關于降低柴油機顆粒物排放的研究及探討

李德龍 樊友龍

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

關于降低柴油機顆粒物排放的研究及探討

李德龍 樊友龍

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

隨著柴油機的廣泛應用，柴油機排放污染物，尤其是碳煙顆粒的排放受到人們的廣泛關注。本文主要從柴油機碳煙顆粒物的組成及生成機理、柴油機排放的標準、減少顆粒物形成采取的相關技術方法等方面進行論述及探討。

柴油機；碳煙顆粒物；排放標準

1 概述

自從100多年前甘道夫發明柴油機之后，由于其經濟性好、耗油量低等特點，被廣泛用于人們生產及生活的各行各業。到目前為止，我國的私有汽車保有量突破一億輛，預計到2025年每萬戶汽車擁有量將達到6 000輛。由于世界各國對于溫室效應影響的關注，柴油機在機動車中的應用比率也在逐年的提高。同時，柴油機排放出來的有害物質，又對大氣環境造成十分嚴重的危害，并傷害人們的身體健康。

同汽油機（1.64%）相比，柴油機（0.82%）的廢氣所占的比例相對較低，但由于柴油機的壓縮比較大，使其廢氣總量比汽油機大。在排放的廢氣中，柴油機中一氧化碳（CO）及碳氫化合物（HC）的含量僅為汽油機的幾分之一，氮氧化合物（NOX）的含量比汽油機略高。但是柴油機中碳煙顆粒物（PM）的含量是汽油機的40到100倍。這些碳煙顆粒物的直徑通常不足1微米，并吸附在一些烴類有機物及化合物上，極易被人們吸入肺內且不易排出，而這些物質又具有致癌和促癌的作用。因此，對于柴油機碳煙顆粒物的的凈化顯得尤為重要。

國內外的學者及研究人員，長期以來都致力于減少柴油機的廢氣尤其是PM的排放。本文對碳煙顆粒物的形成過程及影響因素、國家有關的排放標準和減少柴油機廢氣排放的相關技術等進行綜述及探討。

2 碳煙顆粒物的形成過程

柴油機排放的微粒，最主要的成分是碳，約占75%左右，其次是有裂解或合成形成的碳氫化合物和硫等無機化合物。又可細分為硫磺微粒、固體微粒及液體微粒。

2.1 硫磺顆粒

據試驗可得，每燃燒1升含硫20%的柴油，可生成12克的硫酸鹽和3克的二氧化硫。其主要是由于，硫在燃燒時發生化學反應形成硫酸鹽，或者與添加劑反應形成金屬鹽，并與固體顆粒結合形成硫磺顆粒。

2.2 固體顆粒

在燃燒過程中，由于發動機的轉速較快使得各沖程的時間較短，空氣與燃油不能充分混合，部分燃油不能完全燃燒；在高溫條件下這些剩余或未充分燃燒燃料發生裂解現象產生各種烴類物質，并在高溫條件下脫氫生成碳微粒，多個微小的碳微粒在相互碰撞的情況下結合成更大的碳微粒，在這些碳微粒的的吸附作用下使未完全燃燒生成的碳氫化合物及硫化合物與之結合形成固體顆粒，過程見圖1。

圖1 固體顆粒形成圖

2.3 液體顆粒

在寒冷的季節尤其是北方的冬季，常常會看到柴油機在冷啟動時會有白色或藍色的煙霧。這些煙霧是由于汽車在怠速或冷啟動狀態時，由于此時氣缸的溫度過低，使得燃料氣化不良從而導致柴油機點火不良，部分燃料及氣缸內的潤滑油以微小液體顆粒的形式排出發動機外，再與空氣中的水分結合便形成煙霧。當發動機慢慢預熱，氣缸溫度升高到一定溫度時這些煙霧便會隨之減少。此外伴隨煙霧還會釋放出對人體有害的一些氣體物質，對人的眼、鼻有一定的刺激性。

柴油機燃燒及碳煙形成的過程是一個相當復雜的過程，到目前為止人們還不能掌握其完整具體的化學反應及物理變化，只是通過最終的產物進行推敲或進行階段性的試驗，此外如圖一所示，到底碳氫化合物是否如圖那樣包裹著碳微粒及具體的分布情況仍需進一步的研究。

3 減少碳煙顆粒物的方法及相關排放標準

3.1 車用柴油機排放標準

1970 年美國率先頒布柴油機排放標準，隨著人們對于碳煙及氮氧化合物等有害污染物排放的重視，各國都相繼制定了相應的排放標準，并對排放提出了越來越嚴格的要求。美國、歐盟及中國的排放標準如表1、表2、表3所示。

表1 美國公路重型柴油機排放標準(g/PSh)

表2 歐盟公路重型柴油機排放標準(g/PSh)

表3 中國公路重型柴油機排放標準(g/PSh)

由上表可知，同歐美等發達國家相比，我國開始制定柴油機排放標準的時間較晚，且標準明顯低于歐美的排放標準。不過由表3也可以看出，我國的柴油機排放標準日趨嚴格，并開始與歐美標準接軌。這對我國的柴油機排放控制技術既是挑戰，也是機遇。

3.2 減少碳煙顆粒物排放的技術與方法

為減少汽車尾氣中有害氣體的含量，各國已相繼研究出多種三元催化劑系統，這種系統可以有效減少汽油機CO、NOx、CH的排放，但是由于柴油機的過量空氣系數較大，氧含量較高，三元催化系統并不適用。在日益嚴格的排放標準下，各國在燃料選擇、柴油機的結構設計及排放后處理上進行了較多的研究，并取得了一些成果。

3.2 .1 采用新型的燃料

由上文可知，柴油機排放的碳煙顆粒物，主要是由于燃料燃燒時脫氫，并以硫化物為載體形成的，因此可以通過脫硫的方式降低燃料中硫的含量，并對燃料氫化，使燃料不易脫氫，從而降低碳煙顆粒物的排放。此外，近年來各國已開始嘗試將乙醇等生物燃料應用于柴油機。可是究竟要選擇哪種代用原料，不僅要考慮到燃料的豐富程度、技術可行性，還要考慮到代用原料的價格；代用燃料之所以研究多年未得到實際應用，就是不能同時滿足上述幾個條件。也許在不久的將來含氧生物燃料會很有前途。

3.2 .2 改進柴油機結構

由于燃料的燃燒時刻、空氣系數等對碳煙顆粒的形成及燃燒工況有一定的影響，通常人們會對柴油機進行改進，從而降低污染物的形成或降低油耗。例如，同原有的化油器噴射系統相比，電控燃油噴射系統可降低碳煙顆粒的形成；燃油噴射時間的延遲也會減少碳煙顆粒物的形成；此外，渦輪增壓技術可以增加混合氣中氧的含量，從而降低碳煙的排放并減少了油耗。當然有些機體結構的改進也會促進碳煙的形成，如采用EGR（廢氣再循環）的機體，雖能提高燃油效率降低油耗，但也使碳煙顆粒的排放增加。

3.2 .3 排放后處理

無論我們采用何種燃料，對機體進行怎樣的改造，碳煙顆粒的排放是不可避免的。在后處理中，通常會安裝尾氣凈化裝置來較好碳煙的排放，其中過濾器（顆粒捕捉器）是最直接有效的方法。

通常過濾器可分為兩種，蜂窩陶瓷過濾器及陶瓷泡沫過濾器，前者是通過陶瓷體的表面介質氧化分解碳煙顆粒，而后者的氧化分解是在內部進行的。不過多數情況下，碳煙顆粒的氧化溫度通常高于機體的排氣溫度，因此需要一種催化劑來降低碳煙的熱力氧化溫度，避免顆粒物過度的積累。常用催化劑主要包括：過渡金屬、貴金屬及稀土催化劑。

過渡金屬因其較好的催化能力，歷來是研究者的主要研究對象。可是因某在催化過程中會產生有害的物質，從而限制了該類催化劑的使用。貴金屬的價格相對較高且易于中毒，因此研究較少，而稀土元素雖催化效果不如前者，不過催化效果穩定，負面效果也較少。由于三者具有互補作用，相信在將來以過渡金屬、貴金屬及稀土組成的新型催化劑將會成為研究主流。

3.2 .4 柴油機碳煙控制技術的發展前景

近年來隨著各國柴油機排放標準日趨嚴格及人們對環境問題日益重視，對柴油機的顆粒凈化技術提出了更高的要求，通過研究可知，各種凈化技術及方法都有各自的優點及不足，對于研究人員來說，這既是挑戰又是機遇，并能促使他們提出更加有效的技術方法來減少碳煙排放。因此柴油機顆粒凈化研究工作前景十分廣闊。

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U464

A

1003-5168(2014)03-0115-02

李德龍（1987.5—），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向：載運工具運用工程。