李德龙 樊友龙

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

关于降低柴油机颗粒物排放的研究及探讨

李德龙 樊友龙

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

随着柴油机的广泛应用，柴油机排放污染物，尤其是碳烟颗粒的排放受到人们的广泛关注。本文主要从柴油机碳烟颗粒物的组成及生成机理、柴油机排放的标准、减少颗粒物形成采取的相关技术方法等方面进行论述及探讨。

柴油机；碳烟颗粒物；排放标准

1 概述

自从100多年前甘道夫发明柴油机之后，由于其经济性好、耗油量低等特点，被广泛用于人们生产及生活的各行各业。到目前为止，我国的私有汽车保有量突破一亿辆，预计到2025年每万户汽车拥有量将达到6 000辆。由于世界各国对于温室效应影响的关注，柴油机在机动车中的应用比率也在逐年的提高。同时，柴油机排放出来的有害物质，又对大气环境造成十分严重的危害，并伤害人们的身体健康。

同汽油机（1.64%）相比，柴油机（0.82%）的废气所占的比例相对较低，但由于柴油机的压缩比较大，使其废气总量比汽油机大。在排放的废气中，柴油机中一氧化碳（CO）及碳氢化合物（HC）的含量仅为汽油机的几分之一，氮氧化合物（NOX）的含量比汽油机略高。但是柴油机中碳烟颗粒物（PM）的含量是汽油机的40到100倍。这些碳烟颗粒物的直径通常不足1微米，并吸附在一些烃类有机物及化合物上，极易被人们吸入肺内且不易排出，而这些物质又具有致癌和促癌的作用。因此，对于柴油机碳烟颗粒物的的净化显得尤为重要。

国内外的学者及研究人员，长期以来都致力于减少柴油机的废气尤其是PM的排放。本文对碳烟颗粒物的形成过程及影响因素、国家有关的排放标准和减少柴油机废气排放的相关技术等进行综述及探讨。

2 碳烟颗粒物的形成过程

柴油机排放的微粒，最主要的成分是碳，约占75%左右，其次是有裂解或合成形成的碳氢化合物和硫等无机化合物。又可细分为硫磺微粒、固体微粒及液体微粒。

2.1 硫磺颗粒

据试验可得，每燃烧1升含硫20%的柴油，可生成12克的硫酸盐和3克的二氧化硫。其主要是由于，硫在燃烧时发生化学反应形成硫酸盐，或者与添加剂反应形成金属盐，并与固体颗粒结合形成硫磺颗粒。

2.2 固体颗粒

在燃烧过程中，由于发动机的转速较快使得各冲程的时间较短，空气与燃油不能充分混合，部分燃油不能完全燃烧；在高温条件下这些剩余或未充分燃烧燃料发生裂解现象产生各种烃类物质，并在高温条件下脱氢生成碳微粒，多个微小的碳微粒在相互碰撞的情况下结合成更大的碳微粒，在这些碳微粒的的吸附作用下使未完全燃烧生成的碳氢化合物及硫化合物与之结合形成固体颗粒，过程见图1。

图1 固体颗粒形成图

2.3 液体颗粒

在寒冷的季节尤其是北方的冬季，常常会看到柴油机在冷启动时会有白色或蓝色的烟雾。这些烟雾是由于汽车在怠速或冷启动状态时，由于此时气缸的温度过低，使得燃料气化不良从而导致柴油机点火不良，部分燃料及气缸内的润滑油以微小液体颗粒的形式排出发动机外，再与空气中的水分结合便形成烟雾。当发动机慢慢预热，气缸温度升高到一定温度时这些烟雾便会随之减少。此外伴随烟雾还会释放出对人体有害的一些气体物质，对人的眼、鼻有一定的刺激性。

柴油机燃烧及碳烟形成的过程是一个相当复杂的过程，到目前为止人们还不能掌握其完整具体的化学反应及物理变化，只是通过最终的产物进行推敲或进行阶段性的试验，此外如图一所示，到底碳氢化合物是否如图那样包裹着碳微粒及具体的分布情况仍需进一步的研究。

3 减少碳烟颗粒物的方法及相关排放标准

3.1 车用柴油机排放标准

1970 年美国率先颁布柴油机排放标准，随着人们对于碳烟及氮氧化合物等有害污染物排放的重视，各国都相继制定了相应的排放标准，并对排放提出了越来越严格的要求。美国、欧盟及中国的排放标准如表1、表2、表3所示。

表1 美国公路重型柴油机排放标准(g/PSh)

表2 欧盟公路重型柴油机排放标准(g/PSh)

表3 中国公路重型柴油机排放标准(g/PSh)

由上表可知，同欧美等发达国家相比，我国开始制定柴油机排放标准的时间较晚，且标准明显低于欧美的排放标准。不过由表3也可以看出，我国的柴油机排放标准日趋严格，并开始与欧美标准接轨。这对我国的柴油机排放控制技术既是挑战，也是机遇。

3.2 减少碳烟颗粒物排放的技术与方法

为减少汽车尾气中有害气体的含量，各国已相继研究出多种三元催化剂系统，这种系统可以有效减少汽油机CO、NOx、CH的排放，但是由于柴油机的过量空气系数较大，氧含量较高，三元催化系统并不适用。在日益严格的排放标准下，各国在燃料选择、柴油机的结构设计及排放后处理上进行了较多的研究，并取得了一些成果。

3.2 .1 采用新型的燃料

由上文可知，柴油机排放的碳烟颗粒物，主要是由于燃料燃烧时脱氢，并以硫化物为载体形成的，因此可以通过脱硫的方式降低燃料中硫的含量，并对燃料氢化，使燃料不易脱氢，从而降低碳烟颗粒物的排放。此外，近年来各国已开始尝试将乙醇等生物燃料应用于柴油机。可是究竟要选择哪种代用原料，不仅要考虑到燃料的丰富程度、技术可行性，还要考虑到代用原料的价格；代用燃料之所以研究多年未得到实际应用，就是不能同时满足上述几个条件。也许在不久的将来含氧生物燃料会很有前途。

3.2 .2 改进柴油机结构

由于燃料的燃烧时刻、空气系数等对碳烟颗粒的形成及燃烧工况有一定的影响，通常人们会对柴油机进行改进，从而降低污染物的形成或降低油耗。例如，同原有的化油器喷射系统相比，电控燃油喷射系统可降低碳烟颗粒的形成；燃油喷射时间的延迟也会减少碳烟颗粒物的形成；此外，涡轮增压技术可以增加混合气中氧的含量，从而降低碳烟的排放并减少了油耗。当然有些机体结构的改进也会促进碳烟的形成，如采用EGR（废气再循环）的机体，虽能提高燃油效率降低油耗，但也使碳烟颗粒的排放增加。

3.2 .3 排放后处理

无论我们采用何种燃料，对机体进行怎样的改造，碳烟颗粒的排放是不可避免的。在后处理中，通常会安装尾气净化装置来较好碳烟的排放，其中过滤器（颗粒捕捉器）是最直接有效的方法。

通常过滤器可分为两种，蜂窝陶瓷过滤器及陶瓷泡沫过滤器，前者是通过陶瓷体的表面介质氧化分解碳烟颗粒，而后者的氧化分解是在内部进行的。不过多数情况下，碳烟颗粒的氧化温度通常高于机体的排气温度，因此需要一种催化剂来降低碳烟的热力氧化温度，避免颗粒物过度的积累。常用催化剂主要包括：过渡金属、贵金属及稀土催化剂。

过渡金属因其较好的催化能力，历来是研究者的主要研究对象。可是因某在催化过程中会产生有害的物质，从而限制了该类催化剂的使用。贵金属的价格相对较高且易于中毒，因此研究较少，而稀土元素虽催化效果不如前者，不过催化效果稳定，负面效果也较少。由于三者具有互补作用，相信在将来以过渡金属、贵金属及稀土组成的新型催化剂将会成为研究主流。

3.2 .4 柴油机碳烟控制技术的发展前景

近年来随着各国柴油机排放标准日趋严格及人们对环境问题日益重视，对柴油机的颗粒净化技术提出了更高的要求，通过研究可知，各种净化技术及方法都有各自的优点及不足，对于研究人员来说，这既是挑战又是机遇，并能促使他们提出更加有效的技术方法来减少碳烟排放。因此柴油机颗粒净化研究工作前景十分广阔。

[1]宁智，刘双喜，资新运.柴油机排气微粒特性的试验研究[J].环境科学学报,2003.

[2]王金成，李世君，刘志勤．降低柴油机的排放以达到欧Ⅲ标准[J]．山东内燃机．2004.

[3]苏岭，周龙保，蒋德明等.柴油机排气后处理技术的现代进展[J].内燃机，2003.

[4]彭美春，季雨，刘巽俊.柴油机排气微粒物理特性的研究[J].内燃机学报,1987.

[5]豪彦.美、日、中国汽车排放法规[J].汽车与配件，1999，4 (2):20-21.

U464

A

1003-5168(2014)03-0115-02

李德龙（1987.5—），男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向：载运工具运用工程。