柴油机PM排放控制技术探讨

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1、柴油机PM排放控制技术探讨摘 要本文针对车用柴油机PM的组成及对人类生活的危害所面临的若干问题，通过对柴油机污染物的生成机理、影响因素等方面的知识，进一步地阐述对柴油机污染物的净化措施等较高问题的本质，优化排放质量，以便使车用柴油机符合环保要求，更进一步的保护我们懒以生存的家园。本论文共分四章：第一章绪论部分简要概述了本课题的研究思路、现状分析及净化措施；第二章阐述了柴油机的有害排放物的生成机理及危害，提出了本论文主要研究工作和基本思路； 第三章讲述了柴油机有害排放物的净化措施等问题并进行了讨论；第四章 对本课题的研究结果进行了总结。关键词：车用柴油机；有害排放物；净化措施 AbstractT

2、his paper and composition of the vehicle diesel engine to human PM the dangers of life facing some problems, through the creation of pollutants of diesel mechanism, influencing factors and other aspects, further describes the purification of diesel engine pollutants nature of problems measures to hi

3、gher quality, optimizing the emissions vehicle diesel engine, so as to meet environmental requirements, further protect us lazy to survive homes.This paper is divided into four chapters: the first chapter the introduction section of this topic briefly summarizes the current research approach, analys

4、is and purification measures; The second chapter expounds the harmful emissions from diesel generating mechanism and harm, proposed the this thesis mainly research work and basic ideas; The third chapter of a diesel engine harmful emissions purification measures and discussed issues; The fourth chap

5、ter of this topic research results are summarized.Keywords: automotive diesel engine; Harmful emissions; Purification measures 目 录1 绪论 11.1 车用柴油发动机排放物的生成机理及净化措施研究的意义 61.2 国内外对有害排放物的研究现状分析 61.3 对有害排放物所采取的各项净化措施 61.4 本课题的主要研究工作的基本思路 62车用柴油机的排放物 72.1 引言 72.2柴油机的排放物及危害 72.3柴油机排放物的生成机理 92.4影响柴油机排放物生成的主要因

6、素 123 排放物的控制措施 193.1减少柴油机排气污染物的控制技术193.2 燃烧系统的改进193.2.1 直接喷射式燃烧系统的改进19 3.2.2 间接喷射式燃烧系统的改进203.3进气系统的改进213.4燃料喷射系统的改进223.4.1 高压喷射系统223.4.2 改进喷油器结构243.4.3 电子控制喷射系统253.5 燃料的改良323.5.1 燃料的改质323.5.2 燃油添加剂 333.6柴油机排气污染物的机外净化措施 333.6.1 催化净化技术333.6.2 柴油机微粒物机外净化方法344 结果分析与讨论415 总结参考文献 42致 谢 431 引言与汽油机相比，现代车用柴油

7、机具有动力性较高和经济性较好两大优点，而且具有高效率、低油耗、寿命长、使用可靠等特点。20世纪30年代，世界各国开始将柴油机用于重型车，90年代柴油机轿车有了很大发展。柴油车比汽油车省油三分之一，排放的污染物较少。目前，欧洲的轿车消费市场上，柴油轿车占了40%。我国的柴油车发展较晚，但发展迅速。到2002年全国汽车产量为325万辆，柴油车占99.8万多辆，约占汽车总量的30%。增速如此之快，难免给环境造成较大的影响。随着柴油汽车的社会拥有量的迅速增大，伴随着工业文明的迅速发展而出现的环境问题不断增多。环境保护问题越来越引起人们的高度重视。柴油机工作时排放的产物可分为两类，一类是可见产物，即颗粒

8、状物，如炭粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等，“墨斗鱼”是人们对尾气排放严重超标的重型柴油车的形象称呼。这类产物中，有些为致癌物质，它们污染环境、阻碍视线。另一类是一般情况下肉眼看不见的物质，如一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和二氧化硫（SO2）、碳氢化合物（HC）等.CO对人体有毒，而且在大气中不易自净;SO2有难闻的刺鼻气味：HC、NO在一定的地理气候条件下，经太阳光的作用会形成毒性很强的光化学烟雾；NOx和SO2易溶于水形成酸雨。显然，柴油机工作时排出的燃烧产物不仅会对人类的生存环境造成污染与破坏，而且由于柴油燃烧不完全，造成了能源的浪费。炭烟越浓，排放的可燃物越多，对环

9、境的污染越严重，能源的浪费就越大。控制重点是氮氧化物和颗粒污染物。近年的一项调查显示，在全国机动车的排放污染物分担率中，柴油车占氮氧化物的43%，占颗粒悬浮物的83%。1.1 车用柴油发动机排放物的生成机理及净化措施研究的意义近几十年来，随着工业的发展和能源消耗的日益增加，由于燃烧过程产生的有害物质对大气产生了严重的污染。特别是石油燃料的大量消耗所引起的严重后果，在工业与交通集中的那些地区对环境的污染表现得最为突出，并引起人们的普遍关注。本课题对柴油机的有害排放物及其影响因素作了详细研究，对于有害排放物的生成机理和有针对性地采取措施以改善柴油机的有害排放物具有较大的理论价值和实用价值。1.2

10、国内外对有害排放物的研究现状分析汽车是当今大气污染的最大污染源已经被许多国家调查所证实。现在，世界上大约有两亿辆汽车，其中大部分在城市行驶，这些汽车每年排出两亿吨一氧化碳，四千万吨碳氢化合物，两千万吨一氧化氮等有害气体。而且，随着汽车数量的逐年增加，汽车排放到大气中的有害物质还会随之而增加。因此一些发达国家都采取了相应的应对措施，以减少汽车有害物的排放，例如：美国、德国、日本、等一些发达国家。1.3 对有害排放物所采取的各项净化措施车用柴油机的有害排放物所造成的危害，针对不同方面采取了不同的措施。本课题主要从燃烧系统的改进、喷射系统的改进、点火系的改进、进气系统的改进等措施来净化汽油机的尾气排

11、放。1.4 本课题的主要研究工作的基本思路本课题研究的主要目的是充分利用现有的实验设备，搜集多方资料，采用理论分析法对结果进行修正处理，用实验法得到较合理的有害物排放值，分析出车用柴油机有害排放物的生成机理及其生成的影响因素。以实验研究为基础丰富车用柴油机有害物排放理论，为降低排放寻找有效的净化措施，并为将来对柴油机燃烧过程和排放特性的进一步研究提供一定的参考。2 车用柴油机的排放物2.1 引言与汽油机相比，现代车用柴油机具有动力性较高和经济性较好两大优点，而且具有高效率、低油耗、寿命长、使用可靠等特点。20世纪30年代，世界各国开始将柴油机用于重型车，90年代柴油机轿车有了很大发展。柴油车比

12、汽油车省油三分之一，排放的污染物较少。目前，欧洲的轿车消费市场上，柴油轿车占了40%。我国的柴油车发展较晚，但发展迅速。到2002年全国汽车产量为325万辆，柴油车占99.8万多辆，约占汽车总量的30%。增速如此之快，难免给环境造成较大的影响。随着柴油汽车的社会拥有量的迅速增大，伴随着工业文明的迅速发展而出现的环境问题不断增多。环境保护问题越来越引起人们的高度重视。柴油机工作时排放的产物可分为两类，一类是可见产物，即颗粒状物，如炭粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等，“墨斗鱼”是人们对尾气排放严重超标的重型柴油车的形象称呼。这类产物中，有些为致癌物质，它们污染环境、阻碍视线。另一类是一

13、般情况下肉眼看不见的物质，如一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和二氧化硫（SO2）、碳氢化合物（HC）等.CO对人体有毒，而且在大气中不易自净;SO2有难闻的刺鼻气味：HC、NO在一定的地理气候条件下，经太阳光的作用会形成毒性很强的光化学烟雾；NOx和SO2易溶于水形成酸雨。显然，柴油机工作时排出的燃烧产物不仅会对人类的生存环境造成污染与破坏，而且由于柴油燃烧不完全，造成了能源的浪费。炭烟越浓，排放的可燃物越多，对环境的污染越严重，能源的浪费就越大。控制重点是氮氧化物和颗粒污染物。近年的一项调查显示，在全国机动车的排放污染物分担率中，柴油车占氮氧化物的43%，占颗粒悬浮物的83%。2.2

14、柴油机的排放物及危害柴油机排放的废气中，氮气（N）占75.2%，二氧化碳（CO2）占7.1%，氧气及其他成分占16.88%，有害排放占0.82%。其中有害排放的主要成分包括：氮氧化合物占35.4%，一氧化碳占35.4%，硫化物及微粒主要是炭烟，还包括油雾、金属颗粒等占20.66%。与汽油机相比，柴油机排放的CO和HC要少得多，NOx与汽油机在同一数量级，而微粒及炭烟的排放要比汽油机多十几倍甚至更多。因此柴油机的排放控制，重点是NOx和微粒及炭烟，其次是HC。柴油机的燃烧过程比较复杂，影响因素较多，由于诸多原因的影响使柴油与空气难以达到完全燃烧的程度，可能会造成局部或整个燃烧空间内出现不完全燃烧

15、，所以产生出不完全燃烧产物和燃烧中间产物，这些燃烧产物大部分是有毒的，或者具有强烈的刺激性和致癌作用，造成了对大气环境的污染和对人体的危害，必须加以控制。（1）一氧化碳，一氧化碳是柴油在空气不足的情况下燃烧的中间产物，在柴油机排气中一般含量较低，当柴油机燃烧局部缺氧时容易产生。一氧化碳生成量的多少取决于空燃比，由于柴油机空燃比较大，因此一氧化碳排放量不大。一氧化碳浓度达到一定程度就能引起人体慢性中毒，导致人体组织缺氧，危害中枢神经，引起头痛、头晕、四肢无力等中毒症状，严重时会导致生命危险。（2）氮氧化物，氮氧化物是在柴油机燃烧高温条件下产生的，其生成取决于燃烧过程中的温度和反应时间的长短。在直

16、接喷射柴油机中，由于空燃比较大，氧气较为丰富，燃烧温度也高，使氮氧化物的生成量较大。在间接喷射柴油机中，燃烧首先在极缺氧的涡流室中进行，燃烧温度相对较低，当火焰喷入主燃烧室时，使燃烧在有充足空气中且燃烧温度较低的情况下进行，可避免氮氧化物的生成时机，所以氮氧化物排放量相对较低。氮氧化物中NO、NOx都具有毒性对人体和环境破坏较大。人吸入氮氧化物后出现眩晕、无力等，严重时出现窒息。另外，还会与碳氢化合物一起引起光化学反应，造成更严重的危害。（3）碳氢化合物，在柴油机排气中碳氢化合物的生成的主要途径为燃料不完全燃烧、缝隙效应、曲轴箱漏气等。柴油机虽然有较大的空燃比，由于雾化质量很难达到使燃油与空气

17、混合到理想的均匀程度，燃油在喷射时，难以避免地会喷到壁面上，而形成局部过浓混合气，形成局部不完全燃烧。另外，喷射定时滞后与延迟、负荷与转速的变化、低温启动、怠速运转等情况下都会使未燃碳氢化合物的浓度增加。排气中的碳氢化合物具有较大毒性，是一种很强的致癌物质。另外碳氢化合物是引起光化学反应的起因物质，生成的过氧化物对环境的危害很大。（4）颗粒物，柴油机的排放颗粒物主要是炭粒，其形成的过程也很复杂。影响炭粒形成的主要因素是高温与贫氧，在过量空气系数很低、油气混合物不均匀而又处于高温下的油滴将被裂解，从而产生大量的炭粒。在柴油机的燃烧过程中，炭粒的形成除过量空气系数、混合气均匀性和燃烧温度外，还与燃

18、料的成分有较大的关系，如燃料的碳氢比、灰分等都影响炭粒的生成。炭粒易粘附重碳氧化物及硫酸盐，形成的颗粒物悬浮于空气中，在大气中受阳光和其他物质作用将发生光化学反应，对环境产生危害。2.3柴油机排放物的生成机理关于柴油机排放物生成机理说法很多，目前尚无定论。一般认为，碳烟也是不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧的情况下裂解过程释出并聚合而成的。由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室内各区域的化学反应条件是不一致的，而且随时间而变化的，所以碳烟很可能是由许多不同途径生成的。实验观察表明，在预混燃烧阶段，火焰亮度不大，据认为这时尚未产生大量的碳粒；进入扩散型燃烧，火焰亮度大增，而且在各种工况都如此，说明碳粒主

19、要在扩散焰中产生。柴油机燃烧过程中产生碳粒是难以避免的，它是烃燃料燃烧过程的中间产物。Brome及Khan根据对火焰的研究资料，对碳烟颗粒的形成如图21的定性描述，认为烃燃料在过浓的高温区中是通过深度裂解和脱氢过程，产生较小分子量的物质，在后期出现聚合反应。在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合，产生较大分子量物质。这两个途径（或相互交错）最终产生碳烟颗粒。B.B Chakraborty和R.Long根据他们的研究和他人的资料，提出了碳烟形成机理如图22所示。他们认为在反应过程的后几个阶段生成了一种很不活泼的，难于氧化的具有多个团的聚缩乙炔化合物，由于它有大量的三键，因此聚缩乙炔就易于聚合生成黑色的、

20、在所有溶剂中都不溶解的聚合物。高温和氢的缺乏进一步导致了聚合物的脱氢和环化，形成了几乎仅由碳组成的具有多环结构的不溶性的碳烟成分，这种碳络化物构成了具有六方晶格碳烟晶子。片晶呈平行布置但相互间有不规则的位移。聚缩乙炔不仅倾向于聚合，在提供相应的氢时，可在较低的温度下（小于1000）环化和氢化而形成多环芳香碳氢化合物，碳烟的这两种成分的组合可通过碳络合物吸收多环芳香碳氧化合物来进行，也可能多环芳香碳氧化合物是作为类似于石墨中的杂质那样，填入碳烟片晶层空隙之中了。图21 烃类燃料燃烧过程中生成碳烟颗粒的进程图22 碳烟形成机理按照上述的定性描述，柴油机燃烧过程中碳烟的生成可概括为三个阶段。成核阶段

21、燃料分子在高温缺氧条件下裂解为较小的烷基并脱氢为乙炔，经聚合为共轭多稀烃，最后环化为多环结构的呈六角形基本单元的片晶，如图23（a）所示。图23 碳烟颗粒的结构层次单粒阶段初生石墨状片晶的亲和力很强，它们存在时间很短，很快就聚合成各种大小的近于球形的单粒，这些单粒含有10000到100000个碳原子，其直径可能在200.6m，但绝大多数在0.010.1m之间，如图23（b）所示。单粒的燃烧消失或附聚成更大絮团球形的单粒在高温下与含氧化合物接触，可以发生下列反应：C+CO2=2CO C+H2O=CO+H2当气体温度高，H2O和CO2的浓度也高时，在有利于碳粒燃烧的条件下，单粒就会逐渐减小尺寸以至

22、完全消失。在不利的工况下，由于区域内缺氧和CO浓度过高，或温度不足以使氧化反应顺利进行，这时碳粒不能燃烧，反而互相团聚，或从小的单粒变成大的单粒或由单粒附聚成更大的絮团，其最大尺寸可达0.1m甚至1m，如图23（c）所示。这些絮团是由几十个到几百个球形单粒附聚起来的。从气缸排出后，气体温度下降，球形单粒尺寸基本不变，而絮团则继续增大。当温度低于300以下时，絮团增大特别明显，这可能是由于某些气相物质开始凝结并为微粒所吸收。柴油机中燃料的高温裂解反应是不可避免的，特别在空间混合燃烧的柴油机中，由于高温气体包围着液态的油滴，造成了有利于裂解反应的条件，因此在燃烧初期产生了大量的碳粒，这一点已为燃烧

23、过程的高速摄影所证实。柴油机在正常燃烧时，在排气门打开以前，燃烧过程初期所形成的大量碳粒可以基本烧完，所以排气基本上是无烟的。只是在某些不利工况下，碳粒不能及时燃烧反而团聚吸附，在气缸中和排气过程中形成更大的碳烟粒子或絮团，使排气冒黑烟。2.4 影响柴油机排放物生成的主要因素现将影响HC、CO、NOx的生成和消失的主要因素分述如下：过量空气系数柴油机中的HC、CO、NOx的生成与过量空气系数变化有关。当燃烧室及供油系统的结构参数一定时，对于某一值，CO排放浓度最低，偏离这一数值时，CO的排放浓度均要增加，如图24所示。图24 过量空气系数a对CO浓度影响减小时CO浓度增加的主要原因是：当减小时

24、，循环喷油量增加，而氧浓度并没有增加，造成燃烧室内局部缺氧。另外，一般来讲，随着循环喷油量的增加，发动机的转速也升高，混合气形成和燃烧的时间变短，混合气品质变差，混合气不均匀的程度加剧。CO与O2的反应时间也随之缩短，部分CO来不及继续氧化变成CO2就排出机外，造成CO排放浓度的增加。增加时CO浓度增加的主要原因是：当增加时，混合气变稀，燃烧室内温度下降，造成局部地区温度过低，混合气超过稀燃极限，火焰在低温区和稀混合区内发生猝熄的现象增加，从而使CO的排放浓度增加。图25为某直喷式柴油机HC和NOx浓度随过量空气系数的变化曲线（为了比较，图中还给出了CO的变化曲线）。从图中可以看出，对于某一a

25、值，HC的排放浓度最低，偏离此值时，HC的排放浓度均要增加。图25 直喷式柴油机对HC、NOx的影响（4100型柴油机，2800r/min，供油提前角为25.5A）减小时HC浓度增加的主要原因是：当减小时，混合气变浓，超富限的混合气增加，同时高温裂解加剧，造成HC的排放浓度增加。增加时HC浓度增加的主要原因是：当增加时，混合气变稀，混合气中超稀限的量增加，同时随着增加燃烧室内的温度也降低。这些因素限制了HC的氧化，从而使HC排放浓度增加。过量空气系数对直喷式和间喷式柴油机NOx浓度的影响基本一致。随着的增加，NOx排放浓度明显降低。在较小的区段，NOx下降速度快；在较大的区段，NOx下降速度较

26、慢。NOx排放浓度下降的主要原因是：随着增加，每循环喷油量减少，气缸内的放热率和平均燃烧温度降低，因而造成NOx排放浓度降低。喷油定时喷油提前角加大，将影响喷注内各区燃料的分布。由于此时气缸内压力、温度低，使着火延迟时间加长，结果使稀熄火区加宽，并使喷到室壁的燃油量增加，喷油提前往往会引起不完全燃烧产物的增加。喷油定时对NOx的影响如图26所示。喷油时刻提前，由于燃油在较低的温度和压力下喷入气缸，结果使着火延迟角加大，但是着火延迟角加大总是小于喷油提前角的加大，图26 喷油定时对NOx排放的影响因而着火时刻相对于上止点的曲轴转角提前，这将使生NOx成量增加，另一方面滞燃期延长，导致更多的燃料在

27、稀火焰区蒸发混合，也使NOx的生成量增加，在喷注的其它区域，由于所达到的高温，也促进了这些区域NOx的生成。因此，喷油时刻对NOx有重要影响。推迟喷油时刻对减少直喷式和分隔式柴油机的NOx的排放都非常有效，这主要是由于燃烧室各部分所达到的最高温度降低所致。推迟喷油对直喷式柴油机降低NOx排放更为有效。由于直喷式柴油机的燃油消耗率本来就比分隔式更好，因此采用推迟喷油时刻的方法，柴油机的燃油消耗率也不至于太恶化。但推迟喷油会引起烟度增加和CO、HC浓度的升高，对柴油机的功率，燃料消耗率和排气温度，也会带来一些不利影响。有些柴油机在推迟喷油时刻的同时，还采用高喷射率的办法来解决柴油机由于喷油时刻推迟

28、所造成的不利影响，结果不仅降低了NOx排放，而且CO和HC排放也有所改善。由于喷射率高，喷油延续时间短，有可能使柴油机在喷油提前角减少的情况下，喷油终点仍保持不变，这样可以减少推迟喷油对放热率的影响，从而使柴油机功率、油耗及烟度比单独推迟喷油时的效果好。空气涡流适当增加燃烧室内空气涡流的强度，可改善燃油与空气的混合，促进混合气的形成，提高混合气的均匀性，减少异相燃烧。同时燃烧室内局部区域混合气过浓或过稀的现象减少。另外，涡流能加速燃烧，使气缸内最高燃烧压力和温度提高。这些有利于未燃烃的氧化。但空气涡流过强，则相邻两喷注之间形成互相重叠和干扰，使混合气过浓或过稀的现象更加严重，反而使HC排放增加

29、，如图27所示。图27 涡流强度对HC浓度和油耗率的影响(为试验台上的涡流转速，为谷值点)涡轮增压废气涡轮增压是提高柴油机功率、降低油耗的一项主要措施。涡轮增压对柴油机排放也有重要影响。在燃空比相同的情况下，涡轮增压使柴油机的进气压力和整个循环温度比不增压时高，这将有利于氧化反应，减少未燃烃及CO的生成，而且未燃烃在排气管和涡轮中还可以继续氧化，所以排气中HC的降低了。由于增压后加大了空燃比，则更有利于排气中HC和CO的降低。由于增压后燃烧温度高，空燃比大，所以导致较高的NOx浓度。但如果将增压后的空气冷却，降低进气温度，可以使NOx排放降低到非增压时的水平，同时由于进气密度增加，中冷对柴油机

30、烟度和燃烧经济性也有好的影响。燃烧系统分隔式燃烧系统比直喷式燃烧系统的有害排放物低得多，如图28所示。在分隔式燃烧系统中有害排放物是在两个阶段产生的：一是在辅助燃烧室（即涡流室或预燃室）中的燃烧，二是在燃气从辅助燃烧室流出之后在主燃烧室内混合和燃烧。在部分负荷运转期间，随着负荷增加辅助燃烧室中喷入的燃料增多，氧的浓度减少，未燃烃和CO随着负荷增加而增加。但在主燃室有强烈的燃烧涡流，加速了混合气的形成和燃烧，同时气缸内温度较高，加速了氧化速率，因而使HC及CO排放量都较直喷式为低。图28 世界各种型号柴油机排放物统计分隔式柴油机NOx浓度也比直喷式低，因为涡流室（或预燃室）中温度虽高，但氧的浓度

31、很低，不利于NOx生成。当燃烧不完全的高温气夹带着未燃烧的燃料一起喷入主燃烧室后，很快与空气混和，这时氧虽有富余，但活塞已开始下降，燃气温度降低，而且气体在高温下停留的时间较短，也不利于NOx生成。图29 图211给出了涡流式柴油机、直喷式柴油机及汽油机的排放特性对比。图29 汽油机和柴油机CO的排放对比图210汽油机和柴油机HC的排放对比图211 汽油机和柴油机的排放对比3排放物的净化措施3.1减少柴油机排气污染物的控制技术柴油机排气中的有害排放物主要是NOx和微粒，CO和HC的排出量较少，对大气污染不产生严重影响，而且比较容易通过燃烧系统匹配加以解决。由于柴油机排放的NOx和微粒颗粒的生成

32、条件有相反的倾向，例如为减少NOx排放要降低燃烧温度，但燃烧温度的降低会使油耗增加，功率输出降低，更会造成微粒排放量增加。因此柴油机在微粒控制技术的开发上必须兼顾对NOx生成量的影响。同样在研究减少NOx排放率的控制技术之同时也必须兼顾微粒排放量、燃油消耗率及输出功率等问题，如此发展的控制技术才有实用价值。以下内容将介绍减少柴油机排气污染物所采取的一些方法。3.2 燃烧系统的改进3.2.1 直接喷射式燃烧系统的改迸柴油机的燃烧室型式、形状和结构参数对柴油机的燃烧和污染物的生成具有重要的影响，现代柴油机必须在节油、低污染、高输出功率方面进行综合的优化设计。在燃烧室的改进上，其基本原则是使燃烧室与

33、进气涡流、喷油合理匹配，以减少污染物的生成。图31所示为英国泊金斯于70年代中期研制的挤流口型燃烧室，口径比为0.385，其收口程度特别明显。缩口的作用是能在压缩过程中产生强烈的挤压涡流。在燃烧室中进气涡流和挤压涡流复合运动，再以合理的燃油喷注方向相匹配，使混合气形成更加完善。该燃烧系统能够在较低的过量空气系数下实现完全燃烧，并可以减少喷油提前角，降低放热率峰值，使最高燃烧压力和最高燃烧温度下降，从而大大减少了NOx的生成量，同时排烟和油耗也有所降低。 图31挤流口型燃烧 图32五十铃汽车 图33四角形 室缩口燃烧室 公司的四角形燃烧室 图32为日本五十铃汽车公司1972年在6BB1柴油机上采

34、用的四角型燃烧室。这种燃烧室底部与一般w形燃烧室相同，而上部呈正方形，其四角制成圆弧。四角型的四边和四角都对涡流运动起着阻滞作用。当燃烧室内气体涡流运动随转速升高而加强时，这些边和角就能遏制它不致过强。同时，由于燃烧室上方下圆特殊结构造成上下层气流运动的速度差，可以形成较强的紊流，因而能改善混合气形成和加速火焰传播，使柴油机碳烟生成量减少，燃油经济性也得到改善。1981年五十铃再进一步将四角型燃烧室的开口部改为缩口型，如图33所示。利用燃烧室形状的突变来增加挤流强度和在燃烧室中产生更多的涡流，因此大大改善了混合气的形成，提高了燃烧速度，为推迟喷油减少NOx排放创造了有利条件，对降低HC、NOx

35、及碳烟排放有显著效果。3.2.2 间接喷射式燃烧系统的改进间接喷射式燃烧室与直接喷射式柴油机相比，因二次燃烧的结果，NOx和碳烟排放量均较直喷式低。但因燃烧室散热面积大，以及附室喷孔的节流损失，所以热效率低，燃料消耗率高。以前大多数使用间接喷射式燃烧系统，所以目前相当比例的轿车和轻型货车使用涡流室燃烧系统。图34为日产汽车公司开发的一种设有副喷口的涡流室燃烧室的构造。在压缩过程中，由副喷口喷入涡流室的高速空气喷流能造成紊流，有助于燃料的分散，缩短着火延迟期。同时，有一部分燃油能经副喷口进入主燃烧室，可以抑制涡流室内混合气过浓，故对减少碳烟生成以及NOx和HC排放量均有良好效果。图34 设有副喷

36、口的涡流室式燃烧室3.3进气系统的改进高速直喷式柴油机除了采用超高喷射压力以外（喷油压力在120150Mpa以上），大都需要组织进气涡流来改善混合气形成和促进燃烧过程的进行。涡流比的大小对柴油机性能和排放有很大影响。因此，必须按照实际情况选择最佳涡流强度与燃烧室及燃烧系统相匹配。以往设计的螺旋进气道其涡流强度只能在发动机的某个工况运转点才能实现，在大部分工况都不能处在最佳匹配点状态。为了更有效控制气缸中的涡流强度，1985年五十铃汽车公司研制了可变涡流比控制系统，如图35所示。该机构的工作原理是：在气缸盖进气道中设置了一个副进气道，副进气道入口有一个阀门，该阀门的开启由气动活塞控制。电子控制装

37、置根据发动机转速、负荷（齿杆位置）、水温传感器发出的信号控制电磁阀电路的接通和关断，即可控制压缩空气。气动活塞受压缩空气作用决定副进气道口阀的开闭，以控制涡流的强弱。采用这种装置后，发动机性能有所改善，也可减少排气污染。图35可变涡流比控制机构3.4燃料喷射系统的改进在改善柴油机的性能和降低HO、NOx及碳烟方面，燃油喷射装置具有重要作用。采用高压喷射、预喷射、电子控制喷油系统等燃料喷射装置已取得相当满意的效果。3.4.1 高压喷射系统直喷式柴油机的燃油是依靠本身所具有的动量，在高速流动的过程中油束分裂成微小的油滴并卷入新鲜空气以形成良好的混合气。高压喷射能使燃油得到大的能量，使雾粒细小，喷雾

38、蒸发速度及混合气形成速度加快，燃油喷射时期缩短，故能提高燃烧性能，缩短燃烧时间，使NOx和碳烟微粒排放量减少，发动机的输出功率增加，油耗降低。图36示出了喷射压力、喷孔数和气门结构对柴油机NOx和微粒排放的影响。图36 喷油系统改进对柴油机排放的影响目前开发的100MPa以上的高压喷射装置有直列式喷射泵、凸轮驱动单体泵和蓄压式（含油压驱动式）单体泵三大类。各种不同类型存在的问题列表 表31 各种高压喷射装置及其存在的问题尽管高压喷射目前仍存在上述问题，但可以肯定高压喷射将是柴油机的重要发展方向。3.4.2 改进喷油器结构图37所示为日本本田汽车公司采用的一种预喷射式喷油器结构。喷油器中装有两对

39、弹簧和推杆以取代一般喷油器的单一弹簧和推杆。当油压超高第一弹簧力时，喷油嘴针阀上升，预先喷入极少量的燃油到气缸中，油压超过第一和第二弹簧力之和时，针阀上升之全行程，再将主喷油量喷入气缸。主喷射时燃烧室中已有燃烧火焰，因此主喷射阶段喷雾燃烧迅速，对于减少起动时的白烟、全负荷时碳烟及NOx排放具有相当好的效果。由于燃油分成两段喷射，可以降低最高燃烧压力，因此可以降低发动机的噪音。减少喷油器压力室容积可以减少HC排放。在喷射结束时，压力室的燃油在高温作用下受热膨胀进入气缸，其情况与喷注尾部相似。这些燃油在排气门开启前无法燃烧，结果造成排气中HC过高，因此现在的喷油器都力求减少压力室容积以减少HC排放

40、，如图38所示。对喷油器来说，可采用无压力室或减少压力室容积到最小程度，但压力室容积的减少受喷油器寿命的限制。由于高压油管物理特性的限制，传统的泵一管一嘴系统很难产生较高的喷射压力，因此可采用泵喷嘴。泵喷嘴就是将油泵和油嘴做成一体的燃油喷射系统。由于取消了高压油管，燃油的喷射压力可以达到1800bar左右，并且缩短了燃油喷射的时间，对改善柴油机的排放具有良好的潜力。采用泵喷嘴的柴油机，由于在气缸盖上产生很大的压力，对气缸套和气缸盖的刚度要求较高。另外，高压油泵的凸轮和曲轴相距较远，对传动系统的刚度要求也较高。这两项要求限制了泵喷嘴系统燃油喷射压力的进一步提高。 图37 预喷射式喷油器 图38

41、减小喷油器压力室的容积3.4.3 电子控制喷射系统为提高柴油机的输出功率，节省燃油消耗，降低排气污染和提高加速性能，现代高性能柴油机的喷射系统已改用电子控制。电子控制与机械控制相比其突出的优点是控制的精确性和相应的快速性。它可以在任何工况下选择最佳喷油量和最佳喷油时刻，从而改善了柴油机的性能。国外研究表明，用电子控制调速器和喷油定时，可以使全负荷扭矩增加10%，燃油消耗率降低5%左右，排气烟度下降50%，其它排气污染物也有所降低。柴油机电子控制技术与汽油机电控技术有相似之处，都是由传感器、电控单元和执行器三大部分组成，在传感器中，大多数传感器，如转速、压力、温度传感器、油门踏板传感器都是一样的

42、。电控单元在硬件方面相似，在整车管理系统的软件方面也很相似，电控单元都朝着集成化、智能化、综合控制化方向发展。国外汽油机电控技术已经成熟，商品化程度很高，因此大部分传感器和电控单元已不是难点，但是柴油机的燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力为汽油喷射的几百倍，甚至上千倍，要求有很好的可靠性和耐久性，而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于上死点的角度位置要求很准确，这就导致了柴油喷射的执行器要复杂得多。从控制对象来看，机械控制是用机械调速器控制喷油量，机械式提前器控制喷射正时，电子控制不仅控制喷油量、喷油正时，而且控制喷射速率、喷射压力，所感应的工况由单一的转速工况发展到感应整个

43、发动机运行工况和环境条件，这势必带来控制的复杂性。因此柴油机电控技术的关键是执行器，即电控柴油喷射机构。各个国家都在致力于开发研制各种类型的电控柴油喷射机构，以寻求最佳方案。电控柴油喷射系统有两大类，一类是位置控制，一类是时间控制。从发展的顺序上讲，首先发展的是位置控制系统。因此，人们称它为第一代柴油机电控系统，而把时间控制系统称为第二代。位置控制的特点是不仅保留了传统的泵一管一嘴系统，而且还保留了喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上控制斜槽等控制油量的传动机构，只是对齿条和滑套的运动位置予以电子控制。时间控制是用高速电磁阀直接控制高压燃油。一般情况下电磁阀关闭即开始喷油，电磁阀打开喷油结束。喷油时刻

44、取决于电磁阀关闭的时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。而传统的油泵上的齿条、滑套、柱塞上的斜槽、提前器等均可予以取消。时间控制的自由度更大。（1）在分配式喷油泵上实施位置控制的电控喷油系统图39为丰田汽车公司在皇冠牌轿车上使用的2LTE电控柴油喷射系统，它是在VE分配泵上进行电控的系统。喷油量控制由VE泵滑套位置改变泄放孔开放时间早晚而定，滑套的移动由电磁阀的铁芯经一根杠杆来操纵。电磁阀铁芯的位置，由油门踏板位置传感器及发动机转速传感器的基本信号，加上冷却水温度传感器及进气温度的修正信号经过计算机计算后决定。滑套上装有滑套位置传感器，以进行回位控制。正时控制用一个电磁阀控制VE泵上原有的高

45、压室和低压室的压差，使活塞运动，改变凸轮的相位，控制喷油正时，也有一个提前器位置信号传感器作反馈信号，该系统用在丰田2L型4缸非直喷式柴油机上，该发动机的标定功率为70.5kw，标定转速为4000r/min，并且已商品化多年。图39 皇冠牌轿车上使用的2LTE电控喷油系统德国Boack公司的ECD系统和日本Zexel公司的COVEC系统也是在VE分配泵实行电控，只是采用电磁阀直接操纵分配泵上的滑套，实现油量控制。其正时控制与上述2LTE电控柴油机喷射系统相近似。日本的COVEC系统最早用于五十铃4FB1的非直喷式柴油机上。Boack公司的电控分配泵已用在奔驰E290直喷式增压柴油机上，该机2.

46、9L、5缸、气门，标定功率95kw，标定转速4000r/min，轿车用，全面达到1996年欧洲排放法规要求。（2）在直列式喷油泵上实施位置控制的电控喷油系统图310、图311是德国Boack公司在直列泵上采用的电控系统。RE25电子调速器是通过液压伺服活塞推动齿杆运动，实现油量控制。液压伺服活塞由电磁阀控制，它的工作介质为柴油，通过一个电动输油泵同时给喷油泵和RE25的液压伺服系统供油。RE24电子调速器则是通过线性电磁铁推动齿杆运动，与RE25相比，它的推力较小，但响应速度较快。（3）采用时间控制的电控喷油系统目前以时间控制的电控喷油系统有多种形式，如美国底特律柴油公司的DDEC电控泵喷嘴系

47、统（图312），德国Boack公司EUP13电控单体泵系统（图313），日本电装公司的ECDU2系统，美国BKM公司的Sevrojet系统，美国Caterpillar公司的HEUI系统的蓄压式电控喷油系统。 图310 RE25型电子调速器结构 图311 RE24型电子调速器结构Servojet系统是一种共轨蓄压式电控喷油系统，整个系统如图314所示。系统中输油泵为一个低压的电动叶片泵。共轨压力轴向柱塞泵是一个有5个或个柱塞的KV型斜盘式轴向柱塞泵，输油压力为210Mpa。轴向柱塞泵将燃油送到共轨中，共轨压力由压力调节器根据ECU指令予以调节。喷油器是由电磁三通阀控制的蓄压式结构，如图315所示

48、。Servojet系统的工作原理如图316、图317所示。当电磁阀通电时，关闭了回油通道，共轨燃油进入增压活塞上方，活塞就下行。增压活塞的面积比增压柱塞的面积大1016倍，因此10Mpa的共轨燃油在增压柱塞下方增压到100160Mpa。高压燃油通过蓄压室单向阀进入喷油嘴存油槽和针阀的上部。此时针阀由于针阀尾部的压力和喷油嘴弹簧的压力不会升起喷油，如图316。当电磁阀断电而打开回油通路时，如图317，由于三通阀联动作用，共轨燃油不能进入增压活塞上方，增压活塞上方的燃油通过回油管道而泄压。增压活塞和增压柱塞上行，导致增压柱塞下方和针阀尾部上的油压也降下来。蓄压室中的高压燃油通过喷油嘴存油槽作用在针

49、阀上使针阀向上抬起，实现高压喷射。喷油始点取决于电磁阀打开的时刻，而喷油量却取决于共轨中的油压。Servojet系统由于采用中压共轨，电磁阀所承受的燃油压力较低，使电磁阀结构简化。同时该系统可实现高压喷射，短的喷油持续期，喷油正时和喷油量的柔性控制，也可实现预喷射。 图312 DDEC电控泵喷嘴系统 图313 EUP13 电控单体泵系统图314 Servojet系统示意图图315 Servojet带电磁阀的蓄压式喷油器图316 Servojet系统工作原理图图317 Servojet系统工作原理图B美国Caterpillar公司的HEU1系统也是一种中压共轨电控喷射系统，如图318所示。它的共

50、轨中不用燃油而用柴油机的润滑油，因此系统中有润滑油和燃油两套油路。图318 Caterpillar公司的HEUI系统3.5 燃料的改良3.5.1 燃料的改质燃料的品质影响燃烧过程，因此直接会影响污染物的排放。从减少柴油机颗粒物排放观点看柴油的品质时，以含硫量、芳烃含量、挥发性、十六烷值等项较为重要。有关研究表明，柴油机微粒排放中有5%10%是由于柴油中硫所形成的硫酸和以微粒形式存在的多种金属硫化物（硫酸盐等）引起。硫酸会加剧气缸磨损，降低柴油中硫含量可以延长发动机使用寿命，减少排放污染物。为了达到美国1991年排放法规，需使用含0.1%硫的柴油，而要达到年排放法规，柴油中含硫量必须降低到0.0

51、5%。柴油中芳烃含量对微粒物的生成具有重要影响。芳烃着火性较差，在燃烧时容易产生较多的碳烟。降低柴油中芳烃含量可以减少柴油机微粒物的排放。根据Caterpillar/Mobil研究资料显示，将芳烃的含量由一般柴油含量的29%降低到17%时，微粒排放量可减少30%。同时由于芳烃含量降低会使十六烷值提高，对提高柴油机的冷起动性能、减少HC和NOx排放也有很大作用。柴油中芳烃含量对微粒物的生成具有重要影响。芳烃着火性较差，在燃烧时容易产生较多的碳烟。降低柴油中芳烃含量可以减少柴油机微粒物的排放。根据研究资料显示，将芳烃的含量由一般柴油含量的降低到时，微粒排放量可减少同时由于芳烃含量降低会使十六烷值提

52、高，对提高柴油机的冷起动性能、减少和排放也有很大作用。3.5.2 燃油添加剂在柴油中加消烟添加剂可明显降低排气烟度。消烟剂为金属的有机化合物，一般含钡、锰、镁、锌等，用量为千分之一到千分之五。对于消烟机理目前还不清楚，有人认为消烟剂没有抑制碳烟的生成，而是促进了碳烟粒子的后燃，并释放出少量热使废气温度有所提高。消烟剂促使碳粒在膨胀过程中后燃的原因估计有三点：碳烟晶子附聚成较大的粒子被抑制碳粒氧化反应温度被降低，从原来的640750降低为550630，这使碳粒的燃烧时间加长，所以碳烟减少消烟剂中含有的金属在原子状态下被释放出来起了催化剂作用但是消烟添加剂往往引起燃料燃烧的灰分和沉积物增多，引起发

53、动机的磨损，如采用含钡添加剂，燃烧中生成氧化钡物质。在添加剂体积百分比为0.5%时，燃料中的含灰量已达到不能允许的程度，由此而引起沉积现象。沉积在喷嘴和燃烧室上时会引起发动机工作过程恶化，以至在工作较长一段时间后，发动机废气中的碳烟量又增加。氧化钡是一种熔点高的白色物质，它可使气缸和第一道活塞环磨损加剧。近年来国外开展了用燃油添加剂减少微粒物的研究，已有用铜添加剂控制微粒排放的报告。铜能改变排气微粒的氧化特性，燃油中加入铜添加剂能使收集在微粒捕集装置中的微粒继续氧化。3.6柴油机排气污染物的机外净化措施3.6.1 催化净化技术使用催化净化技术来减少发动机的气态污染物在汽油机上已广泛使用，而在柴

54、油机上应用的还不多。这是由于CO和HC比汽油机低得多，一般能符合当前各国排放要求，而且柴油机废气处理困难较多。柴油机废气中NOx与汽油机相近，是需要控制的。但废气中氧的浓度高，不能用还原催化剂净化NOx。另外废气中氧的浓度高，虽对采用氧化催化剂净化CO和HC等有害成分有利，可以不用二次空气，但柴油机排气温度低，使催化剂转化率受到不利影响。柴油机排放中碳烟多，SO2也比汽油机多，都会降低催化转化器的寿命。特别是柴油机在变工况低负荷下工作时，废气中大量的碳烟和沥青等成分会粘附在催化剂表面，使催化剂失去活性。由于应用催化剂遇到的问题，柴油机使用催化反应器处理废气的办法采用的很少。只有地下矿坑或隧道使

55、用的柴油机，因为排气净化要求严格，需要采用这种办法处理CO和HC。在废气处理中，为了保证催化剂有足够的温度，要求催化剂的安装尽量靠近排气歧管，并尽量避免柴油机在怠速下长期运转。同时，还要采取措施，设法对失去活性的催化剂进行处理，烧掉附着在催化剂表面的碳粒和沥青，使催化剂再生，以延长使用寿命。3.6.2 柴油机微粒物机外净化方法微粒的机外净化装置是由捕集徽粒的过滤器（又称捕集器）及氧化再生系统组成。捕集器可将排气中的微粒捕捉不使其排出，再利用催化剂、氧化器、燃烧器等进行分解、燃烧。这种装置可将柴油机微粒减少70%90%。(1) 捕集器用来捕集微粒的过滤器的材料和构造有许多种，常用的有整体式陶瓷（

56、图319）、金属丝网（图320）、编织纤维圈（图321）、陶瓷纤维、泡沫陶瓷等。图319 整体式陶瓷捕集器柴油机中的微粒能被过滤材料捕集主要有种机理：撞击、拦截和扩散。（）撞击排气流中较大的颗粒，当气流遇到过滤材料改变方向时，离开气流撞击在过滤材料上而被捕集，如图322（）。（）拦截微粒随气流运动，当它们与过滤材料接触时，被拦截在过滤材料上。微粒越大，拦截效果越好，如图322（）。（c）扩散排气流中较小的微粒，由于布朗运动会偏离气流运动方向。当它们与过滤材料接触时，就会被吸附在过滤材料上。扩散捕集的效果随微粒直径的减小、气流速度的降低以及排气温度的升高而提高，如图322（c）。图320 金属丝

57、网捕集器 图321 编织纤维圈捕集器 （a） （b） （c）图322 捕集器捕集机理排气系统中安装捕集器后将会使发动机的排气背压提高，功率下降。捕集材料上沉积的颗粒越多，排气背压越高。因此，必须定期清除沉积在过滤材料上的微粒。（）捕集器的再生方法清除沉积在过滤材料上微粒的过程称为捕集器的再生。在发动机正常工作的转速和负荷下，发动机的排气温度一般在200500，而微粒的燃点一般为500600，依靠发动机的排气很难使捕集器再生。要使捕集器再生必须降低微粒的燃点或提高排气温度。通过在燃油、排气中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层可以降低微粒的燃点。通过提高排气温度使捕集器再生的方法主要有电热器加热补

58、燃和燃烧器加热补燃，下面将分别加以介绍。电热器加热补燃系统图323为一电加热补燃系统之实例，捕集器陶瓷上涂有贵金属催化剂，在捕集器的前端加装了一个1.5Kw的电加热器。该装置装在五十铃3.9L、直喷式、4缸涡轮增压柴油机上。按美国重型柴油机动态工况模式试验结果，安装捕集器后微粒物减少了60%,HC减少了47%,CO减少了17%,NOx未减少。该装置中设有旁通阀，当再生时，将旁通阀打开，捕集器入口关闭，使排气由旁通道流出，此时电热器通电，使捕集器前方的温度超过微粒的燃烧温度，通电时间约为2分30秒。然后将捕集器入口阀打开并保持一定开度，引入部分排气，利用排气中富余的氧使捕集器中微粒物燃烧去除。图

59、323 附有电加热器的捕集器控制系统燃烧器加热补燃系统在捕集器系统中加装燃烧器来燃烧捕集的微粒物也是一种有效的捕集器再生方法。与电加热方式不同，捕集器的再生是由燃烧器所供应的高温燃气来完成的。燃烧器所使用的油料可以与发动机相同，也可以使用第二种不同的燃料，燃烧器燃烧所需的氧由空气泵供应。图324为一采用燃烧器的电控补燃系统实例。捕集器为壁流式整体陶瓷过滤器，装在五十铃5.8L直喷式六缸涡轮增压柴油机上，燃烧器的发热量为66976kJ/h，并有微机控制系统。捕集器再生时，关闭捕集器入口，使排气全部从旁通道流出，此时燃烧器点火，并将燃烧器中的高温燃气送入捕集器，使捕集器中的微粒物再燃烧，燃烧时间约

60、为15min。再生过程结束后，关闭燃烧器出口和旁通阀，排气重新通过捕集器，收集器重新捕集微粒。再生引燃聚积的微粒物在燃烧时释放大量的热能并急剧升温，使滤芯的温度远大于捕集器入口处的温度，见图325。由于气流非均匀分布通过滤芯，产生轴向和径向热梯度，使捕集器的热应力加大，捕集器中各测量温度随时间的变化见图326。试验表明，如果再生时进入捕集器的气体温度超过650，捕集器中心温度就会超过材料的允许极限，捕集器就会发生熔损或龟裂。微粒的聚集量与滤芯的最高温度及再生效率有直接关系。聚集量过多时，不仅使排气阻力加大，也会使再生时捕集器温度增高，再生效率下降，见图327。因此必须对再生时微粒的聚集量、再生

61、时入口的气体温度及再生时间进行最精确的控制，以确保捕集器有较长的使用寿命。图324 电控带燃烧器的捕集器再生系统图 捕集器入口温度/ 图325 捕集器入口温度与滤芯最高温度的关系 （ 燃烧器燃烧时间/min）图326 捕集器温度随时间的变化关系目前已经采用计算机控制的方法较好的实现了上述要求，计算机对再生时刻的判断及控制过程的时间流程图见图328。其工作原理是：在发动机运行过程中，计算机将发动机的转速、负荷及收集器的压力降等信号输入计算机，并与计算机预先储存有的发动机各种运转工况下捕集器极限压力降的数据相比较。随着捕集器微粒收集量的增加，压力降也随之增高。当捕集器的压力降达到极限压力降时，计算机即发出指令使旁通阀打开，并使燃烧器开始工作。燃烧器送进捕集器高温燃气使收集的微粒燃烧，捕集器的压力降也随之降低。再生过程完成后，压力降恢复到原来的指定值，计算机又重新指令旁通阀关闭，燃烧器停止工作，发动机排气重新流经捕集器，继续进行排气微粒的捕集和净化过程。微粒重量/g图327 捕集量与滤芯最高温度及再生效率的关系（a）控制系统原理图