柴油机微粒捕集器设计与实验

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1、柴油机微粒捕集器设计与实验摘 要柴油机微粒排放严重地污染环境并危害人类健康，其净化技术一直是人们研究的热点。微粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter)是控制柴油机微粒排放最有效的后处理设备，随着排放法规的日益严格，其应用将越来越广泛。为推进微粒捕集器实用化和产业化进程，本研究采用理论分析、数值计算和试验研究相结合的方式对DPF的捕集特性、阻力特性以及再生规律进行了研究。 为了实现利用计算机仿真计算进行DPF结构设计与优化以及DPF性能预测，在Matlab计算平台上建立DPF捕集模型和压降模型，为高捕集效率低流动阻力DPF的开发提供技术支持。基于填充床捕集理论，布朗扩

2、散和直接拦截捕集机理建立壁流式微粒捕集器捕集模型。理论分析壁流式微粒捕集器的捕集过程，建立空载和负载DPF压降模型。通过发动机台架试验对模型进行校验和修正。利用模型的计算程序研究排气参数对DPF捕集特性和压降特性的影响，预测空载和负载DPF的压力降，确定滤饼捕集阶段DPF压降及其构成比例随DPF碳载量的变化。 为了有效控制DPF再生过程，保证其再生的安全性和完全性，在总结现有各种再生方法优缺点的基础上，提出了基于缸内次后喷LPI(Late Post Injection)喷油量控制的DPF主动再生方法，并就DPF再生进怠速DTI(Drop to Idle)不可控再生，DPF再生时机的确定方法，L

3、PI喷油助燃主动再生控制策略进行研究。关键词：柴油机 微粒捕集器 捕集和压降特性ABSTRACTDiesel particulate emissions seriously pollute the environment and harm to human health, the purification technology has been a research hotspot. The DPF DPF (Diesel Particulate Filter) is the control of diesel particulate emission most effective postp

4、rocessing equipment, with the increasingly stringent emission regulations, it will be widely applied. To promote particle trapping is practical and industrialization process, this study using the combination of theoretical analysis, numerical calculation and Experimental Research on DPF trapping cha

5、racteristics, resistance characteristics and rules of regeneration were studied. In order to realize the computer simulation to predict the DPF structural design and optimization, and DPF performance. In the matlab calculation is developed on the platform of the DPF trap set model and the pressure d

6、rop model, for particulate collection efficiency, low flow resistance DPF development to provide technical support. Packed bed collection based on the theory of Brown diffusion and direct interception trapping mechanism of wall flow particulate trapping model. Theoretical analysis of wall flow parti

7、culate trapping collector, a pressure drop model of no-load and load DPF. In order to check and verify the model by engine bench test. The calculating program of the model to study exhaust parameters of trapping DPF and pressure drop characteristics of the impact and prediction of no-load and load o

8、f the DPF pressure drop, filter cake to determine trapping DPF pressure drop and the proportion with DPF carbon load changes. In order to effectively control the DPF regeneration process, to ensure the regeneration of the safety and completeness, in summing up various existing regeneration based on

9、the advantages and disadvantages of the methods is proposed based on cylinder after the second spray LPI (late post injection) fuel injection quantity control of the DPF initiative regeneration method and DPF regeneration into idle DTI (drop to idle uncontrolled regeneration, method to determine the

10、 DPF regeneration time, LPI fuel injected active regeneration control strategy research.Keywords: diesel particulate trap capture and pressure drop characteristicsIV湖南涉外经济学院本科生毕业论文（设计）1 前 言基于碳载量判断再生时机和LPI喷油助燃DPF主动再生方法，提出DPF主动再生控制策略，分析LPI燃油喷射量最优值的确定方法。 为更好的进行微粒排放控制，针对具有不同理化特性的燃料，进行微粒数量排放及其粒度分布的测量，分析D

11、PF对不同燃料的排气微粒数浓度捕集效率和分级捕集效率。该研究结果表明： (1)柴油、生物柴油BTL、天然气合成油GTL和添加有铁基燃油添加剂(Fe-FBC)的低硫柴油(以FBC表征)的微粒排放绝大部分都在200nm以下，微粒粒度分布均呈单峰对数分布。与转速变化相比，负荷变化对微粒粒度分布的影响较大。随着负荷增加，柴油、BTL和FBC的微粒粒度分布趋于核化，即峰值粒径向小粒径偏移，而GTL的峰值粒径则向大粒径偏移，核态微粒排放降低。 (2) BTL热值低、含氧量高，其燃烧和排放与柴油有所差异。主要表现为燃烧燃始点提前，滞燃期缩短，燃油消耗率升高；CO_2、CO、HC排放降低，NOx排放增多，尤其

12、在中高负荷表现更为突出。BTL总微粒数量浓度较其它燃料高，核态微粒排放显著增多，降低其核态微粒数量排放是一个亟待解决的问题。 (3) GTL具有高十六烷值、低芳烃的特点，与柴油相比，其燃烧着火提前，滞燃期短，预混合燃烧比例减小，燃烧完全，能够有效降低CO_2、CO、HC、NOx气体排放，以及降低核态微粒和积聚态微粒数量浓度。 (4) FBC的微粒粒度分布、核态微粒数比例和总微粒数浓度随负荷或转速的变化规律与柴油相似。铁基添加剂的使用能够优化燃烧，减少大粒径颗粒生成，但由于金属氧化物在燃烧室内的生成，与柴油相比，FBC具有较高的总微粒数和核态微粒数排放，核态微粒的比例均在90%以上。 (5)柴油

13、机燃用不同理化特性的燃料同一工况下会产生不同的排气参数和微粒粒度分布，从而影响DPF的捕集效率。DPF对试验燃料的数量浓度捕集效率NE(Number Efficiency)和分级捕集效率FE(fractional efficiency)随转速或负荷的变化并没有明显的规律。DPF应用于BTL、GTL和FBC燃料时，DPF的数量浓度捕集效率有所下降。大多数工况下，DPF对柴油的数浓度捕集效率均在90%以上，远远高于DPF对BTL、GTL、FBC的捕集效率。在排气主要粒径范围内，DPF对柴油燃料的分级捕集效率始终较高，其分级捕集效率随粒径变化满足捕集理论分析，在150nm附近达到波谷值，穿透窗口在积

14、聚态粒径区间。对BTL、GTL和FBC燃料，在排气主要粒径区间，DPF分级捕集效率均有所下降，其分级捕集效率变化趋势不能用捕集理论分析，在核态和积聚态粒径区域DPF都出现穿透窗口。据此，在应用替代燃料时，应针对具体燃料的排气状态设计专用的DPF，使其充分发挥其净化功效。2柴油机微粒的组成、成份分析2.1 柴油机燃烧过程分析由于柴油机的蒸发性差，柴油机喷油器将柴油在高压下喷入气缸，分散成千百万计的细小油滴，这些油滴在气缸内高温高压的热气中，经加热蒸发扩散混合和焰前反应等一系列物理、化学准备，最后着火。由于每次喷射要持续一段时间，一般在缸内着火时喷射过程尚未结束，故混合气形成过程和燃烧会重叠进行，

15、即：边喷油边燃烧。柴油在气缸内燃烧是一个复杂的物理、化学变化过程，燃烧过程的完善程度，直接影响着柴油机的作功能力、热效率和使用期限，其燃烧过程划分为四个阶段：滞燃期、速燃期、缓燃期、后燃期。第一阶段滞燃期，指柴油开始喷入气缸到着火的这一段时期，此阶段包括燃料的雾化加热蒸发扩散与空气混合等物理变化，以及重分子的裂化，燃油的低温氧化等化学变化，到混合气浓度和温度比较合适、氧化充分的一处或几处同时着火。第二阶段速燃期，指着火开始到出现最高压力的这一段时期。此阶段并没有把滞燃期内喷入的燃油全部烧光，主要取决于混合气形成条件的情况，但至少会把相当部分已喷入气缸并混合好的燃油烧掉。第三阶段缓燃期，指从最高

16、压力点到出现最高温度时的这一段时期。缓燃期开始时，虽然缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气在燃烧。在缓燃期的初期，喷射过程可能仍未结束，因此缓燃期中燃烧过程仍以相当高的速度进行，并放出大量热量，使气体温度升高到最大值，但是在气缸容积增大的情况下进行的，因此气缸内气体压力迅速下降。第四阶段后燃期，指从缓燃期终点到燃油基本烧完的这段时期。前一阶段燃烧中，燃料由喷射中心向外扩散的过程受到已燃废气的包围，使一部分燃料拖到后期燃烧，形成后燃期。柴油机是通过把柴油高压喷入已压缩到温度很高的空气中迅速混合、自燃而工作的，所以混合气没有那么均匀的，总有部分燃料不能完全燃烧，分解为以碳为主体的微粒。因此为分析柴

17、油机微粒排放的净化技术发展趋势必须先分析它的燃烧过程。这样才能了解燃烧后的微粒成份和形成途径。柴油机排放物中的有害成份主要有CO、HC、NOX、微粒等，而微粒的成分主要包括碳烟颗粒、可溶碳氢有机物、硫及水。由于排放的微粒比表面积大、吸附力强(吸附有多环芳香烃等)且微粒直径小(只有0.010.05cm)、重量轻，故能长时间悬浮在大气中，易被人体吸人并沉积在肺胞中，对人类的健康有极大的危害。2.2 通过废气实验测得各种微粒所占比例根据实验测得柴油机微粒的主要成份以及所占比例列下表表1-1 柴油机微粒的主要成份以及所占比例碳烟颗粒30%可溶碳氢有机物35%硫及水35% 3 柴油机微粒的生成机理柴油机

18、排气微粒由很多原生微球的聚集而成，总体结构为团絮状或链状。柴油机微粒的组成取决于柴油机的运转工况，尤其是排气温度。当排气温度超过500时，排气微粒基本上是很多碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；当排气温度低于500时（柴油机的绝大部分工况），烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可容成分。这些有机物在一定温度下可以挥发，而且绝大部分能溶解在有机溶剂中。它在微粒的含量变化范围很广，可以从10%90%，其含量取决于燃油性质、发动机类型及运行工况。如果沿发动机的排气管道测试取样，可发现微粒粒度不断增大，且由于排气中的有机化合物不断吸附冷凝在微粒上，使排气中的有机可容成份含量增加。柴油机排放的烟粒主

19、要由燃油中的碳生成，并受燃油种类、燃油分子中碳原子数及氢原子比的影响。柴油机碳烟也是不完全燃烧的产物，是燃料在高温缺氧条件下进过裂解脱氢以后的产物。从高温裂解的角度出发，碳烟微粒是在扩散火焰中燃油较浓的燃烧处形成的。柴油机的烟粒生长和长大一般可分为两个阶段:(1) 烟粒生长阶段：这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌生凝聚相。(2) 烟粒长大阶段：包括表面生长和聚集两中形式。表面生长指烟粒表面粘住来自气相的物质使其质量增大，同时发生脱氢反应，但不会改变烟粒数量。而聚集过程指通过碰撞使烟粒长大，烟粒数量减少，生成链状或团絮状的聚集物。在柴油机中，烟粒聚集过程常与烟粒在空气中的

20、氧化过程同时发生，即在燃烧早期生成的碳烟微粒，在温度高于碳反应温度的富氧区和扰流火焰出现的地方，在燃烧后期和氧混合而完全燃烧。烟粒排放量取决于烟粒生成反应和氧化反应之间的平衡情况。对于烟粒的开始生成，可燃混合气的碳氧原子比是重要的影响因素。(3) 烟粒的氧化在烟粒的整个生成过程中，不论是朱兆物、晶核还是聚集物，都可能发生氧化，用专门的测试法可测得，柴油机气缸内的烟粒峰值浓度远远大于排放浓度，说明燃烧过程所生成的烟粒大部分是在排气过程开始前被氧化掉。(4) SOF的吸附与凝结柴油机排气微粒生成过程的最后阶段，是组成SOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的凝结与吸附，这个阶段主要发生在燃气从发动机排出

21、并被空气稀释之前，通过吸附与凝结使烟粒表面覆盖SOF。4各种微粒的处理方法4.1 分析微粒的质量与成份微粒成份分析不是排放法规所要求的，但对微粒的形成、氧化过程及微粒后处理技术的研究等具有重要意义。下面就介绍一下微粒中有机可溶成分SOF的分离方法： 4.1.1 热解质量分析法热解质量分析法是在惰性气体氛中，将微粒样品按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

22、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。4.1.2 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。4.1.3 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4-1所示： 1-冷凝管 2-提取管 3-虹吸管 4-连接管 5-提取瓶图4

23、-1 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

24、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。4.2 分析影响微粒生成的因素4.2.1 负荷与转速的影响图4-2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4-2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

25、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

26、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。4.2.2 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

27、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。4.2.3 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4-3所示。 图4-3 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。

28、(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4-4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4-4 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、

29、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。4.2.4 空气涡流的影响适当增加

30、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。4.2.5 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5.1 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

31、目的。 5.1.1 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

32、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0.22.5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. 采用陶瓷材料用陶瓷材料制成的燃烧室、活塞顶和缸套可以提高燃烧室的绝热效果。用陶瓷材料制成气门摇臂等运动部件，可减少摩擦阻力、降低

33、机油耗量，从而减少微粒排放； f. 进气增压与空气冷却技术可以增加进气量，这样燃料在最大扭矩时可以得到充分的氧，而避免达到临界空燃比。使用变截面增压器并配合先进的控制系统，可有效地降低微粒排放量。5.1.2 降低机油消耗量在柴油机排放的微粒中，未燃机油占很大比重，所以必须降低机油消耗量。为此，须对活塞、活塞环、缸套等零部件进行优化设计并进行配合间隙的优化研究，特别是热变形条件下的研究，以达到降低机油消耗的目的。5.1.3 燃料的改进措施 a. 降低含硫量在燃烧过程中，柴油中的硫约有98%转化为S0，其余的2%成为硫酸盐颗粒。部分S0被进一步氧化并与燃烧过程中生成的HO结合，形成HZSO和硫酸盐

34、，增加了微粒的排放量。当微粒中的硫从0.12%下降到0.05%时，微粒排放量将减少8%10%，但进一步减少硫对微粒的排放量不再有影响。美国1993年10月规定高速公路上行驶的汽车所用的柴油，其硫含量不得高于0.05%，1996年已全部供应低硫柴油；b. 降低燃油重燃油比重直接影响非直喷式柴油机的微粒排放，即微粒排放量随燃油比重的增加而增加； c. 燃油的乳化采用油包水型乳化燃油，这样由于油中水的急剧汽化使油滴变得更加细小，有利于扩散然烧，可有效降低微粒排放。5.2 柴油机的机后净化技术机外净化即排气后处理，将柴油机排气引人专门的后处理装置中，消除其中的部分微粒后再排人大气.主要的机外净化措施示

35、于图5-2所示.机外净化措施中应用最广泛的是微粒的过薄技术，即用耐高温的过滤材料制成特定结构的过滤体，将排气中的微粒截留在过滤体内，从而达到净化的目的.过滤体的材料和结构应满足以下要求:a. 通过特性好，排气阻力尽可能小；b. 抗热冲击性好，有较好的机械性能；c. 热稳定性好，能承受很高的热负荷；e. 过滤效率高；f. 适应再生的要求。 图5-2所示 机外净化措施示 目前国内外应用最广泛的过滤材料有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维等。随着过滤体内微粒的不断积累，柴油机排气阻力增加、背压升高。当背压升高到一定程度时，将导致柴油机功率和过滤效率下降。所以必须及时清除过滤体内积存的微粒。众所周知，

36、当柴油机在最大负荷、转速的工况下，气缸排气口的温度可达到500600，此时柴油机排气微粒开始迅速氧化、升温直至着火燃烧，以此减少微粒，从而达到过滤体的排气阻力和过滤效率恢复到原来的水平，即过滤体的“再生”。目前过滤体的再生方法主要是:“热再生”，即利用全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、节流再生等，此外，也开发了如逆向喷气再生、振动再生等非加热再生方法，也就是利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤体内的微粒。5.3 微粒捕集器 柴油车微粒捕集器，属于一种分离技术。本实用新型需要解决的技术问题是设计一种柴油车微粒捕集器，其工艺成本低，再生效果好，寿命长的优点。本实用新型的技术

37、方案是，一种柴油车微粒捕集器，它包括微粒捕集器、滤芯和再生控制装置，滤芯为陶瓷纤维纱线缠绕滤芯，微粒捕集器的结构是捕集器壳体内的前部设有一个支盖将壳体分为前后两腔，上述滤芯和加热电阻丝设在后腔内，支盖的下部开一孔与进气管相对，上部开一孔与旁路管连通，挡板两端的轴转动支撑在上、下孔之间的支盖上的轴座孔内，伸在壳体外的挡板轴上的齿轮与气动阀的阀杆上的齿条相啮合，本实用新型主要用于柴油车尾气治理和微粒捕集器的再生。5.4 氧化催化转换器柴油机的氧化催化器降低颗粒排放物主要通过去除固体颗粒物中的溶解性有机成分（SOF）,同时燃烧掉小部分干碳烟，而且进一步降低CO、HC的排放量。氧化催化器不但可以单独使

38、用也可与其它后处理器技术、机内净化技术共同使用以满足当今严格的排放法规。而且氧化催化剂不需要再生，维护简单，是当今使用最广泛的后处理技术。排放法规促进柴油机排放控制技术的发展和进步。从1994年起，已有超过150万套柴油机氧化型催化器安装在重型车辆上。目前,不同国家、不同地区对降低柴油机排放的要求各不相同，对重型柴油机而言，日本排放法规对NOX 排放的限制相对较严，后一段时间主要是降低PM。美国和欧洲排放法规对PM排放的限制相对较严，今后一段时间主要是降低NOX。我国对柴油车尾气处理技术的研究工作处于刚刚起步阶段，目前尚无成熟的柴油车尾气处理技术可供推广使用。及时总结柴油车的尾气排放特点，对于

39、我国开展此方面的科研和技术应用，尽早与国际柴油车排放标准接轨都具有十分重要的意义。6未来净化技术的改进通过之前的柴油机微粒生成的影响因素，我们了解到影响柴油机微粒的生成受负荷、转速、燃料、喷油、空气涡流等其他因素的影响，然而对于转速、负荷以及燃油喷射均与柴油的燃烧室、燃油的燃烧方式以及进气系统有关，因此，柴油机净化技术的改进需要在此基础上进行改进，这样柴油机的微粒排放才是从最基层得到了改善。由此我们需要改进一下几项：6.1 柴油机燃烧室的改进柴油机在近期过程中进入燃烧室的是纯空气，在压缩过程接近终了时柴油才被喷入，经一定准备后即自行着火燃烧。由于柴油机混合气形成时间较长，而且柴油的蒸发型和流动

40、性较差，使得柴油在燃烧前难以彻底的雾化蒸发并与空气混合，因此柴油机可燃混合气品质较差。为了柴油混合完全，所以要采用较大的过量空气系数。过量空气的多少，是混合气形成好坏的必然因素之一，所以不同的燃烧室对进气量有不同的影响，下面就来介绍一下不同的燃烧室对混合气形成的影响，从而分析对微粒的影响及如何改进：（1）分隔式燃烧室分隔式燃烧室的结构特点是除位于活塞顶部的主燃烧室外，还有位于缸盖内的副燃烧室，两者之间有通道相连。燃油不直接喷入主燃烧室内，而是喷入副燃烧室内。分隔式燃烧室柴油机中主要靠强烈的空气运动来保证较好的混合气重量，空气利用率较高，最小的过量空气系数可达1.2左右。由于空气运动的强度随转速

41、提高而增大，保证了高速下也有较好的性能。（2）直喷式燃烧室直喷式燃烧室可根据活塞顶部凹坑的深浅分为半开式燃烧室和开始燃烧室：开式燃烧室中的混合气形成主要依靠燃油的喷散雾化，因此对雾化质量，也就是喷射系统有很高的要求。开式燃烧室空气利用率较低，一般采用增压来保证过量的空气系数，以实现完善燃烧。而半开式燃烧室混合气形成，进气涡流起了重要作用。半开式燃烧室的空气利用率有所提高，在过量空气系数约为1.31.5时，可以实现完善的燃烧。不同的燃烧室都有各自的特点有着各自适用的场合，如表6-1给出了几种燃烧室的特点及适用场合的大致比较。表6-1 几种燃烧室的特点及适用场合直喷式燃烧室分隔式燃烧室开始燃烧式半

42、开式燃烧室涡流室燃烧室预燃室燃烧室燃烧室形状简单一般复杂复杂S/V（燃烧室）最小小大最大空气运动无或朝进气涡流进气涡流（主）与挤流（次）压缩涡流（主与二次涡流（次）燃烧涡流对喷射系统的要求最高较高较低最低喷油器孔式（712）孔式（46）轴针轴针喷油压力204018281510913压缩比1215161816231823过量空气系数1.62.21.31.51.21.41.21.4有效燃油消耗率190220200230240275245280冷启动性好较好较差差最高爆发压力高较高较低低燃烧噪声高较高较低低热负荷及排气温度低较低较高高对燃料的适应性差较差较好好适用缸径801407010065适用转速

43、2000450050005000应该说明的是，对于同一类型的燃烧室，增压柴油机与非增压柴油机相比较，一般过量空气系数较大，压缩比较低，最高爆发压力较大而燃烧噪声较小，有效燃油消耗率也会有不同程度的降低。结论：图6-2中表示了开式燃烧室柴油机、半开式燃烧室柴油机和分隔式燃烧室柴油机在中等转速下的有害排放量的比较。 图6-2 开式、半开式和分隔式燃烧室柴油机在中等转速下的有害排放量的比较。由图6-2可见，对于碳烟的排放量，半开式燃烧室最低，半开式燃烧室次之，而分隔式燃烧室最高；半开式燃烧室的HC的排放量最高特别在较低负荷工况下，其中的液态成分部分使其微粒的排放量也最高；直喷式燃烧室较分隔式燃烧室N

44、OX的排放量明显更高，特别是在高负荷工况下。在有害物排放和噪声的控制方面，分隔式燃烧室主要应控制碳烟的排放量，特别在较低负荷工况下；而直喷式燃烧室主要应解决好控制碳烟和NOX之间的矛盾，将皇帝燃烧噪声和控制部分负荷工况下的排放量。6.2 柴油机燃油和燃烧方式的改进6.2.1 燃油的取代燃料是环境污染的主要污染源，所以选择代用燃料可以降低有害气体的排放有些燃料甚至可以改变大气中的碳循环。现在较有前途的代用燃料有天然气、液化石油气、醇类燃料、植物油和氢气等。各种代用燃料都有自己的特性。天然气的主要来源是油田，它是的存在形式可分为压缩式天然气和液化天然气。目前用于汽车上的是压缩天然气。天然气的特点有

45、热值高、抗爆性好、混合气发火界限宽、着火温度高。液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷，其特点与天然气的相类似，具有热值高、抗爆性能好、着火温度高、容易与空气混合和排放低等优点。所以，液化石油气混合充分，燃烧完全，排放污染低。但是排放性能也受改装调整等许多因素的影响，排放不稳定。醇类燃料资源丰富，在汽车中常用的是甲醇燃料和乙醇燃料，采用这种燃料都是新能源地公害汽车。其特点主要有辛烷值较高、蒸发潜热大、常温下为液体、可燃界线宽、热值低、沸点低等。植物油用做发动起应急燃料，也是人们希望通过使用植物油来摆脱对石油的依赖。因为植物油和柴油有很多地方较接近，所以植物油主要用作柴油替代燃料。有试验证明，纯植物油

46、用作柴油机燃料时，通过加大喷油提前角，增加油泵循环供油量等措施，就可获得较好的动力性。但是使用纯植物油冷启动困难，而且容易出现过滤器堵塞、燃烧室积碳等问题。所以要使用纯植物油还要进一步科研。氢气是石油时代结束最有希望的发动机能源用氢气做能源也是人民梦寐以求的事情其优点有很多，诸如资源丰富、热值高、排放污染少，它既可以借助化工技术从煤、天然气等化石能源制取，也可以利用太阳能、核能等自然能源分解水获得。氢作为代用燃料，七燃烧产物没有HC、CO和碳烟等污染物，也没有造成温室效应的CO2，其唯一的有害物是NOX，因此，氢是理想的清洁燃料。氢作为代用发动机燃料的主要问题是氢的能量密度很低，低温技术价格昂

47、贵，氢的制造成本高。氢在柴油机上使用时，由于氢的着火温度高，难于自行燃烧，一般采用火花塞或炽热表面点火。但是随着技术的进步，氢是最好的发动机燃料了。6.2.2 燃油的雾化燃油的雾化是指燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小液滴的过程。燃油雾化可以大大增加其与周围空气接触的蒸发表面积，加速了从空气中的吸热过程和液滴的汽化过程，对混合气的形成起了重要作用。由此，有良好的混合气是燃烧完全的必不可少的条件之一，所以燃油的物化质量是非常重要的。燃油的雾化质量一般是指油束中液滴的细度和均匀度。细度是用液滴的平均直径来表示，液滴平均直径越小，意味着燃油雾化的越细。液滴平均直径的大小受多种因素影响，减小喷油器喷孔直

48、径，增大燃油喷入时的流速，空气密度的增大以及燃油粘度和表面张力的减小，都会使油滴平均直径减小。那么为了有良好的燃油雾化质量，就要对喷射系统有严格的要求：a. 避免不正常喷射现象和穴蚀破坏，这时对喷射系统的基本要求；b. 可根据不同转速和负荷的工况要求，在最佳喷射时刻，精确提供所需的燃油量；c. 改善柴油机的动力性、经济性、有害排放和噪声水平等，应尽可能实现理想的喷油规律；d. 良好的油束特性能满足具体燃烧室的要求，油束的几何形状和雾化质量能使燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合达到最佳；e. 对于喷射系统的强化，应采取相应的措施保证有关零部件的强度和刚度，提高系统的工作可靠性和使用寿命，同时

49、注意降低喷射系统的噪声和振动。因此，尾气的控制也就是从燃油的混合做起，有良好的喷射系统才能有很好的燃油雾化质量，也就有很低的尾气排放。6.2.3 燃油喷射控制电控喷射系统为在满足限制有害排放物的条件下，柴油机经济性和动力性等性能达到最优提供的条件，其突出优点是控制的准确和响应东风快速性。电控系统主要由三个部分组成，即传感器、控制部分和执行部分。喷射控制就是控制喷射的过程，从喷油泵开始供油至喷油器喷油停止的过程，整个过程在全负荷工况下约占1540曲轴转角。整个喷射过程可以分为三个阶段，即喷射延迟阶段、主喷射阶段和喷射结束阶段。由此控制这三个过程是最为关键的。6.3 进气系统的改进进气系统的改进就

50、是减少进气系统的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要方面。6.3.1 采用增压中冷技术废气涡轮增压可提高进气压力、增大空气的供给量，提高了气缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，使燃油燃烧完全，可使柴油机颗粒状物质的排放量降低50%左右，并减少了CO和HC的排放。采用柴油机的增压技术，使得燃油消耗量减少，CO和HC也会进一步降低。6.3.2 多气门技术进气是发动机的重要环节，进气不好，必然导致混合气混合不均匀，势必会影响发动机的各方面性能，最主要就是会影响发动机的排放，所以采用多气门技术，此技术就是为了增加进气量，是柴油混合均匀彻底燃烧，减少废气的很好途径。

51、该影响来自两个方面，一是采用4气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近，使油气混合均匀，燃烧及早结束，有利于降低NOX,另外，4气门使燃烧室凹坑内产生较大涡流，减少涡流死区，有利于降低PM。二是可关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度，以此实现涡流比可变。在低转速时，关闭切向气道，即可获高涡流比，从而提高低速时的混合气质量，改善柴油机的经济性、动力性和排放。 结 论柴油机具有较高的燃油经济性、可靠性和地维护成本特点，然而其尾气排放是受到严重制约的，环境污染是关系人类健康的重要问题。柴油机微粒排放包括：以碳元素为主的碳烟，为氧化或未完全氧化的碳氢化合物、硫酸盐及与硫酸盐结合的水和其它

52、杂质。降低柴油机的排气污染可从机内和机外两方面采取必要的措施，但最根本还是在发动机内部通过合理组织燃烧过程，减少有害排放物的生成；电控柴油机技术的应用为控制污染物的生成提供有效途径；排气后处理装置在一定的程度上能减少排气污染物的排放量；所以新开发的排气净化装置对于减小柴油机的烟度具有一定效果，为该项技术的应用做出了有益的尝试。参考文献【1】龚金科主编. 汽车排放及控制技术M. 人民交通出版社，2007.9【2】徐尔强主审. 汽车发动机拖拉机M. 机械工业出版社，2000【3】蔡风田主编. 汽车排放污染物控制实用技术M. 人民交通出版社，2008【4】陆际清主编. 汽车发动机燃料供给与调节M.

53、清华大学出版社，2002【5】张红建主编. 降低柴油机颗粒排放措施的研究M. 柴油机设计与制造，1997【6】李光虎编著. 汽车排气污染与控制M. 机械工业出版社，1999【7】张雪莉编著. 机动车排气污染物检测技术M. 清华大学出版社2010【8】王务林，赵航，王继先. 汽车催化转化器系统概论M. 化学工业出版社，2002【9】阎淑芳，刘江唯，等. 轻型车用柴油机的排放特性M. 汽车技术，2002【10】周龙保主编. 内燃机学M. 机械工业出版社，1999 致 谢从论文选题到搜集资料，从提纲的完成到正文的反复修改，我经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作论文的过程中，心情是如此复杂。如今，伴随着这篇毕业论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。我要感谢我的导师老师和老师。他们为人随和热情，治学严谨细心。从选题、定题、撰写提纲，到论文的反复修改、润色直至定稿，两位老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导。正是有了老师们的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才得以顺利完成。我还要感谢我的班主任老师以及在大学四年中给我们授课的所有老师们，是他们让我学到了很多很多知识，让我看到了世界的精彩，让我学会了做人做事。最后感谢四年里陪伴我的同学、朋友们，有了他们我的人生才丰富，有了他们我在奋斗的路上才不孤独，谢谢他们。27