【正文】 ........... 20 1 緒 論 隨著社會的發(fā)展，環(huán)境問題也是日益浮現(xiàn)在人們的眼前，因此人也對環(huán)境保護重視有 加！面臨世界各國對柴油機廢氣排放法規(guī)的日趨嚴格，從而也使柴油機排放技術的研究不斷的更新，各種類型的排氣凈化裝置為機動車的污染控制提供了新的方法和途徑。桂林市航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 畢業(yè)設計 (論文 ) 題 目 ： 柴油機微粒排放凈化技術的發(fā)展趨勢 所在系部 ： 汽車與動力工程系 專 業(yè) ： 汽車檢測與維修技術專業(yè) 學生姓名 ： 李金成 學 號 ： 202005120427 指導教師 ： 李強 2020 年 5 月 桂林市航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 柴油機微粒排放凈化技術的發(fā)展趨勢 摘 要 近年來隨著環(huán)境保護的日趨重視，世界各國都對環(huán)境的要求很高。柴油機的微粒排放更是不同程度的危害著人類和破壞著生態(tài)環(huán)境，所以柴油機微粒的凈化技術問題也是備受關注的，本文就現(xiàn)在已經(jīng)采用的柴油機微粒凈化技術和未來的發(fā)展趨勢，做到柴油機排放標準化、盡量做到污染小或者無污染。 柴油車不但具有動力性和經(jīng)濟性好 ,性能可靠等優(yōu)點而取得了迅速發(fā)展 ,而且還可以減少 10%～ 20%的碳氧化物排放 ,這大大吸引了人們對柴油車的關注。由于每次噴射要持續(xù)一段時間，一般在缸內(nèi)著火時噴射過程尚未結束，故混合氣形成過程和燃燒會重疊進行，即：邊噴油邊燃燒。 第一階段 —— 滯燃期，指柴油開始噴入氣缸到著火的這一段時期，此階段包括燃料的霧化加熱蒸發(fā)擴散與空氣混合等物理變化，以及重分子的裂化，燃油的低溫氧化等化學變化，到混合氣濃度和溫度比較合適、氧化充分的一處或幾處同時著火。此階段并沒有把滯燃期內(nèi)噴入的燃油全部燒光，主要取決于混合氣形成條件的情況，但至少會把相當部分已噴入氣缸并混合好的燃油燒掉。緩燃期開始時，雖然缸內(nèi)已形成燃燒產(chǎn)物，但仍有大量混 合氣在燃燒。 第四階段 —— 后燃期，指從緩燃期終點到燃油基本燒完的這段時期。 柴油機是通過把柴油高壓噴入已壓縮到溫度很高的空氣中迅速混合、自燃而工作的，所以混合氣沒有那么均勻的，總有部分燃料不能完全燃燒，分解為以碳為主體的微粒。這樣才能了解燃燒后的微粒成份和形成途徑。由于排放的微粒比表面積大、吸附力強 (吸附 有多環(huán)芳香烴等 )且微粒直徑小 (只有 ～ )、重量輕，故能長時間懸浮在大氣中，易被人體吸人并沉積在肺胞中，對人類的健康有極大的危害。柴油機微粒的組成取決于柴油機的運轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度。這些有機物在一定溫度下可以揮發(fā)，而且絕大部分能溶解在有機溶劑中。如果沿發(fā)動機的排氣管道測試取樣，可發(fā)現(xiàn)微粒粒度不斷增大，且由于排氣中的有機化合物不斷吸附冷凝在微粒上，使排氣中的有機可容成份含量增加。柴油機碳煙也是不完全燃燒的產(chǎn)物，是燃料在高溫缺氧條件下進過裂解脫氫以后的產(chǎn)物。 柴油機的煙粒生長和長大一般可分為兩個階段 : (1) 煙粒生長階段：這是一個誘導期，期間燃料分子經(jīng)過其氧化中間產(chǎn)物或熱解產(chǎn)物萌生凝聚相。表面生長指煙粒表面粘住來自氣相的物質(zhì)使其質(zhì)量增大，同時發(fā)生脫氫反應，但不會改變煙粒數(shù)量。在柴油機中，煙粒聚集過程常與煙粒在空氣中的氧化過程同時發(fā)生，即在燃燒早期生成的碳煙微粒，在溫度高于碳反應溫度的富氧區(qū)和擾流火焰出現(xiàn)的地方，在燃燒后期和氧混合而完全燃燒。對于煙粒的開始生成，可燃混合氣的碳氧原子比是重要的影響因素。 (4) SOF 的吸附與凝結 柴油機排氣微粒生成過程的最后階段，是組成 SOF 的重質(zhì)有機化合物向煙粒聚集物的凝結與吸附，這個階段主要發(fā)生在燃氣從發(fā)動機排出并被空氣稀釋之前，通過吸附與凝結使煙粒表面覆蓋 SOF。下面就介紹一下微粒中有機可溶成分 SOF 的分離方法： 熱解質(zhì)量分析法 熱解質(zhì)量分析法是在惰性氣體氛中，將微粒樣品按規(guī)定加熱速率加熱到 923K，保溫 5 分鐘 。然而將氣體氛換成空氣，在相同溫度下，樣品進一步減少的質(zhì)量對應被氧化的碳煙組 合，殘留的就是微量灰分。缺點是熱解質(zhì)量分析儀昂貴，且一次只能處理一個樣品。此方法設備簡單，操縱方便，真空干燥箱具有較大的容積，一次可同時處理多個樣品。 索式萃取法 對微粒中 的 SOF 可采用索式萃取法采集，常用的索式萃取法如下圖 41 所示： 1冷凝管 2提取管 3虹吸管 4連接管 5提取瓶 圖 41 索式萃取法 盛有容積的燒瓶置于恒溫浴缸中，用水加熱使容積蒸發(fā)，上升到冷凝管中，冷凝物回到樣品室中浸泡樣品，進行萃取。這樣，容積在萃取液中循環(huán)流動，不斷將微粒中的 SOF 帶到燒瓶中，直到萃取完全。萃取一般連續(xù) 8 小時 就可完成，樣品原始質(zhì)量與殘渣質(zhì)量之差 就是 SOF 質(zhì)量。 汽車排放微粒中的 SOF 成份復雜，可通過氣相色譜儀 GC 進一步分析，以弄清其中各種 HC 的來源。如果色譜儀與質(zhì)譜儀連用，則可對復雜有機物進行更細致分析，因此結果表明，柴油機排氣微粒中可揮發(fā)成份隨發(fā)動機負荷的增大而減少，從 95%減到 65%左右。 分析影響微粒生成的因素 負荷與轉(zhuǎn)速的影響 圖 42 為柴油機的微粒排放量與負荷和轉(zhuǎn)速的關系。 圖 42 所示柴油機的微粒排放量與負荷和轉(zhuǎn)速的關系 微粒排放量隨負荷有這樣的變化趨勢，是由于小負荷是空燃比和溫度均較低，氣缸內(nèi)稀薄混合氣區(qū)較大，且處于燃燒界限之外而不能燃燒，造成冷凝集合的有利條件，從而有較多微粒（主要成分是未燃燃油成份和部分氧化反應產(chǎn)物）生成；在大負荷時，空燃比和溫度均較高，造成 了裂解和脫氫的有利條件，使微粒（主要成份是碳煙）排放量又有了升高；在接近全負荷時微粒排放急劇增加（接近冒煙界限），這時雖然總體過量 空氣系數(shù)尚大于 1,但由于燃燒室內(nèi)可燃混合氣不均勻，局部會有過濃，導致煙粒大量生成。當轉(zhuǎn)速升高時，這種氧化作用又受到時間因素的制約，故微粒排放量隨轉(zhuǎn)速升高而增加；在大負荷時，轉(zhuǎn)速的升高有利于氣流運動的加強，使燃燒速度加快，對碳煙微粒在高溫條件下與空氣混合氧化起了促進作用，故以碳煙為主的微粒 排放量隨轉(zhuǎn)速的升高而減小。 燃料的影響 柴油中的芳香烴含量及柴油的餾程對柴油機的微粒排放有明顯的影響。 燃油的十六烷值對煙粒排放也有明顯的影響。其原因可能是由于十六烷值較高的燃油穩(wěn)定性較差，在燃燒過程中碳粒的生成速率較高所致。然而，以降低十六烷來獲得排煙的改善，會帶來柴油機工作粗暴等嚴重后果。 圖 43 噴油參數(shù) 提前噴油使排煙下降的原因是：滯燃期隨噴油提前角的加大而延長，因此使著火前的噴油量較多，燃燒溫度較高，燃燒過程結束較早，從而使排氣煙度下降。 非常遲噴油是排煙下降 的原因是：這種噴油定時發(fā)生于最小滯燃氣之后，由于擴散火焰大部分發(fā)生在膨脹過程中，火焰溫度腳底，使碳煙的生成速率降低。 當大部分燃油在前半時間內(nèi)噴入汽缸時，參與預混燃燒的油量增多，故排煙濃度低而 NO 濃度高；反之，當大部分燃油在后半時間噴入汽缸時，參與擴散燃燒的油量增多，故排煙濃度高而 NO 濃度低。 圖 44 直噴式噴油規(guī)律對 NO 和碳煙排放的影響 (2) 噴油嘴不正常噴射的影響 當噴油嘴由于針閥密封面漏油或針閥落座緩慢而造成滴漏，或針閥落座后再次升起而產(chǎn)生二次噴射時，燃油霧化和混合變差，對碳煙、未燃烴、 CO 的排放及發(fā)動機運轉(zhuǎn)均有不利影響。試驗證明，不論柴油機轉(zhuǎn)速高低、負荷大小，煙粒排放均隨最大噴油壓力的提高而降低。采用較高的噴油壓力還可以使柴油機具有較高的 EGR 耐力。從圖可看出，當噴油壓力從 42MPa 提高到 82MPa 時，煙粒排量可下降一半以上， HC 的排放量下降 1/3 左右。空氣卷入量增多，有利于改善混合氣品質(zhì)，以減少碳煙排放量。例如，當噴油率較低時，增大空氣渦流會吹 散較多的燃油，形成較寬的過稀不著火區(qū)，使未燃烴排放量增加。適當提高燃燒室內(nèi)的空氣溫度和壁溫，可以改善燃料著火條件，減少微粒排放。 優(yōu)化燃燒過程 燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化燃燒過程對微粒產(chǎn)生的影響最大，也是研究的熱點，主要有以下幾個研究方向。噴油系統(tǒng)的性能直接影響燃油的霧化和混合氣的質(zhì)量，最終影響微粒排放特性。 b. 燃燒方式的改進為了減少微粒排放，所以各國都在研究預混合燃燒方式的柴油機，這樣，可使燃油與空氣充分混合，盡量避免在高溫 缺氧情況下燃油裂解成碳粒的可能性； c. 進氣渦流的優(yōu)化在高壓噴射的情