（光学工程专业论文）柴油机排气微粒陶瓷过滤器反吹再生研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 通过对柴油机排气中的主要污染物碳烟微粒的机外净化技术进行研究，根据 现有的试验条件，开发了一个效率高、使用简单可靠、实用性强的柴油机排气微粒后处 理系统，即脉冲反吹再生试验系统。主要内容包括： 1 对高性能的过滤体材料堇青石壁流式蜂窝陶瓷进行具体的分析，确定过滤 体的特性参数； 2 根据实验要求，设计和加工过滤器壳体。通过对过滤室、集气室进行的水压试验， 证明了过滤系统承压和密封的可靠性； 3 应用流体力学的基本原理，设计并加工了四个喉部直径分别为巾4 m m 、中5 m m 、巾 6 m m 、由7 m m 的缩放式喷嘴及一个喉部为中8 0 m m 的缩放管引射器，引射器的引射距离调节 范围在o 1 8 0 r a m 之间； 4 设计反吹气流的压力和流量控制系统，并且选择有效的测试方法和测试仪器。试 验证明，该系统对气流压力和流量具有良好的调节控制功能； 5 利用旋风分离器的工作原理，设计并加工电加热燃烧器。电加热器的功率一般在 3 0 0 w 5 0 0 w 之问，利用车上的蓄电池完全能够满足微粒燃烧的需要； 6 通过刈不同截面尺寸的壁流式蜂窝陶瓷过滤器阻力特性的试验结果证明：尺寸为 由2 5 0x3 0 0 m m 的过滤器完全可以满足保护6 1 2 0 型柴油机的寿命和环保排放的要求； 7 设计制作了6 1 2 0 型柴油机微粒过滤试验台； 8 设计了正交试验方案； 9 在实验装置上进行正交试验方案测试，确定喷嘴直径、喷吹距离、喷吹压力、脉 冲宽度、喷吹时间五个因素的最佳组合试验参数。它们是：喷嘴直径为巾6 m m 、喷吹距离 为5 0 m m 、喷吹压力为0 5 m p a 、脉冲宽度为4 6 m s 、喷吹时间为6 0 s ； 1 0 利用压力传感器测定陶瓷过滤器在脉冲反吹过程中，滤管内动态压力的变化规 律。建立了对脉冲反吹性能评价的新的标准：正压力峰值越大、负压力峰值越小、耗气 量越低，则此脉冲反吹系统的性能就越好； 1 1 在实验装罱上测试喷嘴直径、喷吹距离、喷吹压力、脉冲宽度对压力波形和气耗 量的影响规律。 研究结果表明：此装置能够对壁流式蜂窝陶瓷过滤器进行过滤和反吹再生的测试和 研究：能够实现过滤器的过滤与再生的更替工作。此项技术具有再生可靠的特点，而且 适合我国的燃油品质，能使国产重型柴油机车的微粒排放满足国家即将实行的排放标 准，为柴油机过滤器在我国的实际应用解决了关键性技术难题。本文最后细化了以后的 t 作，提出了反吹再生系统潜在的研究课题。 【关键词】柴油机后处理微粒壁流陶瓷过滤器脉冲反吹再生 刁希莲：柴油机排气微粒陶瓷过滤器反吹再生研究 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nr e v e r s e - f l o wr e g e n e r a t i o no f d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r a b s t r a c t t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ec l e a n s et e c h n i q u eo fc a r b o ns m o k ep a r t i c u l a t e ，a c c o r d i n gt o n o w a d a y se x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，ad i s p o s a ls y s t e mo ft h ee x h a u s t e dp a r t i c u l 曲t h a ti so fh i g h e f f i c i e n c y ，b r i e f n e s sa n ds t r o n gp r a c t i c a b i l i t yi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，a n dt h a ti s c a l l e d i m p u l s eo p p o s i t e - b l o wr e b i f l ht r i a ls y s t e m a tl a s t ，e l e m e n t a r ye x p e r i m e n tr e s e a r c hi sd o n e ，a s f o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h ef l o n d o s ea n a l y z i n go ft h ec o r n i n gc l i f ff l o w i n gh o n e y c o m bc o n t e n t e d p o r c e l a i n ，t h ep e r c o l a t i o n sf l a m ed i m e n s i o ni sc o n f i r m e da n dt h ep e r c o l a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e ri so p t i m i z e d 2 t h ep e r c o l a t o rs h e l li s d e s i g n e da n dp r o c e s s e da c c o r d i n gt ot h er e q u e s to f t h e e x p e r i m e n t i ti sp r o v e dt h a tt h eu n d e r - p r e s sa n da i r p r o o fo ft h ef i l t r a t es y s t e mi sr e l i a b i l i t y ， t h r o u g ht h eh y d r a u l i cp r e s s u r ee x p e r i m e n tt ot h ef i l t r a t ec h a m b e ra n dg a s c o l l e c t e dc h a m b e r 3 f o u rm u z z l e sa n do n ei n s i n u a t 。 l e a d i n gi m p l e m e n t st h a ta r eo fd i f f e r e n c e f i g u r ea n d d i m e n s i o na r ed e s i g n e di nt h eb a s eo ft h eh y d r o m e c h a n i e a lf r n d a m e n t a l t h el a r y n g e a l d i a m e t e r o f e a c h m u z z l e i s 中4 m m ，巾5 m m ，由6 m ma n d 7 m m ，a n d t h e l a r y n g e a ld i a m e t e r o ft h ei n s i n u a t 。- 1 e a d i n gi m p l e m e n ti s 搁0 m m t h ea d j u s t e de x t e n s i o no ft h ei n s i n u a t e - l e a d i n g i m p l e m e n t i sb e t w e e n0 - 1 8 0 m m 4 t h eo p p o s i t e b l o w i n ga i r f l o wp r e s s u r ea n df l u xc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n dt h e e f f e c t i v et e s tm e t h o d sa n di n s t r u m e n t sa r es e l e c t e d i ti sp r o v e st h a tt h i ss y s t e mc a na d j u s ta n d c o n t r o lt h es l i p s t r e a mp r e s s u r ea n df l u xe f f i c i e n t l y 5 e l e c t r i c i t yh e a t i n gb u r n i n gi m p l e m e n ta r ed e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e du s i n gt h e p r i n c i p l eo ft h ec y c l o n es e g r e g a t o r t h ep o w e ro f t h ee l e c t r i c i t yh e a t i n gi sc o n t r o l l e db e t w e e n 3 0 0 w 5 0 0 w ，a n dt h ep o w e rg e tf r o mt h ea c c u m u l a t o ri nt h ev e h i c l ec a nb cf u l l yc o n t e n tt o t h en e e d so ft h ea t o mb u r n i n g 6 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h er e s i s t a n c et r a i te x a m i n a t i o nt ot h ec l i f ff l o w i n g h o n e y c o m bc o n t e n t e dp o r c e l a i np r o v e st h a tt h ef i l t e rw h b hi si nt h es i z eo f 中2 5 0 x 3 0 0 m m c a ne x t e n dt h el i f e - s p a no ft h e6 1 2 0d i e s e le n g i n ea n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t 7 t h ea t o mf i l t r a t e dt e s t b e do ft h e6 1 2 0d i e s e le n g i n ei sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d 8 t h es c h e m eo fp o s i t i v ei n t e r s e c tt r i a li sd e s i g n e d 9 t h e r ei sas c h e m et e s t i n go nt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，a n dt h e n ，d os o m ea n a l y s e st o i i 大连理工大学专业学位硕十学位论文 t h er e s u l t s ，i no r d e rt oc o n f i r mt h eb e s tp a r a m e t e r so ft h ed i a m e t e ro fm u z z l e ，t h ed i s t a n c eo f s p r a y i n g ，t h ep r e s s u r eo fs p r a y i n g ，t h ew i d t ho fi m p u l s ea n dt h et i m eo f s p r a y i n g ，w h i c ht h e d a t ai s 巾6 m m ，5 0 m m ，0 5 m p a ，4 6 m sa n d 6 0 si ne a c h 1 0 t h ed y n a m i cp r e s s u r ec h a n g i n gd i s c i p l i n a r i a no ft h ef i l t e ri nt h ep r o c e s so f c h i n a w a r e - f i l t e r si m p u l s ei st e s t e du s i n gt h ep r e s s u r es e n s o r ，a n dt h en e we s t i m a t es t a n d a r d s t ot h eo p p o s i t e - b l o wi m p u l s ea r ee s 切t b l i s h e d ：t h eh i g h e ro ft h et x ) s i t i v cp r e s s u r ep e a kv a l u e ， t h el o w e ro ft h eb e a rp r e s s u r ep e a kv a l u e ，t h el o w e ro ft h ec o s tt o l e r a n c e ，t h eb e t t e rt ot h e v a l u eo ft h eo p p o s i t e - b l o wi m p u l s e 11 t h ed i s c i p l i n a r i a no fp r e s s u r e w a v ea n dg a s - c o s tw h i c ht h ed i a m e t e ro fm u z z l e ，t h e d i s t a n c eo fs p r a y i n g ，t h ep r e s s u r eo fs p r a y i n g ，t h ew i d t ho fi m p u l s ea f f e c t st oi st e s t e do nt h e e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t i n v e s t i g a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i se q u i p m e n tc a nc a r r yo u tt h et e s ta n d r e s e a r c ho ft h e f i l t r a t i o na n do p p o s i t e - b o w i n gi nt h en o r m a lt e m p e r a t u r et ot h ec l i f ff l o w i n gh o n e y c o m b c h i n a w a r ef i l t e r ；a n di tc a na l s oa c h i e v et h es u b r o g a t i o nw o r kt ot h ef i l t e r sf i l t r a t i o na n d r e b i r t h ，w h i c hm a k e saa v a i l a b l ea t t e m p tt ot h ea p p l yo ft h i st e c h n o l o g y t h i st e c h n i ch a sa c h a r a c t e r i s t i co fr e b i r t h i n ga n dc r e d i b l e ，a n dt h a ti sf i tf o ro u rc o u n t r y sf u e lq u a l i t y ，w h i c h m a k e st h eh e a v yd i e s e le n g i n em a d ei nc h i n as a t i s f yt h el e ts t a n d a r d ，a n dt h i se n h a n c e st h e d i e s e le n g i n e sc o m p e t i t i o ni nt h ew o r l d t h i st e c h n o l o g ya l s oi n v o l v bt h ek e yt e c h n i q u ef o r t h ep r a c t i c a la p p l yo ft h ed i e s e le n g i n ei no u rc o u n t r y a tl a s t ，t h i st e x tp r e d i g e s t st h eu p p e r w o r k sa n db r i n g sf o r w a r dt h ep o t e n t i a ld i s q u i s i t i o nt a s ko ft h eo p p o s i t e 4 b l o wr e b i a h i n g s y s t e m k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；a f t e r - t r e a t m e n t ；p a r t i c l e s ；w a l l - f l o wc e r a m i cf i l t e r ；p u l s e - j e t c l e a n i n g ；r e g e n e r a t i o n | 1 1 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另t l d n 以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得大连理t 火学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 作者签名：盈鸯翌日期：忽唾! ! 母 刁希莲：柴油机排气微粒陶瓷过滤器反吹再生研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 0 前言 柴油机问世虽然晚于汽油机，但凭借其良好的动力性、经济性、耐久性、可靠性和 高的热效率等综合性能在中、重型汽车动力领域中，保持了其独占的地位；在轻型车领 域中，柴油机的应用也在不断地扩大。现代柴油机的价格比汽油机低，耗油量比汽油机 的低3 0 4 0 ，柴油汽车综合有害物排放量比汽油汽车低，尤其是柴油机的有害气体一 氧化碳和碳氢化合物的排放量仅仅相当于同等排量汽油机的1 5 到1 1 0 ，c o 。是汽油机 的3 0 ，氧化氮的含量和汽油机的相差不多。所以柴油机具有汽油机所不能替代的优势。 但是，柴油机排气中含有大量对人体有害、污染环境的微粒，其质量浓度是汽油机 的3 0 8 0 倍。严重地影响了柴油机的广泛应用。柴油机排放的微粒有致癌突变的作用， 且微粒细小，悬浮时间长，会对环境和人体的健康造成极大危害。为此，世界各国近年 来加强了对柴油机排放污染物的控制。 当今世界，汽车发展的主题是环保、节能、安全。随着柴油机的增加和人们环保意 识的增强，柴油机对空气的污染问题也日益突出。柴油机的排放已经引起各国政府的高 度重视，为控制和减少柴油机车的排放污染。从八十年代开始，世界各国都已制定了或 正在制定日益严格、分阶段实施的标准与法规。美国加利福尼亚州环保局 ( c a r b c a l i f o r n i aa i rr e s o u r c e sb o a r d ) 制定的汽车排放标准是日前世界上最严格也是 最全面的标准。随着我国汽车工业的高速发展，汽车排放物对环境的污染日趋严重。这 已引起我国有关部门的高度重视。目前我国车辆柴油机排放标准主要参照国外比较成熟 的并且比较适合中国国情的欧洲标准，这样便于同国际汽车排放标准接轨，同时也避免 了技术上的重复。我国的第一阶段标准相当于欧i 标准，第二阶段标准相当于欧i i 标准， 目前柴油车欧i i i 、欧排放法规在欧洲已施行。预计2 0 1 0 年前后我国将达到国际的排放 标准。其中欧法规的主要目标，就是要显著降低微粒( p m ) 和氮氧化物( n o x ) 的排放量。 由于严格的排放法规，柴油机排放的控制技术已经成为柴油机行业研究的熏点。因此， 柴油机排放的控制技术的研究具有巨大的社会效益和经济效益。 对柴油机排放的处理主要从两个方面进行，机内净化和机外净化。目前，人们在机 内控制柴油机排放方面已经取得了显著的成绩。在美国先进的柴油机机内控制技术使柴 油机可以达到目前最为严格的排放标准。但进一步发掘以改善燃烧为主的机内净化技术 的潜力已基本达到极限。为了满足更为严格的排放标准，后处理技术的应用将是一种趋 势。后处理技术是把柴油机排i 引入专门的后处理装置中，清除其中的有害成分后再排 出。在众多的机外处理中，公认尾气过滤技术是比较实用且成熟的。柴油机尾气过滤技 术包括过滤和过滤体的再生两个部分。其主要的技术难点在过滤体的再生问题。 在国外，催化再生经过多年的研究有了应用的成果柴油机微粒的连续再生 过滤器。在催化再生中，为了防止金属中毒，柴油的硫含量应低于5 0 p p m 。由于我国柴 油巾的硫含罱在2 0 0 0 p p m 以上，远高j ：金属催化剂所要求的硫含量标准，因此催化技术 在我国的应用还需要一段时间。 刁希莲：柴油机排气微粒陶瓷过滤器反吹再生研究 为了提高柴油机微粒过滤及再生系统的可靠性和使用寿命，将微粒的燃烧与过滤体 分离是一个有效的途径。由于目前，国内柴油机微粒过滤器的再乍技术还不成熟。本文 开发了一种新的有别于一般再生过程的再生技术，即反吹再生技术。该再生过程的最大 特点是能够将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产 生爆裂和烧熔等问题，另外也解决了不燃物在过滤器内累积的问题。当过滤体需要再生 时，压缩空气从过滤器喷吹气体进气口高速喷入，将微粒从过滤体表面吹掉，并落入一 个特殊设计的微粒漏斗中集中烧掉。本课题为机外净化柴油机尾气提供了一条新的途径， 是更具有实用性的理想技术，这对于保护人类身体健康和环境具有重要的现实意义。 o 1 国内外研究概况及发展趋势 美国、德国、日本等发达国家对柴油机排气微粒净化技术的研究比较早，在此技术 领域内居于领先的地位。其中，美国的柴油机排气微粒净化技术综合水平最高，代表了 全世界柴油机排气微粒净化技术的水准。我国对柴油机排气微粒净化技术的研究无论是 从深度上还足广度上都与发达国家有一定的差距。 目前，国内外已有的和正在研制的柴油机排气微粒机外净化技术包括：微粒过滤技术、 催化转化技术、等离子体净化技术、静电捕集技术。其中最有效的方法足微粒过滤技术。 国内外对柴油机微粒过滤技术的研究已开展了近二十年的时问，研究的焦点主要有两个 方面：一是适用于柴油机微粒净化的低排气阻力、高过滤效率的过滤材料；二是过滤体 的再生技术。其中的难点是再生技术。再生技术主要有以下几种：大负荷再生、催化再 生、喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、反吹再生、红外辐射加热再生。 大负荷再生要求柴油机高速大负荷运行，使排气温度达到6 0 0 。c 以上，使过滤体自 行燃烧从而达到过滤体再生的目的。但是，实际使用时，柴油机很少在这样的工况下工 作，因此大负荷再生技术对车用是不适合的。 催化再生技术在国外已经成功地运用。美国、欧洲等已研制出柴油机微粒的连续再 生过滤器。但我国柴油中的硫含量在2 0 0 0 p p m 以上，远高于金属催化剂所要求的硫含量 标准，为防止催化剂中毒以及二次污染等问题，催化技术在我国的应用还需要定的时 间。 喷油助燃再生技术发展得较早。但再生系统很复杂，造价昂贵，且容易出现故障。 电加热再生对车用电源的要求很高，在车用过程中需要解决耗电量高的问题；结晶s i c 的制造工艺复杂、成本较高。 微波加热再生主要缺点是微波电源复杂。 以上几种再生方式基本上都属于加热再生，因此，过滤体存在由j ：微粒燃烧发热而 产生爆裂和烧熔等问题，另外还存在不燃物质在过滤器内累积而降低过滤效率的问题。 从而使过滤体的使用寿命和可靠性得不到保证。 国外近年来致力于微粒过滤器反吹再生的研究。反吹再生过程是在过滤器已经捕捉 到一定质量的微粒时，用强烈的高压空气对过滤体进行反吹，将过滤器已经捕捉到的微 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 粒从过滤体l 吹掉，并用一定的容器将吹掉的微粒收集起来集中处理。反吹再生方式与 其它方式相比较，具有很多优点：能将过滤体的再生与微粒的燃烧分开，使过滤体的使 用寿命和可靠性得到保证；另外，反吹再生技术还有再生时间短，不可燃物不会在过滤 体内积存，因而避免了过滤体堵塞，以及微粒集中处理能源消耗少等优点。为了改善反 吹再生的效果，美国多采用声波反吹再生。声波反吹再生方式是在反吹再生的基础上， 在过滤器内适当的位置安袈气动喇叭，在反吹清除微粒的同时，开肩喇叭，使过滤器在 声波的作用下产生低幅高频振动，从而产生较大的惯性力，使较难去除的微粒脱落。来 达到改善反吹清除微粒效果的目的。但是，这种反吹清除微粒效果不很理想，主要的缺 点是发动机的运行阻力太大。我国对压缩空气脉冲反吹再生技术也有所研究。但主要用 在袋式除尘器上。脉冲反吹再生过程是反吹风机供应的高压风由脉动吹振阀控制，间断 地进入滤袋里。由于反吹风流是脉动式的，兼有反吹和气振的作用，滤袋反复地扩张和 收缩，从而达到清灰的目的。但是这种方法由于滤袋底部的反吹和气振作用很小，因此 袋子下部清灰不干净，如果增大反吹风压和风量，袋口处易被吹坏，造成破袋。 鉴于以上各种再生方式的特点，本文根据目前技术的发展及柴油机微粒净化的需要， 将壁流式蜂窝陶瓷过滤器及反吹再生技术用在发动机尾气处理上，在实验的基础上论证 它的可行性。 压缩空气反吹再生技术对柴油机技术要求不高，因此是一种十分适合于柴油机微粒 排放净化的技术。经查阅大量文献发现，适用于其再生的控制系统在国内外仍处于研究 阶段。 0 2 本课题的目的、意义以及要解决的主要问题 021 本课题的目的、意义 课题的目的是研制出一种成本低、效率高、使用简单可靠、实用性强而且适合我国 国情的柴油机排放微粒后处理装置。根据国产重型柴油机车尾气排放的特点，着眼于影 响壁流式蜂窝陶瓷过滤器反吹再生有效性的诸多因素，对壁流式蜂窝陶瓷过滤器反吹再 生机制加以研究，在实验的基础上论证它的可行性，以期对反吹再生装置的发展有所补 益。 课题研究的意义在于该研究的成果对于保护人类生存环境具有重大的现实意义和长 远的历史意义；使用该项技术能够最大限度地减少车用柴油机微粒的排放量，使其达到 我国即将从严的排放限值。反吹再生是一个崭新的柴油机微粒过滤器再生技术，该技术 在很大程度上克服了目前其它再生方法的一一些缺点和不足，将为解决过滤体再生难题开 拓一条新的途径。 022 本课题要解决的主要问题 1 从实用的角度出发，设计并研制出一套双功能的柴油机微粒后处理试验装置，用 高压气体反哆再生的方式提高过滤器的过滤效率和使用寿命。 刁希莲：柴油机排气微粒陶瓷过滤器反吹再生研究 主要内容包括：电加热系统、过滤系统( 两个陶瓷过滤器) 、脉冲反吹系统、测量及 控制系统等四大部分的设计。 2 为了实验的需要，通过对以往柴油机后处理系统所采用方法的研究，结合6 1 2 0 型柴油机排放的特点，采用目前过滤效果最好的壁流式蜂窝陶瓷作为过滤体材料；确定 壁流式蜂窝陶瓷过滤体的结构和尺寸；选择过滤体的特性参数。 3 设计和加工过滤器的壳体。并通过水压试验证明过滤室、集气室的承压和密封的 可靠性。 4 应用流体力学的基本原理，设计并加工四个喉部尺寸不同的缩放式喷嘴和一个引 射器。引射器的引射距离能够在一定的范围内调节。 5 设计反吹再生装置中喷吹气流压力和流量控制系统，并且选择有效的测试方法和 测试仪器。 6 对壁流式蜂窝陶瓷过滤器进行阻力特性试验，寻求适合6 1 2 0 型柴油机过滤体的 最佳结构和尺寸。 7 设计正交试验方案。 8 在实验装置上进行正交试验方案测试，并对正交试验结果进行具体的分析，确定 喷嘴直径、喷吹距离、喷吹压力、脉冲宽度、喷吹时问五因素的最佳组合试验参数。 9 利用压力传感器测定陶瓷过滤器在脉冲反吹过程中，滤管内动态压力的变化规律。 建立脉冲反吹性能评价的新的标准。 l o 在实验装置上测试喷嘴直径、喷吹距离、喷吹压力、脉冲宽度对压力波形和气耗 量的影响规律。 1 1 分析处理实验数据，总结喷嘴直径、喷吹距离、喷吹压力、脉冲宽度、喷吹时 间五个参数对再生特性的影响规律。 4 大连理工大学专业学位硕上学位论文 1 柴油机尾气排放特征及其控制标准 1 1 柴油机尾气排放特征 国外对空气污染源的研究表明“1 ：空气的污染主要有燃料燃烧、t 业加工及机动车 辆排放三大来源。最近对国内外大城市大气质量的测试结果表明，汽车尾气是大城市大 气污染的主要污染源。 资料表明“3 ，柴油机排放的尾气中主要成分是：水蒸气、c o ：魄、n 2 和微粒物( p m ) ， 以及c o 、术燃l l c 、n o 。等。而柴油机排气的污染物主要是1 1 ( 2 、n o x 、c o 和微粒物等。其 巾微粒物的主要成分是固体碳粒( s o f ) 。柴油机是在很高的空燃比条件下燃烧的( 空燃 比高达5 0 ) ，导致燃烧后排气中的q 浓度很高，p m 排放浓度较高，而i j c 、c o 等浓度较 低。由于柴油机的燃烧温度较低，在高速行驶：作情况下也只有4 0 0 。c 左右。这就决定 了柴油机排气中n 仉和p m 的排放量较大，并且它4 1 j 二者之问具有相互矛盾的关系。1 ，即 降低微粒的有效方法往往会引起n o 。排放的上升。这就是同时降低柴油机排气中n 0 ；和p m 的排放的难点所在。因此n o ，和p m 是柴油机排放的主要控制目标。 11 1 柴油机排气微粒的组成 柴油机排气微粒并不是单一的物质，而是由许多物质组成的复杂混合物。微粒的定 义与所采用的测试方法有关。美国国家环保局( e p a ) 对排气微粒的定义是一般被人们所公 认的，其内容是：“稀释到5 l - 7 以下的柴油机排气流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时， 被滤纸所过滤f 来的所有物质“。这种物质既有固相的，也有液相的。它包括了直接 来自柴油机燃烧过程中产生的微粒以及在大气条件下气态、液态和固态化学成分之间发 生化学或物理变化而产生的大量微粒。按照这个定义柴油机的排气微粒主要包含三种主 要成分：以碳元素为主的干碳烟( d s ) 、未氧化或未完全氧化的碳氢化合物和少量的硫化 物。 ( a ) ( b ) 图1 1 不同负荷下柴油机微粒构成的变化 f i 9 1 1d i f f e r e n tl o a dd i e s e le i l $ n ep a f i c l ec o n s t i t u t i o nc h a n g e 刁希莲：柴油机排气微粒陶瓷过滤器反吹再生研究 对柴油机排气微粒构成的研究可以分析出微粒的来源。英国r ic a r d o 公司利用气相 色谱研究微粒，结果表明柴油机微粒中碳占4 1 ，未燃烃占7 ，未燃润滑浦占2 5 ，硫 化物和水占1 4 ，其它不详物质占1 3 。这说明柴油机微粒的产生不只是因为燃烧的不充 分，还有相当部分是因为机油的消耗，以及柴油品质不佳。这为采用多种措施降低柴油 机微粒排放提供了重要的依据。 干碳烟主要由碳元素组成。柴油机微粒中的碳烟和碳氢化合物的成分随工作情况变 化和燃烧过程有很大的变化。一般高负荷时，碳烟所占的比例高些，低负荷时，主要是 碳氢化合物。l 图卜1 是某柴油车采用美国 i d d f t p 工作情况下试验的结果“1 ，它说明了 在不同负荷下碳烟和碳氢化合物所占的比例关系是不一样的。a ：大负荷( 转速2 4 0 0 r m i n 、 负荷1 0 0 ) 时，碳烟和碳氢化合物所占的比例关系；b ：小负荷( 转速2 4 0 0 r m i n 、负荷 4 8 ) 时，碳烟和碳氢化合物所占的比例关系。 图1 - 1 表明：柴油机微粒排放量随负荷的升高而增加，在高负荷时，微粒的排放量迅 速增加。 柴油机排气微粒中的碳烟呈石墨状，对气体和液体都有很大的吸附性。碳烟形成条 件是高温缺氧，柴油的蒸发性和流动性比汽油差，喷油、混合气形成和燃烧过程重叠进 行，混合气形成的时间比汽油机的短，混合气混合雾化质量差，虽然平均过量空气系数 大于1 ，但局部的缺氧而导致碳烟的形成。关于柴油机微粒的生成机理，虽然有很多人做 过这方面的研究，但完整的碳烟形成的动力学过程，目前还不是很清楚。为了搞清楚碳烟 的生成机理，这方面的说法有多种“1 ，还有待进一步的研究。一般认为碳烟形成的过程是： 燃油中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯；乙烯和聚乙烯在 不断的脱氢后，聚合成为以碳为主的、直径为2 n m 左右的碳烟核心；气体中的烃在这个碳 烟核心表面的凝聚，以及碳烟核心之间的凝聚，使得碳烟核心的表面积增大，成为直径 为2 0 3 0 n m 左右的碳烟基元。至此，碳烟的质量基本确定。最后，碳烟基元堆积成直径 在1u 以下的微粒。 112 柴油机排气微粒的危害 大气中的悬浮颗粒物因会对人体健康产生直接的负面影响，而受到各国政府及有关 研究部门的高度重视。近年来，人们又进一步认识到大气悬浮颗粒巾的细小颗粒对人体 健康的危害远比粗颗粒大，而且是引起城市大气能见度降低的主要因素。 柴油机排放的微粒对环境和人体健康造成的极大危害通过国内外学者的研究已经被 人们所共知。美国环保局的实验证明“1 ：微粒越小，其危害就越严重。柴油机尾气中含 有的排气微粒特别是微细粒子会经呼吸道进入肺部，其成分的5 0 以上为致癌物质。文献 表明m ，不同柴油机的排气微粒的粒径范围大致相同：柴油机微粒的直径大约在0 1pl 玎 1 0um 范围内，其中对人体和大气环境危害最大的是2 5um 左右的微粒，它总悬浮于离地 面l 2 米高的空气中，最容易被人体吸入，对人体危害最大，也是造成能见度变差的重要 原凶。欧美国家的研究表明，医院哮喘病发病率、进医院的人数以及死亡人数都会随着 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大气中的颗粒浓度增加而增加，其中同直径在2 5um 微粒的相关性最强。 根据英国环境部门的研究，2 5um 左右的微粒在大气中停留的时间为7 3 0 天，所以 这种颗粒可以长距离地传输而污染更远的地方，所以造成的危害也更大。近年来，细颗 粒污染物的研究l f 越来越受到人们的重视。柴油机排。i 微粒对人体的危害与微粒直径的 大小有很大的关系。颗粒的大小和形状决定了颗粒最终进入人体的各个部位，大于1 0u m 的颗粒会被人的鼻子阻挡，一般难以进入呼吸道，它们在空气中主要作沉降运动，容易被 雨雪冲洗掉；直径小于lum 的微粒在空气中作随机运动和沉降运动，能长时问悬浮于空 气中，最容易通过呼吸系统进入人体肺泡并沉积下来，较小微粒甚至可以进入血液中，对 人体健康有很大的威胁。而小于2 5um 的颗粒能进入肺泡中，可能导致与心和肺的功能障 碍有关的疾病。有研究表明”1 ：长期处于柴油机微粒的环境下患肺癌的机率高出平常情 况的2 0 5 0 。近年来，随着油气混合过程的改善和柴油高压喷射技术的采用，微粒和碳 烟的总排放量有明显下降，但直径在2 5um 以下的粒度较小的微粒所占比重却增大了”l 。 世界卫生组织特别考察了小颗粒2 5um 以f 的微粒物对人群健康的影响，公布的报告。1 认为交通污染引起的死亡高于交通事故。美国联邦环保局的a m e s 等人进行的毒性试验证 实“1 ，柴油机微粒中s o f 的毒性比汽油机大得多，吸附在碳粒表面的可挥发性和可溶性物 质具有诱变作用，而这些诱变物的9 0 以上是致癌物。所以，对柴油机排放微粒的控制具 有重要的理论意义和现实意义。 1 2 国内外排放控制标准及其存在的问题 1 2 1 国外控制标准 随着柴油机的增加和人们环保意识的增强，世界许多国家从八十年代起先后制定了 或正在制定日益严格、分阶段实施的标准与法规出汽车排放标准，经过几十年的努力， 目前已经形成厂以美国、欧洲和日本为代表的三大汽车排放法规体系。其中，美国加利 福尼亚州环保局( c a r b c a l i f o r n i aa i rr e s o u r c e sb o a r d ) 制定的汽车排放标准是目前世 界上最严格、最具有权威性也是最全面的标准。它代表了各个国家汽车排放标准的发展 方向。排放法规规定了从柴油机车中排出的废气中的污染物的最大允许值。法规所规定 的柴油机排放包括：柴油机微粒、氮氧化物、碳氢化合物。表1 1 为美国、日本和欧洲 共同体的现行微粒排放标准，表l _ 2 美国加利福尼亚洲公路用柴油机排放标准。 从表卜1 和表卜2 中看出，各国对柴油机排气中的n o x 和p m 的限制是逐步严格的： 日本对n o x 的排放量限制比欧美的要严格，而欧美对p m 的排放量限制比日本的要严格， 到2 0 0 0 年后三者趋于相同。由于柴油机尾气排放的n o x 和p m 的对策技术存在一种相互 矛盾的关系，所以不同国家是根据本国减少和排放对策的重点来确立本国的n o x 和p m 的排放限值。表卜3 是欧洲柴油车排放标准。从表中可以看出：近几年围外己经开始实 施比较严格的柴油机微粒排放标准法规。 随着我国汽车工业的高速发展，汽车排放物对环境的污染曰趋严重。这已引起我国 刁希莲：柴油机排气微粒陶瓷过滤器反吹再生研究 有关部门的高度重视。我国参照欧洲经济委员会( e c e ) 汽车技术法规体系来制定我国排 放标准。 表1 1 美、日、欧g v w 2 5 t 的重型柴油机排放标准“，单位g k w h t a b l e1 1a m e r i c a t h ed a t e e u r o p e a ng v w t h e2 5 th e a v yd i e s e le n g i n e d i s c h a r g e st h es t a n d a r d , u n i tg k w h 表1 2 美国加利福尼亚洲公路用柴油机排放标准“，( g h p h ) t a b l e1 2u sg a l l i et h ef o m e ya s i ar o a dd i s c h a r g e st h e s t a n d a r dw i t ht h ed i e s e le n g i n e “1 ，( g r i p h ) 法规名称车型p m ( g k i n ) 实施日期 目前我国汽车排放体系已经基本建成。因为欧洲汽车排放法规比较简单，可操作性 比较强，比较适合中国国情。所以我国的汽车排放标准总体上向欧洲排放体系上靠拢。 相继制定了车用柴油机排放控制标准和实施时间。我国在1 9 9 3 年发布了g b l 4 7 6 1 7 - 1 9 9 3 汽车柴油机全负荷烟度排放标准“、g b l 4 7 6 1 6 - 1 9 9 3 柴油车自由加速烟度排放标 准。及6 b t 3 8 4 6 柴油车自由加速烟度的测量滤纸烟度法c 1 4 , g b l 4 7 6 1 6 - 1 9 9 3 中 8 大连理工大学专业学位硕士学位论文 规定了道路用柴油机在自由加速工作情况f 烟度排放标准值。2 0 0 1 年我国发布厂车用柴 油机排气污染物排放标准g b l 7 6 9 卜2 0 0 l 车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测试 方法“。表卜4 、表卜5 、表卜6 为我国的现行微粒排放标准。该标准是我国车用柴油 机车的工况法排放标准，标准中规定的测试方法是关于发动机车在台架上进行1 3 工况试验的方法。气态测量采用直接取样法排气分析系统，微粒测量采用全流稀释系统 或部分稀释系统。 表1 4 柴油车i ! _ | 由加速烟度排放限值( g b l 4 7 6 1 51 9 9 3 ) t a b l e1 4d i e s e lc a rf r e ea c c e l e r a t i o ns m o k ed i s c h a r g e st h el i m i t i n gv a l u e 车别烟度值f s n 1 9 9 5 年7 月1 日以前的定犁汽车 1 9 9 5 年7 月1 日以前的定型汽车 1 9 9 5 年7 月1 日以前的定型汽车 1 9 9 5 年7 月1 日以前的定型汽车 1 9 9 5 年7 月1 日以前的定型汽车 1 9 9 5 年7 月1 日以前的定型汽车 4 4 5 5 3 5 4 4 5 表1 5 压燃式发动机排气污染物排放限值( g b l 7 6 9 12 0 0 1 ) 雎位：g ( k w h ) t h et a b l e1 5c o m p r e s s i o ni g n i t i o nt y p ee n g i n ee x h a u s tp o l l u t a n td i s c h a r g e st h el i m i t i n g v a l u e ( g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 ) t h eu n i t ：g ( k w h ) 表1 6 汽车柴油机全负荷烟度排放限值( g b l 4 7 6 1 71 9 9 3 ) “ t a b l e1 6a u t o m o b i l ed i