柴油机颗粒物的形成、危害及其控制方法

李晓丽，戴培赟，张吉亮，殷铭良，王东娟

（1. 潍坊工商职业学院 工程材料研究所，山东潍坊 262234；2. 潍坊市经济学校，山东潍坊 262234）

0 引言

柴油发动机热效率高，广泛用于交通运输及各种工业和商业领域，但在使用过程中产生大量的颗粒物及 NOx等有害气体，近年来柴油机颗粒物的排放控制技术成为各国政府和科研人员的关注热点，目前用于颗粒物及NOx排放控制的技术主要有燃烧前控制技术、燃烧中控制技术和燃烧后控制技术[1-2]。燃烧前控制技术和燃烧中控制技术属于机内净化技术，前者主要是通过改善燃油品质，如使用含氧燃料和其他改性燃料实现对颗粒物排放的控制，后者主要是通过调整喷油正时、喷油压力和喷油方式等喷油参数实现对颗粒物排放的控制；燃烧后控制技术也称机外净化技术，主要是通过使用柴油机颗粒过滤器（DPF）和柴油机氧化催化器（DOC）等附加装置或设备对燃烧产物进行过滤和催化处理的颗粒物排放控制技术。本文首先介绍颗粒物形成过程及其危害，重点综述各种燃烧控制技术对颗粒物排放的控制方式及其对颗粒物排放的影响，总结近年来柴油机颗粒物排放控制的研究进展。

1 颗粒物及其形成过程

1.1 颗粒物组成

颗粒物是固态碳烟、可溶性有机物和硫酸盐混合而成的有机组分。碳烟是燃料未完全燃烧产生的，通常发生在高温下没有足够氧气浓度的富油区，最初形成的碳烟晶核尺寸在0.005 μm～0.05 μm之间，碳核在高温高压下聚合，尺寸不断增大，最终形成的颗粒物尺寸大部分集中在0.05 μm～1 μm之间[3]，这个尺寸区间的颗粒很容易被人类吸入并沉积在支气管和呼吸道深部肺泡中，对人体健康存在极大的威胁[4]。近 50%的颗粒物是由碳烟组成的，硫酸盐和烃类在碳烟表面上吸附聚集形成柴油机颗粒。可溶性有机组分可以采用索氏提取法或超声提取法从颗粒物中分离出来。由于颗粒物是极性和非极性成分的混合物，所以完全萃取需要不同的萃取剂，常用的萃取剂有二氯甲烷、苯-乙醇混合物等。研究表明：颗粒中的可溶性组分主要由醛、酚、烷烃、烯烃、脂肪烃、多环芳烃及其衍生物组成，在高负荷工况下会出现部分燃油添加剂和未燃烧充分的燃油[5]。

1.2 颗粒物形成过程

液相烃转化为碳烟并最终形成柴油机颗粒物的过程主要有热解、成核、表面生长、集聚与凝结、氧化等阶段。碳烟形成过程取决于压力、温度、喷射参数和燃料结构等条件，其生成和氧化速率主要与温度和压力有关。

热解是指在缺氧或者无氧条件下，通过高温使有机物发生裂解的过程，热解反应主要取决于温度和浓度，通常是吸热的。由于燃料与空气的混合时间较短，导致混合不均匀，在高温缺氧的情况下燃料热解形成碳烟前驱体，其热解和氧化速率取决于火焰类型。预混火焰中氧含量较高，产生的碳烟较少，而扩散火焰中氧含量较低，产生的碳烟较多，氧化速率则随温度的升高而增大，因此碳烟的形成主要取决于温度和氧浓度[6]。Haynes BS等人的研究表明：层流扩散火焰中的热解产物主要是 C2H2、C2H4、CH4、C3H6和 C6H6等[7]。O2、O和OH自由基的存在会加速热解，如果燃料中有足够的O和OH自由基，乙炔很容易被氧化形成惰性产物[6]。

成核是气相热解产物形成颗粒的过程。燃料热解生成的各种不饱和烃类通过脱氢形成碳粒子，并逐渐聚合成长链和环芳烃，形成初始直径约在 1.5 nm～2 nm之间的碳烟晶核。初始晶核对碳烟总质量的贡献较小，但能够为表面生长提供活性位点，因此对后期的质量增长影响较大。杜德兴等[8]通过对比不同条件下扩散火焰中开始形成碳核时的临界气动变形率，认为向燃料中添加空气可在相当宽的浓度范围内对碳烟的成核起遏制作用，能够减少碳烟的生成，即部分预燃具有遏制扩散燃烧中碳烟成核的作用。

表面生长是碳烟质量增加的关键因素，颗粒物尺寸的增加主要发生在表面生长过程中。气相烃（主要是乙炔）在晶核表面沉积导致碳烟质量增加，而颗粒数量保持不变。碳氢化合物的浓度低于碳烟生成临界浓度的情况下，这一过程会持续进行。表面生长过程中碳烟生成速率取决于成核数量，这一过程通常发生在成核之后的几个ps到0.05 ms之间，因此该过程的停留时间对碳烟质量和体积分数有很大的影响。由于小颗粒的活性自由基较多，因此颗粒尺寸越大，表面生长速率越低。目前解释碳烟表面生长的主要机理有氢吸取乙炔加成（HACA）机理和碳加成氢转移（CAHM）机理，WHITESIDES等[9-10]依据HACA机理建立和改进了描述碳烟表面生长过程的反应动力学模型，侯丁钰等[11]研究了层流预混火焰中含量较高的6种烯炔烃的CAHM反应势能面并进行动力学蒙特卡诺模拟，结果表明在高温和低氢原子浓度下CAHM机理对碳烟质量增加的贡献是HACA机理的十几倍。

集聚和凝结是小颗粒合并的过程。小颗粒形成后，颗粒间的碰撞会导致团聚，从而引起颗粒物数量的减小和尺寸的增加。在这个过程中，球形粒子相互碰撞最终聚结成单一的球体，团聚后的颗粒大小主要取决于发动机工况，如喷油类型和喷油条件等。

氧化是碳烟形成过程中，碳或碳氢化合物发生氧化反应形成燃烧产物的过程，这一过程贯穿从热解到凝结的整个碳烟形成进程。反应速率主要取决于反应阶段和空气燃料混合物的状况，氧化反应在表面生长和聚结反应过程中的影响并不大，O和OH等自由基被认为是反应中的主要氧化剂[6]。

碳烟颗粒通常在温度高于1 300 K时发生氧化，氧化反应阻力主要来自碳烟中的石墨状结构。在燃料充足和满足化学计量条件下，OH自由基对碳烟氧化反应的影响更大。在燃料不充分的条件下，O2自由基对碳烟氧化的影响更大，OH自由基的贡献只有 10%～20%[7]。氧化过程结束后，排出的气体在排气管内冷却，部分未燃烃、硫酸盐和水分等在碳烟上凝结，形成颗粒物。

燃料成分和结构对颗粒物的形成有重要影响。柴油燃料主要由碳、氢、氧、硫等元素组成，这些元素的含量决定燃料成分。燃料中碳含量越高，氢含量越少，产生碳烟的倾向越大，氧含量越高则会降低碳烟的生成速率。燃料中的硫不直接参与碳烟的生成过程，但会促进可溶性有机物的形成并附着在碳烟颗粒上，从而增加颗粒物的尺寸和质量。分子结构是决定层流扩散火焰中碳烟生成速率的主要参数。一些早期的研究结果表明，分子中的环状结构，特别是稠环结构起着关键作用。非芳烃燃料中，碳原子数、主链长度、侧链位置和长度是影响碳烟形成趋势的主要参数，碳烟体积分数随烷烃、烯烃、炔烃、烷基苯和萘中氢的质量百分含量的增加呈线性增长[12-15]。

2 柴油颗粒的危害性

颗粒物通过呼吸系统进入机体后，不仅能穿透上皮细胞，而且能够进入血液循环，其所包含的多种组分可产生更为严重的健康危害。颗粒物随呼吸进入呼吸道并沉积于气管、支气管及肺泡中，通过机械损伤、氧化反应和引起的免疫炎性反应等方式引起呼吸系统疾病，进而引起心血管系统和全身炎症反应。长期接触高浓度的颗粒物可导致成人和儿童肺功能下降，并增加慢性阻塞性肺病的发病率，表现为慢性阻塞性肺病的住院率和死亡率增加。人群流行病学研究表明颗粒物可能增加儿童哮喘的发病率，并与成人急性哮喘的发作有关[16]。

除了引起呼吸系统疾病，颗粒物还对心血管系统、神经系统、生殖系统具有一定的危害性，并引起突变和癌症的发生。颗粒物与心血管疾病发病率和死亡率增加有关，TOBALDIN等[17]的研究表明：颗粒物可引发健康个体的副交感神经功能障碍，从而诱导心血管疾病的发生，其对自主神经紊乱的影响呈计量依赖性。颗粒物对心血管疾病的影响存在季节和人群性的差异。谷少华等人通过对7 434例心血管疾病急救病例的统计分析显示：冷季时未见颗粒物对心血管疾病急救人次的影响有统计学意义；暖季时，大气PM10每升高10 μg/m3，心血管疾病急救人次增加约2.00%，其中男性和≥65岁年龄组人群心血管疾病急救人次分别增加约2.41%和1.86%，未见PM10对女性和＜65岁年龄组人群的影响有统计学意义[18]。

大气中颗粒物浓度的升高会导致人群中神经系统疾病的增加。其对神经系统造成的损害主要通过系统性氧化应激、炎症反应和细胞内钙稳态失调等病理机制对神经系统产生毒性效应，导致认知功能损伤或衰退，甚至诱发或加重神经退行性疾病[19]。宋杰等[20]进行的流行病学研究显示，大气中PM2.5与PM10的浓度每升高 10 μg/m3，居民因神经系统疾病急救的人次分别增加约0.75%和0.35%。颗粒物对儿童神经心理发育影响的研究表明，大气颗粒物暴露会对儿童神经心理发育产生不良影响，引起包括儿童学习障碍、孤独症谱系障碍和儿童睡眠障碍等问题[21]。

血睾屏障为生殖细胞精子发生提供必要的微环境，颗粒物长期暴露可引起雄性Sprague Dawley（SD）大鼠的生殖功能障碍，并破坏血睾屏障的完整性[22]。严超等[23]通过建立SD大鼠的颗粒物长期暴露模型，研究了PM2.5长期暴露对SD大鼠生殖功能的影响及其机制，结果表明：高剂量组和低剂量组雌鼠受孕率比对照组分别低 50%和 30%，精子的数量和质量下降，生精小管结构紊乱，管腔精子数减少，部分次级精母细胞脱落至管腔，睾丸组织中 Connexin43蛋白表达下降，血睾屏障破坏。WANG等[24-25]采用液相色谱-质谱联用技术研究了PM2.5对大鼠睾丸的代谢破坏作用和生殖毒性机制，颗粒物引起氨基酸和核苷酸代谢紊乱，甾体激素代谢失调和脂质代谢异常等一系列问题，而这些重要通路可能是生殖毒性的关键分子事件。

上皮间质转化是肿瘤发展的重要过程，入肺颗粒物可促进肺癌细胞中Smad1蛋白的介导信号通路，诱发和促进上皮间质转化[26]。周芳等[27]通过将柴油机颗粒物作用于正常支气管上皮细胞，从表皮生长耐受体、磷酸肌醇-3激酶、蛋白激酶的变化探讨柴油颗粒潜在致癌机制及对细胞毒性影响，证实柴油颗粒存在确切的细胞毒性，表皮生长耐受体表达增加可能在颗粒物导致肺癌变的过程中起到重要作用。此外，颗粒物通过炎症损伤和氧化损伤等机制诱导肿瘤形成，增加肝脏和女性生殖系统恶性肿瘤，如乳腺癌、子宫颈癌、卵巢癌和子宫内膜癌等疾病的发病率[28-29]。

3 柴油颗粒物控制技术

3.1 燃烧前控制技术

燃烧前控制技术主要是通过改善燃油品质，如使用含氧燃料和其他改性燃料实现对颗粒物排放的控制。提高柴油质量、改善燃油品质可直接降低柴油机颗粒物的排放，同时为后处理装置做准备。

3.1.1 生物柴油

生物柴油是从植物油和动物脂肪中提取的脂肪酸甲酯或乙酯。它是一种可再生、可生物降解的含氧燃料，由长链饱和脂肪酸甘油酯（即甘油三酯）和不饱和脂肪酸甘油酯组成。它可以通过酯交换反应过程转化为甘油单酯。燃料中硫和芳烃含量较低，并含有近10%的氧，有助于燃料的完全燃烧。

生物柴油作为替代燃料，能够有效降低颗粒物排放。大量研究表明，随着生物柴油掺混比例的增加，各粒径范围的排气颗粒物质量浓度均下降，颗粒物中碳烟和无机盐的质量分数减小，可溶性有机组分中酯类和酸类物质质量分数增加，烷烃类、芳香烃及酚类物质质量分数减少[30-33]。王武林等[34]采用186FA单缸小型柴油机研究了满负荷工况时燃用纯柴油和B10调合生物柴油对柴油机燃烧和排放性能的影响，结果表明：满负荷工况下，燃用调合生物柴油和纯柴油时发动机动力性基本一致。与纯柴油相比，燃用调合生物柴油的排放性能得到有效改善，CO、碳氢化合物（HC）和颗粒物的最大降幅分别为 29.09%、30.43%和35.79%。

3.1.2 含氧燃料添加剂

含氧燃料通过改进柴油燃料的十六烷值提高燃烧质量和点火质量，从而降低颗粒着火温度，各种含氧燃料添加剂往往会改变柴油机颗粒物的物理化学特性，高氧含量的燃料可以大大降低颗粒物排放。ZHANG等[35]研究了含有二甘醇二甲醚、棕榈油甲酯、碳酸二甲酯、己二酸二乙酯和丁醇等五种不同含氧燃料添加剂的混合液对柴油机颗粒物组成及其毒性的影响，含氧燃料混合物能有效促进所有尺寸范围内的碳烟氧化和降低柴油机颗粒物浓度，但会伴随有机碳含量的显著增加。王玉梅等[36]将聚甲氧基二甲醚（PODE）（体积分数 10%）掺混于柴油中制备柴油混合燃料，研究了混合燃料对柴油机排气烟度的影响，在额定工况下，混合燃料排放的颗粒物在各粒径下的质量浓度均有不同程度的降低，颗粒物粒径总体向小粒径方向偏移，颗粒物中的可溶性有机组分所占比重增加，其中各类烷烃和多环芳香烃质量分数减小，有机酸酯的质量分数增大。石晓燕等[37]通过添加 10%乙缩醛研究了含氧柴油对柴油机排放及颗粒物碳质组分的影响，与普通柴油排放相比，含氧柴油排放颗粒中PM2.5的排放速率最大降幅达 29%，其中总碳的排放速率最大降幅为 24%。关淳等[38]以乙醇为添加剂，研究了含氧燃料对柴油机燃烧和排放性能的影响，含氧燃料能够降低颗粒数量和质量排放，尤其是抑制了大尺寸颗粒，使得颗粒粒径分布曲线向小粒径方向偏移，颗粒平均几何尺寸降低。

3.1.3 乳化燃料

乳化燃料是由燃油和水组成的乳化液，乳化燃料排放减少的主要原因是在快速蒸发过程中，沸点比周围燃料低的水滴会迅速爆炸，这最终增加了预混燃烧期和点火延迟期，为燃油-空气混合创造了更多的时间，从而减少了颗粒物的形成。在相同情况下，水滴蒸发降低了热循环的峰值温度，这也导致了氮氧化物排放量的减少[39-40]。

张喜梅等[41]利用非离子表面活性剂复配对热解生物油/柴油混合液进行乳化，得出生物油/柴油乳化燃料和纯柴油的负荷特性和排放特性曲线，并对乳化燃料和纯柴油的排放特性进行了对比，结果表明：生物油体积分数为 20%的乳化燃料当量油耗率最低，乳化燃料的 NOx及碳烟的排放则优于纯柴油的排放。孙丹丹等[39]研究了 F-T柴油/甲醇微乳化燃料的燃烧排放特性，与普通柴油相比，乳化燃料 CO、NOx和碳烟的排放均有下降，降幅范围分别为 20%～40%、25%～27%和65%～97%。张小卿等[42]对柴油含水乙醇乳化燃料的理化和燃烧特性进行了研究，随着含水乙醇含量的增加，含氧量升高，十六烷值和低热值降低，燃烧火焰自发光亮度逐渐降低，表征碳烟生成量逐渐减少。

乳化燃料可同时降低柴油机颗粒物和 NOx的排放，但由于其对表面活性剂的高度依赖性[43]，使得它在成本上不占优势，限制了自身的商业化。ITHNIN等[44]首次在常规柴油机中引入无表面活性剂的水-油乳化燃料，柴油和水被存储在不同的位置，在进入发动机之前，通过一个由高剪切混合器和超声波混合器组合而成的混合系统产生定量转移和瞬间乳化，得到乳化燃料。测试结果表明：与普通柴油相比，无表面活性剂的乳化燃料制动热效率提高了 3.59%，油耗降低3.89%，废气中氮氧化物和颗粒物的含量分别降低了31.66%和16.33%。

3.2 燃烧中控制技术

燃烧中控制技术主要是通过改进燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控喷油技术等方式实现对颗粒物排放的控制机内净化技术，其中电控喷油技术是近年来的研究重点，主要是通过对喷油正时、喷油压力和喷油方式等喷油参数的调整降低颗粒物和氮氧化物等污染物的排放。

3.2.1 喷油正时

喷油正时对柴油机排放性能有着显著影响[45]。LIU等[46]的研究表明：推迟喷油正时会使 CO和总烃的排放量增加，但由于气缸容积膨胀和传热，曲轴转角间隔增大，NOx排放量显著减少。早期颗粒物中的可溶性有机组分含量相对较低，高温和局部贫氧导致碳烟排放量较大，随着曲轴转角间距的增加，烟度排放迅速下降，对喷油正时不敏感。

当增大喷油提前角时，颗粒物排放会降低，这与点火延迟性能有关。这种情况的原因是，增大喷油提前角会导致预混燃烧持续时间的增加，从而增强燃料与空气的混合均匀性，降低颗粒物排放。但是由于增大喷油提前角会使点火延迟的增加，从而增大 NOx排放。当喷油正时延迟，颗粒物排放增加，NOx排放减少[47]。这种情况的发生是因为延迟喷射导致点火延迟减少和预混燃烧持续时间降低，从而增加燃料消耗、HC烟雾和颗粒物。

3.2.2 喷油压力

另一种用于降低颗粒物的机内净化技术是改变喷油压力。喷油压力增大时，会形成雾化，喷油压力越高，燃料液滴雾化越均匀，液滴尺寸越小，从而使燃料燃烧越完全，颗粒物大大减少。此外，喷雾贯穿距离随喷油压力的增加而增大，从而使空气得到合理利用，提高燃油空气混合速度[48]。姚春德等[49]利用高速摄像技术和燃烧压力采集系统分别研究了相同喷油脉宽和相同喷油量下喷油压力对柴油着火、燃烧和碳烟生成特性的影响，当喷油压力从 80 MPa升高到160 MPa时，滞燃期由1.7 ms缩短到1.4 ms，燃烧持续期由6.9 ms缩短到4.7 ms，总炭烟量大幅度减少，但滞燃期和燃烧持续期随喷油压力升高而缩短的程度以及炭烟生成量随喷油压力升高而降低的趋势均逐渐减弱。YE等[50]研究了喷射策略和生物柴油对高压共轨柴油机氮氧化物和颗粒物排放的影响，研究发现：在所有负荷条件下，燃料喷射压力的增加都会导致 NOx排放量的增加和颗粒物的减少，同时，生物柴油对低负荷状态下颗粒物的排放影响更大，对中高负荷的影响较小。

喷嘴孔径也对颗粒物的排放起到重要影响。减小喷嘴孔径可加速碳粒燃烧扩展过程，提高碳粒燃烧速率，进而降低柴油机碳烟和CO的排放[51-52]。

3.2.3 多次喷射

多次喷射技术在控制燃烧放热速率方面比单次喷射具有更大的灵活性，合理的参数选取可使颗粒物、氮氧化物排放和平均有效压力之间获得良好的折衷，能够同时减少氮氧化物和颗粒物的排放[53-54]。多次喷射技术可以实现共轨直喷（CRDI），通过使用能够精确控制喷油压力和喷油正时的电控电磁阀，进而实现对喷油正时和喷油量的精确控制。多次喷射技术包含三种喷射方式，预喷射、主喷射和后喷射。在预喷射过程中喷入一定量的燃料，提高主喷射之前的温度，降低点火延迟，从而降低主喷射过程中预混燃烧的燃料燃烧率，最终通过降低峰值压力来减少爆震。

王浒等[55]研究了多次喷射对重型柴油机性能和排放的影响，预喷射可以在小负荷时改善柴油机的NOx、CO和比油耗，但在大负荷时没有明显的影响，多次喷射可以促进油气混合，提高碳烟的氧化速度，从而降低柴油机的颗粒物排放。由于预喷射过程中的产物具有较高的温度和较低的氧含量，会导致大部分时间内颗粒物排放量的增加，石秀勇等[56]研究了不同预喷射和后喷射条件下对 NOx和颗粒物排放的影响，通过优化预喷射参数可在改善 NOx排放的同时不恶化颗粒物的排放，同样，通过对后喷射参数的优化可以实现对NOx排放影响较小的条件下显著改善颗粒物排放，但会伴随燃油消耗率和排气温度的升高。

3.3 燃烧后控制技术

燃烧后控制技术主要是通过使用附加装置或设备对燃烧产物进行过滤和催化处理的机外净化技术。柴油机颗粒物排放控制的物理过滤技术始于 20世纪 80年代，可用于柴油颗粒捕集的过滤介质种类繁多，如金属丝网、陶瓷纤维、多孔陶瓷载体等。目前应用最广泛的是柴油颗粒过滤器（DPF），也被称为柴油颗粒捕集器，其核心部件是由堇青石或碳化硅制成的蜂窝陶瓷载体。当气体通过多孔壁时，这些蜂窝状的过滤体将颗粒物捕获。这类过滤器通常被称为陶瓷壁流过滤器。壁流式蜂窝陶瓷有类似普通蜂窝陶瓷的平行孔道，但不同的是相邻的蜂窝孔道两端交替堵孔，柴油机尾气进入上游端开口的过滤器孔道后，由于孔道的末端被堵住，迫使气体流经多孔的薄壁进入相邻的孔道，相邻孔道在下游端打开，过滤后的气体从下游端出口排入大气中。过滤器壁被设计成适合的孔隙度，使得尾气能顺利流通，减小系统的压力降，而其中的碳烟颗粒被过滤下来，沉积在孔壁上。壁流式蜂窝陶瓷单位体积的过滤面积较大，过滤效率较高，通常可达98%以上[57-58]。

颗粒物在过滤器中的过滤和收集相对较容易，最困难和最具挑战性的工作是清除过滤器中收集的碳烟颗粒。过滤器在被碳烟颗粒堵塞前需要进行再生处理，以使过滤器恢复到原来的清洁状态。在再生过程中，过滤器中收集的碳烟颗粒氧化成二氧化碳，同时还要保证陶瓷过滤基体在再生过程中产生的高温下不会熔化或开裂。根据再生方法的不同，柴油颗粒过滤器的再生技术可分为主动再生和被动再生两大类。

3.3.1 过滤器的主动再生技术

主动再生指的是利用外加能源来提高过滤器内的温度，使积存在过滤体内的颗粒升温、自燃，以减少过滤体内的颗粒。主动再生的实现方式主要有燃烧器再生、电加热再生、微波加热再生和红外加热再生等。

燃烧器再生通过在过滤器前端放置一个燃烧器，使柴油颗粒过滤器再生。在这个系统可以在所有发动机转速和负荷工况下进行再生，再生效率通常在 90%以上[59]。当碳烟沉积在过滤器上，由一个压差传感器监测过滤器的背压值。随着过滤器中的碳烟颗粒的不断积聚，当背压值上升到一定程度时，由该传感器向ECU发送信号。ECU给DPF上游的燃料燃烧器发出信号，喷入柴油和二次空气，燃烧后引燃颗粒，碳烟开始氧化。随着燃烧的开始，温度的升高会加速碳烟的燃烧，从而导致温度的不可控升高和过虑基体的熔化。为了控制再生过程中的温度，燃烧器可以在再生循环过程中中途关闭，确保将滤床温度梯度和峰值温度控制在一个临界水平以下，以防止过滤器的开裂和熔化。

电加热再生在原理上与燃烧器再生系统类似，不同之处是电加热再生系统采用电阻加热代替了复杂的燃烧器和电控系统。电加热系统的再生效率可达 87%以上[60]，电力由同步交流发电机提供，电加热系统需要解决运行过程中耗电量高的问题，一辆普通卡车的DPF再生系统大概需要3 kW的加热器。此外，电加热系统容易由于加热的不均匀性造成过滤体再生的不均匀，造成过滤体的局部过热而损坏。

微波加热再生是利用微波独有的选择加热和体积加热特性在过滤体内部形成空间分布的热源，对沉积在过滤体上的碳颗粒进行原位加热着火燃烧，具有较高的CO2选择性和碳烟燃烧效率[61]。微波腔的设计对过滤体的加热均匀性至关重要，STEENWINKEL[62]研究了具有钙钛矿涂层的堇青石过滤体的微波加热特性，由于钙钛矿结构具有较高的介电损耗因子，同时用作氧化催化剂能够降低烟尘着火温度，使过滤体能够完全再生，而没有钙钛矿涂层的过滤器只能部分再生。

红外加热再生系统具有结构简单、可靠性高、实用性好的特点。王宪成等[63-64]提出了采用红外技术对蜂窝陶瓷进行再生的方法，并在6110A柴油机台架上对系统的样机进行了碳烟过滤特性及再生特性的试验研究。红外再生过程中蜂窝陶瓷内部各位置最高温度相差小，最高温度在800℃～1 000℃，过滤体的温度梯度小于10 ℃/cm，系统的碳烟过滤效率高达95%，排气背压低，再生效率超过 89%，工况适应性好，符合蜂窝陶瓷的热再生要求。

3.3.2 过滤器的被动再生技术

被动再生系统采用催化剂将碳烟氧化温度降到正常排气温度范围内，常用的被动再生方法有燃料添加剂再生过滤器系统、连续再生过滤器系统和催化型连续再生过滤器系统。

燃料添加剂可以有效降低碳烟氧化温度。添加剂在发动机中燃烧后随颗粒物一起由DPF捕集，使颗粒物和催化活性成分充分接触，降低颗粒物的氧化温度。由于碳烟和 CO的氧化反应是放热反应，放出的热量可以显著提高滤床温度。以Fe、Ce等为基础的燃料添加剂催化再生技术得到了广泛的研究，刘少康等[65]采用环烷酸铈溶剂作为添加剂，对柴油机DPF的再生平衡温度、压降特性和燃烧灰烬等进行试验研究。DPF再生平衡温度因添加剂的催化作用从 500℃以上下降到约450℃，从而增加了颗粒捕集器的颗粒储备能力，并能够有效再生。田径等[66]采用Fe铁基燃油添加剂在一台配置无涂敷碳化硅微粒捕集器的 CA6DL2-35E3高压共轨重型柴油机上对其排放微粒进行捕集加载与再生试验，在ESC-13工况测试循环下，采用低含硫量的欧IV 0#柴油可实现DPF微粒捕集效率达90%。

在壁流式陶瓷颗粒过滤器（DPF）前安装一个带有贵金属催化剂的氧化催化转化器（DOC），以促进碳烟氧化，这种系统被称为连续再生过滤器（CRT）。DOC使NO在通过DPF之前优先转化为NO2，可以使积存在DPF中的干碳烟在300℃以下的温度下氧化，但该系统只能应用在低硫柴油机上，燃料中硫的含量应小于30 ppm（1 ppm=0.001‰），以防止催化剂中毒。要达到 CRT系统的最佳性能，再生温度范围应控制在250℃～450℃之间，温度过低会使碳烟氧化速度过慢，温度过高则会加速NO2的分解，不能形成足够的NO2，同时还要保证氮氧化物/碳烟比应足够高，否则NO2含量太低，不能氧化碳烟。方奕栋等[67]以某型高压共轨柴油机为试验对象研究了CRT系统对颗粒及氮氧化物排放的影响，在高转速高负荷工况下，系统对聚集态颗粒的降低作用优于核态颗粒，颗粒物排放因子下降81.9%，多环芳烃排放质量减少91.5%，氮氧化物排放的质量分数小幅下降。

CRT中的DPF基体可以涂覆有催化剂材料，使碳烟氧化温度降低至200℃，使通过DOC的NO在DPF中可以继续转变为 NO2来氧化颗粒物，这种系统被成为催化型连续再生过滤器（CCRT），相对于普通 CRT系统，它对再生的条件更加宽松，在较低的温度和氮氧化物/颗粒物比下就可以实现再生[68]。

4 结论

颗粒物是柴油机的主要排放物之一，对人类和环境都会产生有害影响。长期暴露于颗粒物除了引起呼吸系统疾病外，对心血管系统、神经系统、生殖系统都有一定的危害性，并可引起突变和癌症的发生。生物柴油和含氧燃料添加剂能够大幅降低颗粒物的排放，乳化燃料在降低颗粒物排放的同时，能够有效降低氮氧化物的排放，但其对于表面活性剂的依赖性较高，成本上不占优势。减小喷嘴孔径和增大喷射压力将使颗粒物含量大幅降低，随着共轨直喷技术的发展，多次喷射在控制燃烧放热速率方面比单词喷射具有更大的灵活性，合理选取参数可同时减少颗粒物和氮氧化物的排放。采用柴油颗粒过滤器捕集颗粒物并以主动再生或被动再生的方式进行燃烧处理，是目前用于减少颗粒物排放、满足当前排放标准的最佳方法。主动再生技术的可靠性高、工况适应性好、对燃料的硫含量和排气温度不敏感，但需要额外的能源消耗，线路结构复杂，系统总体成本较高；被动再生技术系统结构相对简单，成本较低，但对排气温度有一定的要求，对燃油硫含量比较敏感，需要定期清理和维护。随着技术的进步和排放标准的日益苛刻，被动再生技术和主动再生技术不断融合，通常情况下DPF系统通过燃油添加剂或催化剂等降低颗粒的着火温度来实现被动再生，当无法满足被动再生条件时启动主动再生，这种被主动结合再生技术对燃油硫含量和排温无要求，且较被动再生定期清理维护的周期长，具有良好的应用前景。