阶畲笾怠５鞘窃谠黾託飧兹莘e的情況下進(jìn)行的，所以氣缸氣壓下降很快。第四階段，即后燃期，是指從慢燃期結(jié)束到燃料基本燃燒的時(shí)期。在燃燒的第一階段，燃油從噴射中心向外擴(kuò)散的過程被燃燒后的廢氣所包圍，使一部分燃油被拖到燃燒的后期，形成后燃期。柴油機(jī)的工作原理是將柴油噴入高壓壓縮空氣中，并迅速混合自燃。因此，混合物不是那么均勻，一些燃料不能完全燃燒和分解成碳基顆粒。因此，要分析柴油機(jī)微粒排放凈化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，首先要分析其燃燒過程。只有這樣，我們才能知道燃燒后顆粒的成分和形成方式。柴油機(jī)排放物中的有害成分

11、主要包括一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、微粒等。顆粒物主要包括煤煙顆粒、可溶性碳?xì)浠衔?、硫和水。由于比表面積大，吸附能力強(qiáng)(吸附多環(huán)芳烴等。)，粒徑小(僅0.010.05cm)，重量輕，排放的顆粒物可長(zhǎng)期懸浮在大氣中，易被人體吸入并沉積在肺細(xì)胞中，對(duì)人體健康危害極大。2.2通過廢氣實(shí)驗(yàn)測(cè)量各種顆粒的比例。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，柴油機(jī)微粒的主要成分如下表所示。表1-1柴油機(jī)微粒主要成分的比例碳粒子百分之三十可溶性烴類有機(jī)物35%硫和水35%3柴油機(jī)微粒的形成機(jī)理柴油機(jī)排氣微粒由許多天然微球組成，整體結(jié)構(gòu)呈絮狀或鏈狀。柴油機(jī)微粒的成分取決于柴油機(jī)的工作條件，尤其是排氣溫度。當(dāng)排氣溫度超過500時(shí)，排氣微

12、?；旧鲜窃S多含碳微球的集合體，稱為碳煙，也叫煤煙微粒；當(dāng)排氣溫度低于500(柴油機(jī)大部分工況)時(shí)，煙幕微粒會(huì)吸附凝結(jié)多種有機(jī)物，這些有機(jī)物稱為有機(jī)可溶成分。這些有機(jī)物在一定溫度下可以揮發(fā)，大部分可以溶解在有機(jī)溶劑中。其顆粒含量變化很大，從10%到90%不等，其含量取決于燃料特性、發(fā)動(dòng)機(jī)類型和運(yùn)行條件。如果你沿著發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管進(jìn)行測(cè)試取樣，可以發(fā)現(xiàn)顆粒物的粒徑在不斷增大，廢氣中的有機(jī)化合物不斷地被吸附、凝結(jié)在顆粒物上，使廢氣中有機(jī)可溶性成分的含量增加。柴油機(jī)排放的煙度顆粒主要由燃料中的碳生成，受燃料種類、燃料分子中的碳原子數(shù)和氫原子比例的影響。柴油機(jī)碳煙也是不完全燃燒的產(chǎn)物，是燃料在高溫缺氧條

13、件下裂解脫氫的產(chǎn)物。從熱解的角度來看，碳煙顆粒形成于燃料富含擴(kuò)散火焰的燃燒處。一般來說，柴油機(jī)碳煙的生長(zhǎng)和增長(zhǎng)可以分為兩個(gè)階段:(1)碳煙生長(zhǎng)階段:這是一個(gè)誘導(dǎo)期，在此期間，燃料分子通過其氧化中間產(chǎn)物或熱解產(chǎn)物萌發(fā)凝聚相。(2)煙霧顆粒的生長(zhǎng)階段:包括表面生長(zhǎng)和聚集。表面增長(zhǎng)是指來自氣相的物質(zhì)附著在煙幕顆粒表面，增加其質(zhì)量，同時(shí)引起脫氫反應(yīng)，但不改變煙幕顆粒的數(shù)量。聚集過程是指煙霧顆粒通過碰撞增長(zhǎng)，煙霧顆粒數(shù)量減少，形成鏈狀或絮狀聚集體。在柴油機(jī)中，碳煙聚集的過程往往與碳煙在空氣中氧化的過程同時(shí)發(fā)生，即燃燒前期生成的碳煙顆粒在溫度高于碳反應(yīng)溫度、出現(xiàn)湍流火焰的富氧區(qū)與氧氣混合，在燃燒后期完全燃

14、燒。煙塵排放取決于生煙反應(yīng)和氧化反應(yīng)之間的平衡。可燃混合物的碳氧原子比是碳煙開始形成的重要因素。(3)煙霧顆粒的氧化在煤煙形成的整個(gè)過程中，無論是朱兆武、晶核還是聚集體，都可能發(fā)生氧化。通過特殊的測(cè)試方法可以測(cè)得，柴油機(jī)缸內(nèi)的碳煙峰值濃度遠(yuǎn)大于排放濃度，這說明燃燒時(shí)產(chǎn)生的碳煙大部分在排氣過程開始之前就被氧化了。(SOF的吸附和冷凝柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣微粒產(chǎn)生的最后階段是將組成SOF的重有機(jī)化合物冷凝和吸附成煙灰聚集體。這一階段主要發(fā)生在燃?xì)鈴陌l(fā)動(dòng)機(jī)排出并被空氣稀釋之前，通過吸附和冷凝作用，使碳煙表面被SOF覆蓋。四種顆粒的處理方法4.1分析顆粒的質(zhì)量和成分。排放法規(guī)并未要求進(jìn)行顆粒物成分分析，但對(duì)顆

15、粒物形成、氧化過程和顆粒物后處理技術(shù)的研究具有重要意義。下面描述微粒中有機(jī)可溶性成分SOF的分離方法:4.1.1熱解質(zhì)量分析法熱解質(zhì)量分析法是在惰性氣體氣氛中以規(guī)定的升溫速率將顆粒樣品加熱到923K，并保持該溫度5分鐘。在這段時(shí)間內(nèi)，一部分可以揮發(fā)，用熱平衡測(cè)得的顆粒質(zhì)量減少量代表?yè)]發(fā)部分。該方法測(cè)得的高沸點(diǎn)HC和硫酸鹽與SOF基本一致。而當(dāng)氣體氣氛改為空氣時(shí)，在相同溫度下，樣品進(jìn)一步減少的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的是被氧化的煤煙結(jié)合，殘留的灰分是微量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確、快速地獲得樣品質(zhì)量損失速率的連續(xù)曲線，并根據(jù)該曲線可以定量分析VF中的不同組分，并且可以測(cè)量該碳煙在各種條件下的氧化速率。缺點(diǎn)是熱解質(zhì)

16、量分析儀價(jià)格昂貴，一次只能處理一個(gè)樣品。4.1.2真空揮發(fā)法真空揮發(fā)法是將顆粒樣品置于真空干燥箱中，在95Kpa以上的真空度和473k K以上的溫度下加熱3小時(shí)左右，質(zhì)量變化就是顆粒中的VF含量。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。真空干燥箱容積大，可一次處理多個(gè)樣品。但是質(zhì)量變化不能連續(xù)記錄，所以采集VF比較困難。4.1.3索氏提取法微粒中的SOF可以通過電纜抽取來收集。常用的電纜抽取方法如下圖4-1所示:1-冷凝管2-提取管3-虹吸管4-連接管5-提取瓶圖4-1索氏提取將有體積的燒瓶放入恒溫槽中，用水加熱使體積蒸發(fā)，然后提升到冷凝管中，冷凝液返回樣品室浸泡樣品進(jìn)行提取。當(dāng)萃取液達(dá)到一定體積時(shí)，通過虹

17、吸管流回?zé)?。這樣，體積在萃取液中循環(huán)，顆粒中的SOF被連續(xù)帶入燒瓶中，直到萃取完成。萃取溶劑通常為二氯甲烷，其沸點(diǎn)為315K，遠(yuǎn)低于樣品中的SOF。一般8小時(shí)即可完成提取，樣品原始質(zhì)量與殘?jiān)|(zhì)量之差為SOF質(zhì)量。從原理上講，這種方法是測(cè)量柴油機(jī)排氣微粒中SOF最準(zhǔn)確的方法，而且萃取可以多次使用。然而，這種方法的缺點(diǎn)是耗時(shí)且操作復(fù)雜。汽車尾氣顆粒中的SOF成分復(fù)雜，可以通過氣相色譜儀GC進(jìn)一步分析，找出各種HC的來源。一般低于C19的HC來自柴油，高于C28的HC來自潤(rùn)滑油。如果色譜儀和質(zhì)譜儀一起使用，復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)可以被更詳細(xì)地分析。因此，結(jié)果表明，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，柴油機(jī)排氣微粒中的揮

18、發(fā)性成分從95%下降到65%左右。剩下的都是不揮發(fā)的可燃碳粒，不可燃的無機(jī)物很少。4.2分析影響顆粒產(chǎn)生的因素。4.2.1負(fù)載和速度的影響圖4-2顯示了柴油機(jī)微粒排放與負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。從圖中可以看出:高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)，單位油耗的微粒排放量較大，隨著負(fù)荷的增加，微粒排放量減少；但在低速高負(fù)荷時(shí)，微粒的排放隨著空燃比的增加而增加。圖4-2顯示了柴油機(jī)微粒排放與負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。微粒排放隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)是由于低負(fù)荷時(shí)空燃比和溫度較低，氣缸的稀混合氣面積較大，在燃燒極限外無法燃燒，產(chǎn)生了凝結(jié)收集的有利條件，從而產(chǎn)生更多的微粒(主要由未燃燃油和部分氧化產(chǎn)物組成)；在重負(fù)荷下，空燃比和溫度都較高，產(chǎn)生了有

19、利于裂解和脫氫的條件，顆粒物(主要由碳煙組成)的排放又有所增加；接近滿負(fù)荷時(shí)，顆粒物排放急劇增加(接近煙度限值)。此時(shí)，雖然總體過量空氣系數(shù)仍大于1，但燃燒室內(nèi)的可燃混合氣會(huì)局部過度集中，產(chǎn)生大量的煙度顆粒。顆粒排放和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系是這樣的，即在低負(fù)荷下溫度低，并且主要由未燃燒的燃料液滴組成的顆粒的氧化弱。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，這種氧化受到時(shí)間因素的限制，因此顆粒排放隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。在大負(fù)荷下，轉(zhuǎn)速的提高有利于氣流運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，加快燃燒速度，促進(jìn)碳煙顆粒在高溫下與空氣的混合氧化。因此，以碳煙為主的顆粒的排放隨著轉(zhuǎn)速的增加而減少。如果只考慮碳煙排放，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性好的柴油機(jī)峰值濃度往往出現(xiàn)在低速高負(fù)荷區(qū)

20、。燃料的影響柴油中的芳烴含量和柴油的餾程對(duì)柴油機(jī)的微粒排放有明顯影響。實(shí)驗(yàn)表明，在相同條件下，燃料中芳烴含量和餾程越高，微粒排放量越大。烷烴含量越高，微粒排放越少。燃料的十六烷值對(duì)碳煙排放也有明顯的影響。實(shí)驗(yàn)表明，柴油機(jī)的排放濃度隨著十六烷值的增加而增加。原因可能是十六烷值高的燃料穩(wěn)定性差，燃燒過程中碳粒的生成率高?？紤]到燃料的十六烷值對(duì)燃燒過程的影響，十六烷值的燃料著火性好，所以排煙濃度較高。但是，降低十六烷值來改善煙度排放會(huì)帶來柴油機(jī)工作不平穩(wěn)等嚴(yán)重后果。4.2.3噴油參數(shù)的影響在直噴式柴油機(jī)中，當(dāng)所有其他參數(shù)不變時(shí)，早噴或晚噴可以減少排氣煙度，如圖4-3所示。圖4-3注射參數(shù)噴油提前導(dǎo)致

21、排氣煙度降低的原因是隨著噴油提前角的增大，點(diǎn)火延遲期延長(zhǎng)，導(dǎo)致點(diǎn)火前噴油量增加，燃燒溫度升高，燃燒過程提前結(jié)束，導(dǎo)致排氣煙度降低。但是，噴油提前會(huì)增加柴油機(jī)的燃燒噪聲、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，也會(huì)引起NOX排放的增加。很晚噴油是排煙減少的原因是這個(gè)噴油正時(shí)發(fā)生在最小滯止氣體之后。因?yàn)榇蟛糠謹(jǐn)U散火焰發(fā)生在膨脹過程中，火焰溫度在腳底，降低了煙塵的生成率。(1)噴油規(guī)律的影響在噴油正時(shí)、噴油持續(xù)角、循環(huán)供油量、渦流比和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，直噴規(guī)律對(duì)NO和碳煙排放的影響如圖4-4所示。前半段時(shí)間大部分燃油噴入缸內(nèi)，參與預(yù)混燃燒的油量增加，所以廢氣濃度低，NO濃度高；相反，當(dāng)大部分燃油在后半段噴入氣缸時(shí)，

22、參與擴(kuò)散燃燒的油量增加，因此廢氣濃度高，NO濃度低。在提高初始噴射率的前提下，如果能夠減小噴射持續(xù)角，可以更快地完成燃燒過程，從而改善碳煙排放。圖4-4直噴規(guī)律對(duì)NO和碳煙排放的影響(2)注射器異常注射的影響。當(dāng)由于針閥密封面漏油或針閥落座緩慢導(dǎo)致噴油嘴泄漏，或針閥落座后再次上升，導(dǎo)致二次噴射時(shí)，燃油的霧化和混合會(huì)變差，對(duì)碳煙、未燃碳?xì)浠衔锖虲O的排放及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。(3)注射壓力的影響提高噴射壓力，改善燃油霧化(減小油霧的平均直徑)可以促進(jìn)燃油與空氣的混合，提高汽油混合的均勻性，從而減少煙度顆粒的產(chǎn)生。試驗(yàn)表明，無論柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷如何，碳煙排放隨最大噴射壓力的增加而降低。應(yīng)當(dāng)

23、注意的是，相同的燃料噴射裝置在更高的轉(zhuǎn)速和更高的負(fù)載(更大的循環(huán)燃料供給)下具有更高的燃料噴射壓力。采用較高的噴射壓力也可以使柴油機(jī)具有較高的EGR耐久性。提高EGR率可以減少NOX排放，但也往往導(dǎo)致碳煙和HC排放的增加。從圖中可以看出，當(dāng)噴射壓力從42MPa增加到82MPa時(shí)，碳煙排放可以減少一半以上，HC排放可以減少1/3左右。4.2.4空氣渦流的影響適當(dāng)增加空氣渦流可以加速油滴的蒸發(fā)?？諝鈯A帶量的增加有利于改善混合氣質(zhì)量，降低碳煙排放。然而，渦流雖然對(duì)減少碳煙排放很有作用，但并不一定有利于減少其他顆粒和有害物質(zhì)的排放。例如，當(dāng)燃油噴射率較低時(shí)，增加空氣渦流將吹走更多的燃油，形成更寬的過稀

24、非點(diǎn)火區(qū)，這將增加未燃碳?xì)浠衔锏呐欧?。其他因素的影響因?yàn)楦邷睾腿毖跏翘紵熒闪吭黾拥闹匾颍砸磺锌梢蕴岣叱錃庑实拇胧﹣碓黾舆M(jìn)氣量，都可以減少碳煙的排放。適當(dāng)提高空氣溫度和燃燒室壁溫可以改善燃油著火條件，降低微粒排放。5目前采用的主要凈化技術(shù)。5.1柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)凈化技術(shù)凈化機(jī)旨在減少燃燒室內(nèi)初始碳粒的形成，通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)或增加附加裝置來達(dá)到顆粒凈化的目的。優(yōu)化燃燒過程系統(tǒng)的優(yōu)化燃燒過程對(duì)顆粒的生成影響最大，也是研究熱點(diǎn)。主要有以下幾個(gè)研究方向。A.與噴油相關(guān)的噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化主要包括噴油量、噴嘴端壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)和噴油提前角。燃油噴射系統(tǒng)的性能直接影響燃油的霧化和混合氣的質(zhì)量，最終

25、影響微粒的排放特性。比如增加噴孔數(shù)量，采用電控技術(shù)，提高噴射壓力，可以使燃油在燃燒室內(nèi)分布更加均勻，減少燃油碰壁，有助于降低微粒排放，但會(huì)導(dǎo)致NO的增加；B.燃燒方式的改進(jìn)為了降低微粒排放，各國(guó)都在研究預(yù)混燃燒方式的柴油機(jī)，使燃油與空氣充分混合，盡可能避免燃油在高溫缺氧下裂解成碳粒的可能性；C.進(jìn)氣渦流的優(yōu)化。在高壓噴射的情況下使用低渦流比有利于減少微粒排放。這是由于渦流比大，增加了進(jìn)氣速度，降低了充氣效率。但發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，低速時(shí)需要高的進(jìn)氣渦流；然而，在高速時(shí)需要低進(jìn)氣渦流?？勺儨u流進(jìn)氣技術(shù)可以使運(yùn)行中的渦流比在0.2 2.5之間變化，在全范圍內(nèi)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能和微粒排放特性。D.四氣門技

26、術(shù)采用四氣門結(jié)構(gòu)，使活塞上的燃燒坑和氣缸蓋上的噴嘴布置在燃燒室中央，改善了進(jìn)氣渦流和油霧的分布，明顯優(yōu)化了燃燒工況，改善了活塞和噴嘴的冷卻條件，從而降低了微粒排放；E.陶瓷材料制成的燃燒室、活塞頂和缸套可以提高燃燒室的隔熱效果。用陶瓷材料制作氣門搖臂等運(yùn)動(dòng)部件，可以減少摩擦阻力，降低油耗，從而減少顆粒排放；F.進(jìn)氣增壓和空氣冷卻技術(shù)可以增加進(jìn)氣量，使燃油在最大扭矩下獲得充足的氧氣，避免達(dá)到臨界空燃比。采用變截面增壓器和先進(jìn)的控制系統(tǒng)可以有效降低微粒排放。5.1.2降低油耗。在柴油機(jī)排放的顆粒物中，未燃燒的機(jī)油占了很大的比重，所以必須減少機(jī)油的消耗。因此，有必要對(duì)活塞、活塞環(huán)、缸套等零件進(jìn)行優(yōu)化

27、設(shè)計(jì)，研究配合間隙，特別是熱變形條件下的配合間隙，以達(dá)到降低油耗的目的。燃料改進(jìn)措施A.降低硫含量在燃燒過程中，柴油中約98%的硫轉(zhuǎn)化為S0，剩下的2%成為硫酸鹽顆粒。部分S0被進(jìn)一步氧化并與燃燒過程中產(chǎn)生的HO結(jié)合形成HZSO和硫酸鹽，增加了顆粒物的排放。當(dāng)顆粒物中的硫從0.12%降低到0.05%時(shí)，顆粒物的排放會(huì)降低8% 10%，但進(jìn)一步降低硫?qū)︻w粒物的排放沒有影響。1993年10月，美國(guó)規(guī)定高速公路上汽車使用的柴油含硫量不得高于0.05%。1996年，供應(yīng)所有低硫柴油。B.降低重質(zhì)燃料比重直接影響非直噴式柴油機(jī)的微粒排放，即微粒排放隨著燃料比重的增加而增加；C.燃油的乳化采用油包水型乳化

28、燃油，由于油中的水分迅速汽化，使油滴變得更細(xì)小，有利于擴(kuò)散和燃燒，并能有效降低微粒排放。5.2柴油機(jī)的機(jī)后凈化技術(shù)外部?jī)艋侵笍U氣后處理。柴油機(jī)廢氣被引入一個(gè)特殊的后處理裝置，在排放到大氣中之前，一部分顆粒被除去。主要的外部?jī)艋胧┤鐖D5-2所示。應(yīng)用最廣泛的外部?jī)艋胧┦穷w粒細(xì)化技術(shù)，即采用耐高溫的過濾材料制成特定結(jié)構(gòu)的過濾器，將廢氣中的顆粒捕集在過濾器中，從而達(dá)到凈化的目的。過濾器的材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求:A.良好的通過特性和最小的排氣阻力；B.良好的抗熱震性和良好的機(jī)械性能；C.熱穩(wěn)定性好，能承受高熱負(fù)荷；E.過濾效率高；F.適應(yīng)再生的要求。圖5-2顯示了機(jī)器外部的凈化措施。目前國(guó)外應(yīng)

29、用最廣泛的過濾材料有壁流式蜂窩瓷、泡沫瓷、瓷纖維等。隨著濾清器顆粒的堆積，柴油機(jī)的排氣阻力和背壓增大。當(dāng)背壓上升到一定程度時(shí)，柴油機(jī)的功率和過濾效率都會(huì)下降。因此，儲(chǔ)存在過濾器容積中的顆粒必須被及時(shí)去除。眾所周知，柴油機(jī)在最大負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況下，氣缸排氣口的溫度可達(dá)500 600。此時(shí)，柴油機(jī)的排氣微粒開始迅速氧化升溫，直至著火，使微粒減少，從而使過濾體的排氣阻力和過濾效率恢復(fù)到原來的水平，即過濾體的“再生”。目前過濾器的主要再生方式是“熱再生”，即滿負(fù)荷再生、噴油助燃再生、電加熱再生、節(jié)流再生等。此外，還發(fā)展了反向噴射再生、振動(dòng)再生等非加熱再生方式，即利用外部熱源提高溫度，使堆積在過濾器中的微

30、粒自燃，以減少過濾器中的微粒。5.3微粒收集器一種柴油機(jī)微粒捕集器，屬于分離技術(shù)。本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一種加工成本低、再生效果好、使用壽命長(zhǎng)的柴油機(jī)微粒捕集器。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種柴油機(jī)微粒捕集器，包括微粒捕集器、濾芯和再生控制裝置，濾芯為陶瓷纖維纏繞濾芯，微粒捕集器的結(jié)構(gòu)是在捕集器殼體的前部設(shè)有支撐蓋，支撐蓋將殼體分為前后兩個(gè)腔室， 濾芯和加熱電阻絲設(shè)置在后腔內(nèi)，支撐罩的下部設(shè)有與進(jìn)氣管相對(duì)的孔，上部設(shè)有與旁通管連通的孔。 擋板兩端的軸由上、下孔之間的支撐蓋上的軸座孔可轉(zhuǎn)動(dòng)地支撐，伸出外殼的擋板軸上的齒輪與氣動(dòng)閥閥桿上的齒條嚙合。本實(shí)用新型主要用于柴油車尾氣處理和顆粒捕

31、集器再生。5.4氧化催化轉(zhuǎn)化器柴油機(jī)的氧化催化器主要通過去除固體顆粒物中的溶解有機(jī)成分(SOF)，燒掉少量的干碳煙，進(jìn)一步降低CO和HC的排放，從而降低顆粒物的排放。氧化催化器不僅可以單獨(dú)使用，還可以與其他后處理器技術(shù)和機(jī)器凈化技術(shù)配合使用，以滿足當(dāng)前嚴(yán)格的排放法規(guī)。而且氧化催化劑無需再生，易于維護(hù)，是目前應(yīng)用最廣泛的后處理技術(shù)。排放法規(guī)促進(jìn)了柴油機(jī)排放控制技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。自1994年以來，超過150萬個(gè)柴油氧化催化劑已經(jīng)安裝在重型車輛上。目前，不同的國(guó)家和地區(qū)對(duì)降低柴油機(jī)排放有不同的要求。對(duì)于重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，日本的排放法規(guī)對(duì)NOX排放有相對(duì)嚴(yán)格的限制，后期會(huì)以降低PM為主。并且美國(guó)和歐洲的

32、排放法規(guī)對(duì)PM排放有相對(duì)嚴(yán)格的限制，未來的主要目的是降低NOX。我國(guó)對(duì)柴油車尾氣處理技術(shù)的研究剛剛起步，還沒有成熟的柴油車尾氣處理技術(shù)可供推廣使用?？偨Y(jié)柴油車尾氣排放特性，對(duì)我國(guó)開展該領(lǐng)域的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用，盡快達(dá)到國(guó)際柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。6未來凈化技術(shù)的改進(jìn)通過前面柴油機(jī)微粒產(chǎn)生的影響因素，我們知道柴油機(jī)微粒的產(chǎn)生還受到其他因素的影響，如負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、燃油、燃油噴射、空氣渦流等。但轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、噴油都與柴油機(jī)燃燒室、燃油的燃燒方式有關(guān)，與進(jìn)氣系統(tǒng)有關(guān)。因此，柴油機(jī)凈化技術(shù)的改進(jìn)需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使柴油機(jī)微粒排放從最低水平得到改善。因此，我們需要改進(jìn)幾個(gè)項(xiàng)目:6.1柴油機(jī)燃燒室的改

33、進(jìn)在不久的將來，純空氣進(jìn)入柴油機(jī)的燃燒室，柴油在壓縮過程結(jié)束時(shí)被噴入，經(jīng)過一定的準(zhǔn)備后，會(huì)自行點(diǎn)燃燃燒。由于柴油機(jī)混合氣形成的時(shí)間較長(zhǎng)，柴油的蒸發(fā)類型和流動(dòng)性較差，燃燒前柴油很難被充分霧化蒸發(fā)并與空氣混合，因此柴油機(jī)可燃混合氣質(zhì)量較差。為了充分混合柴油，應(yīng)采用較大的過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)是混合氣形成的必然因素之一，因此不同的燃燒室對(duì)進(jìn)氣有不同的影響。下面簡(jiǎn)單介紹一下不同燃燒室對(duì)混合氣形成的影響，以便分析對(duì)顆粒的影響以及如何改善:(1)分離式燃燒室分體式燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是除了位于活塞頂部的主燃燒室外，還有一個(gè)位于氣缸蓋的輔助燃燒室，兩者之間有一個(gè)通道。燃油不是直接噴入主燃燒室，而是噴入輔助燃

34、燒室。在分體式燃燒室的柴油機(jī)中，強(qiáng)烈的空氣運(yùn)動(dòng)是保證良好混合氣重量的主要途徑，因此空氣利用率高，最小過量空氣系數(shù)可達(dá)1.2左右。由于空氣運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，保證了它在高速時(shí)有更好的性能。(2)直接噴射燃燒室根據(jù)活塞頂部凹坑的深度，直噴式燃燒室可分為半開式燃燒室和起動(dòng)式燃燒室。開式燃燒室混合氣的形成主要依靠燃油的噴霧霧化，因此對(duì)霧化質(zhì)量即噴射系統(tǒng)的要求很高。開式燃燒室空氣利用率低，一般采用增壓來保證過量空氣系數(shù)，以達(dá)到完全燃燒。而半開式燃燒室混合氣的形成，進(jìn)氣渦流起著重要的作用。半開式燃燒室的空氣利用率得到提高，當(dāng)過量空氣系數(shù)在1.3 1.5左右時(shí)可以達(dá)到完全燃燒。不同的燃燒室有各自

35、的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。例如，表6-1給出了幾種燃燒室的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合的一般比較。表6-1幾種燃燒室的特點(diǎn)及應(yīng)用直接噴射燃燒室分離式燃燒室啟動(dòng)燃燒類型半開式燃燒室渦流燃燒室預(yù)燃室燃燒室型簡(jiǎn)單的普通復(fù)雜的復(fù)雜的燃燒室最小的小的大的最高的空氣憐或者沒有進(jìn)氣渦流。進(jìn)氣渦流(一次)和擠壓流(二次)壓縮渦流(初級(jí)和次級(jí)渦流(次級(jí))燃燒渦流對(duì)注射系統(tǒng)的要求最高的高級(jí)證書。比較 I降低最低限度燃料噴射器公式(7 12)公式(4 6)軸針軸針注入壓力204018281510913壓縮比1215161816231823過量空氣系數(shù)1.62.21.31.51.21.41.21.4制動(dòng)器比油耗19022020023024

36、0275245280冷啟動(dòng)好的較好的矛盾貧窮最大爆炸壓力高的高級(jí)證書。比較 I降低低的火焰噪音高的高級(jí)證書。比較 I降低低的熱負(fù)荷和排氣溫度低的降低高級(jí)證書。比較 I高的對(duì)燃料的適應(yīng)性貧窮矛盾較好的好的適用孔徑801407010065適用速度2000450050005000需要注意的是，對(duì)于同類型的燃燒室，增壓柴油機(jī)與非增壓柴油機(jī)相比，一般過量空氣系數(shù)更大，壓縮比更低，最大爆發(fā)壓力更高，燃燒噪聲更低，有效燃油消耗率也會(huì)有不同程度的降低。結(jié)論:圖6-2是開燃燒室柴油機(jī)、半開燃燒室柴油機(jī)和分置式燃燒室柴油機(jī)在中速時(shí)有害排放的對(duì)比。圖6-2中速開、半開、分離式燃燒室柴油機(jī)有害排放對(duì)比。從圖6-2可以

37、看出，對(duì)于碳煙排放，半開式燃燒室最低，其次是半開式燃燒室，分離式燃燒室最高；半開式燃燒室的HC排放最高，尤其是在低負(fù)荷工況下，半開式燃燒室中的液體成分使其微粒排放最高。直噴式燃燒室的NOX排放明顯高于分體式燃燒室，尤其是在高負(fù)荷工況下。在控制有害排放和噪聲方面，分離式燃燒室應(yīng)主要控制碳煙的排放，特別是在低負(fù)荷工況下；而直噴式燃燒室主要要解決控制碳煙和NOX的矛盾，控制部分負(fù)荷工況下的燃燒噪聲和排放。6.2柴油機(jī)燃料和燃燒方式的改進(jìn)燃油的更換燃料是環(huán)境污染的主要來源，因此選擇替代燃料可以減少有害氣體的排放。一些燃料甚至可以改變大氣中的碳循環(huán)。目前，比較有前途的替代燃料有天然氣、液化石油氣、醇類燃

38、料、植物油和氫氣等。各種替代燃料各有特點(diǎn)。天然氣的主要來源是油田，其存在形式可分為壓縮天然氣和液化天然氣。目前汽車使用的是壓縮天然氣。天然氣具有熱值高、抗爆性好、混合氣著火極限寬、著火溫度高等特點(diǎn)。液化石油氣的主要成分是丙烷和丁烷。其特性與天然氣相似。它具有熱值高、抗爆性能好、著火溫度高、易與空氣混合、排放低等優(yōu)點(diǎn)。因此，液化石油氣混合充分，燃燒完全，排放污染低。但排放性能也受改裝、調(diào)整等諸多因素影響，排放不穩(wěn)定。醇類燃料資源豐富，汽車常用甲醇燃料和乙醇燃料，使用這種燃料是公害汽車的新能源。其主要特點(diǎn)是辛烷值高，蒸發(fā)潛熱大，常溫下為液體，可燃邊界寬，熱值低，沸點(diǎn)低。植物油作為啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)急燃

39、料，人們希望通過使用植物油來擺脫對(duì)石油的依賴。因?yàn)橹参镉秃筒裼陀泻芏嘞嗨浦?，所以植物油主要作為柴油的替代燃料。?shí)驗(yàn)證明，純植物油作柴油機(jī)燃料時(shí)，增大噴油提前角，增加機(jī)油泵的循環(huán)供油量，可以獲得較好的動(dòng)力性能。但使用純植物油冷啟動(dòng)比較困難，容易出現(xiàn)濾清器堵塞、燃燒室積碳等問題。所以使用純植物油還需要進(jìn)一步研究。是石油時(shí)代末期最有前途的發(fā)動(dòng)機(jī)能源。使用氫作為能源也是人民的夢(mèng)想。它具有資源豐富、熱值高、排放污染少等優(yōu)點(diǎn)。可以用煤、天然氣等化石能源借助化學(xué)技術(shù)制造，也可以用太陽(yáng)能、核能等自然能源分解水獲得。作為一種替代燃料，氫燃燒產(chǎn)物沒有HC、CO、煙塵等污染物，也沒有引起溫室效應(yīng)的CO2。唯一的有

40、害物質(zhì)是NOX，所以氫氣是理想的清潔燃料。氫作為替代發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的主要問題是氫的能量密度低、低溫技術(shù)的價(jià)格高和氫的制造成本高。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用氫氣時(shí)，由于其點(diǎn)火溫度高，自身很難燃燒。一般來說，火花塞或熱表面用于點(diǎn)火。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，氫是最好的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。燃料的霧化燃油霧化是指燃油噴入燃燒室后，被粉碎并分散成細(xì)小液滴的過程。燃油霧化可以大大增加其與周圍空氣接觸的蒸發(fā)表面積，加速?gòu)目諝庵形鼰岷挽F滴汽化的過程，對(duì)混合氣的形成有重要作用。因此，良好的混合氣是完全燃燒不可缺少的條件之一，所以燃油的理化質(zhì)量非常重要。燃油的霧化質(zhì)量一般是指油束中油滴的細(xì)度和均勻性。細(xì)度用液滴的平均直徑來表示。液滴的平均直徑

41、越小，燃料的霧化越好。霧滴的平均直徑受多種因素的影響，如減小噴油嘴直徑、增大燃油噴射速度、增大空氣密度、減小燃油粘度和表面力，都會(huì)使霧滴的平均直徑減小。那么，為了具有良好的燃油霧化質(zhì)量，應(yīng)該對(duì)噴射系統(tǒng)提出嚴(yán)格的要求:A.避免異常噴射現(xiàn)象和氣蝕破壞，這是噴射系統(tǒng)的基本要求；B.根據(jù)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的工況，在最佳噴射時(shí)刻準(zhǔn)確提供所需的燃油量；C.改善柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、有害排放和噪聲水平，盡量達(dá)到理想的噴油規(guī)律；D.良好的油束特性能滿足特定燃燒室的要求，油束的幾何形狀和霧化質(zhì)量能使燃油噴射、氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒室形狀的協(xié)調(diào)達(dá)到最佳；E.對(duì)于噴油系統(tǒng)的加強(qiáng)，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，保證相關(guān)部件的強(qiáng)度和剛度，提高系統(tǒng)的工作可靠性和使用壽命，同時(shí)注意降低噴油系統(tǒng)的噪聲和振動(dòng)。因此，廢氣的控制從燃料的混合開始。只有好的噴射系統(tǒng)，燃油霧化質(zhì)量才能好，尾氣排放才會(huì)很低。燃油噴射控制電控系統(tǒng)是柴油機(jī)在限制有害排放的情況下，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的條件。其突出優(yōu)點(diǎn)是控制準(zhǔn)確，對(duì)東風(fēng)反應(yīng)迅速。電控系統(tǒng)主要由三部分組成，即傳感器、控制部分和執(zhí)行部分。噴射是控制噴射的過程，從噴油泵開始供油到噴油器停止噴油。整個(gè)過程約占滿負(fù)荷時(shí)15 40曲軸轉(zhuǎn)角。整個(gè)噴射過程可分為三個(gè)階段，即噴射延遲階段、主噴射階段和噴射結(jié)束階段。所以，控制好這三個(gè)過程是最關(guān)鍵的。6