柴油機顆粒物的形成、危害及其控制方法

李曉麗，戴培赟，張吉亮，殷銘良，王東娟

（1. 濰坊工商職業學院 工程材料研究所，山東濰坊 262234；2. 濰坊市經濟學校，山東濰坊 262234）

0 引言

柴油發動機熱效率高，廣泛用于交通運輸及各種工業和商業領域，但在使用過程中產生大量的顆粒物及 NOx等有害氣體，近年來柴油機顆粒物的排放控制技術成為各國政府和科研人員的關注熱點，目前用于顆粒物及NOx排放控制的技術主要有燃燒前控制技術、燃燒中控制技術和燃燒后控制技術[1-2]。燃燒前控制技術和燃燒中控制技術屬于機內凈化技術，前者主要是通過改善燃油品質，如使用含氧燃料和其他改性燃料實現對顆粒物排放的控制，后者主要是通過調整噴油正時、噴油壓力和噴油方式等噴油參數實現對顆粒物排放的控制；燃燒后控制技術也稱機外凈化技術，主要是通過使用柴油機顆粒過濾器（DPF）和柴油機氧化催化器（DOC）等附加裝置或設備對燃燒產物進行過濾和催化處理的顆粒物排放控制技術。本文首先介紹顆粒物形成過程及其危害，重點綜述各種燃燒控制技術對顆粒物排放的控制方式及其對顆粒物排放的影響，總結近年來柴油機顆粒物排放控制的研究進展。

1 顆粒物及其形成過程

1.1 顆粒物組成

顆粒物是固態碳煙、可溶性有機物和硫酸鹽混合而成的有機組分。碳煙是燃料未完全燃燒產生的，通常發生在高溫下沒有足夠氧氣濃度的富油區，最初形成的碳煙晶核尺寸在0.005 μm～0.05 μm之間，碳核在高溫高壓下聚合，尺寸不斷增大，最終形成的顆粒物尺寸大部分集中在0.05 μm～1 μm之間[3]，這個尺寸區間的顆粒很容易被人類吸入并沉積在支氣管和呼吸道深部肺泡中，對人體健康存在極大的威脅[4]。近 50%的顆粒物是由碳煙組成的，硫酸鹽和烴類在碳煙表面上吸附聚集形成柴油機顆粒。可溶性有機組分可以采用索氏提取法或超聲提取法從顆粒物中分離出來。由于顆粒物是極性和非極性成分的混合物，所以完全萃取需要不同的萃取劑，常用的萃取劑有二氯甲烷、苯-乙醇混合物等。研究表明：顆粒中的可溶性組分主要由醛、酚、烷烴、烯烴、脂肪烴、多環芳烴及其衍生物組成，在高負荷工況下會出現部分燃油添加劑和未燃燒充分的燃油[5]。

1.2 顆粒物形成過程

液相烴轉化為碳煙并最終形成柴油機顆粒物的過程主要有熱解、成核、表面生長、集聚與凝結、氧化等階段。碳煙形成過程取決于壓力、溫度、噴射參數和燃料結構等條件，其生成和氧化速率主要與溫度和壓力有關。

熱解是指在缺氧或者無氧條件下，通過高溫使有機物發生裂解的過程，熱解反應主要取決于溫度和濃度，通常是吸熱的。由于燃料與空氣的混合時間較短，導致混合不均勻，在高溫缺氧的情況下燃料熱解形成碳煙前驅體，其熱解和氧化速率取決于火焰類型。預混火焰中氧含量較高，產生的碳煙較少，而擴散火焰中氧含量較低，產生的碳煙較多，氧化速率則隨溫度的升高而增大，因此碳煙的形成主要取決于溫度和氧濃度[6]。Haynes BS等人的研究表明：層流擴散火焰中的熱解產物主要是 C2H2、C2H4、CH4、C3H6和 C6H6等[7]。O2、O和OH自由基的存在會加速熱解，如果燃料中有足夠的O和OH自由基，乙炔很容易被氧化形成惰性產物[6]。

成核是氣相熱解產物形成顆粒的過程。燃料熱解生成的各種不飽和烴類通過脫氫形成碳粒子，并逐漸聚合成長鏈和環芳烴，形成初始直徑約在 1.5 nm～2 nm之間的碳煙晶核。初始晶核對碳煙總質量的貢獻較小，但能夠為表面生長提供活性位點，因此對后期的質量增長影響較大。杜德興等[8]通過對比不同條件下擴散火焰中開始形成碳核時的臨界氣動變形率，認為向燃料中添加空氣可在相當寬的濃度范圍內對碳煙的成核起遏制作用，能夠減少碳煙的生成，即部分預燃具有遏制擴散燃燒中碳煙成核的作用。

表面生長是碳煙質量增加的關鍵因素，顆粒物尺寸的增加主要發生在表面生長過程中。氣相烴（主要是乙炔）在晶核表面沉積導致碳煙質量增加，而顆粒數量保持不變。碳氫化合物的濃度低于碳煙生成臨界濃度的情況下，這一過程會持續進行。表面生長過程中碳煙生成速率取決于成核數量，這一過程通常發生在成核之后的幾個ps到0.05 ms之間，因此該過程的停留時間對碳煙質量和體積分數有很大的影響。由于小顆粒的活性自由基較多，因此顆粒尺寸越大，表面生長速率越低。目前解釋碳煙表面生長的主要機理有氫吸取乙炔加成（HACA）機理和碳加成氫轉移（CAHM）機理，WHITESIDES等[9-10]依據HACA機理建立和改進了描述碳煙表面生長過程的反應動力學模型，侯丁鈺等[11]研究了層流預混火焰中含量較高的6種烯炔烴的CAHM反應勢能面并進行動力學蒙特卡諾模擬，結果表明在高溫和低氫原子濃度下CAHM機理對碳煙質量增加的貢獻是HACA機理的十幾倍。

集聚和凝結是小顆粒合并的過程。小顆粒形成后，顆粒間的碰撞會導致團聚，從而引起顆粒物數量的減小和尺寸的增加。在這個過程中，球形粒子相互碰撞最終聚結成單一的球體，團聚后的顆粒大小主要取決于發動機工況，如噴油類型和噴油條件等。

氧化是碳煙形成過程中，碳或碳氫化合物發生氧化反應形成燃燒產物的過程，這一過程貫穿從熱解到凝結的整個碳煙形成進程。反應速率主要取決于反應階段和空氣燃料混合物的狀況，氧化反應在表面生長和聚結反應過程中的影響并不大，O和OH等自由基被認為是反應中的主要氧化劑[6]。

碳煙顆粒通常在溫度高于1 300 K時發生氧化，氧化反應阻力主要來自碳煙中的石墨狀結構。在燃料充足和滿足化學計量條件下，OH自由基對碳煙氧化反應的影響更大。在燃料不充分的條件下，O2自由基對碳煙氧化的影響更大，OH自由基的貢獻只有 10%～20%[7]。氧化過程結束后，排出的氣體在排氣管內冷卻，部分未燃烴、硫酸鹽和水分等在碳煙上凝結，形成顆粒物。

燃料成分和結構對顆粒物的形成有重要影響。柴油燃料主要由碳、氫、氧、硫等元素組成，這些元素的含量決定燃料成分。燃料中碳含量越高，氫含量越少，產生碳煙的傾向越大，氧含量越高則會降低碳煙的生成速率。燃料中的硫不直接參與碳煙的生成過程，但會促進可溶性有機物的形成并附著在碳煙顆粒上，從而增加顆粒物的尺寸和質量。分子結構是決定層流擴散火焰中碳煙生成速率的主要參數。一些早期的研究結果表明，分子中的環狀結構，特別是稠環結構起著關鍵作用。非芳烴燃料中，碳原子數、主鏈長度、側鏈位置和長度是影響碳煙形成趨勢的主要參數，碳煙體積分數隨烷烴、烯烴、炔烴、烷基苯和萘中氫的質量百分含量的增加呈線性增長[12-15]。

2 柴油顆粒的危害性

顆粒物通過呼吸系統進入機體后，不僅能穿透上皮細胞，而且能夠進入血液循環，其所包含的多種組分可產生更為嚴重的健康危害。顆粒物隨呼吸進入呼吸道并沉積于氣管、支氣管及肺泡中，通過機械損傷、氧化反應和引起的免疫炎性反應等方式引起呼吸系統疾病，進而引起心血管系統和全身炎癥反應。長期接觸高濃度的顆粒物可導致成人和兒童肺功能下降，并增加慢性阻塞性肺病的發病率，表現為慢性阻塞性肺病的住院率和死亡率增加。人群流行病學研究表明顆粒物可能增加兒童哮喘的發病率，并與成人急性哮喘的發作有關[16]。

除了引起呼吸系統疾病，顆粒物還對心血管系統、神經系統、生殖系統具有一定的危害性，并引起突變和癌癥的發生。顆粒物與心血管疾病發病率和死亡率增加有關，TOBALDIN等[17]的研究表明：顆粒物可引發健康個體的副交感神經功能障礙，從而誘導心血管疾病的發生，其對自主神經紊亂的影響呈計量依賴性。顆粒物對心血管疾病的影響存在季節和人群性的差異。谷少華等人通過對7 434例心血管疾病急救病例的統計分析顯示：冷季時未見顆粒物對心血管疾病急救人次的影響有統計學意義；暖季時，大氣PM10每升高10 μg/m3，心血管疾病急救人次增加約2.00%，其中男性和≥65歲年齡組人群心血管疾病急救人次分別增加約2.41%和1.86%，未見PM10對女性和＜65歲年齡組人群的影響有統計學意義[18]。

大氣中顆粒物濃度的升高會導致人群中神經系統疾病的增加。其對神經系統造成的損害主要通過系統性氧化應激、炎癥反應和細胞內鈣穩態失調等病理機制對神經系統產生毒性效應，導致認知功能損傷或衰退，甚至誘發或加重神經退行性疾病[19]。宋杰等[20]進行的流行病學研究顯示，大氣中PM2.5與PM10的濃度每升高 10 μg/m3，居民因神經系統疾病急救的人次分別增加約0.75%和0.35%。顆粒物對兒童神經心理發育影響的研究表明，大氣顆粒物暴露會對兒童神經心理發育產生不良影響，引起包括兒童學習障礙、孤獨癥譜系障礙和兒童睡眠障礙等問題[21]。

血睪屏障為生殖細胞精子發生提供必要的微環境，顆粒物長期暴露可引起雄性Sprague Dawley（SD）大鼠的生殖功能障礙，并破壞血睪屏障的完整性[22]。嚴超等[23]通過建立SD大鼠的顆粒物長期暴露模型，研究了PM2.5長期暴露對SD大鼠生殖功能的影響及其機制，結果表明：高劑量組和低劑量組雌鼠受孕率比對照組分別低 50%和 30%，精子的數量和質量下降，生精小管結構紊亂，管腔精子數減少，部分次級精母細胞脫落至管腔，睪丸組織中 Connexin43蛋白表達下降，血睪屏障破壞。WANG等[24-25]采用液相色譜-質譜聯用技術研究了PM2.5對大鼠睪丸的代謝破壞作用和生殖毒性機制，顆粒物引起氨基酸和核苷酸代謝紊亂，甾體激素代謝失調和脂質代謝異常等一系列問題，而這些重要通路可能是生殖毒性的關鍵分子事件。

上皮間質轉化是腫瘤發展的重要過程，入肺顆粒物可促進肺癌細胞中Smad1蛋白的介導信號通路，誘發和促進上皮間質轉化[26]。周芳等[27]通過將柴油機顆粒物作用于正常支氣管上皮細胞，從表皮生長耐受體、磷酸肌醇-3激酶、蛋白激酶的變化探討柴油顆粒潛在致癌機制及對細胞毒性影響，證實柴油顆粒存在確切的細胞毒性，表皮生長耐受體表達增加可能在顆粒物導致肺癌變的過程中起到重要作用。此外，顆粒物通過炎癥損傷和氧化損傷等機制誘導腫瘤形成，增加肝臟和女性生殖系統惡性腫瘤，如乳腺癌、子宮頸癌、卵巢癌和子宮內膜癌等疾病的發病率[28-29]。

3 柴油顆粒物控制技術

3.1 燃燒前控制技術

燃燒前控制技術主要是通過改善燃油品質，如使用含氧燃料和其他改性燃料實現對顆粒物排放的控制。提高柴油質量、改善燃油品質可直接降低柴油機顆粒物的排放，同時為后處理裝置做準備。

3.1.1 生物柴油

生物柴油是從植物油和動物脂肪中提取的脂肪酸甲酯或乙酯。它是一種可再生、可生物降解的含氧燃料，由長鏈飽和脂肪酸甘油酯（即甘油三酯）和不飽和脂肪酸甘油酯組成。它可以通過酯交換反應過程轉化為甘油單酯。燃料中硫和芳烴含量較低，并含有近10%的氧，有助于燃料的完全燃燒。

生物柴油作為替代燃料，能夠有效降低顆粒物排放。大量研究表明，隨著生物柴油摻混比例的增加，各粒徑范圍的排氣顆粒物質量濃度均下降，顆粒物中碳煙和無機鹽的質量分數減小，可溶性有機組分中酯類和酸類物質質量分數增加，烷烴類、芳香烴及酚類物質質量分數減少[30-33]。王武林等[34]采用186FA單缸小型柴油機研究了滿負荷工況時燃用純柴油和B10調合生物柴油對柴油機燃燒和排放性能的影響，結果表明：滿負荷工況下，燃用調合生物柴油和純柴油時發動機動力性基本一致。與純柴油相比，燃用調合生物柴油的排放性能得到有效改善，CO、碳氫化合物（HC）和顆粒物的最大降幅分別為 29.09%、30.43%和35.79%。

3.1.2 含氧燃料添加劑

含氧燃料通過改進柴油燃料的十六烷值提高燃燒質量和點火質量，從而降低顆粒著火溫度，各種含氧燃料添加劑往往會改變柴油機顆粒物的物理化學特性，高氧含量的燃料可以大大降低顆粒物排放。ZHANG等[35]研究了含有二甘醇二甲醚、棕櫚油甲酯、碳酸二甲酯、己二酸二乙酯和丁醇等五種不同含氧燃料添加劑的混合液對柴油機顆粒物組成及其毒性的影響，含氧燃料混合物能有效促進所有尺寸范圍內的碳煙氧化和降低柴油機顆粒物濃度，但會伴隨有機碳含量的顯著增加。王玉梅等[36]將聚甲氧基二甲醚（PODE）（體積分數 10%）摻混于柴油中制備柴油混合燃料，研究了混合燃料對柴油機排氣煙度的影響，在額定工況下，混合燃料排放的顆粒物在各粒徑下的質量濃度均有不同程度的降低，顆粒物粒徑總體向小粒徑方向偏移，顆粒物中的可溶性有機組分所占比重增加，其中各類烷烴和多環芳香烴質量分數減小，有機酸酯的質量分數增大。石曉燕等[37]通過添加 10%乙縮醛研究了含氧柴油對柴油機排放及顆粒物碳質組分的影響，與普通柴油排放相比，含氧柴油排放顆粒中PM2.5的排放速率最大降幅達 29%，其中總碳的排放速率最大降幅為 24%。關淳等[38]以乙醇為添加劑，研究了含氧燃料對柴油機燃燒和排放性能的影響，含氧燃料能夠降低顆粒數量和質量排放，尤其是抑制了大尺寸顆粒，使得顆粒粒徑分布曲線向小粒徑方向偏移，顆粒平均幾何尺寸降低。

3.1.3 乳化燃料

乳化燃料是由燃油和水組成的乳化液，乳化燃料排放減少的主要原因是在快速蒸發過程中，沸點比周圍燃料低的水滴會迅速爆炸，這最終增加了預混燃燒期和點火延遲期，為燃油-空氣混合創造了更多的時間，從而減少了顆粒物的形成。在相同情況下，水滴蒸發降低了熱循環的峰值溫度，這也導致了氮氧化物排放量的減少[39-40]。

張喜梅等[41]利用非離子表面活性劑復配對熱解生物油/柴油混合液進行乳化，得出生物油/柴油乳化燃料和純柴油的負荷特性和排放特性曲線，并對乳化燃料和純柴油的排放特性進行了對比，結果表明：生物油體積分數為 20%的乳化燃料當量油耗率最低，乳化燃料的 NOx及碳煙的排放則優于純柴油的排放。孫丹丹等[39]研究了 F-T柴油/甲醇微乳化燃料的燃燒排放特性，與普通柴油相比，乳化燃料 CO、NOx和碳煙的排放均有下降，降幅范圍分別為 20%～40%、25%～27%和65%～97%。張小卿等[42]對柴油含水乙醇乳化燃料的理化和燃燒特性進行了研究，隨著含水乙醇含量的增加，含氧量升高，十六烷值和低熱值降低，燃燒火焰自發光亮度逐漸降低，表征碳煙生成量逐漸減少。

乳化燃料可同時降低柴油機顆粒物和 NOx的排放，但由于其對表面活性劑的高度依賴性[43]，使得它在成本上不占優勢，限制了自身的商業化。ITHNIN等[44]首次在常規柴油機中引入無表面活性劑的水-油乳化燃料，柴油和水被存儲在不同的位置，在進入發動機之前，通過一個由高剪切混合器和超聲波混合器組合而成的混合系統產生定量轉移和瞬間乳化，得到乳化燃料。測試結果表明：與普通柴油相比，無表面活性劑的乳化燃料制動熱效率提高了 3.59%，油耗降低3.89%，廢氣中氮氧化物和顆粒物的含量分別降低了31.66%和16.33%。

3.2 燃燒中控制技術

燃燒中控制技術主要是通過改進燃燒室結構、改進點火系統、改進進氣系統、采用電控噴油技術等方式實現對顆粒物排放的控制機內凈化技術，其中電控噴油技術是近年來的研究重點，主要是通過對噴油正時、噴油壓力和噴油方式等噴油參數的調整降低顆粒物和氮氧化物等污染物的排放。

3.2.1 噴油正時

噴油正時對柴油機排放性能有著顯著影響[45]。LIU等[46]的研究表明：推遲噴油正時會使 CO和總烴的排放量增加，但由于氣缸容積膨脹和傳熱，曲軸轉角間隔增大，NOx排放量顯著減少。早期顆粒物中的可溶性有機組分含量相對較低，高溫和局部貧氧導致碳煙排放量較大，隨著曲軸轉角間距的增加，煙度排放迅速下降，對噴油正時不敏感。

當增大噴油提前角時，顆粒物排放會降低，這與點火延遲性能有關。這種情況的原因是，增大噴油提前角會導致預混燃燒持續時間的增加，從而增強燃料與空氣的混合均勻性，降低顆粒物排放。但是由于增大噴油提前角會使點火延遲的增加，從而增大 NOx排放。當噴油正時延遲，顆粒物排放增加，NOx排放減少[47]。這種情況的發生是因為延遲噴射導致點火延遲減少和預混燃燒持續時間降低，從而增加燃料消耗、HC煙霧和顆粒物。

3.2.2 噴油壓力

另一種用于降低顆粒物的機內凈化技術是改變噴油壓力。噴油壓力增大時，會形成霧化，噴油壓力越高，燃料液滴霧化越均勻，液滴尺寸越小，從而使燃料燃燒越完全，顆粒物大大減少。此外，噴霧貫穿距離隨噴油壓力的增加而增大，從而使空氣得到合理利用，提高燃油空氣混合速度[48]。姚春德等[49]利用高速攝像技術和燃燒壓力采集系統分別研究了相同噴油脈寬和相同噴油量下噴油壓力對柴油著火、燃燒和碳煙生成特性的影響，當噴油壓力從 80 MPa升高到160 MPa時，滯燃期由1.7 ms縮短到1.4 ms，燃燒持續期由6.9 ms縮短到4.7 ms，總炭煙量大幅度減少，但滯燃期和燃燒持續期隨噴油壓力升高而縮短的程度以及炭煙生成量隨噴油壓力升高而降低的趨勢均逐漸減弱。YE等[50]研究了噴射策略和生物柴油對高壓共軌柴油機氮氧化物和顆粒物排放的影響，研究發現：在所有負荷條件下，燃料噴射壓力的增加都會導致 NOx排放量的增加和顆粒物的減少，同時，生物柴油對低負荷狀態下顆粒物的排放影響更大，對中高負荷的影響較小。

噴嘴孔徑也對顆粒物的排放起到重要影響。減小噴嘴孔徑可加速碳粒燃燒擴展過程，提高碳粒燃燒速率，進而降低柴油機碳煙和CO的排放[51-52]。

3.2.3 多次噴射

多次噴射技術在控制燃燒放熱速率方面比單次噴射具有更大的靈活性，合理的參數選取可使顆粒物、氮氧化物排放和平均有效壓力之間獲得良好的折衷，能夠同時減少氮氧化物和顆粒物的排放[53-54]。多次噴射技術可以實現共軌直噴（CRDI），通過使用能夠精確控制噴油壓力和噴油正時的電控電磁閥，進而實現對噴油正時和噴油量的精確控制。多次噴射技術包含三種噴射方式，預噴射、主噴射和后噴射。在預噴射過程中噴入一定量的燃料，提高主噴射之前的溫度，降低點火延遲，從而降低主噴射過程中預混燃燒的燃料燃燒率，最終通過降低峰值壓力來減少爆震。

王滸等[55]研究了多次噴射對重型柴油機性能和排放的影響，預噴射可以在小負荷時改善柴油機的NOx、CO和比油耗，但在大負荷時沒有明顯的影響，多次噴射可以促進油氣混合，提高碳煙的氧化速度，從而降低柴油機的顆粒物排放。由于預噴射過程中的產物具有較高的溫度和較低的氧含量，會導致大部分時間內顆粒物排放量的增加，石秀勇等[56]研究了不同預噴射和后噴射條件下對 NOx和顆粒物排放的影響，通過優化預噴射參數可在改善 NOx排放的同時不惡化顆粒物的排放，同樣，通過對后噴射參數的優化可以實現對NOx排放影響較小的條件下顯著改善顆粒物排放，但會伴隨燃油消耗率和排氣溫度的升高。

3.3 燃燒后控制技術

燃燒后控制技術主要是通過使用附加裝置或設備對燃燒產物進行過濾和催化處理的機外凈化技術。柴油機顆粒物排放控制的物理過濾技術始于 20世紀 80年代，可用于柴油顆粒捕集的過濾介質種類繁多，如金屬絲網、陶瓷纖維、多孔陶瓷載體等。目前應用最廣泛的是柴油顆粒過濾器（DPF），也被稱為柴油顆粒捕集器，其核心部件是由堇青石或碳化硅制成的蜂窩陶瓷載體。當氣體通過多孔壁時，這些蜂窩狀的過濾體將顆粒物捕獲。這類過濾器通常被稱為陶瓷壁流過濾器。壁流式蜂窩陶瓷有類似普通蜂窩陶瓷的平行孔道，但不同的是相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵孔，柴油機尾氣進入上游端開口的過濾器孔道后，由于孔道的末端被堵住，迫使氣體流經多孔的薄壁進入相鄰的孔道，相鄰孔道在下游端打開，過濾后的氣體從下游端出口排入大氣中。過濾器壁被設計成適合的孔隙度，使得尾氣能順利流通，減小系統的壓力降，而其中的碳煙顆粒被過濾下來，沉積在孔壁上。壁流式蜂窩陶瓷單位體積的過濾面積較大，過濾效率較高，通常可達98%以上[57-58]。

顆粒物在過濾器中的過濾和收集相對較容易，最困難和最具挑戰性的工作是清除過濾器中收集的碳煙顆粒。過濾器在被碳煙顆粒堵塞前需要進行再生處理，以使過濾器恢復到原來的清潔狀態。在再生過程中，過濾器中收集的碳煙顆粒氧化成二氧化碳，同時還要保證陶瓷過濾基體在再生過程中產生的高溫下不會熔化或開裂。根據再生方法的不同，柴油顆粒過濾器的再生技術可分為主動再生和被動再生兩大類。

3.3.1 過濾器的主動再生技術

主動再生指的是利用外加能源來提高過濾器內的溫度，使積存在過濾體內的顆粒升溫、自燃，以減少過濾體內的顆粒。主動再生的實現方式主要有燃燒器再生、電加熱再生、微波加熱再生和紅外加熱再生等。

燃燒器再生通過在過濾器前端放置一個燃燒器，使柴油顆粒過濾器再生。在這個系統可以在所有發動機轉速和負荷工況下進行再生，再生效率通常在 90%以上[59]。當碳煙沉積在過濾器上，由一個壓差傳感器監測過濾器的背壓值。隨著過濾器中的碳煙顆粒的不斷積聚，當背壓值上升到一定程度時，由該傳感器向ECU發送信號。ECU給DPF上游的燃料燃燒器發出信號，噴入柴油和二次空氣，燃燒后引燃顆粒，碳煙開始氧化。隨著燃燒的開始，溫度的升高會加速碳煙的燃燒，從而導致溫度的不可控升高和過慮基體的熔化。為了控制再生過程中的溫度，燃燒器可以在再生循環過程中中途關閉，確保將濾床溫度梯度和峰值溫度控制在一個臨界水平以下，以防止過濾器的開裂和熔化。

電加熱再生在原理上與燃燒器再生系統類似，不同之處是電加熱再生系統采用電阻加熱代替了復雜的燃燒器和電控系統。電加熱系統的再生效率可達 87%以上[60]，電力由同步交流發電機提供，電加熱系統需要解決運行過程中耗電量高的問題，一輛普通卡車的DPF再生系統大概需要3 kW的加熱器。此外，電加熱系統容易由于加熱的不均勻性造成過濾體再生的不均勻，造成過濾體的局部過熱而損壞。

微波加熱再生是利用微波獨有的選擇加熱和體積加熱特性在過濾體內部形成空間分布的熱源，對沉積在過濾體上的碳顆粒進行原位加熱著火燃燒，具有較高的CO2選擇性和碳煙燃燒效率[61]。微波腔的設計對過濾體的加熱均勻性至關重要，STEENWINKEL[62]研究了具有鈣鈦礦涂層的堇青石過濾體的微波加熱特性，由于鈣鈦礦結構具有較高的介電損耗因子，同時用作氧化催化劑能夠降低煙塵著火溫度，使過濾體能夠完全再生，而沒有鈣鈦礦涂層的過濾器只能部分再生。

紅外加熱再生系統具有結構簡單、可靠性高、實用性好的特點。王憲成等[63-64]提出了采用紅外技術對蜂窩陶瓷進行再生的方法，并在6110A柴油機臺架上對系統的樣機進行了碳煙過濾特性及再生特性的試驗研究。紅外再生過程中蜂窩陶瓷內部各位置最高溫度相差小，最高溫度在800℃～1 000℃，過濾體的溫度梯度小于10 ℃/cm，系統的碳煙過濾效率高達95%，排氣背壓低，再生效率超過 89%，工況適應性好，符合蜂窩陶瓷的熱再生要求。

3.3.2 過濾器的被動再生技術

被動再生系統采用催化劑將碳煙氧化溫度降到正常排氣溫度范圍內，常用的被動再生方法有燃料添加劑再生過濾器系統、連續再生過濾器系統和催化型連續再生過濾器系統。

燃料添加劑可以有效降低碳煙氧化溫度。添加劑在發動機中燃燒后隨顆粒物一起由DPF捕集，使顆粒物和催化活性成分充分接觸，降低顆粒物的氧化溫度。由于碳煙和 CO的氧化反應是放熱反應，放出的熱量可以顯著提高濾床溫度。以Fe、Ce等為基礎的燃料添加劑催化再生技術得到了廣泛的研究，劉少康等[65]采用環烷酸鈰溶劑作為添加劑，對柴油機DPF的再生平衡溫度、壓降特性和燃燒灰燼等進行試驗研究。DPF再生平衡溫度因添加劑的催化作用從 500℃以上下降到約450℃，從而增加了顆粒捕集器的顆粒儲備能力，并能夠有效再生。田徑等[66]采用Fe鐵基燃油添加劑在一臺配置無涂敷碳化硅微粒捕集器的 CA6DL2-35E3高壓共軌重型柴油機上對其排放微粒進行捕集加載與再生試驗，在ESC-13工況測試循環下，采用低含硫量的歐IV 0#柴油可實現DPF微粒捕集效率達90%。

在壁流式陶瓷顆粒過濾器（DPF）前安裝一個帶有貴金屬催化劑的氧化催化轉化器（DOC），以促進碳煙氧化，這種系統被稱為連續再生過濾器（CRT）。DOC使NO在通過DPF之前優先轉化為NO2，可以使積存在DPF中的干碳煙在300℃以下的溫度下氧化，但該系統只能應用在低硫柴油機上，燃料中硫的含量應小于30 ppm（1 ppm=0.001‰），以防止催化劑中毒。要達到 CRT系統的最佳性能，再生溫度范圍應控制在250℃～450℃之間，溫度過低會使碳煙氧化速度過慢，溫度過高則會加速NO2的分解，不能形成足夠的NO2，同時還要保證氮氧化物/碳煙比應足夠高，否則NO2含量太低，不能氧化碳煙。方奕棟等[67]以某型高壓共軌柴油機為試驗對象研究了CRT系統對顆粒及氮氧化物排放的影響，在高轉速高負荷工況下，系統對聚集態顆粒的降低作用優于核態顆粒，顆粒物排放因子下降81.9%，多環芳烴排放質量減少91.5%，氮氧化物排放的質量分數小幅下降。

CRT中的DPF基體可以涂覆有催化劑材料，使碳煙氧化溫度降低至200℃，使通過DOC的NO在DPF中可以繼續轉變為 NO2來氧化顆粒物，這種系統被成為催化型連續再生過濾器（CCRT），相對于普通 CRT系統，它對再生的條件更加寬松，在較低的溫度和氮氧化物/顆粒物比下就可以實現再生[68]。

4 結論

顆粒物是柴油機的主要排放物之一，對人類和環境都會產生有害影響。長期暴露于顆粒物除了引起呼吸系統疾病外，對心血管系統、神經系統、生殖系統都有一定的危害性，并可引起突變和癌癥的發生。生物柴油和含氧燃料添加劑能夠大幅降低顆粒物的排放，乳化燃料在降低顆粒物排放的同時，能夠有效降低氮氧化物的排放，但其對于表面活性劑的依賴性較高，成本上不占優勢。減小噴嘴孔徑和增大噴射壓力將使顆粒物含量大幅降低，隨著共軌直噴技術的發展，多次噴射在控制燃燒放熱速率方面比單詞噴射具有更大的靈活性，合理選取參數可同時減少顆粒物和氮氧化物的排放。采用柴油顆粒過濾器捕集顆粒物并以主動再生或被動再生的方式進行燃燒處理，是目前用于減少顆粒物排放、滿足當前排放標準的最佳方法。主動再生技術的可靠性高、工況適應性好、對燃料的硫含量和排氣溫度不敏感，但需要額外的能源消耗，線路結構復雜，系統總體成本較高；被動再生技術系統結構相對簡單，成本較低，但對排氣溫度有一定的要求，對燃油硫含量比較敏感，需要定期清理和維護。隨著技術的進步和排放標準的日益苛刻，被動再生技術和主動再生技術不斷融合，通常情況下DPF系統通過燃油添加劑或催化劑等降低顆粒的著火溫度來實現被動再生，當無法滿足被動再生條件時啟動主動再生，這種被主動結合再生技術對燃油硫含量和排溫無要求，且較被動再生定期清理維護的周期長，具有良好的應用前景。