柴油机微粒排放净化技术的发展趋势

柴油机微粒排放净化技术的发展趋势内容摘要：

规定加热速率加热到 923K，保温 5 分钟。 在这段时间内，其中部分可以蒸发，用热天平测量的微粒质量减少量代表其中可挥发部分，用此法测得的主要是高沸点 HC 和硫酸盐，基本与 SOF 吻合。 然而将气体氛换成空气，在相同温度下，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组 合，残留的就是微量灰分。 该方法的优点是能准确快捷的得出样品质量损失率变化的连续曲线，可据此定量分析 VF 中不同馏分，可测来那个碳烟在各种条件下的氧化速率。 缺点是热解质量分析仪昂贵，且一次只能处理一个样品。 真空挥发法 真空挥发法是将微粒样品置于真空干燥箱内，在真空度 95Kpa 以上，温度在 473k以上加热 3 小时 左右，其质量变化即为微粒中 VF 含量。 此方法设备简单，操纵方便，真空干燥箱具有较大的容积，一次可同时处理多个样品。 但是不能连续记录质量的变化，收集 VF 较困难。 索式萃取法 对微粒中 的 SOF 可采用索式萃取法采集，常用的索式萃取法如下图 41 所示： 1冷凝管 2提取管 3虹吸管 4连接管 5提取瓶 图 41 索式萃取法 盛有容积的烧瓶置于恒温浴缸中，用水加热使容积蒸发，上升到冷凝管中，冷凝物回到样品室中浸泡样品，进行萃取。 萃取液达到一定体积时，经虹吸管流回烧瓶。 这样，容积在萃取液中循环流动，不断将微粒中的 SOF 带到烧瓶中，直到萃取完全。 萃取溶剂通常采用二氯甲烷，其沸点为 315K，比样品中的 SOF 低得多。 萃取一般连续 8 小时 就可完成，样品原始质量与残渣质量之差 就是 SOF 质量。 该方法从原理上说，是测量柴油机排放微粒中 SOF 最准确的方法，且萃取可多次使用，不足之处就是耗时多，操作较复杂。 汽车排放微粒中的 SOF 成份复杂，可通过气相色谱仪 GC 进一步分析，以弄清其中各种 HC 的来源。 一般低于 C19 的 HC 来自柴油，高于 C28 的则来自润滑油。 如果色谱仪与质谱仪连用，则可对复杂有机物进行更细致分析，因此结果表明，柴油机排气微粒中可挥发成份随发动机负荷的增大而减少，从 95%减到 65%左右。 其余为不挥发的可燃物碳粒，不可燃的无机物极少。 分析影响微粒生成的因素 负荷与转速的影响 图 42 为柴油机的微粒排放量与负荷和转速的关系。 由图看出：在高速小负荷时，单位油耗的微粒排放量较大，且随负荷的增加，微粒排放量减小；而在低速大负荷时，微粒排放量又由于空燃比的增加而有所升高。 图 42 所示柴油机的微粒排放量与负荷和转速的关系 微粒排放量随负荷有这样的变化趋势，是由于小负荷是空燃比和温度均较低，气缸内稀薄混合气区较大，且处于燃烧界限之外而不能燃烧，造成冷凝集合的有利条件，从而有较多微粒（主要成分是未燃燃油成份和部分氧化反应产物）生成；在大负荷时，空燃比和温度均较高，造成 了裂解和脱氢的有利条件，使微粒（主要成份是碳烟）排放量又有了升高；在接近全负荷时微粒排放急剧增加（接近冒烟界限），这时虽然总体过量 空气系数尚大于 1,但由于燃烧室内可燃混合气不均匀，局部会有过浓，导致烟粒大量生成。 微粒排放量与转速有如此变化关系，是由于在小负荷时温度低，以未燃油滴为主的微粒的氧化作用微弱。 当转速升高时，这种氧化作用又受到时间因素的制约，故微粒排放量随转速升高而增加；在大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度加快，对碳烟微粒在高温条件下与空气混合氧化起了促进作用，故以碳烟为主的微粒 排放量随转速的升高而减小。 如仅考虑碳烟排放，对车速适应性好的柴油机而言，其峰值浓度往往出现在低速大负荷区。 燃料的影响 柴油中的芳香烃含量及柴油的馏程对柴油机的微粒排放有明显的影响。 实验表明，燃油中芳香烃含量及馏程越高，在相同的条件下，微粒排放量越大；而烷烃含量越高，微粒排放量越少。 燃油的十六烷值对烟粒排放也有明显的影响。 实验表明，柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。 其原因可能是由于十六烷值较高的燃油稳定性较差，在燃烧过程中碳粒的生成速率较高所致。 若从燃油的十六烷值对燃烧过程的影响考虑，则 由于十六烷值的燃油具有良好的发火性，故排烟浓度较大。 然而，以降低十六烷来获得排烟的改善，会带来柴油机工作粗暴等严重后果。 喷油参数的影响 在直喷式柴油中，当所有其他参数不变时，提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排气烟度，如图 43 所示。 图 43 喷油参数 提前喷油使排烟下降的原因是：滞燃期随喷油提前角的加大而延长，因此使着火前的喷油量较多，燃烧温度较高，燃烧过程结束较早，从而使排气烟度下降。 但喷油提前会使燃烧噪声和柴油机的机械负荷和热负荷加大，还会引起 NOX排放量增加。 非常迟喷油是排烟下降 的原因是：这种喷油定时发生于最小滞燃气之后，由于扩散火焰大部分发生在膨胀过程中，火焰温度脚底，使碳烟的生成速率降低。 (1) 喷油规律的影响 在喷油定时、喷油持续角、循环供油量、涡流比和发动机转速不变的条件下，直喷式喷油规律对 NO 和碳烟排放的影响如图 44 所示。 当大部分燃油在前半时间内喷入汽缸时，参与预混燃烧的油量增多，故排烟浓度低而 NO 浓度高；反之，当大部分燃油在后半时间喷入汽缸时，参与扩散燃烧的油量增多，故排烟浓度高而 NO 浓度低。 在提高初始喷油速率的前提下，如能减少喷油持续角，可使燃烧过程较快结束 ，以改进碳烟排放。 图 44 直喷式喷油规律对 NO 和碳烟排放的影响 (2) 喷油嘴不正常喷射的影响 当喷油嘴由于针阀密封面漏油或针阀落座缓慢而造成滴漏，或针阀落座后再次升起而产生二次喷射时，燃油雾化和混合变差，对碳烟、未燃烃、 CO 的排放及发动机运转均有不利影响。 (3) 喷油压力的影响 提高喷油压力，改善燃油雾化（减少油雾的平均直径），能促进燃油与空气的混合，改善汽油混合的均匀性，从而减少烟粒的生成。 试验证明，不论柴油机转速高低、负荷大小，烟粒排放均随最大喷油压力的提高而降低。 应注意，在较高的转速和较大 负荷（较大循环供油量）下，同样的喷油装置有较高的喷油压力。 采用较高的喷油压力还可以使柴油机具有较高的 EGR 耐力。 增大 EGR 率可降低 NOX排放，但也往往导致烟粒和 HC排放上升。 从图可看出，当喷油压力从 42MPa 提高到 82MPa 时，烟粒排量可下降一半以上， HC 的排放量下降 1/3 左右。 空气涡流的影响 适当增加空气涡流，可使油滴蒸发加快。 空气卷入量增多，有利于改善混合气品质，以减少碳烟排放量。 但是，对减少碳烟排放有力的涡流，不一定有利于减少其他微粒和 有害物的排放。 例如，当喷油率较低时，增大空气涡流会吹 散较多的燃油，形成较宽的过稀不着火区，使未燃烃排放量增加。 其他因素的影响 由于高温缺氧是造成碳烟生成量增加的重要原因，所以凡能提高充气效率以增大进气量的措施，都可以减少碳烟排放。 适当提高燃烧室内的空气温度和壁温，可以改善燃料着火条件，减少微粒排放。 5 现如今主要采用的净化技术 柴油机的机内净化技术 机内净化着眼于降低燃烧室内碳粒初始粒子的形成、通过改进发动机结构或增加附加装置达到微粒净化的目的。 优化燃烧过程 燃烧系统的优化燃烧过程对微粒产生的影响最大，也是研究的热点，主要有以下几个研究方向。 a. 燃油喷射系统的优化与喷油有关的参数主要有喷油量、喷油嘴端压力、喷油嘴结构和喷油提前角。 喷油系统的性能直接影响燃油的雾化和混合气的质量，最终影响微粒排放特性。 例如，增加喷油嘴孔数、采用电控技术和提高喷射压力可以使燃油在燃烧室内更均匀地分布，减少燃油碰壁，将有利于减少微粒排放，但会引起 N0 的增加。 b. 燃烧方式的改进为了减少微粒排放，所以各国都在研究预混合燃烧方式的柴油机，这样，可使燃油与空气充分混合，尽量避免在高温 缺氧情况下燃油裂解成碳粒的可能性； c. 进气涡流的优化在高压喷射的情况下采用低涡流比有利于减少微粒排放。 这是由于涡流比大，提高了进气速度，而降低充气效率。 但在发动机实际运行时，低转速时要求较高的进气涡流；而高速时要求有较低的进气涡流。 采用可变涡流进气道技术可使运行中的涡流比在 ～ 之间变化，使发动机性能及微粒排放特性在整个范围内得到优化； d. 四气门技术采用四气门结构，使活塞上的燃烧凹坑和缸盖上的喷油嘴布置在燃烧室中央，改善了进气涡流和油雾分布，使燃烧状况明显优化，同时也改善了活塞和喷嘴的冷却条 件，从而减少微粒排放； e. 采。