柴油车的颗粒捕集器

第４期　２００８年８月　内燃机　

Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００８　

摘要：介绍了柴油车颗粒物的产生，减少颗粒物的措施，以及在德国大众ＬＵＰＯ等柴油轿车上使用的催化涂层式的　颗粒捕集器的结构和再生过程。随着在欧洲和美国等发达国家实施更加严格的排放法规，颗粒捕集器将会成为柴油　车的必装零件而得到更加广泛的应用。　关键词：柴油车；颗粒捕集器；排放　中图分类号：ＴＫ４２１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—６４９４（２００８）０４—００２５－０３　

ＤＰＦ　０ｆ　Ｄｉｅｓｅｌ—ｐｏｗｅｒｅｄ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ＷＡＮＧ　Ｆｅｎｇ—ｙａｈ．ＷＵ　Ｈａｉ—ｂｏ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００６３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｆｒｏｍ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｓ，ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｔａ１）ｒｓｉｓ　ｃｏａｔｉｎｇ　ＤＰＦ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｃａｒｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ＶＷ　ＬＵＰＯ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｓｔｒｉｃｔ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ　ｉｎ　Ｅｕｒｏｐｅ　ａｎｄ　ＵＳＡ，ＤＰＦ　ｗｉｌｌ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ａｓｓｅｍｂｌｅｄ　ｉｎ　ｅｖｅｒｙ　ｄｉｅｓｅｌ　ｃａｒ　ａｎｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌ—ｐｏｗｅｒｅｄ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ；ＤＰＦ；ｅｍｉｓｓｉｏｎ　

在废气排放方面。柴油车与汽油车相比，最大的　问题是颗粒物污染，这些污染物正好处于人的呼吸　带　而这些颗粒物中含有直接危害人体健康的苯系　物、多环芳烃等致癌物。据了解．早在三四年前　欧洲　已经开始关注柴　由车的颗粒物污染问题。２０１０年欧　Ｖ标准实施后，所有车辆都将加装颗粒捕集器。颗粒　捕集器的使用，对于降低柴油车颗粒物排放水平起　到了至关重要的作用。欧洲计划到２０１０年后，使汽　油车和柴油车的排放标准一致，柴油车会被要求安　装颗粒物捕集器（ＤＰＦ）￥ＩＩ氮氧化物净化装置·（ＳＣＲ）。　从２００７年年初开始，美国政府也已经要求卡车在生　产过程中安装柴油发动机颗粒捕集器，它能够与目　前要求使用的清洁燃料一起减少发动机９０％的颗粒　物排放。笔者将重点介绍大众集团在ＬＵＰＯ等车辆　上使用的催化涂层式的柴油颗粒捕集器。　１颗粒物的产生　．　在柴油机燃烧过程中会产生颗粒物。而这种有　作者简介：王凤艳（１９７１一），女，黑龙江齐齐哈尔市人，工　程师，工学硕士，现主要从事动力总成的开发工作。　收稿日期：２００８—０４—２４　害物质产生的多少，与发动机的结构设计、燃油品质　和环境因素等都有着一定的关系。在柴油机燃烧过　程中　喷入的柴油主要组成成分是碳氢和硫　吸入的　空气主要组成成分是氧气、氮气和水蒸气。　考虑到对环境和人体的危害程度，排气组分可　以分为三类：　ａ．大气中已经存在的无害成分：氧气、氮气、水　蒸气。　ｂ．大气中已经存在，但必须要保持在一定的限　值之内，否则会导致温室效应：二氧化碳。　ｃ．有害成分：一氧化碳、碳氢、二氧化硫、氮氧化　物、颗粒。　颗粒是所有小的固体和液体颗粒的总称，是在　发动机工作过程中，通过磨损、腐蚀、凝结以及不完　全燃烧等原因产生的。这些过程产生的颗粒有不同　的形状、大小和结构。颗粒具有有害气体的特性。它　很小，悬浮在空气中，从而损害肺等器官。　在柴油机的燃烧过程中会出现颗粒物，这些颗　粒物是直径大约０．０５　Ｉｘｍ的微观的小的碳元素。在　颗粒物的核心只有纯碳，在这个核心上，附着不同的　碳氢，金属氧化物和硫元素。颗粒物的形成取决于柴　油机的燃烧过程，如进气、喷油、火焰传播、排气等。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２６·　内燃机　２００８年８月　燃烧效率取决于空气和燃油的混合气的质量。在燃　烧室的某些区域，由于没有足够的氧气，这个混合气　可能过浓，由此导致不完全燃烧而产生颗粒。颗粒的　大小和数量从本质上来说取决于柴油机的燃烧质　量。采用高压喷射系统，根据燃烧需要准确控制喷油　量，无疑可以在燃烧过程中减少颗粒物的出现。测量　结果表明．颗粒物的产生与柴油机的类型没有大的　关系，无论是涡流室式，还是共轨式或泵喷嘴式发动　机，都很相似。　坑的结构　２．２机外措施　机外措施可以通过两种颗粒捕集器，即添加剂　式和催化涂层式的颗粒捕集器。添加剂式的颗粒捕　集器用于其离发动机比较远的情况，在这种情况下，　只有在添加添加剂的情况下，才能达到颗粒燃烧的　点火温度：催化涂层式的颗粒捕集器用于其离发动　机比较近的情况，由于离发动机比较近，排气温度足　够达到颗粒燃烧的要求。　

２减少颗粒物的措施　３　催化涂层式的颗粒捕集器系统　２．１机内措施　机内措施可以根据紊流特性的需要，对进、排气　道的形状进行优化设计；采用高压燃油喷射系统；优　化燃烧室的结构，如减少无用空间，优化设计活塞凹　图１所示为颗粒捕集器系统示意图，仅针对单　管排气系统。对于Ｖ６发动机等有双管或多管排气　系统，每个支路上都应该有一套颗粒捕集器及相应　的传感器。　

１．仪表２．发动机控制器３．空气质量流量计４．柴油发动机５．涡轮增压器前温度传感器６．涡轮增压器７．颗粒捕集器前　温度传感器８．氧传感器９．颗粒捕集器１０．排气压力传感器１１．颗粒捕集器后温度传感器１２．消声器　

图１颗粒捕集器系统图　３．１　催化涂层式颗粒捕集器结构　催化涂层式颗粒捕集器是布置在涡流增压器后　的前排气管上。由氧化催化器和颗粒捕集器两个组　成部分集成为一个零件。催化涂层式颗粒捕集器集　成了氧化催化器和颗粒捕集器的功能。作为颗粒捕　集器对废气中的颗粒进行过滤。作为氧化催化器．通　过把碳氢和一氧化碳转化为水和二氧化碳的方式来　达到净化废气的作用。　颗粒捕集器由用碳化硅（ＳｉＣ１制作的蜂窝状的陶　瓷载体组成。陶瓷载体由许多平行布置的、小的、封　闭的气道分隔开来。气道两端面的进、排气孔间隔地　用陶瓷塞堵住。陶瓷载体的外面，布置有金属外壳。　在两者之间．装有具有弹性的陶瓷衬套　由碳化硅构成的气道壁是多孔的。碳化硅载体　上又涂了由氧化铝和氧化铈组成的混合物作为催化　剂涂层。催化剂涂层上再涂上作为催化剂的贵金属　铂。由于气道相互间在进气和排气气流方向是封闭　的，含有颗粒的废气必须要通过由碳化硅做成的气　道壁流过，由此，气态的废气流过，而颗粒却被截留　下来。　颗粒捕集器需要一定的长度，一方面是为了有　更大的颗粒存储空间；另一方面，也是为了可以涂上　定量的铂，以达到要求的催化效果。铂金属在整个　长度范围内的含量是有区别的，前部区域要比后部　区域涂上更多的铂金属。这样的设计主要有以下几　个优点：　ａ．在发动机正常工作状态，颗粒捕集器在前端　区域很快得到加热。通过前端区域高浓度的催化剂　铂，颗粒捕集器具有快速催化作用，这也可以说是颗　粒捕集器的快速启动性能。　ｂ．在再生工作状态，颗粒燃烧导致颗粒捕　集器后部很热。长时间的高温会使铂中毒而失　效，因此要避免在后部区域涂上更多的价格很　高的铂　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　王风艳等：柴油车的颗粒捕集器　·２７·　ｃ．颗粒捕集器老化问题也是在后部区域涂上　少量铂的原因之一。在使用过程中，在后部区域会　积淀越来越多的燃烧残留物，从而损害铂的催化　效率。　３．２再生　为了颗粒捕集器不被堵死和功能不受侵害，颗　粒捕集器必须要定期清除颗粒，这就是再生现象。在　再生过程中，颗粒捕集器收集的颗粒会被燃烧掉。再　生分主动和被动再生两种方式。　３．２．１被动再生　在被动再生过程中，颗粒在没有发动机控制器　的干预下，持续地进行燃烧。由于颗粒捕集器离发动　机很近，因此在高速公路上行驶时，温度可以达到　３５０～５００℃，此时，颗粒通过化学反应转换为二氧化　氮和二氧化碳。这种过程发生得很慢，并且一定要在　催化￣！ｌＣＲ的作用下持续实现。　其步骤为：　ＮＯｘ＋Ｏ２＝ＮＯ２　废气中含有的氮氧化物和氧气，在铂的催化作　用下，生成二氧化氮。　ＮＯ２＋Ｃ＝ＣＯ＋ＮＯ　二氧化氮与颗粒中的碳发生反应，生成一氧化　碳和一氧化氮。　ＣＯ＋ＮＯ＋Ｏ２＝ＮＯ２＋ＣＯ２　氧化碳和一氧化氮与氧气共同反应，生成二　氧化碳和二氧化氮。　３．２．２　主动再生　在主动再生中，炭黑颗粒在拉升的排气温度下．　通过发动机控制器，进行燃烧。在城市交通中，在很　小的发动机负荷下，排气温度对于颗粒捕集器的被　动再生来说太低了。因为颗粒不能被清除，颗粒附着　在颗粒捕集器上。只要颗粒捕集器上的炭黑颗粒数　量达到一定的的程度，发动机控制器就会发出主动　再生的指令，主动再生持续大约１０　ｍｉｎ。颗粒在　６００～６５０　ｏＣ的排气温度情况下，与氧气反应，燃烧生　成二氧化碳。反应方程式为：　Ｃ＋０２＝ＣＯ２　炭黑颗粒在进气道内就会被拦住。发动机控制　器通过分析空气质量流量计信号、颗粒捕集器前后　温度传感器信号以及废气压力传感器信号来识别颗　粒捕集器的炭黑颗粒负荷情况。在颗粒捕集器没有　颗粒沉积的情况下，废气的流动阻力是－Ｉ１￣４，的，反　之，如果有许多颗粒沉积在颗粒捕集器上，就会有很　大的流动阻力。当炭黑负荷达到一个极限值时，就会　通过发动机控制器导入主动再生。在发动机控制器　的指挥下，主要有以下几个动作：　ａ．发动机控制器会指令废气再循环关闭，以便　提高燃烧温度。　ｂ．为了提高排气温度，在燃油主喷射减少后，在　上止点后一定角度（不同的发动机会根据匹配结果　确定不同的数值），导入一个燃油后喷射。　ｃ．电子节气门体对进气量自动进行调节，从而　与增压压力相匹配，使得在再生过程中，驾驶员感觉　不到扭矩的变化。　通过这些措施，排气温度在很短的时间内就会　被拉升到６００～６５０　ｏＣ。在这个温度范围内，搜集到的　炭黑颗粒会氧化成二氧化碳。在主动再生之后，颗粒　捕集器又可以重新投入使用，并把炭黑颗粒从废气　中过滤出来。　颗粒捕集器的炭黑负荷将会一直由发动机控制　器通过计算出的流动阻力来进行监视。通过前后颗　粒捕集器压差与废气体积流量的比例关系，就可以　计算出流动阻力。颗粒捕集器前后空气流动的压差　可以由压力传感器测出。　流动阻力与体积流量和压差存在一定的关系。　废气的体积流量是发动机控制器通过排气道中的空　气质量流量和在颗粒捕集器前的排气温度计算出来　的。废气的质量流量与进气系统的进气质量流量是　相当的，进气的空气质量流量是可以通过空气质量　流量计计算出来的。废气的温度则直接通过布置在　颗粒捕集器前后的温度传感器测得。这样，有了排气　温度和质量流量，就可以通过发动机控制器算出废　气的体积流量了。　发动机控制器通过计算压差与废气体积流量的　比值，就获得了颗粒捕集器的气流阻力。发动机控制　器从气流阻力就知道了炭黑负荷。　３．３倒拖工况下的燃油后喷射　在倒拖工况下，燃油需要进行后喷射。比如在郊　外，发动机负荷变化频繁，极易出现倒拖。由于倒拖　工况的特殊性，由此需要一些特别的措施对颗粒捕　集器进行净化。因为在倒拖工况，正常情况下不会向　缸内喷射燃油，废气就无法达到颗粒捕集器再生所　需要的温度。由此，倒拖工况时，在活塞上止点后的　定角度，一个少量的燃油喷射是需要的。由于在上　止点的时候没有喷油，因此这些少量的燃油也无法　在燃烧室燃烧，而只是形成蒸气。这些燃油蒸气在颗　粒捕集器里进行燃烧，燃烧产生热量，从而使废气达　（下转第５２页）