金鐸，劉坤，陳偉（.重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶400074；.重慶鐵馬集團(tuán)軍研所，重慶400050）

柴油機(jī)微粒生成機(jī)理與控制技術(shù)

金鐸1，劉坤2，陳偉2
（1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶400074；2.重慶鐵馬集團(tuán)軍研所，重慶400050）

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

柴油機(jī)；顆粒物；生成機(jī)理；控制技術(shù)

柴油機(jī)具有較高的熱效率、較強(qiáng)的動(dòng)力性和較好的可靠性，一直被廣泛地研究和應(yīng)用。柴油機(jī)在廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也給環(huán)境帶來(lái)了相應(yīng)的污染。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，到2020年，我國(guó)柴油轎車(chē)的保有量可能將達(dá)到整體汽車(chē)市場(chǎng)的30%。因?yàn)椴裼蜋C(jī)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(zhǎng)期漂浮在大氣中，污染環(huán)境，給人們的健康造成嚴(yán)重影響。研究表明，空氣中的細(xì)顆粒物含量每提高10μm/m3，會(huì)導(dǎo)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(duì)減少環(huán)境污染、降低其對(duì)人體健康的影響具有重要的意義。

圖1 柴油機(jī)PM排放的粒徑分布

1 柴油機(jī)PM的生成機(jī)理

柴油機(jī)排放的顆粒物主要由炭煙、可溶性有機(jī)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(rùn)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(jī)PM排放的粒徑分布。

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

2 柴油機(jī)微粒排放控制技術(shù)

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外車(chē)用柴油機(jī)PM排放控制技術(shù)分為機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化兩種。機(jī)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(jī)外凈化是利用附加的裝置或設(shè)備，將柴油機(jī)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(jī)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(jī)PM生成的關(guān)鍵因素。研究表明：柴油機(jī)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(lái)越多地運(yùn)用到高效、清潔柴油機(jī)開(kāi)發(fā)上。圖2為多次噴射的噴油控制曲線(xiàn)[4]，第一次噴射為預(yù)噴射，進(jìn)行均質(zhì)充量壓燃（HCCI）控制；第二次噴射是前噴，在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前，緊接著預(yù)噴，縮短著火延遲期；第三次噴射為在活塞到達(dá)上止點(diǎn)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(dòng)動(dòng)能，促進(jìn)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(rèn)為，后噴增強(qiáng)了燃燒后期的紊流能量，促進(jìn)了混合過(guò)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(jìn)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(jī)廢氣中的顆粒物中70%～80%帶有一定數(shù)量的正電荷或負(fù)電荷，可以采用靜電捕集技術(shù)對(duì)微粒進(jìn)行收集。其原理是：柴油機(jī)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(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，對(duì)帶電微粒進(jìn)行靜電捕集，實(shí)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(dāng)成熟。但是這種方法存在一定的缺點(diǎn)，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(chē)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(bǔ)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(jī)顆粒捕集器（DPF）是現(xiàn)階段國(guó)際上公認(rèn)的、最實(shí)用有效的顆粒物后處理技術(shù)[6-8]。DPF主要由過(guò)濾部分、再生部分、控制部分組成。顆粒捕集器將柴油機(jī)的排氣引入特定的后處理裝置，對(duì)排氣中的顆粒進(jìn)行捕集，使其不能被排出機(jī)外，再利用催化氧化劑等對(duì)其進(jìn)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(yàn)表明，顆粒物捕集器可將柴油機(jī)中有害顆粒物減少70%～98%。圖3為柴油機(jī)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(zhǎng)時(shí)間的積累，顆粒物堆積到過(guò)濾體的細(xì)孔內(nèi)，增加排氣阻力，導(dǎo)致柴油機(jī)的性能惡化。為了保證柴油機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，需要定期對(duì)其進(jìn)行清理，即對(duì)微粒捕集器進(jìn)行“再生”。再生即是依靠先進(jìn)的技術(shù)手段，除去載體內(nèi)沉積微粒的過(guò)程。再生過(guò)程中，顆粒捕集器收集的顆粒會(huì)被燃燒掉，所以再生的關(guān)鍵在選擇過(guò)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(dá)到250～350℃，燃油添加劑輔助再生溫度需要到達(dá)最少380℃。而柴油機(jī)自然排氣的溫度范圍為200～350℃，導(dǎo)致在未添加輔助加熱裝置的條件下，達(dá)不到連續(xù)再生和催化再生的溫度[9]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)微粒捕集器再生技術(shù)進(jìn)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(duì)過(guò)濾體進(jìn)行加熱，使得過(guò)濾體內(nèi)的微粒燃燒；另一種是對(duì)采用導(dǎo)電材質(zhì)的過(guò)濾體進(jìn)行直接加熱，使過(guò)濾體上的微粒升溫燃燒，實(shí)現(xiàn)過(guò)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(chē)載電源[10-11]，因此在使用此種再生方式時(shí)需要考慮電量消耗較高的問(wèn)題。

2）微波加熱再生技術(shù)。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)微波加熱再生進(jìn)行了相關(guān)研究[12-13]。使用微波可以對(duì)微粒加熱，但是如果過(guò)濾體采用陶瓷材料，因陶瓷材料不能用微波進(jìn)行加熱，所以采用這種加熱方式應(yīng)選擇性地對(duì)捕集器進(jìn)行加熱。微粒對(duì)微波的吸收能力是陶瓷的100倍以上，可以實(shí)現(xiàn)捕集器再生。因此，采用微波加熱時(shí)，被加熱對(duì)象主要是微粒，提高了能量利用率，延長(zhǎng)了過(guò)濾體壽命，提高了再生效率。微波再生效率高，沒(méi)有二次污染，是目前國(guó)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(qiáng)的輻射能吸收能力，捕集器內(nèi)部涂一層具有較強(qiáng)輻射能力的紅外涂層，對(duì)紅外涂層進(jìn)行加熱，涂層輻射出去的能量對(duì)微粒加熱燃燒再生。研究發(fā)現(xiàn)，紅外輻射直接對(duì)微粒進(jìn)行加熱，能量耗散少，加熱裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，再生的時(shí)間短效率高。但加熱速度較慢。之前有學(xué)者將紅外再生技術(shù)、壁流式陶瓷過(guò)濾體及電子動(dòng)態(tài)反饋控制相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了再生效率達(dá)90%以上的微粒捕集系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

降低柴油機(jī)PM排放已經(jīng)成為柴油機(jī)研究及應(yīng)用最急迫的問(wèn)題。隨著排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)特別是柴油車(chē)顆粒物排放的控制要求越來(lái)越高。必須切實(shí)降低柴油機(jī)有害物排放量，降低PM在柴油機(jī)缸內(nèi)的生成，控制源頭，改進(jìn)柴油機(jī)的燃燒和工作過(guò)程，并加強(qiáng)后處理的力度，才能確保柴油機(jī)在機(jī)動(dòng)車(chē)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(chē)輛能源與污染控制。