柴油机微粒排放控制技术研究进展

王秀叶，刘志霞

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101；3.潍坊市技师学院，山东潍坊261000）

柴油机微粒排放控制技术研究进展

王秀叶1，2，刘志霞3

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101；3.潍坊市技师学院，山东潍坊261000）

柴油机排放物中含有大量微粒，对环境影响严重，其中，PM2.5是形成雾霾天气的主要原因。降低柴油机的排放，特别是降低其微粒排放是柴油机环保技术的主要研究方向。文章从燃料、机内控制及微粒排放后处理技术方面，分析了柴油机微粒排放的影响因素及机内的一些控制措施，阐述了国内外目前研究柴油机微粒排放后处理装置的废气再循环和选择性催化还原等主要技术的特点及应用情况，并对满足未来超低排放法规的柴油机后处理技术进行了展望。

柴油机；微粒；控制技术

0 引言

柴油机以其高的燃油经济性和可靠性、低维护成本等特点，在轻、重型车以及非道路机械等领域中应用广泛［1-3］。但是，柴油机微粒排放高（约为汽油机的30～100倍），排放的NOx和颗粒物对环境和人类身体健康的危害极大［4-6］。近几年，随着柴油车迅速发展，柴油车保有量持续上升，导致排气污染越来越严重。为了减小汽车保有量急剧增长对大气环境的影响，我国政府也相继采取了一系列政策措施，如制定出的排放日程表与鼓励性措施相结合，对提前满足下一阶段排放标准的厂家生产的新车可以减免30%的消费税等。随着雾霾天气的日趋严重，大气污染的治理已引起我国政府的高度重视，奖罚的力度也必将加大，人们环保意识的日益增强和环保法规的越来越严格，降低柴油机的排放已经逐渐成为人们共同关注的重要课题，其排放控制技术也必定会得到不断发展。当前柴油机排放研究的重点是降低NOx和PM排放，以满足严格的排放法规的要求。

1 柴油机微粒排放的控制

燃油质量和柴油机的结构因素是影响微粒的主要原因。柴油机微粒排放控制技术一般分为:前处理、机内措施以及各类后处理系统。

1.1 前处理

柴油的组成成分以及柴油的品质将直接影响柴油机燃烧过程和产物，C、O、H在柴油中的含量比，烷烃、环烷烃及芳香烃的含量以及炭分等物质参数都将直接影响到柴油机燃烧排放。

对燃油和空气在进入气缸燃烧前预先进行处理，缸内的燃烧反应过程可以改变，从而降低有害排放量。前处理方法主要使燃油品质得到改善，它包括:在柴油中加入消烟添加剂；降低燃油中的硫含量，以降低硫酸盐引起的微粒增加；降低燃油比重，这将直接影响非直喷式柴油机的微粒排放，微粒排放量随燃油比重的增加而增加；燃油的乳化，它可使油滴变得更加细小，有利于扩散燃烧，有效降低微粒排放。双燃料（代用燃料技术），由于燃气、二甲醚等燃料与柴油相比具有良好的可燃性、低污染性、甚至零排放等优点，现在公交车上开发使用了双燃料发动机，具体是以柴油为引燃燃料，再用天然气以及液化石油气、二甲醚等燃料当作工作燃料。

1.2 机内控制

对燃烧过程本身进行改进，降低燃烧室中的碳粒初始粒子的形成是关键，通过改进发动机结构因素或增加附加装置可以达到净化微粒的目的。

1.2.1 燃烧系统的优化

碳烟微粒产生的根本原因在于非均质的燃烧过程，均质预混合燃烧可有效地控制其排放，提高燃油经济性，可见燃烧过程对微粒产生的影响最大。通过以下措施，可以有效地降低碳烟微粒的排放。

（1）燃烧室形式和压缩比的选择

对直喷柴油机来说缩小燃烧室口径，会使缸内挤流及紊流增强，加速油气的混合，排烟减少。但同时由于燃烧速度以及混合率的提高，燃烧温度反而升高，增加了NO排放量。压缩比越高，整个循环过程中的缸内温度以及压力就越高，并且增加了单位燃烧室容积的含氧量，致使NOx排放量上升，但是过低的压缩比，又将造成柴油机动力性及经济性的双降。

（2）高压喷射

采用高压燃油喷射装置使油管压力超过100 MPa，如高性能的直列泵、转子式分配泵等喷油系统，可明显改善吸入缸内的柴油雾化和细化，使喷油雾化质量更高、喷射时间更短，燃油与空气以更快的速度混合，燃烧更充分，减少了高温缺氧区域以及微粒的生成，从而改善缸内燃烧过程，降低柴油机的碳烟微粒排放。采用高压燃油喷射以及与燃烧室相匹配的喷油速率、喷油提前角，有利于柴油雾化和细化，使其蒸发速度加快，油滴与空气的碰撞也进一步加大，这样可以使柴油与空气混合的更充分，从而增加了高温富氧区域，减少微粒的生成。

（3）采用四气门及可变气门技术

四气门缸盖中喷嘴垂直设置在其中间，可以使燃油均匀地分布，为燃油和空气良好混合创造了有利的先决条件。采用四气门技术主要是为了降低进、排气道阻力，增加空气充量，使燃烧状况明显改善，从而减少微粒排放。

采用可变气门技术能使气门升程和配气相位随发动机的转速自动调节，可以根据不同工况的要求对进气量进行精确的调整，使燃烧更加完善合理，从而使柴油机各工况的排放得到控制。

（4）可变涡轮喷嘴截面技术

把喷嘴面积设计成工况（转速、负荷）的函数，使进气量随工况、燃烧的需要而变化，使缸内燃烧始终处于最佳状态，从而使柴油机各工况下的排放得到控制。

（5）采用陶瓷材料

1.2.2 电控燃油喷射技术

利用电控技术能实现柴油机随工况变化各参数（如供油提前角、喷油压力）可变控制，使柴油机的排放与燃油经济性之间的矛盾得到有效调和，在不同工况下的性能与排放得到明显改善。例如电控喷油，在冷起动、怠速及过渡工况时可以使柴油机精确地控制喷油量和喷油正时，使燃油很好地雾化。

目前的电控喷油技术主要有电控单体泵、电控泵喷嘴和电控共轨系统。控制装置被输入各传感器信号后，按照预定的喷油量与喷油时间控制脉谱图，对柴油机进行控制。

（1）泵喷嘴

喷油嘴和喷油泵组成了泵喷嘴系统中一个单元。每个发动机气缸盖上都装有这样一个单元，可以直接通过摇臂也可以间接的通过发动机凸轮轴的推杆来驱动。

（2）单体泵

由于横向与竖向温度应力对结构产生影响较小，所以本文仅考虑纵向温度应力产生的影响。边跨跨中、中跨跨中处混凝土顶板上、下表面及钢底板纵向温度应力的时间历程分别如图6与图7所示。混凝土顶板上、下表面纵向温度应力的发展趋势相反，并由上而下应力值逐渐减小。在日照条件下，混凝土顶板上表面的伸长由于受到混凝土板材料自身的约束，压应力随着温度的升高而逐渐增大；并在达到最大值后随温度下降而逐渐减小。钢底板的温度纵向应力的发展随温度变化较为迅速，在10:00达到最大纵向压应力。

单体泵工作方式与泵喷嘴相同，单体泵是一种模块式结构的高压喷射系统。与泵喷嘴系统主要的不同是，单体泵喷油嘴和油泵之间用一根较短的喷射油管连接在一起，单体泵系统中每个气缸都设置了一个单柱塞喷油泵，是靠发动机的凸轮轴驱动。

（3）共轨系统

共轨式蓄压器喷射系统中，控制装置接收各传感器的信号，并且借助于喷油器上的电磁阀，最终使柴油的喷油压力、喷油点都合适的情况下，喷射出正确的喷油量，从而保证柴油机燃烧比、雾化和点火时间都能达到最佳，实现柴油机良好的经济性和污染排放的最少化。

共轨喷油系统的优点主要在于系统的各种参数均可灵活调节，比如喷油模式、喷油定时以及喷油压力与喷油量之间，压力的产生与燃油的喷射互不干涉也不受发动机转速和喷油量的影响，具有一定压力的燃油储存在高压蓄压器（即所谓的“共轨”）内，随时准备着进行喷射。由驾车人确定喷油量，由电子控制单元计算喷射起点、喷射压力和喷射持续时间，然后，控制装置触发电磁阀，此时所有气缸的喷油器（喷油单元）都开始进行相应地喷射。共轨系统不仅能获得较高的喷射压力、还能实现喷射压力和喷油量的控制、实现预喷射和后喷，使得喷油特性形状得到优化，降低了柴油机噪声，废气的排放量也大大减少。

1.2.3 涡轮增压中冷技术

进气增压可改善柴油机动力性和经济性，但由于进气温度升高等因素，提高了最高燃烧温度，使NOx排量增加。增压中冷在进气压力增高的同时降低了进气温度，有利于NOx和PM排放量的下降。

1.2.4 降低机油消耗量

机油油耗高是PM排放的生成源之一，在柴油机排放的微粒中未燃机油占很大比重，必须降低机油消耗量。这就需要从活塞、活塞环、缸套等零部件入手，不仅要对其进行优化设计而且还要进行配合间隙的优化研究，特别是热变形条件下的研究，以达到机油消耗降低的目的。如缸套内孔的表面粗糙度、珩磨网纹加工精度，活塞环的气环和油环截面形状、加工精度、活塞环径向压力分布，以及活塞外部形状、回油措施、缸套与活塞的配合间隙等因素都会对机油消耗起着决定性的作用。

上述柴油机的结构和参数得到了进一步优化，但在使用过程中磨损和老化等现象不可避免，导致其工作性能变差，微粒排放增加。因此，为了适应越来越严格的排放法规，必须通过后处理措施来进一步限制柴油机的排放。

1.3 排气后处理

机内净化及燃油品质的改善能够使PM排放得到大幅度的降低，但随着环保意识的增强和排放法规的越来越严格，单靠机内净化措施不可能满足严格的排放法规要求，后处理技术势在必行［7］。原因主要有两个:（1）由于NO和PM的生成区域不同，会造成NOx与PM的折衷现象，使通过缸内措施减少PM排放受到一定的限制；（2）PM排放的浓度降低，但随着微粒粒径减小而微粒的绝对个数并未减少，反而更易被人体吸收。

1.3.1 柴油机废气再循环

温度高、富氧以及高温阶段持续的时间是NOx生成的要素。NOx主要形成于预混合燃烧阶段。柴油机废气再循环（EGR）就是让排出的少量废气再次参与燃烧，用来改变预混合燃烧时期各个组分的浓度比例，降低了燃烧时的温度和压力，达到减少NOx排放的目的。EGR虽然降低了NOx的排放，但由于废气中水蒸气的含量较空气高，并且含有少量的硫化物，过低的EGR温度一方面会导致水蒸气和硫化物的凝结，造成气缸壁的腐蚀和磨损。另一方面会导致EGR冷却器尺寸增大，成本增加。因此，EGR冷却器的合理设计非常重要，尤其在高负荷的情况下，还会带来油耗恶化以及颗粒排放增加等不利的影响。另外，EGR还降低了润滑油的有效性以及柴油机的耐久性。

大部分工况下，增压中冷柴油机排气平均压力小于进气平均压力。为了提高EGR率，需要采取克服压力逆差的措施，使进气系统获得足量的废气。如可以在柴油机进气管上加节气门，以便在低负荷时通过进气节流，加大排气管与进气管的压力差；或与增压器配合使用，可以灵活调节排气压力。

与普通的EGR相比，采用冷却EGR有利于降低NOx排放及烟度，对发动机的性能有更进一步的提高，是今后降低柴油机排放的一个重要的方向［8］。

1.3.2 选择性催化还原

以氨或氨水、尿素作为还原剂的选择性催化还原系统，可以降低柴油机排气中绝大部分的NOx，也能降低部分HC［9-10］。与氨或氨水相比，尿素更便于携带，而且不具有氨或氨水的刺激味。以尿素为还原剂的选择性催化还原（SCR）后处理技术，采用在排气管喷射液体尿素与尾气中的NOx在催化剂的作用下生成氮气和水，以达到净化尾气的作用。

从理论上来讲，1 mol的NH3能够转换成1 mol的NOx，但排气温度是催化剂较为敏感的问题，温度高，NOx转化效率也高，因此在设计催化剂时，主要考虑低温情况。SCR技术难点是解决液体尿素如何实现低温结晶问题。

1.3.3 氧化催化转化器

氧化催化转化器可以通过贵金属氧化柴油机排放中大部分的HC、CO及PM中的可溶有机成分（SOF），使得微粒总排放量相应地降低，但其能力有限，氧化催化转化器（DOC）不能氧化固态碳颗粒，因此再生系统的技术相对较简单，成本较低［11-15］。目前，欧洲柴油轿车上大部分都装有氧化催化转换器。

氧化催化转化器（DOC）的主要缺点在于贵金属催化剂有将SO2转化成微粒硫酸盐的倾向，它可能导致硫酸盐排放的增加，因此燃油中的硫含量就需要降低。目前低硫柴油在美国、欧洲、日本等已经普遍使用。

1.3.4 微粒捕集器

微粒捕集器（DPF）是一种微粒过滤器。它安装在排气管上，并能通过燃烧达到清洁过虑器的系统，是目前国际上公认的、最实用有效的微粒后处理技术［16-18］。近年来的研究已成功开发出多种过滤器，它们都能通过收集固态的碳颗粒使得微粒排放大大降低，是一种效率最高的颗粒物净化装置［19］。但在使用过程中随着过滤器内微粒的增加，使得发动机的排气背压升高，当排气背压达到16～20 kPa时，发动机性能开始恶化。因此目前过滤器的再生（即如何烧掉沉积在过滤器上的微粒）是过滤器关键问题，过滤器经再生后背压降低，重新起到滤清作用。

国内外研究的主要再生方法有:喷油助燃再生、微波加热再生、电加热再生、强制再生（即大负荷时，通过柴油机进气或排气的强制节流来提高排气温度，从而使过滤体得到再生）、逆向喷气再生及燃油添加剂再生等［20］。由于我国柴油中的含硫量较高，故一般的DPF连续再生和催化再生技术较难实现［21］。

微粒捕集器的结构及滤芯的材料、柴油机的匹配等是微粒过滤器研究的主要问题，其性能上不仅要求流通性好、过滤效率高而且要求耐高温且通用性强。

目前，微粒捕集器（DPF）技术一般都是与柴油机废气再循环（EGR）技术共同使用，通过EGR降低NOx，再通过DPF来降低PM［22］。面对愈发严格的排放法规，继续减少NOx和PM存在更大困难，组合式排气后处理的出现将成为必然。

1.3.5 其它后处理装置

上述捕集氧化系统的结构复杂，价格较贵，并且技术上也不是很成熟，因此，一些新的后处理方法正在积极地探索之中，如利用静电旋流分离净化方法捕集柴油机微粒也是一种比较有效的方法，该装置排气背压较小，而且成本低廉；用袋滤器捕集排气微粒也有了一定的研究成效，它是依靠滤袋单元来完成捕集的，有一层滤料覆盖在滤袋单元支撑骨架表面，在排气经过时捕捉其中的微粒，为提高袋滤器的过滤性能，已针对不同的滤料做了相关的实验研究，其中，利用纤维作为过滤介质的袋滤器，除尘效果明显。另外，还有低温等离子技术、脉冲电晕等离子体化学处理技术等目前也都处在进一步地理论研究和实验应用中。

2 排气后处理主要技术分析与比较

在我国，汽车的发展一直以欧洲为标杆，包括排放法规的制定，也大多采用欧洲标准。如果采用电控技术后可以使柴油机达到国Ⅲ排放要求，而将要执行的国Ⅳ排放标准，对尾气排放技术又是一个考验，仅仅靠电控技术不能满足要求。那么，上述的柴油机废气再循环（EGR）和选择性催化还原（SCR）在技术和成本上谁更有优势，谁更适合中国国情？在此，有必要对EGR和SCR做一下分析比较。

EGR用在增压柴油机上，为了减少排放一般采用较高的EGR率，它的提高可以降低柴油机NOx排放，但烟度排放增加［23］，如何来解决这一矛盾，正是降低柴油机排放的一个难点。进排气压力差是另一个难点，在大部分工况下，增压中冷柴油机的排气平均压力小于进气平均压力，所以要实现稳定可靠的废气再循环，必须采取措施克服压力逆差，将足量的废气送入进气系统。

SCR是在高温排气中加入氨水、尿素等还原剂，和NOx反应后，生成N2和H2O。尿素水溶液直接喷到发动机排出的废气流中，尿素经过热解和水解后，产生还原所需要的氨。反应在专门的催化剂中进行，通过V2O5-TiO2等催化剂作用下，在含氧的废气中使得NOx还原为N2、H2O等。

表1 EGR与SCR下柴油机性能指标比较

从表1中可以看出:应用SCR技术，对燃油含硫量没有严格的要求，发动机本身不用做大的改动，同时还能提高燃油经济性，SCR油耗性领先EGR约8%的优势［24］。但由于需要增加SCR反应箱和液体尿素箱，需要汽车厂的底盘进行改动留出安装空间，另外该技术实施还要依赖国家添加尿素基础设施建设。

EGR与SCR各有特点，美洲更倾向EGR，欧洲更倾向SCR。从我国国情出发，要使燃油含硫量小于50 ppm，还需要一段较长的时间才能实现，这就为采用SCR技术措施提供了很好的理由，但在中国全面实施SCR也存在困难，主要面临两个问题:一是在国内如何大面积推广尿素，二是车辆在行驶过程中出现氨泄漏，这些都是在制定技术措施时必须面对的［25］。

目前国内几大柴油机厂家如潍柴、玉柴、康明斯等都比较倾向于SCR，主要还是因为油价上涨，燃油经济性所占比重加大。

3 展望

结构参数优化的柴油机，使用含硫量低的优质柴油及双燃料技术，一定程度上可以改善排放中的NOx和微粒数量，是减少柴油机排放的有效途径；EGR与SCR相比较，各有其特点，柴油机生产厂家应根据产品情况、用户使用情况以及我国国情来确定合适的技术措施，达到降排节能的目的；DPF效率高于DOC，但由于再生技术的要求，使其结构复杂、价格较贵，因此各项技术还有待进一步地完善，可考虑与EGR技术共同使用，应用最多的当属电控+ EGR+DPF，通过EGR降低NOx，再通过DPF来降低PM。面对愈发严格的排放法规，继续减少NOx和PM存在更大困难，组合式排气后处理的出现将成为必然。

另外，一些新的后处理方法也需要深入地探索和研究，使之早日达到实用化阶段，以促进柴油机微粒控制技术的持续良好地发展，满足不断加严的排放法规的要求。

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（责任编辑：吴芹）

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

王秀叶（1965-），女，副教授，硕士，主要从事柴油机排放与控制等方面的研究.E-mail:sdwangxiuye＠163.com