金鐸，劉坤，陳偉（.重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶400074；.重慶鐵馬集團軍研所，重慶400050）

柴油機微粒生成機理與控制技術(shù)

金鐸1，劉坤2，陳偉2
（1.重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶400074；2.重慶鐵馬集團軍研所，重慶400050）

柴油機的動力性要優(yōu)于汽油機，但其顆粒物排放卻大大高于汽油機。本文在研究柴油機顆粒物生成機理的基礎(chǔ)上，分析柴油機顆粒物粒徑的分布，并對柴油機顆粒物的凈化技術(shù)進行探討。

柴油機；顆粒物；生成機理；控制技術(shù)

柴油機具有較高的熱效率、較強的動力性和較好的可靠性，一直被廣泛地研究和應(yīng)用。柴油機在廣泛應(yīng)用的同時，也給環(huán)境帶來了相應(yīng)的污染。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，到2020年，我國柴油轎車的保有量可能將達到整體汽車市場的30%。因為柴油機缸內(nèi)燃料的不完全燃燒，顆粒物（PM）成為其主要污染物[1]。顆粒物可以長期漂浮在大氣中，污染環(huán)境，給人們的健康造成嚴重影響。研究表明，空氣中的細顆粒物含量每提高10μm/m3，會導致心血管病的死亡率提高12.3%[2]。因此減少顆粒物的排放、對減少環(huán)境污染、降低其對人體健康的影響具有重要的意義。

圖1 柴油機PM排放的粒徑分布

1 柴油機PM的生成機理

柴油機排放的顆粒物主要由炭煙、可溶性有機物（SOF）和硫酸鹽組成。炭煙是燃料未完全燃燒產(chǎn)生的。SOF主要是燃料和竄入氣缸中的潤滑油不完全燃燒剩余的重餾分THC。一般柴油中98%的硫生成二氧化硫，殘余部分為硫酸鹽。圖1表示典型柴油機PM排放的粒徑分布。

由圖1可知，顆粒數(shù)目的濃度呈對數(shù)正態(tài)分布，其單峰值對應(yīng)的顆粒直徑為0.012μm左右，大約90%的顆粒集中分布在細顆粒物區(qū)間上。

2 柴油機微粒排放控制技術(shù)

現(xiàn)階段，國內(nèi)外車用柴油機PM排放控制技術(shù)分為機內(nèi)凈化和機外凈化兩種。機內(nèi)凈化是采用優(yōu)化燃油和電子控制技術(shù)，降低PM的生成，包括改善燃油的品質(zhì)和噴射、燃燒等；而機外凈化是利用附加的裝置或設(shè)備，將柴油機生成的PM在排到大氣之前降低，包括靜電收集技術(shù)、DPF及其再生技術(shù)等。下面著重介紹與柴油機系統(tǒng)有關(guān)的內(nèi)外控制技術(shù)。

2.1 燃油噴射技術(shù)

除柴油品質(zhì)外，柴油霧化質(zhì)量是影響柴油機PM生成的關(guān)鍵因素。研究表明：柴油機的噴油壓力越高，柴油與空氣的混合程度越好，PM的排放越低[3]?，F(xiàn)今，以高壓共軌技術(shù)為代表的多次噴射技術(shù)被越來越多地運用到高效、清潔柴油機開發(fā)上。圖2為多次噴射的噴油控制曲線[4]，第一次噴射為預噴射，進行均質(zhì)充量壓燃（HCCI）控制；第二次噴射是前噴，在活塞到達上止點前，緊接著預噴，縮短著火延遲期；第三次噴射為在活塞到達上止點后的主噴，以調(diào)節(jié)輸出功率；第四次噴射是后噴，增加擾動動能，促進柴油和空氣的快速混合及燃燒，降低PM生成，使排氣溫度升高。相關(guān)研究人員認為，后噴增強了燃燒后期的紊流能量，促進了混合過程的發(fā)展[5]；第五次為尾噴，為后處理裝置提供未燃燒的HC，后處理排氣溫度升高，促進后處理的再生能力。

圖2 多次噴射的噴油控制

2.2 靜電捕集技術(shù)

柴油機廢氣中的顆粒物中70%～80%帶有一定數(shù)量的正電荷或負電荷，可以采用靜電捕集技術(shù)對微粒進行收集。其原理是：柴油機排氣管的尾端裝有集塵板，在集塵板間施加一定的高壓電場，在電場的作用下，對帶電微粒進行靜電捕集，實現(xiàn)尾氣凈化。采用這種方法，微粒捕集率較高，而且技術(shù)也相當成熟。但是這種方法存在一定的缺點，捕集裝置體積太大，成本很高，而且極板要定期處理，目前還缺少有效的清理方式。另外靜電捕集技術(shù)一直未能在汽車上得以應(yīng)用的主要原因是高壓電源供電很難。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，靜電補集技術(shù)仍然具有很廣闊的前景。

2.3 DPF及其再生技術(shù)

柴油機顆粒捕集器（DPF）是現(xiàn)階段國際上公認的、最實用有效的顆粒物后處理技術(shù)[6-8]。DPF主要由過濾部分、再生部分、控制部分組成。顆粒捕集器將柴油機的排氣引入特定的后處理裝置，對排氣中的顆粒進行捕集，使其不能被排出機外，再利用催化氧化劑等對其進行分解、燃燒，凈化大部分顆粒，減少顆粒物的排放。相關(guān)試驗表明，顆粒物捕集器可將柴油機中有害顆粒物減少70%～98%。圖3為柴油機顆粒物捕集器的捕集原理。

圖3 顆粒物捕集器捕集原理

由于長時間的積累，顆粒物堆積到過濾體的細孔內(nèi)，增加排氣阻力，導致柴油機的性能惡化。為了保證柴油機的動力性和燃油經(jīng)濟性，需要定期對其進行清理，即對微粒捕集器進行“再生”。再生即是依靠先進的技術(shù)手段，除去載體內(nèi)沉積微粒的過程。再生過程中，顆粒捕集器收集的顆粒會被燃燒掉，所以再生的關(guān)鍵在選擇過濾的材料和再生手段。

正常狀況下，連續(xù)再生所需的排氣溫度要達到250～350℃，燃油添加劑輔助再生溫度需要到達最少380℃。而柴油機自然排氣的溫度范圍為200～350℃，導致在未添加輔助加熱裝置的條件下，達不到連續(xù)再生和催化再生的溫度[9]。近年來，國內(nèi)外對柴油機微粒捕集器再生技術(shù)進行了大量研究工作，提出了多種再生技術(shù)。

1）電加熱再生技術(shù)。電加熱再生有兩種，一種是在濾體前端安裝電加熱器，利用加熱器對過濾體進行加熱，使得過濾體內(nèi)的微粒燃燒；另一種是對采用導電材質(zhì)的過濾體進行直接加熱，使過濾體上的微粒升溫燃燒，實現(xiàn)過濾體再生。但是這兩種電加熱再生技術(shù)唯一的不足之處在于通常需要1.5～3 kW的電功率，要消耗一定的車載電源[10-11]，因此在使用此種再生方式時需要考慮電量消耗較高的問題。

2）微波加熱再生技術(shù)。國外研究機構(gòu)對微波加熱再生進行了相關(guān)研究[12-13]。使用微波可以對微粒加熱，但是如果過濾體采用陶瓷材料，因陶瓷材料不能用微波進行加熱，所以采用這種加熱方式應(yīng)選擇性地對捕集器進行加熱。微粒對微波的吸收能力是陶瓷的100倍以上，可以實現(xiàn)捕集器再生。因此，采用微波加熱時，被加熱對象主要是微粒，提高了能量利用率，延長了過濾體壽命，提高了再生效率。微波再生效率高，沒有二次污染，是目前國內(nèi)外主要應(yīng)用的再生技術(shù)。

3）紅外加熱再生技術(shù)。顆粒物中的碳具有較強的輻射能吸收能力，捕集器內(nèi)部涂一層具有較強輻射能力的紅外涂層，對紅外涂層進行加熱，涂層輻射出去的能量對微粒加熱燃燒再生。研究發(fā)現(xiàn)，紅外輻射直接對微粒進行加熱，能量耗散少，加熱裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，再生的時間短效率高。但加熱速度較慢。之前有學者將紅外再生技術(shù)、壁流式陶瓷過濾體及電子動態(tài)反饋控制相結(jié)合，開發(fā)出了再生效率達90%以上的微粒捕集系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

降低柴油機PM排放已經(jīng)成為柴油機研究及應(yīng)用最急迫的問題。隨著排放法規(guī)日趨嚴格，對機動車特別是柴油車顆粒物排放的控制要求越來越高。必須切實降低柴油機有害物排放量，降低PM在柴油機缸內(nèi)的生成，控制源頭，改進柴油機的燃燒和工作過程，并加強后處理的力度，才能確保柴油機在機動車中的可持續(xù)應(yīng)用。

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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

金鐸（1993-），男，碩士研究生；研究方向：車輛能源與污染控制。