李德龍 樊友龍

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

關(guān)于降低柴油機(jī)顆粒物排放的研究及探討

李德龍 樊友龍

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著柴油機(jī)的廣泛應(yīng)用，柴油機(jī)排放污染物，尤其是碳煙顆粒的排放受到人們的廣泛關(guān)注。本文主要從柴油機(jī)碳煙顆粒物的組成及生成機(jī)理、柴油機(jī)排放的標(biāo)準(zhǔn)、減少顆粒物形成采取的相關(guān)技術(shù)方法等方面進(jìn)行論述及探討。

柴油機(jī)；碳煙顆粒物；排放標(biāo)準(zhǔn)

1 概述

自從100多年前甘道夫發(fā)明柴油機(jī)之后，由于其經(jīng)濟(jì)性好、耗油量低等特點(diǎn)，被廣泛用于人們生產(chǎn)及生活的各行各業(yè)。到目前為止，我國的私有汽車保有量突破一億輛，預(yù)計(jì)到2025年每萬戶汽車擁有量將達(dá)到6 000輛。由于世界各國對(duì)于溫室效應(yīng)影響的關(guān)注，柴油機(jī)在機(jī)動(dòng)車中的應(yīng)用比率也在逐年的提高。同時(shí)，柴油機(jī)排放出來的有害物質(zhì)，又對(duì)大氣環(huán)境造成十分嚴(yán)重的危害，并傷害人們的身體健康。

同汽油機(jī)（1.64%）相比，柴油機(jī)（0.82%）的廢氣所占的比例相對(duì)較低，但由于柴油機(jī)的壓縮比較大，使其廢氣總量比汽油機(jī)大。在排放的廢氣中，柴油機(jī)中一氧化碳（CO）及碳?xì)浠衔铮℉C）的含量?jī)H為汽油機(jī)的幾分之一，氮氧化合物（NOX）的含量比汽油機(jī)略高。但是柴油機(jī)中碳煙顆粒物（PM）的含量是汽油機(jī)的40到100倍。這些碳煙顆粒物的直徑通常不足1微米，并吸附在一些烴類有機(jī)物及化合物上，極易被人們吸入肺內(nèi)且不易排出，而這些物質(zhì)又具有致癌和促癌的作用。因此，對(duì)于柴油機(jī)碳煙顆粒物的的凈化顯得尤為重要。

國內(nèi)外的學(xué)者及研究人員，長(zhǎng)期以來都致力于減少柴油機(jī)的廢氣尤其是PM的排放。本文對(duì)碳煙顆粒物的形成過程及影響因素、國家有關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)和減少柴油機(jī)廢氣排放的相關(guān)技術(shù)等進(jìn)行綜述及探討。

2 碳煙顆粒物的形成過程

柴油機(jī)排放的微粒，最主要的成分是碳，約占75%左右，其次是有裂解或合成形成的碳?xì)浠衔锖土虻葻o機(jī)化合物。又可細(xì)分為硫磺微粒、固體微粒及液體微粒。

2.1 硫磺顆粒

據(jù)試驗(yàn)可得，每燃燒1升含硫20%的柴油，可生成12克的硫酸鹽和3克的二氧化硫。其主要是由于，硫在燃燒時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硫酸鹽，或者與添加劑反應(yīng)形成金屬鹽，并與固體顆粒結(jié)合形成硫磺顆粒。

2.2 固體顆粒

在燃燒過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較快使得各沖程的時(shí)間較短，空氣與燃油不能充分混合，部分燃油不能完全燃燒；在高溫條件下這些剩余或未充分燃燒燃料發(fā)生裂解現(xiàn)象產(chǎn)生各種烴類物質(zhì)，并在高溫條件下脫氫生成碳微粒，多個(gè)微小的碳微粒在相互碰撞的情況下結(jié)合成更大的碳微粒，在這些碳微粒的的吸附作用下使未完全燃燒生成的碳?xì)浠衔锛傲蚧衔锱c之結(jié)合形成固體顆粒，過程見圖1。

圖1 固體顆粒形成圖

2.3 液體顆粒

在寒冷的季節(jié)尤其是北方的冬季，常常會(huì)看到柴油機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)會(huì)有白色或藍(lán)色的煙霧。這些煙霧是由于汽車在怠速或冷啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于此時(shí)氣缸的溫度過低，使得燃料氣化不良從而導(dǎo)致柴油機(jī)點(diǎn)火不良，部分燃料及氣缸內(nèi)的潤(rùn)滑油以微小液體顆粒的形式排出發(fā)動(dòng)機(jī)外，再與空氣中的水分結(jié)合便形成煙霧。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)慢慢預(yù)熱，氣缸溫度升高到一定溫度時(shí)這些煙霧便會(huì)隨之減少。此外伴隨煙霧還會(huì)釋放出對(duì)人體有害的一些氣體物質(zhì)，對(duì)人的眼、鼻有一定的刺激性。

柴油機(jī)燃燒及碳煙形成的過程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，到目前為止人們還不能掌握其完整具體的化學(xué)反應(yīng)及物理變化，只是通過最終的產(chǎn)物進(jìn)行推敲或進(jìn)行階段性的試驗(yàn)，此外如圖一所示，到底碳?xì)浠衔锸欠袢鐖D那樣包裹著碳微粒及具體的分布情況仍需進(jìn)一步的研究。

3 減少碳煙顆粒物的方法及相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)

3.1 車用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)

1970 年美國率先頒布柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著人們對(duì)于碳煙及氮氧化合物等有害污染物排放的重視，各國都相繼制定了相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)排放提出了越來越嚴(yán)格的要求。美國、歐盟及中國的排放標(biāo)準(zhǔn)如表1、表2、表3所示。

表1 美國公路重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)(g/PSh)

表2 歐盟公路重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)(g/PSh)

表3 中國公路重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)(g/PSh)

由上表可知，同歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國開始制定柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間較晚，且標(biāo)準(zhǔn)明顯低于歐美的排放標(biāo)準(zhǔn)。不過由表3也可以看出，我國的柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，并開始與歐美標(biāo)準(zhǔn)接軌。這對(duì)我國的柴油機(jī)排放控制技術(shù)既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。

3.2 減少碳煙顆粒物排放的技術(shù)與方法

為減少汽車尾氣中有害氣體的含量，各國已相繼研究出多種三元催化劑系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以有效減少汽油機(jī)CO、NOx、CH的排放，但是由于柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)較大，氧含量較高，三元催化系統(tǒng)并不適用。在日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)下，各國在燃料選擇、柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及排放后處理上進(jìn)行了較多的研究，并取得了一些成果。

3.2 .1 采用新型的燃料

由上文可知，柴油機(jī)排放的碳煙顆粒物，主要是由于燃料燃燒時(shí)脫氫，并以硫化物為載體形成的，因此可以通過脫硫的方式降低燃料中硫的含量，并對(duì)燃料氫化，使燃料不易脫氫，從而降低碳煙顆粒物的排放。此外，近年來各國已開始嘗試將乙醇等生物燃料應(yīng)用于柴油機(jī)?？墒蔷烤挂x擇哪種代用原料，不僅要考慮到燃料的豐富程度、技術(shù)可行性，還要考慮到代用原料的價(jià)格；代用燃料之所以研究多年未得到實(shí)際應(yīng)用，就是不能同時(shí)滿足上述幾個(gè)條件。也許在不久的將來含氧生物燃料會(huì)很有前途。

3.2 .2 改進(jìn)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)

由于燃料的燃燒時(shí)刻、空氣系數(shù)等對(duì)碳煙顆粒的形成及燃燒工況有一定的影響，通常人們會(huì)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，從而降低污染物的形成或降低油耗。例如，同原有的化油器噴射系統(tǒng)相比，電控燃油噴射系統(tǒng)可降低碳煙顆粒的形成；燃油噴射時(shí)間的延遲也會(huì)減少碳煙顆粒物的形成；此外，渦輪增壓技術(shù)可以增加混合氣中氧的含量，從而降低碳煙的排放并減少了油耗。當(dāng)然有些機(jī)體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)也會(huì)促進(jìn)碳煙的形成，如采用EGR（廢氣再循環(huán)）的機(jī)體，雖能提高燃油效率降低油耗，但也使碳煙顆粒的排放增加。

3.2 .3 排放后處理

無論我們采用何種燃料，對(duì)機(jī)體進(jìn)行怎樣的改造，碳煙顆粒的排放是不可避免的。在后處理中，通常會(huì)安裝尾氣凈化裝置來較好碳煙的排放，其中過濾器（顆粒捕捉器）是最直接有效的方法。

通常過濾器可分為兩種，蜂窩陶瓷過濾器及陶瓷泡沫過濾器，前者是通過陶瓷體的表面介質(zhì)氧化分解碳煙顆粒，而后者的氧化分解是在內(nèi)部進(jìn)行的。不過多數(shù)情況下，碳煙顆粒的氧化溫度通常高于機(jī)體的排氣溫度，因此需要一種催化劑來降低碳煙的熱力氧化溫度，避免顆粒物過度的積累。常用催化劑主要包括：過渡金屬、貴金屬及稀土催化劑。

過渡金屬因其較好的催化能力，歷來是研究者的主要研究對(duì)象。可是因某在催化過程中會(huì)產(chǎn)生有害的物質(zhì)，從而限制了該類催化劑的使用。貴金屬的價(jià)格相對(duì)較高且易于中毒，因此研究較少，而稀土元素雖催化效果不如前者，不過催化效果穩(wěn)定，負(fù)面效果也較少。由于三者具有互補(bǔ)作用，相信在將來以過渡金屬、貴金屬及稀土組成的新型催化劑將會(huì)成為研究主流。

3.2 .4 柴油機(jī)碳煙控制技術(shù)的發(fā)展前景

近年來隨著各國柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格及人們對(duì)環(huán)境問題日益重視，對(duì)柴油機(jī)的顆粒凈化技術(shù)提出了更高的要求，通過研究可知，各種凈化技術(shù)及方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)及不足，對(duì)于研究人員來說，這既是挑戰(zhàn)又是機(jī)遇，并能促使他們提出更加有效的技術(shù)方法來減少碳煙排放。因此柴油機(jī)顆粒凈化研究工作前景十分廣闊。

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U464

A

1003-5168(2014)03-0115-02

李德龍（1987.5—），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向：載運(yùn)工具運(yùn)用工程。