柴油机微粒生成机理与控制技术

金铎，刘坤，陈伟（.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074；.重庆铁马集团军研所，重庆400050）

柴油机微粒生成机理与控制技术

金铎1，刘坤2，陈伟2
（1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074；2.重庆铁马集团军研所，重庆400050）

柴油机的动力性要优于汽油机，但其颗粒物排放却大大高于汽油机。本文在研究柴油机颗粒物生成机理的基础上，分析柴油机颗粒物粒径的分布，并对柴油机颗粒物的净化技术进行探讨。

柴油机；颗粒物；生成机理；控制技术

柴油机具有较高的热效率、较强的动力性和较好的可靠性，一直被广泛地研究和应用。柴油机在广泛应用的同时，也给环境带来了相应的污染。根据相关数据，到2020年，我国柴油轿车的保有量可能将达到整体汽车市场的30%。因为柴油机缸内燃料的不完全燃烧，颗粒物（PM）成为其主要污染物[1]。颗粒物可以长期漂浮在大气中，污染环境，给人们的健康造成严重影响。研究表明，空气中的细颗粒物含量每提高10μm/m3，会导致心血管病的死亡率提高12.3%[2]。因此减少颗粒物的排放、对减少环境污染、降低其对人体健康的影响具有重要的意义。

图1 柴油机PM排放的粒径分布

1 柴油机PM的生成机理

柴油机排放的颗粒物主要由炭烟、可溶性有机物（SOF）和硫酸盐组成。炭烟是燃料未完全燃烧产生的。SOF主要是燃料和窜入气缸中的润滑油不完全燃烧剩余的重馏分THC。一般柴油中98%的硫生成二氧化硫，残余部分为硫酸盐。图1表示典型柴油机PM排放的粒径分布。

由图1可知，颗粒数目的浓度呈对数正态分布，其单峰值对应的颗粒直径为0.012μm左右，大约90%的颗粒集中分布在细颗粒物区间上。

2 柴油机微粒排放控制技术

现阶段，国内外车用柴油机PM排放控制技术分为机内净化和机外净化两种。机内净化是采用优化燃油和电子控制技术，降低PM的生成，包括改善燃油的品质和喷射、燃烧等；而机外净化是利用附加的装置或设备，将柴油机生成的PM在排到大气之前降低，包括静电收集技术、DPF及其再生技术等。下面着重介绍与柴油机系统有关的内外控制技术。

2.1 燃油喷射技术

除柴油品质外，柴油雾化质量是影响柴油机PM生成的关键因素。研究表明：柴油机的喷油压力越高，柴油与空气的混合程度越好，PM的排放越低[3]。现今，以高压共轨技术为代表的多次喷射技术被越来越多地运用到高效、清洁柴油机开发上。图2为多次喷射的喷油控制曲线[4]，第一次喷射为预喷射，进行均质充量压燃（HCCI）控制；第二次喷射是前喷，在活塞到达上止点前，紧接着预喷，缩短着火延迟期；第三次喷射为在活塞到达上止点后的主喷，以调节输出功率；第四次喷射是后喷，增加扰动动能，促进柴油和空气的快速混合及燃烧，降低PM生成，使排气温度升高。相关研究人员认为，后喷增强了燃烧后期的紊流能量，促进了混合过程的发展[5]；第五次为尾喷，为后处理装置提供未燃烧的HC，后处理排气温度升高，促进后处理的再生能力。

图2 多次喷射的喷油控制

2.2 静电捕集技术

柴油机废气中的颗粒物中70%～80%带有一定数量的正电荷或负电荷，可以采用静电捕集技术对微粒进行收集。其原理是：柴油机排气管的尾端装有集尘板，在集尘板间施加一定的高压电场，在电场的作用下，对带电微粒进行静电捕集，实现尾气净化。采用这种方法，微粒捕集率较高，而且技术也相当成熟。但是这种方法存在一定的缺点，捕集装置体积太大，成本很高，而且极板要定期处理，目前还缺少有效的清理方式。另外静电捕集技术一直未能在汽车上得以应用的主要原因是高压电源供电很难。但是，随着技术的发展，静电补集技术仍然具有很广阔的前景。

2.3 DPF及其再生技术

柴油机颗粒捕集器（DPF）是现阶段国际上公认的、最实用有效的颗粒物后处理技术[6-8]。DPF主要由过滤部分、再生部分、控制部分组成。颗粒捕集器将柴油机的排气引入特定的后处理装置，对排气中的颗粒进行捕集，使其不能被排出机外，再利用催化氧化剂等对其进行分解、燃烧，净化大部分颗粒，减少颗粒物的排放。相关试验表明，颗粒物捕集器可将柴油机中有害颗粒物减少70%～98%。图3为柴油机颗粒物捕集器的捕集原理。

图3 颗粒物捕集器捕集原理

由于长时间的积累，颗粒物堆积到过滤体的细孔内，增加排气阻力，导致柴油机的性能恶化。为了保证柴油机的动力性和燃油经济性，需要定期对其进行清理，即对微粒捕集器进行“再生”。再生即是依靠先进的技术手段，除去载体内沉积微粒的过程。再生过程中，颗粒捕集器收集的颗粒会被燃烧掉，所以再生的关键在选择过滤的材料和再生手段。

正常状况下，连续再生所需的排气温度要达到250～350℃，燃油添加剂辅助再生温度需要到达最少380℃。而柴油机自然排气的温度范围为200～350℃，导致在未添加辅助加热装置的条件下，达不到连续再生和催化再生的温度[9]。近年来，国内外对柴油机微粒捕集器再生技术进行了大量研究工作，提出了多种再生技术。

1）电加热再生技术。电加热再生有两种，一种是在滤体前端安装电加热器，利用加热器对过滤体进行加热，使得过滤体内的微粒燃烧；另一种是对采用导电材质的过滤体进行直接加热，使过滤体上的微粒升温燃烧，实现过滤体再生。但是这两种电加热再生技术唯一的不足之处在于通常需要1.5～3 kW的电功率，要消耗一定的车载电源[10-11]，因此在使用此种再生方式时需要考虑电量消耗较高的问题。

2）微波加热再生技术。国外研究机构对微波加热再生进行了相关研究[12-13]。使用微波可以对微粒加热，但是如果过滤体采用陶瓷材料，因陶瓷材料不能用微波进行加热，所以采用这种加热方式应选择性地对捕集器进行加热。微粒对微波的吸收能力是陶瓷的100倍以上，可以实现捕集器再生。因此，采用微波加热时，被加热对象主要是微粒，提高了能量利用率，延长了过滤体寿命，提高了再生效率。微波再生效率高，没有二次污染，是目前国内外主要应用的再生技术。

3）红外加热再生技术。颗粒物中的碳具有较强的辐射能吸收能力，捕集器内部涂一层具有较强辐射能力的红外涂层，对红外涂层进行加热，涂层辐射出去的能量对微粒加热燃烧再生。研究发现，红外辐射直接对微粒进行加热，能量耗散少，加热装置结构简单，成本较低，再生的时间短效率高。但加热速度较慢。之前有学者将红外再生技术、壁流式陶瓷过滤体及电子动态反馈控制相结合，开发出了再生效率达90%以上的微粒捕集系统。

3 结束语

降低柴油机PM排放已经成为柴油机研究及应用最急迫的问题。随着排放法规日趋严格，对机动车特别是柴油车颗粒物排放的控制要求越来越高。必须切实降低柴油机有害物排放量，降低PM在柴油机缸内的生成，控制源头，改进柴油机的燃烧和工作过程，并加强后处理的力度，才能确保柴油机在机动车中的可持续应用。

[1]张霞，张博琦，夏鸿文.柴油机后处理技术发展现状[J].交通节能与环保，2014（5）：28-32.

[2]杨新兴，冯丽华，尉鹏.大气颗粒物PM2.5及其危害[J].前沿科学，2012（1）：22-31.

[3]杨翱，程前.柴油机微粒生成及控制技术[J].移动电源与车辆，2014（3）：31-34.

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修改稿日期：2017-03-06

Generation Mechanism and ControlTechnique of DieselEngine Particles

Jin Duo1,Liu Kun2,Chen Wei2
（1.SchoolofMechanotronics&Vehicle Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China; 2.Chongqing Tiema Industries Group,Chongqing 400050,China)

The power of the diesel engine is better than the gasoline engine,but its particulate emission is much worse than the gasoline engine.On the basis ofstudying the generation mechanism ofdieselengine particles,the authors analyze the particulate size distribution ofthe dieselengine particles,and discuss the purification techniques of the dieselengine particles.

dieselengine；particle；generation mechanism；controltechnique

U461.8；U472.7

B

1006-3331（2017）04-0031-03

金铎（1993-），男，硕士研究生；研究方向：车辆能源与污染控制。