柴油機微粒排放控制技術研究進展

王秀葉，劉志霞

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101；3.濰坊市技師學院，山東濰坊261000）

柴油機微粒排放控制技術研究進展

王秀葉1，2，劉志霞3

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101；3.濰坊市技師學院，山東濰坊261000）

柴油機排放物中含有大量微粒，對環境影響嚴重，其中，PM2.5是形成霧霾天氣的主要原因。降低柴油機的排放，特別是降低其微粒排放是柴油機環保技術的主要研究方向。文章從燃料、機內控制及微粒排放后處理技術方面，分析了柴油機微粒排放的影響因素及機內的一些控制措施，闡述了國內外目前研究柴油機微粒排放后處理裝置的廢氣再循環和選擇性催化還原等主要技術的特點及應用情況，并對滿足未來超低排放法規的柴油機后處理技術進行了展望。

柴油機；微粒；控制技術

0 引言

柴油機以其高的燃油經濟性和可靠性、低維護成本等特點，在輕、重型車以及非道路機械等領域中應用廣泛［1-3］。但是，柴油機微粒排放高（約為汽油機的30～100倍），排放的NOx和顆粒物對環境和人類身體健康的危害極大［4-6］。近幾年，隨著柴油車迅速發展，柴油車保有量持續上升，導致排氣污染越來越嚴重。為了減小汽車保有量急劇增長對大氣環境的影響，我國政府也相繼采取了一系列政策措施，如制定出的排放日程表與鼓勵性措施相結合，對提前滿足下一階段排放標準的廠家生產的新車可以減免30%的消費稅等。隨著霧霾天氣的日趨嚴重，大氣污染的治理已引起我國政府的高度重視，獎罰的力度也必將加大，人們環保意識的日益增強和環保法規的越來越嚴格，降低柴油機的排放已經逐漸成為人們共同關注的重要課題，其排放控制技術也必定會得到不斷發展。當前柴油機排放研究的重點是降低NOx和PM排放，以滿足嚴格的排放法規的要求。

1 柴油機微粒排放的控制

燃油質量和柴油機的結構因素是影響微粒的主要原因。柴油機微粒排放控制技術一般分為:前處理、機內措施以及各類后處理系統。

1.1 前處理

柴油的組成成分以及柴油的品質將直接影響柴油機燃燒過程和產物，C、O、H在柴油中的含量比，烷烴、環烷烴及芳香烴的含量以及炭分等物質參數都將直接影響到柴油機燃燒排放。

對燃油和空氣在進入氣缸燃燒前預先進行處理，缸內的燃燒反應過程可以改變，從而降低有害排放量。前處理方法主要使燃油品質得到改善，它包括:在柴油中加入消煙添加劑；降低燃油中的硫含量，以降低硫酸鹽引起的微粒增加；降低燃油比重，這將直接影響非直噴式柴油機的微粒排放，微粒排放量隨燃油比重的增加而增加；燃油的乳化，它可使油滴變得更加細小，有利于擴散燃燒，有效降低微粒排放。雙燃料（代用燃料技術），由于燃氣、二甲醚等燃料與柴油相比具有良好的可燃性、低污染性、甚至零排放等優點，現在公交車上開發使用了雙燃料發動機，具體是以柴油為引燃燃料，再用天然氣以及液化石油氣、二甲醚等燃料當作工作燃料。

1.2 機內控制

對燃燒過程本身進行改進，降低燃燒室中的碳粒初始粒子的形成是關鍵，通過改進發動機結構因素或增加附加裝置可以達到凈化微粒的目的。

1.2.1 燃燒系統的優化

碳煙微粒產生的根本原因在于非均質的燃燒過程，均質預混合燃燒可有效地控制其排放，提高燃油經濟性，可見燃燒過程對微粒產生的影響最大。通過以下措施，可以有效地降低碳煙微粒的排放。

（1）燃燒室形式和壓縮比的選擇

對直噴柴油機來說縮小燃燒室口徑，會使缸內擠流及紊流增強，加速油氣的混合，排煙減少。但同時由于燃燒速度以及混合率的提高，燃燒溫度反而升高，增加了NO排放量。壓縮比越高，整個循環過程中的缸內溫度以及壓力就越高，并且增加了單位燃燒室容積的含氧量，致使NOx排放量上升，但是過低的壓縮比，又將造成柴油機動力性及經濟性的雙降。

（2）高壓噴射

采用高壓燃油噴射裝置使油管壓力超過100 MPa，如高性能的直列泵、轉子式分配泵等噴油系統，可明顯改善吸入缸內的柴油霧化和細化，使噴油霧化質量更高、噴射時間更短，燃油與空氣以更快的速度混合，燃燒更充分，減少了高溫缺氧區域以及微粒的生成，從而改善缸內燃燒過程，降低柴油機的碳煙微粒排放。采用高壓燃油噴射以及與燃燒室相匹配的噴油速率、噴油提前角，有利于柴油霧化和細化，使其蒸發速度加快，油滴與空氣的碰撞也進一步加大，這樣可以使柴油與空氣混合的更充分，從而增加了高溫富氧區域，減少微粒的生成。

（3）采用四氣門及可變氣門技術

四氣門缸蓋中噴嘴垂直設置在其中間，可以使燃油均勻地分布，為燃油和空氣良好混合創造了有利的先決條件。采用四氣門技術主要是為了降低進、排氣道阻力，增加空氣充量，使燃燒狀況明顯改善，從而減少微粒排放。

采用可變氣門技術能使氣門升程和配氣相位隨發動機的轉速自動調節，可以根據不同工況的要求對進氣量進行精確的調整，使燃燒更加完善合理，從而使柴油機各工況的排放得到控制。

（4）可變渦輪噴嘴截面技術

把噴嘴面積設計成工況（轉速、負荷）的函數，使進氣量隨工況、燃燒的需要而變化，使缸內燃燒始終處于最佳狀態，從而使柴油機各工況下的排放得到控制。

（5）采用陶瓷材料

1.2.2 電控燃油噴射技術

利用電控技術能實現柴油機隨工況變化各參數（如供油提前角、噴油壓力）可變控制，使柴油機的排放與燃油經濟性之間的矛盾得到有效調和，在不同工況下的性能與排放得到明顯改善。例如電控噴油，在冷起動、怠速及過渡工況時可以使柴油機精確地控制噴油量和噴油正時，使燃油很好地霧化。

目前的電控噴油技術主要有電控單體泵、電控泵噴嘴和電控共軌系統。控制裝置被輸入各傳感器信號后，按照預定的噴油量與噴油時間控制脈譜圖，對柴油機進行控制。

（1）泵噴嘴

噴油嘴和噴油泵組成了泵噴嘴系統中一個單元。每個發動機氣缸蓋上都裝有這樣一個單元，可以直接通過搖臂也可以間接的通過發動機凸輪軸的推桿來驅動。

（2）單體泵

由于橫向與豎向溫度應力對結構產生影響較小，所以本文僅考慮縱向溫度應力產生的影響。邊跨跨中、中跨跨中處混凝土頂板上、下表面及鋼底板縱向溫度應力的時間歷程分別如圖6與圖7所示。混凝土頂板上、下表面縱向溫度應力的發展趨勢相反，并由上而下應力值逐漸減小。在日照條件下，混凝土頂板上表面的伸長由于受到混凝土板材料自身的約束，壓應力隨著溫度的升高而逐漸增大；并在達到最大值后隨溫度下降而逐漸減小。鋼底板的溫度縱向應力的發展隨溫度變化較為迅速，在10:00達到最大縱向壓應力。

單體泵工作方式與泵噴嘴相同，單體泵是一種模塊式結構的高壓噴射系統。與泵噴嘴系統主要的不同是，單體泵噴油嘴和油泵之間用一根較短的噴射油管連接在一起，單體泵系統中每個氣缸都設置了一個單柱塞噴油泵，是靠發動機的凸輪軸驅動。

（3）共軌系統

共軌式蓄壓器噴射系統中，控制裝置接收各傳感器的信號，并且借助于噴油器上的電磁閥，最終使柴油的噴油壓力、噴油點都合適的情況下，噴射出正確的噴油量，從而保證柴油機燃燒比、霧化和點火時間都能達到最佳，實現柴油機良好的經濟性和污染排放的最少化。

共軌噴油系統的優點主要在于系統的各種參數均可靈活調節，比如噴油模式、噴油定時以及噴油壓力與噴油量之間，壓力的產生與燃油的噴射互不干涉也不受發動機轉速和噴油量的影響，具有一定壓力的燃油儲存在高壓蓄壓器（即所謂的“共軌”）內，隨時準備著進行噴射。由駕車人確定噴油量，由電子控制單元計算噴射起點、噴射壓力和噴射持續時間，然后，控制裝置觸發電磁閥，此時所有氣缸的噴油器（噴油單元）都開始進行相應地噴射。共軌系統不僅能獲得較高的噴射壓力、還能實現噴射壓力和噴油量的控制、實現預噴射和后噴，使得噴油特性形狀得到優化，降低了柴油機噪聲，廢氣的排放量也大大減少。

1.2.3 渦輪增壓中冷技術

進氣增壓可改善柴油機動力性和經濟性，但由于進氣溫度升高等因素，提高了最高燃燒溫度，使NOx排量增加。增壓中冷在進氣壓力增高的同時降低了進氣溫度，有利于NOx和PM排放量的下降。

1.2.4 降低機油消耗量

機油油耗高是PM排放的生成源之一，在柴油機排放的微粒中未燃機油占很大比重，必須降低機油消耗量。這就需要從活塞、活塞環、缸套等零部件入手，不僅要對其進行優化設計而且還要進行配合間隙的優化研究，特別是熱變形條件下的研究，以達到機油消耗降低的目的。如缸套內孔的表面粗糙度、珩磨網紋加工精度，活塞環的氣環和油環截面形狀、加工精度、活塞環徑向壓力分布，以及活塞外部形狀、回油措施、缸套與活塞的配合間隙等因素都會對機油消耗起著決定性的作用。

上述柴油機的結構和參數得到了進一步優化，但在使用過程中磨損和老化等現象不可避免，導致其工作性能變差，微粒排放增加。因此，為了適應越來越嚴格的排放法規，必須通過后處理措施來進一步限制柴油機的排放。

1.3 排氣后處理

機內凈化及燃油品質的改善能夠使PM排放得到大幅度的降低，但隨著環保意識的增強和排放法規的越來越嚴格，單靠機內凈化措施不可能滿足嚴格的排放法規要求，后處理技術勢在必行［7］。原因主要有兩個:（1）由于NO和PM的生成區域不同，會造成NOx與PM的折衷現象，使通過缸內措施減少PM排放受到一定的限制；（2）PM排放的濃度降低，但隨著微粒粒徑減小而微粒的絕對個數并未減少，反而更易被人體吸收。

1.3.1 柴油機廢氣再循環

溫度高、富氧以及高溫階段持續的時間是NOx生成的要素。NOx主要形成于預混合燃燒階段。柴油機廢氣再循環（EGR）就是讓排出的少量廢氣再次參與燃燒，用來改變預混合燃燒時期各個組分的濃度比例，降低了燃燒時的溫度和壓力，達到減少NOx排放的目的。EGR雖然降低了NOx的排放，但由于廢氣中水蒸氣的含量較空氣高，并且含有少量的硫化物，過低的EGR溫度一方面會導致水蒸氣和硫化物的凝結，造成氣缸壁的腐蝕和磨損。另一方面會導致EGR冷卻器尺寸增大，成本增加。因此，EGR冷卻器的合理設計非常重要，尤其在高負荷的情況下，還會帶來油耗惡化以及顆粒排放增加等不利的影響。另外，EGR還降低了潤滑油的有效性以及柴油機的耐久性。

大部分工況下，增壓中冷柴油機排氣平均壓力小于進氣平均壓力。為了提高EGR率，需要采取克服壓力逆差的措施，使進氣系統獲得足量的廢氣。如可以在柴油機進氣管上加節氣門，以便在低負荷時通過進氣節流，加大排氣管與進氣管的壓力差；或與增壓器配合使用，可以靈活調節排氣壓力。

與普通的EGR相比，采用冷卻EGR有利于降低NOx排放及煙度，對發動機的性能有更進一步的提高，是今后降低柴油機排放的一個重要的方向［8］。

1.3.2 選擇性催化還原

以氨或氨水、尿素作為還原劑的選擇性催化還原系統，可以降低柴油機排氣中絕大部分的NOx，也能降低部分HC［9-10］。與氨或氨水相比，尿素更便于攜帶，而且不具有氨或氨水的刺激味。以尿素為還原劑的選擇性催化還原（SCR）后處理技術，采用在排氣管噴射液體尿素與尾氣中的NOx在催化劑的作用下生成氮氣和水，以達到凈化尾氣的作用。

從理論上來講，1 mol的NH3能夠轉換成1 mol的NOx，但排氣溫度是催化劑較為敏感的問題，溫度高，NOx轉化效率也高，因此在設計催化劑時，主要考慮低溫情況。SCR技術難點是解決液體尿素如何實現低溫結晶問題。

1.3.3 氧化催化轉化器

氧化催化轉化器可以通過貴金屬氧化柴油機排放中大部分的HC、CO及PM中的可溶有機成分（SOF），使得微粒總排放量相應地降低，但其能力有限，氧化催化轉化器（DOC）不能氧化固態碳顆粒，因此再生系統的技術相對較簡單，成本較低［11-15］。目前，歐洲柴油轎車上大部分都裝有氧化催化轉換器。

氧化催化轉化器（DOC）的主要缺點在于貴金屬催化劑有將SO2轉化成微粒硫酸鹽的傾向，它可能導致硫酸鹽排放的增加，因此燃油中的硫含量就需要降低。目前低硫柴油在美國、歐洲、日本等已經普遍使用。

1.3.4 微粒捕集器

微粒捕集器（DPF）是一種微粒過濾器。它安裝在排氣管上，并能通過燃燒達到清潔過慮器的系統，是目前國際上公認的、最實用有效的微粒后處理技術［16-18］。近年來的研究已成功開發出多種過濾器，它們都能通過收集固態的碳顆粒使得微粒排放大大降低，是一種效率最高的顆粒物凈化裝置［19］。但在使用過程中隨著過濾器內微粒的增加，使得發動機的排氣背壓升高，當排氣背壓達到16～20 kPa時，發動機性能開始惡化。因此目前過濾器的再生（即如何燒掉沉積在過濾器上的微粒）是過濾器關鍵問題，過濾器經再生后背壓降低，重新起到濾清作用。

國內外研究的主要再生方法有:噴油助燃再生、微波加熱再生、電加熱再生、強制再生（即大負荷時，通過柴油機進氣或排氣的強制節流來提高排氣溫度，從而使過濾體得到再生）、逆向噴氣再生及燃油添加劑再生等［20］。由于我國柴油中的含硫量較高，故一般的DPF連續再生和催化再生技術較難實現［21］。

微粒捕集器的結構及濾芯的材料、柴油機的匹配等是微粒過濾器研究的主要問題，其性能上不僅要求流通性好、過濾效率高而且要求耐高溫且通用性強。

目前，微粒捕集器（DPF）技術一般都是與柴油機廢氣再循環（EGR）技術共同使用，通過EGR降低NOx，再通過DPF來降低PM［22］。面對愈發嚴格的排放法規，繼續減少NOx和PM存在更大困難，組合式排氣后處理的出現將成為必然。

1.3.5 其它后處理裝置

上述捕集氧化系統的結構復雜，價格較貴，并且技術上也不是很成熟，因此，一些新的后處理方法正在積極地探索之中，如利用靜電旋流分離凈化方法捕集柴油機微粒也是一種比較有效的方法，該裝置排氣背壓較小，而且成本低廉；用袋濾器捕集排氣微粒也有了一定的研究成效，它是依靠濾袋單元來完成捕集的，有一層濾料覆蓋在濾袋單元支撐骨架表面，在排氣經過時捕捉其中的微粒，為提高袋濾器的過濾性能，已針對不同的濾料做了相關的實驗研究，其中，利用纖維作為過濾介質的袋濾器，除塵效果明顯。另外，還有低溫等離子技術、脈沖電暈等離子體化學處理技術等目前也都處在進一步地理論研究和實驗應用中。

2 排氣后處理主要技術分析與比較

在我國，汽車的發展一直以歐洲為標桿，包括排放法規的制定，也大多采用歐洲標準。如果采用電控技術后可以使柴油機達到國Ⅲ排放要求，而將要執行的國Ⅳ排放標準，對尾氣排放技術又是一個考驗，僅僅靠電控技術不能滿足要求。那么，上述的柴油機廢氣再循環（EGR）和選擇性催化還原（SCR）在技術和成本上誰更有優勢，誰更適合中國國情？在此，有必要對EGR和SCR做一下分析比較。

EGR用在增壓柴油機上，為了減少排放一般采用較高的EGR率，它的提高可以降低柴油機NOx排放，但煙度排放增加［23］，如何來解決這一矛盾，正是降低柴油機排放的一個難點。進排氣壓力差是另一個難點，在大部分工況下，增壓中冷柴油機的排氣平均壓力小于進氣平均壓力，所以要實現穩定可靠的廢氣再循環，必須采取措施克服壓力逆差，將足量的廢氣送入進氣系統。

SCR是在高溫排氣中加入氨水、尿素等還原劑，和NOx反應后，生成N2和H2O。尿素水溶液直接噴到發動機排出的廢氣流中，尿素經過熱解和水解后，產生還原所需要的氨。反應在專門的催化劑中進行，通過V2O5-TiO2等催化劑作用下，在含氧的廢氣中使得NOx還原為N2、H2O等。

表1 EGR與SCR下柴油機性能指標比較

從表1中可以看出:應用SCR技術，對燃油含硫量沒有嚴格的要求，發動機本身不用做大的改動，同時還能提高燃油經濟性，SCR油耗性領先EGR約8%的優勢［24］。但由于需要增加SCR反應箱和液體尿素箱，需要汽車廠的底盤進行改動留出安裝空間，另外該技術實施還要依賴國家添加尿素基礎設施建設。

EGR與SCR各有特點，美洲更傾向EGR，歐洲更傾向SCR。從我國國情出發，要使燃油含硫量小于50 ppm，還需要一段較長的時間才能實現，這就為采用SCR技術措施提供了很好的理由，但在中國全面實施SCR也存在困難，主要面臨兩個問題:一是在國內如何大面積推廣尿素，二是車輛在行駛過程中出現氨泄漏，這些都是在制定技術措施時必須面對的［25］。

目前國內幾大柴油機廠家如濰柴、玉柴、康明斯等都比較傾向于SCR，主要還是因為油價上漲，燃油經濟性所占比重加大。

3 展望

結構參數優化的柴油機，使用含硫量低的優質柴油及雙燃料技術，一定程度上可以改善排放中的NOx和微粒數量，是減少柴油機排放的有效途徑；EGR與SCR相比較，各有其特點，柴油機生產廠家應根據產品情況、用戶使用情況以及我國國情來確定合適的技術措施，達到降排節能的目的；DPF效率高于DOC，但由于再生技術的要求，使其結構復雜、價格較貴，因此各項技術還有待進一步地完善，可考慮與EGR技術共同使用，應用最多的當屬電控+ EGR+DPF，通過EGR降低NOx，再通過DPF來降低PM。面對愈發嚴格的排放法規，繼續減少NOx和PM存在更大困難，組合式排氣后處理的出現將成為必然。

另外，一些新的后處理方法也需要深入地探索和研究，使之早日達到實用化階段，以促進柴油機微粒控制技術的持續良好地發展，滿足不斷加嚴的排放法規的要求。

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（責任編輯：吳芹）

Research progress of particulate em ission control technology of diesel engine

Wang Xiuye1，2，Liu Zhixia3

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.Weifang Technician College，Weifang 261000，China）

Environment is severely affected by a large amount of particles exhausted from diesel engine，among which PM2.5 is the main reason for haze weather.Main research direction of environmental protection technology is to reduce diesel engine emissions，especially particulate emissions.From many aspects of fuel，interior control and particulate emission after-treatment technology，the paper has analyzed influencing factors of diesel particulate emissions and some control measures，expounding main technology characteristics and application of emissions after-treatment device of the exhaust gas recirculation and selective catalytic reduction and so on currently at home and abroad，furthermore giving prospectof diesel after-treatment technology tomeet ultra-low emission requirement in the future.

diesel engine；particle；control technology

u464

A

1673-7644（2014）06-0551-05

2014-06-30

王秀葉（1965-），女，副教授，碩士，主要從事柴油機排放與控制等方面的研究.E-mail:sdwangxiuye＠163.com