工程机械柴油机尾气控制技术现状与展望

第一篇：工程机械柴油机尾气控制技术现状与展望

工程机械柴油机尾气控制技术现状与展望

柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在工程机械领域得到了广泛的应用，如压路机、装载机、挖掘机、推土机等都是以柴油机作为动力。虽然柴油机具有许多优点，但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有HC、CO、SO、NO和PM（微粒）。尤其是在施工现场，由于工程机械和运输车辆来往比较频繁，加之通风条件的限制，这些工程机械排放的有害气体严重超标且会弥漫于整个上作面，极大地危害了施工人员的身体健康和施工的正常进行，因此，对柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义。1 燃料方面的控制措施 1.1 代用燃料

采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一，并且由于化石燃料有限，寻找代用燃料更成为当前内燃机研究的热门话题。目前，代用燃料主要有天然气、压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、氢气、甲醇、乙醇、二甲醚（DEM），碳酸二甲酯（DMC）及生物柴油等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源的代用燃料。其中CNG，LPG，甲醇一汽油汽车在我国得到了政府的大力支持并得到迅速发展。

甲醇可从天然气、煤及生物质等原料中提取；乙醇主要是含糖和淀粉的农作物发酵后制得。利用醇类燃料发动机的动力性和经济性可接近或超过柴油机和汽油机，排气的有害成分少，是一种很有发展前景的燃料。但是，甲醇和乙醇燃烧时会放出甲醛和乙醛等有害成分，因而在使用上受到限制。

二甲醚（DEM）是近年来倍受关注的柴油机代用燃料，它可从煤、天然气和生物物质废料中制得。DEM的自燃性很好，可作为单燃料直接代替柴油；能够实现发动机高效、柔和压缩燃烧，具有与柴油机相同或略高的动力性和经济性能；最突出的优点是DEM能够彻底消除排烟和实现超低排放，NOx排放比柴油机低30%以上，若同时采用废气再循环时，可将NO排放进一步降低到一般柴油机的50%达到PM和NO的同时降低。

碳酸二甲酯（DMC）中含有53.3%的氧，燃烧所产生的碳烟和颗粒比纯柴油低；据报道，保加利亚生物燃料和再生能源协会通过加工使用过的食用油，来生产生物柴油，年产量可达300吨。它实际上是甲基酯菜籽油或甲基酯植物油，生产原料为向日葵、大豆等等。市场售价每升为0.5美元的这种生物柴油，可以替代柴油，也可与柴油混合使用。而且，它完全由可再生原料提炼而成，在燃烧过程中产生的二氧化碳量大大低于普通柴油，对环境的污染比普通柴油小得多。目前，已有美国、德国、巴西、阿根廷等投入生产。

另外也有一种生物柴油，是以废餐饮油等为原料制成的液体燃料。其基本制作过程为：垃圾油加入反应罐后，通过一种微酸性催化剂技术，使得其醇解和酯化可同时进行，反应速度也明显加快。另外，通过一种金属盐处理剂，解决了利用废旧动植物油脂生产柴油残留酸值高的关键问题。这两项关键技术都降低了生物柴油的生产成本，使得生物柴油从实验室走进了生产车间。1.2 燃油的改性

1.2.1提高十六烷值。柴油的十六烷值越高，着火延迟期越短，点火质量越好；各种污染物的排放一般随柴油十六烷的增加而下降，十六烷值不足，着火延迟期缩短，点火质量差，预混合燃烧量过多，运转粗暴，噪声加大，黑烟和NO排放增加。增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗粒PM、CO和NO的排放。（十六烷值不能太高，太高，柴油燃烧时易裂解）

1.2.2降低芳香烃在燃油中的含量。芳香烃的密度比较大，着火性比较差，燃烧过程中会产生更多的碳黑，使尾气中的CO，HC，NO以及PM都有所增加。因此，降低芳香烃的含量可以有效地控制有害污染物的排放。1.2.3降低燃油中的含S量。在燃烧过程中柴油中的S有1%~3%转化为硫酸盐排出；其余的主要转化为SO，Van Beckhoven研究发现：在直喷柴油机中，燃油中S份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低10%~30%。Bartlett报道说在所有轻型柴油机中，燃油中硫份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低大约7%。

1.2.4降低密度。柴油密度、粘度是柴油重要的理化指标，它们将影响柴油的喷雾质量，进而影响柴油机的排放情况。降低柴油的密度，可使HC和排放中的颗粒物减少。燃料密度从840kg/m3减少到800kg/m3，微粒排放物将减少13%。1.2.5利用燃油添加剂。经常使用的有十六烷值改进添加剂、消除积炭添加剂和消烟剂等，但是这些添加剂使用后的作用并不理想，有的还有负面影响。比如应用较多的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，加入少量后可显著降低柴油机的排气烟度，但微粒的排放量反而增加，且这些金属对人体有害，现在已不推荐使用。

通过以上分析可以看出，柴油机燃料方面的控制措施主要有以下几种：采用代用燃料；提高燃料的十六烷值；选择适当的柴油粘度，降低柴油的表面张力；降低密度；减少柴油中的含硫量和芳香烃含量。这些技术措施都有助丁降低柴油机尾气有害排放物。柴油机机内净化技术

柴油机机内净化技术主要是改善油气混合气，防止局部过量空气系数超过0.9（这有利于NO的生产）和低于0.6（这有利于碳烟的生产）。降低微粒和碳烟的排放与改善燃烧过程是一致的，使柴油机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。但是这些减少措施往往会增加NO的排放，这为柴油机的排放控制造成了特殊的困难。因此在确定尾气净化措施时，需要从目前先进的净化技术出发，根据机器性能，采取多种措施综合使用，才能达到净化的目的。

2.1采用新的燃烧方式

传统的柴油机燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两个部分。主要燃烧是λ≈l处的扩散燃烧，火焰温度高，极易产生NOx，采用稀薄的均匀混合气可解决这一问题。美国西南研究院提出的均匀充量压缩燃烧系统（HCCI）和日本ACE研究所的预混稀薄燃燃烧过程（PREDIC）等均是采用这种思路。采用预混稀薄燃燃烧方式减少或消除了扩散燃烧，稀混合气可降低燃烧温度，可大幅度降低NOx，比一般柴油机降低98%；由于气缸内混合气均匀，无局部过浓混合气，可使PM排放比一般柴油机降低27%，预混稀薄燃烧方式目前还处于研究阶段，离实用还有一定距离，但是前景非常可观。2.2喷油系统的改进 2.2.1喷油规律改进

合理的喷油规律应该是：初期喷油速率不宜过高，以抑制NOx生成；中期应急速喷油，提高喷油速率和喷油压力，以加速扩散燃烧速度，防止PM升高和热效率的恶化；后期要迅速结束喷射，避免燃烧不完全及PM增加。在没有电控燃油喷射条件下，通过改变油泵凸轮形状，对喷油规律加以改进，传统凸轮为切线凸轮，改进凸轮为凹弧型凸轮，其供油规律具有初期低、中期急速及补燃期不拖长的特征。通过在某6105柴油机上验证试验，发现改进后，NOx降低6%~13%，PM降低80/15%，但燃油经济性略有恶化

为了实现先缓后急的喷油规律，也可使用双弹簧喷油器即为双开启压力喷油器，在油压上升时首先克服第一级较软的弹簧压力，使针阀略微顶起，由于流通面积很小，燃油喷射的速率较低；当油压升高到克服第二级弹簧压力时开始主喷射。

2.2.2提高喷油压力和减小喷孔直径

提高喷油压力和减少喷孔直径可以使燃油的喷雾颗粒进一步细化，以增大燃油和空气接触的表面积，加速燃油和空气的混合，明显地降低颗粒PM中碳的排放。高压喷射会导致NOx的增加，如采用推迟喷油时间和EGR等方法，以达到控制颗粒PM和NOx排放的目的。高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配，以避免过多的燃油喷射到气缸的冷表面上，减少HC和颗粒PM中有机可溶物SOF排放；高压喷射技术对喷油系统提出了十分苛刻的要求。要求整个系统有极高的强度、刚度和密封性。此种措施也必须和其他改进方法相结合才能达到更好的效果。

提高喷油压力可以有效地降低柴油机的微粒排放；减少燃油平均滴径，促进混合气形成；降低发动机最大压力升高率、降低燃烧噪声。2.2.3喷油正时与喷油速率的配合

控制柴油机的喷油正时是控制柴油机排放的重要手段，推迟喷油正时是降低柴油机排放中NOx浓度的简单而有效的措施之一。NOx对喷油正时的影响非常敏感，当喷油正时与设定值相差1℃A时，NOx将提高15%左右。为了减少NOx的排放，喷油正时正在逐步推迟，向上止点方向靠近。目前采用电控喷射的喷油正时已减少到上止点前5℃A左右。喷油速率对有害气体的排放有较大的影响，在实用中，常把推迟喷油正时与提高喷油速率同时使用，使单独使用推迟喷油正时引起的CO升高受到抑制，从而使CO和NOx排放均得到降低。

2.2.4先导喷射及多次喷射

在主喷射之前喷入少量的燃油，以降低NOx和噪声，主喷射要求喷油速率快、喷油压力高，促进混合气形成，以缩短缓燃期，保证良好的经济性和动力性，形成先导喷射（预喷射）＋主喷射的模式。为了同时降低NOx和PM的排放也可采用多次喷射的方法，即先导喷射和主喷射结束后再喷入少量的燃油形成过后喷射，过后喷射可促进碳烟的氧化，降低PM的排放。采用过后喷射会加大HC排放和耗油增加。在不同工况下要获得良好的效果，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求，这对于机械式喷油系统是很难想象的，只有电控高压共轨喷油系统才能胜任。2.3进气系统的改进

目前，柴油机的发展趋势是，提高喷油压力、降低涡流强度，以减少进气的压力损失，配合多气门小孔径喷油器来获得良好的混合气。2.3.1采用增压中冷技术

废气涡轮增压可提高进气压力、增大空气的供给量，提高了气缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，使燃油燃烧完全，可使柴油机颗粒状物质的排放量降低50%左右，并减少了CO和HC的排放。增压后，燃油消耗率下降，CO和HC也会进一步降低。同时使进气温度提高而使燃烧温度增加，致使增压后NOx比非增压要高。对此可采用增压中冷的方法使进气温度降低，以控制NOx的恶化。据资料介绍，进气温度降低0~5℃，最高燃烧温度和排气温度可降低1~3℃利用中冷技术，NOx的排放量可降低60%/-70%。所以采用增压中冷是降低车用柴油机排气排放物的有效措施之一。2.3.2多气门设计

采用多气门设计主要是为了扩大进排气门的总流通总面积，提高进气充量，使柴油的燃烧更彻底；实现进气涡流比可变。在实现这些目标时，它对柴油机排放亦产生较大影响。该影响来自两个方面，一是采用4气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近，使油气混合均匀，燃烧及早结束，有利于降低NOx、另外，4气门使燃烧室凹坑内产生较大涡流，减少涡流死区，有利于降低PM。二是可关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度。变涡流比影响，研究人员对某6108柴油机进行了涡流比变化对NOx，PM的影响试验，该机为4气门结构，与双进气门配合的双进气道为长螺旋气道和短切向气道，切向气道涡流近于零，并可节流，以此实现涡流比可变。在低转速时，关闭切向气道，即可获高涡流比，从而提高低速时的混合气质量，改善柴油机的经济性、动力性和排放。2.4优化燃烧系统

优化燃烧系统指的是供油系统、进气流动和燃烧室的形状的最佳匹配。单独看来，采用何种强度的涡流、何种程度的高压喷油、何种形式的燃烧室，没有最佳方案。但三者的最佳配合就是最优组合。例如，当喷油压力较低需要借助高强度气流运动来加速油气混合，在重型车用柴油机上，采用较高的喷油压力和较多的喷孔数，可以使进气涡流降低。中央带凸起的燃烧室气流运动较强，且可维持较长的时间，这对加速扩散燃烧有利。中央带凸起的燃烧室燃烧过程急速，主燃期较短，适当延迟供油定时可在油耗率和烟度变化不大的前提下大幅度降低NOx排放。

目前，直喷式柴油机的发展趋势是，提高喷油压力；增加喷油器的喷孔数，减少孔径；根据柴油机工况优化喷油定时，使喷油正时不仅随转速而且能随负荷的变化自动调节。采用分隔式燃烧室，由于火焰高峰温度较低，不利于NOx的生成；碳烟大部分在副燃烧室中产生，进入主燃烧室后，大部分被氧化，有效地减少颗粒和HC排放，分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室NOx的排放量低1/3－1/2。新开发的燃烧系统采用强烈持续的后期扰动，可有效降低碳烟和微粒的排放，几近似于无烟。这又为进一步采用废气再循环或推迟喷油提前角来降低NOx排放创造了条件。2.5应用柴油机电控技术

采用电子控制不仅可以提高喷油定时和喷油量的控制精度，而且在EGR、放气阀或可变几何涡轮增压等空气控制部件也可以用电子控制技术进行柔性或精确控制。控制系统最理想的方案应是能使燃油经济性和废气排放均获得优化。

电子控制柴油机高压喷射技术（如电控高压共轨喷射）的应用可使柴油机通过最佳喷油正时、最佳喷油率和预喷射，与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，采用先导喷射及多次喷射技术，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求，这些显然只有在电控高压共轨系统中才能良好地实现。大大降低了颗粒排放，并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。共轨式电控喷射技术是目前最先进的柴油机电控喷射技术，共轨系统的开发、应用与研究工作在国外报道较多，然而在国内，这方面的研究还处于起步阶段。2.6采用废气再循环（EGR）

废气再循环（EGR）是再保证内燃机动力性不降低的前提下，将一部分排气导入进气系统中，和新鲜混合气混合后再进入气缸参加燃烧，通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOx的排放。利用废气再循环（EGR）来降低NOx，的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由ECU对EGR率和EGR时机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中NOx的排放。

目前，EGR在汽油机上的应用比较成功，而在柴油机上却不尽人意。主要原因在于，柴油机排放中大量的PM和其他有害排放物直接引入气缸会增加活塞环和缸套的磨损，还会稀释润滑油并加速其变质。柴油机采用EGR相当于将一定数量的CO和水蒸气添加到进气空气中而成为一种稀释剂，EGR率增大还使进气工质的密度和O浓度下降，致使缸内可燃混合气的燃烧速度和燃烧温度均有所降低，最终导致发动机的动力性和经济性下降，HC，CO和PM排放增加。发动机处于中小负荷工况时，采用EGR的效果十分显著。当EGR率为30%左右时，发动机的排放及综合性能较好：采用较大的EGR率降低NOx排放效果更加明显，且发动机经济性的下降并不突出。发动机在大负荷工况时，若采用EGR，则会导致发动机的经济性和动力性明显下降，另外，还会增加活塞环和缸套的磨损及加速润滑油的变质。因此大负荷工况时不宜采用EGR。

涡轮增压柴油机在30%~50%负荷以上的工况下.平均排气压力低于平均进气压力。故排气再循环难以实现。为此，各国学者提出了多种在增压柴油机上实现排气再循环的方案。主要有：通过调整正时实现内部EGR；在进气管或排气管内装节流阀，通过节流来降低进气压力或提高排气压力；通过辅助装置或活塞本身的压力将废气压入进气管；通过在进气管加装文曲利管（Venturi Pipe），降低EGR接头处的进气压力；利用压力波动等。其中采用文曲利管EGR系统能较方便地在高工况下实现排气再循环.并且附加泵气损失少、成本不高、有很大的优越性。

2.7防止机油的泄漏

柴油机尾气排放中PM除了燃油燃烧生成外，机油产生的PM也占相当部分。PM可分为可溶性有机物（SOF）和不可溶有机物（IOF）两部分，两者所占的比例大约为39%和61%。在SOF中，由机油产生的PM占绝大部分，约占PM总量的29%；机油除产生SOF外也产生IOF，来自机油的PM总计占PM总量34%。同时，窜入燃烧室中不完全燃烧的机油随尾气排出，是形成柴油机排放的蓝烟的重要组成部分。因此，必须尽量防止和减少机油窜入燃烧室，这应通过改进润滑油系统设计，减少裙部间隙，优化活塞、活塞环和气缸表面的设计，提高气缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施，减少从气门推杆泄漏的机油等措施来实现。2.8加水燃烧

在柴油中加入少量的水，形成“油包水”形式的乳化燃料，燃烧时液态水受热变为汽态时，吸收汽化潜热，使燃烧温度和压力下降，以致在提高燃油蒸发速度的同时，减少了热裂反应，从而抑制NOx的生成，同时，由于液态水受热变为汽态会形成“爆炸”，具有进一步雾化的作用，使燃料和空气进一步混合，减少PM的排放。

实验证明：当喷水量等于燃油量时，NOx＋HC的排放将降低50%左右，而功率仅仅降低4%，降低排放效果较好。但是，进气管喷水会造成进气管、气缸腐蚀增加，油底壳易积水，并要求喷水量能随发动机负荷的改变而调节，这在设计和l结构上存在一定的困难。3 柴油机尾气后处理技术

柴油机尾气中氧含量较高，HC和CO的含量比汽油机低的多，其主要有害物是NOx和碳烟，因此柴油机尾气净化的重点是降低NOx和减少碳烟。措施为用选择性还原催化转化器在富氧条件下还原NOx，用氧化催化转化器降低HC和CO的排放量和颗粒PM状物质中的有机成分；用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。

3.1 NOx的后处理措施

去除NOx的最理想的方法是将NO催化分解为N和O，但是在O和SO作用下催化剂很快失活，因而这种方法的实用前景渺茫。目前，柴油机尾气NOX净化研究主要从选择性催化还原和吸附一催化还原两条技术路线入手，碳素纤维还原技术。

选择性催化还原最重要的是确定还原剂和催化剂。研究者对NH3选择性催化还原柴油机排气NOX也进行过尝试，结果表明其净化率可达65%以上.但是，这种方法只适合于固定式柴油机排气的净化处理，对于运行工况多变的柴油车，因存在NH3泄漏问题而不适用。1990年，1wamoto和Held分别报道在Cu/ZSM一5催化剂上，HC能选择性催化还原NOx，到目前为止，研究过的催化剂可分为负载型贵金属、负载型金属氧化物和离子交换的沸石三大类。拓宽催化剂或催化剂一还原剂组合的活性温度范围，提高催化剂在S02和水热环境中的稳定性是今后的努力方向。

吸附一催化还原NO是在稀燃阶段将NOx吸附储存起来，而在短暂的富燃阶段，NOx释放并被排气中的HC还原。吸附还原型三元催化剂的活性成分是贵金属和碱土金属（或稀土金属），影响吸附一还原催化剂性能的主要因素是吸附剂在柴油机尾气温度下吸附NO的容量及其抗SO2和CO2毒害能力，提高这两方面的性能是今后的努力目标。吸附一催化还原已被日本汽车生产厂家证明适用于部分新车型的NOX净化，但这种方法在一定程度上牺牲了燃料的经济性，还要求燃料含S量非常低。对于超低S燃料，现有吸附一催化还原技术可将NOX降低90%。适用于S高含量燃料的吸附一催化技术目前尚在开发之中。

对于同时净化PM和NO的技术，部分研究结果表明，在钙钛和贵金属催化剂上碳粒能还原NOx。最近，日本丰田公司开发出一种连续式同时催化净化PM和NOX并对NO和HC也具有较好的净化作用，所以有望在同一种催化剂上同时净化PM，NO，CO和HC，即开发出所谓的“四效催化剂”，其开发成功无疑将极大地推动柴油机尾气控制技术的进步。

采用碳素纤维加载低电压技术，可有效减少NOx的排放。碳素纤维具有催化活性，能促进废气中的NO与C或HC进行氧化还原反应，随着电压的升高，可使NOX排放明显降低。目前，该技术正处于研究阶段，尚未取得突破性进展，同时该技术净化效果的发挥必须以微粒的有效消除为基础。对不同基材的活性碳素纤维采用硝酸浸渍，并以此作为直接还原剂，以达到脱除NO的目的。如采用硝酸浸渍的沥青基、粘胶基、聚丙稀晴基等为原材料制成的活性碳素纤维。不过，这些研究仍处于试验室阶段。3.2 PM的后处理技术

3.2.1加装氧化催化转化器 柴油机PM后处理技术包括催化氧化和过滤。柴油机加装氧化催化转换器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性SOF有机组分的常用措施。采取此措施（以铂Pt、钯Pd贵重金属作为催化剂）能使HC、CO减少50%，颗粒PM减少50%~70%，其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。

但是，氧化催化器的缺点是会将排气中的SO2氧化为SO，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，额外增加颗粒物质排放量。美国最近针对新型柴油机进行的一项示范研究表明，当使用S的质量分数为368×10－6的柴油时，催化氧化可使瞬态工况条件下的PM排放降低23%~29%，HC降低52%~58%若改用S的质量分数为54×10－6的柴油，PM可降低13%。所以，柴油机氧化催化器一般适用于含硫量较低的柴油燃料；并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常，使净化效果达到最佳。

3.2.2采用微粒捕集器

微粒捕集器由微粒过滤器和再生装置组成。微粒捕集器通过其中有极小孔隙的过滤介质（滤芯）捕集柴油机排气中的固态碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。

微粒捕集器的工作主体是滤芯，目前常用的过滤材料有：金属丝网、陶瓷纤维、泡沫陶瓷和壁流式蜂窝陶瓷等。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。滤芯应满足较高的性能指标：具有较高的过滤效率，具有大的过滤面积耐热冲击性好，具有较强的机械性能指标，热稳定性好，能承受较高的热负荷具有较小的热膨胀系数通过性好，流通阻力小在外形尺寸相同的情况下，背压小，背压增长率低，适应再生能力强质量轻。目前，最常使用的过滤材料为堇青石（其主要成分为MgO.AlO.SiO）和碳化硅晶体SiC。

微粒捕集器对碳的过滤效率较高，可达到60%。在过滤过程中，会导致柴油机排气背压升高，当排气背压达到16~20kPa时，柴油机性能开始恶化，因此必须定期地除去颗粒，使过滤器恢复到原来的工作状态，即过滤器再生。微粒捕集器的再生方式可分为“被动”再生和“主动”再生：“被动”方式即为催化再生，是在过滤器载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗粒的氧化反应的活化能，降低碳粒的起燃温度来实现颗粒过滤器的再生；“主动”再生方式又称为“热再生”，即外加能量（热能）的再生方式，利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤器内的微粒PM。根据外加能量的形式可分为：全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、电自加热再生和微波再生等。随后又开发出CRT（连续再生捕集器）系统、节流再生、逆向喷气再生、振动再生等几种非加热再生方式。

就目前而言，在再生过滤器的研究中需进一步解决的问题有：降低再生温度，进一步降低再生所需要的能量。在柴油机的排气温度下使其能有效地再生，达到减少能量损耗和简化机构的目的：对于使用气压制动的车辆，逆向喷气再生技术是今后的一个发展方向。但其结构和能量的来源以及可靠性都有待于进一步深入研究。连续再生将是以后一个重要的发展方向，但就中国而言，由于受柴油中的硫含量太高的影响（要求为50×10），国内在相当长的时间内受化工技术的影响不能使用。

在各种柴油机微粒捕捉器再生技术中，除连续再生外，都要对再生时机进行判断，即进行再生控制，再生控制系统是微粒捕捉器不可缺少的部分。现代自动捕集器系统已经具备在线诊断系统形式的电子监测，并同时控制再生过程，除了简单地监测背压，还用复杂的运算来确定烟尘装载量。最新开发的烟尘传感器（如测电导率）可连续监控排气的清洁度，保证了捕集器在正确的时机进行再生。3.2.3静电式微粒收集器

柴油机排气微粒中有70%~80%呈带电状态，每个带电微粒约带1~5个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性。目前利用附加强电场对呈带电特性的碳烟微粒进行静电吸附，并取得了一定的试验成果。但目前的问题是设备体积过大，成本太高，在车辆上使用最困难的是高压电的供给及收集中防止二次分散及反电晕等问题。但是随着技术的发展也是极有前景的。3.2.4电压捕集技术

在柴油机排气管的上下游分别装金属网，网间加约50V直流电压。一般上游的金属网网格较大，加负电压；下游的金属网网格较密，加正电压。当微粒经过上游金属网时带上负电，经过下游带正电的金属网时被吸附，从而达到微粒净化的目的，这种方法装置简单且过滤效率高。3.2.5脉冲电晕等离子体化学处理技术

此种技术利用5－20eV的高能电子轰击反应器中的气体分子NOx，SO，O，HO等。经过激活、分解、电离等过程产生很强的自由基COH，HO，原子氧（O）和臭氧等，强氧化物迅速氧化掉碳粒、NOx和SO在水的作用下生成硝酸和硫酸，加入适当的添加剂（NH等）则生成相应的铵盐，可通过滤清器和静电除尘收集产物，从而达到减少污染的目的。但由于本过程产生了新的盐类和其它化学成份，有可能形成二次污染，目前尚处于理论研究和实验室内的应用。3.2.6静电旋风技术

研究人员对静电旋风技术捕集去除柴油机PM的效果进行了探索性研究。结果表明，借助高压脉冲静电作用不仅能较好地捕集柴油机排气PM，而且尾气中的HC和NOx也有一定的去除作用。静电旋风捕集器具有排气阻力小、清灰简单等优势。4 结束语 4.1燃料方面

目前的发展方向是采用代用燃料，提高石油冶炼技术，研制新型柴油添加剂，消除柴油中的硫，减少燃油中的芳烃成分，降低柴油中不饱和烃的含量，提高柴油的品质，从源头上解决尾气排放的问题。

4.2机内净化技术

柴油机尾气排放控制的发展方向将是采用多种措施综合应用。运用电子控制技术，通过对柴油机优化设计，采用增压中冷、EGR来达到最优配合。4.3尾气后处理技术

催化剂、氧化剂和还原剂是发展的方向，此外微粒捕集器的再生技术以及去除微粒的非过滤技术也有待于发展。

第二篇：工程机械柴油机尾气控制技术现状与展望

柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在工程机械领域得到了广泛的应用，如压路机、装载机、挖掘机、推土机等都是以柴油机作为动力。虽然柴油机具有许多优点，但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有HC、CO、SO、NO和PM(微粒)。尤其是在施工现场，由于工程机械和运输车辆来往比较频繁，加之通风条件的限制，这些工程机械排放的有害气体严重超标且会弥漫于整个上作面，极大地危害了施工人员的身体健康和施工的正常进行，因此，对柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义。

1燃料方面的控制措施

1.1代用燃料

采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一，并且由于化石燃料有限，寻找代用燃料更成为当前内燃机研究的热门话题。目前，代用燃料主要有天然气、压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、氢气、甲醇、乙醇、二甲醚(DEM)，碳酸二甲酯(DMC)及生物柴油等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源的代用燃料。其中CNG，LPG，甲醇一汽油汽车在我国得到了政府的大力支持并得到迅速发展。

甲醇可从天然气、煤及生物质等原料中提取；乙醇主要是含糖和淀粉的农作物发酵后制得。利用醇类燃料发动机的动力性和经济性可接近或超过柴油机和汽油机，排气的有害成分少，是一种很有发展前景的燃料。但是，甲醇和乙醇燃烧时会放出甲醛和乙醛等有害成分，因而在使用上受到限制。

二甲醚(DEM)是近年来倍受关注的柴油机代用燃料，它可从煤、天然气和生物物质废料中制得。DEM的自燃性很好，可作为单燃料直接代替柴油；能够实现发动机高效、柔和压缩燃烧，具有与柴油机相同或略高的动力性和经济性能；最突出的优点是DEM能够彻底消除排烟和实现超低排放，NOx排放比柴油机低30%以上，若同时采用废气再循环时，可将NO排放进一步降低到一般柴油机的50%达到PM和NO的同时降低。

碳酸二甲酯(DMC)中含有53.3%的氧，燃烧所产生的碳烟和颗粒比纯柴油低；据报道，保加利亚生物燃料和再生能源协会通过加工使用过的食用油，来生产生物柴油，年产量可达300吨。它实际上是甲基酯菜籽油或甲基酯植物油，生产原料为向日葵、大豆等等。市场售价每升为0.5美元的这种生物柴油，可以替代柴油，也可与柴油混合使用。而且，它完全由可再生原料提炼而成，在燃烧过程中产生的二氧化碳量大大低于普通柴油，对环境的污染比普通柴油小得多。目前，已有美国、德国、巴西、阿根廷等投入生产。

另外也有一种生物柴油，是以废餐饮油等为原料制成的液体燃料。其基本制作过程为：垃圾油加入反应罐后，通过一种微酸性催化剂技术，使得其醇解和酯化可同时进行，反应速度也明显加快。另外，通过一种金属盐处理剂，解决了利用废旧动植物油脂生产柴油残留酸值高的关键问题。这两项关键技术都降低了生物柴油的生产成本，使得生物柴油从实验室走进了生产车间。1.2燃油的改性

1.2.1提高十六烷值。柴油的十六烷值越高，着火延迟期越短，点火质量越好；各种污染物的排放一般随柴油十六烷的增加而下降，十六烷值不足，着火延迟期缩短，点火质量差，预混合燃烧量过多，运转粗暴，噪声加大，黑烟和NO排放增加。增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗粒PM、CO和NO的排放。

1.2.2降低芳香烃在燃油中的含量。芳香烃的密度比较大，着火性比较差，燃烧过程中会产生更多的碳黑，使尾气中的CO，HC，NO以及PM都有所增加。因此，降低芳香烃的含量可以有效地控制有害污染物的排放。

1.2.3降低燃油中的含S量。在燃烧过程中柴油中的S有1%~3%转化为硫酸盐排出；其余的主要转化为SO，Van Beckhoven研究发现：在直喷柴油机中，燃油中S份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低10%~30%。Bartlett报道说在所有轻型柴油机中，燃油中硫份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低大约7%。

1.2.4降低密度。柴油密度、粘度是柴油重要的理化指标，它们将影响柴油的喷雾质量，进而影响柴油机的排放情况。降低柴油的密度，可使HC和排放中的颗粒物减少。燃料密度从840kg/m3减少到800kg/m3，微粒排放物将减少13%。

1.2.5利用燃油添加剂。经常使用的有十六烷值改进添加剂、消除积炭添加剂和消烟剂等，但是这些添加剂使用后的作用并不理想，有的还有负面影响。比如应用较多的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，加入少量后可显著降低柴油机的排气烟度，但微粒的排放量反而增加，且这些金属对人体有害，现在已不推荐使用。

通过以上分析可以看出，柴油机燃料方面的控制措施主要有以下几种：采用代用燃料；提高燃料的十六烷值；选择适当的柴油粘度，降低柴油的表面张力；降低密度；减少柴油中的含硫量和芳香烃含量。这些技术措施都有助丁降低柴油机尾气有害排放物。

2柴油机机内净化技术

柴油机机内净化技术主要是改善油气混合气，防止局部过量空气系数超过0.9(这有利于NO的生产)和低于0.6(这有利于碳烟的生产)。降低微粒和碳烟的排放与改善燃烧过程是一致的，使柴油机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。但是这些减少措施往往会增加NO的排放，这为柴油机的排放控制造成了特殊的困难。因此在确定尾气净化措施时，需要从目前先进的净化技术出发，根据机器性能，采取多种措施综合使用，才能达到净化的目的。

2.1采用新的燃烧方式

传统的柴油机燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两个部分。主要燃烧是λ≈l处的扩散燃烧，火焰温度高，极易产生NOx，采用稀薄的均匀混合气可解决这一问题。美国西南研究院提出的均匀充量压缩燃烧系统(HCCI)和日本ACE研究所的预混稀薄燃燃烧过程(PREDIC)等均是采用这种思路。采用预混稀薄燃燃烧方式减少或消除了扩散燃烧，稀混合气可降低燃烧温度，可大幅度降低NOx，比一般柴油机降低98%；由于气缸内混合气均匀，无局部过浓混合气，可使PM排放比一般柴油机降低27%，预混稀薄燃烧方式目前还处于研究阶段，离实用还有一定距离，但是前景非常可观。

2.2喷油系统的改进

2.2.1喷油规律改进

合理的喷油规律应该是：初期喷油速率不宜过高，以抑制NOx生成；中期应急速喷油，提高喷油速率和喷油压力，以加速扩散燃烧速度，防止PM升高和热效率的恶化；后期要迅速结束喷射，避免燃烧不完全及PM增加。

在没有电控燃油喷射条件下，通过改变油泵凸轮形状，对喷油规律加以改进，传统凸轮为切线凸轮，改进凸轮为凹弧型凸轮，其供油规律具有初期低、中期急速及补燃期不拖长的特征。通过在某6105柴油机上验证试验，发现改进后，NOx降低6%~13%，PM降低80/15%，但燃油经济性略有恶化

为了实现先缓后急的喷油规律，也可使用双弹簧喷油器即为双开启压力喷油器，在油压上升时首先克服第一级较软的弹簧压力，使针阀略微顶起，由于流通面积很小，燃油喷射的速率较低；当油压升高到克服第二级弹簧压力时开始主喷射。

2.2.2提高喷油压力和减小喷孔直径

提高喷油压力和减少喷孔直径可以使燃油的喷雾颗粒进一步细化，以增大燃油和空气接触的表面积，加速燃油和空气的混合，明显地降低颗粒PM中碳的排放。高压喷射会导致NOx的增加，如采用推迟喷油时间和EGR等方法，以达到控制颗粒PM和NOx排放的目的。高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配，以避免过多的燃油喷射到气缸的冷表面上，减少HC和颗粒PM中有机可溶物SOF排放；高压喷射技术对喷油系统提出了十分苛刻的要求。要求整个系统有极高的强度、刚度和密封性。此种措施也必须和其他改进方法相结合才能达到更好的效果。

提高喷油压力可以有效地降低柴油机的微粒排放；减少燃油平均滴径，促进混合气形成；降低发动机最大压力升高率、降低燃烧噪声。

2.2.3喷油正时与喷油速率的配合

控制柴油机的喷油正时是控制柴油机排放的重要手段，推迟喷油正时是降低柴油机排放中NOx浓度的简单而有效的措施之一。NOx对喷油正时的影响非常敏感，当喷油正时与设定值相差1℃A时，NOx将提高15%左右。为了减少NOx的排放，喷油正时正在逐步推迟，向上止点方向靠近。目前采用电控喷射的喷油正时已减少到上止点前5℃A左右。喷油速率对有害气体的排放有较大的影响，在实用中，常把推迟喷油正时与提高喷油速率同时使用，使单独使用推迟喷油正时引起的CO升高受到抑制，从而使CO和NOx排放均得到降低。

2.2.4先导喷射及多次喷射

在主喷射之前喷入少量的燃油，以降低NOx和噪声，主喷射要求喷油速率快、喷油压力高，促进混合气形成，以缩短缓燃期，保证良好的经济性和动力性，形成先导喷射(预喷射)＋主喷射的模式。为了同时降低NOx和PM的排放也可采用多次喷射的方法，即先导喷射和主喷射结束后再喷入少量的燃油形成过后喷射，过后喷射可促进碳烟的氧化，降低PM的排放。采用过后喷射会加大HC排放和耗油增加。在不同工况下要获得良好的效果，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求，这对于机械式喷油系统是很难想象的，只有电控高压共轨喷油系统才能胜任。

2.3进气系统的改进

目前，柴油机的发展趋势是，提高喷油压力、降低涡流强度，以减少进气的压力损失，配合多气门小孔径喷油器来获得良好的混合气。

2.3.1采用增压中冷技术

废气涡轮增压可提高进气压力、增大空气的供给量，提高了气缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，使燃油燃烧完全，可使柴油机颗粒状物质的排放量降低50%左右，并减少了CO和HC的排放。增压后，燃油消耗率下降，CO和HC也会进一步降低。同时使进气温度提高而使燃烧温度增加，致使增压后NOx比非增压要高。对此可采用增压中冷的方法使进气温度降低，以控制NOx的恶化。据资料介绍，进气温度降低0~5℃，最高燃烧温度和排气温度可降低1~3℃利用中冷技术，NOx的排放量可降低60%/-70%。所以采用增压中冷是降低车用柴油机排气排放物的有效措施之一。

2.3.2多气门设计

采用多气门设计主要是为了扩大进排气门的总流通总面积，提高进气充量，使柴油的燃烧更彻底；实现进气涡流比可变。在实现这些目标时，它对柴油机排放亦产生较大影响。该影响来自两个方面，一是采用4气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近，使油气混合均匀，燃烧及早结束，有利于降低NOx、另外，4气门使燃烧室凹坑内产生较大涡流，减少涡流死区，有利于降低PM。二是可关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度。变涡流比影响，研究人员对某6108柴油机进行了涡流比变化对NOx，PM的影响试验，该机为4气门结构，与双进气门配合的双进气道为长螺旋气道和短切向气道，切向气道涡流近于零，并可节流，以此实现涡流比可变。在低转速时，关闭切向气道，即可获高涡流比，从而提高低速时的混合气质量，改善柴油机的经济性、动力性和排放。

2.4优化燃烧系统

优化燃烧系统指的是供油系统、进气流动和燃烧室的形状的最佳匹配。单独看来，采用何种强度的涡流、何种程度的高压喷油、何种形式的燃烧室，没有最佳方案。但三者的最佳配合就是最优组合。例如，当喷油压力较低需要借助高强度气流运动来加速油气混合，在重型车用柴油机上，采用较高的喷油压力和较多的喷孔数，可以使进气涡流降低。中央带凸起的燃烧室气流运动较强，且可维持较长的时间，这对加速扩散燃烧有利。中央带凸起的燃烧室燃烧过程急速，主燃期较短，适当延迟供油定时可在油耗率和烟度变化不大的前提下大幅度降低NOx排放。

目前，直喷式柴油机的发展趋势是，提高喷油压力；增加喷油器的喷孔数，减少孔径；根据柴油机工况优化喷油定时，使喷油正时不仅随转速而且能随负荷的变化自动调节。采用分隔式燃烧室，由于火焰高峰温度较低，不利于NOx的生成；碳烟大部分在副燃烧室中产生，进入主燃烧室后，大部分被氧化，有效地减少颗粒和HC排放，分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室NOx的排放量低1/3-1/2。新开发的燃烧系统采用强烈持续的后期扰动，可有效降低碳烟和微粒的排放，几近似于无烟。这又为进一步采用废气再循环或推迟喷油提前角来降低NOx排放创造了条件。

2.5应用柴油机电控技术

采用电子控制不仅可以提高喷油定时和喷油量的控制精度，而且在EGR、放气阀或可变几何涡轮增压等空气控制部件也可以用电子控制技术进行柔性或精确控制。控制系统最理想的方案应是能使燃油经济性和废气排放均获得优化。

电子控制柴油机高压喷射技术(如电控高压共轨喷射)的应用可使柴油机通过最佳喷油正时、最佳喷油率和预喷射，与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，采用先导喷射及多次喷射技术，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求，这些显然只有在电控高压共轨系统中才能良好地实现。大大降低了颗粒排放，并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。共轨式电控喷射技术是目前最先进的柴油机电控喷射技术，共轨系统的开发、应用与研究工作在国外报道较多，然而在国内，这方面的研究还处于起步阶段。

2.6采用废气再循环(EGR)

废气再循环(EGR)是再保证内燃机动力性不降低的前提下，将一部分排气导入进气系统中，和新鲜混合气混合后再进入气缸参加燃烧，通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOx的排放。利用废气再循环(EGR)来降低NOx，的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由ECU对EGR率和EGR时机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中NOx的排放。

目前，EGR在汽油机上的应用比较成功，而在柴油机上却不尽人意。主要原因在于，柴油机排放中大量的PM和其他有害排放物直接引入气缸会增加活塞环和缸套的磨损，还会稀释润滑油并加速其变质。柴油机采用EGR相当于将一定数量的CO和水蒸气添加到进气空气中而成为一种稀释剂，EGR率增大还使进气工质的密度和O浓度下降，致使缸内可燃混合气的燃烧速度和燃烧温度均有所降低，最终导致发动机的动力性和经济性下降，HC，CO和PM排放增加。发动机处于中小负荷工况时，采用EGR的效果十分显著。当EGR率为30%左右时，发动机的排放及综合性能较好：采用较大的EGR率降低NOx排放效果更加明显，且发动机经济性的下降并不突出。发动机在大负荷工况时，若采用EGR，则会导致发动机的经济性和动力性明显下降，另外，还会增加活塞环和缸套的磨损及加速润滑油的变质。因此大负荷工况时不宜采用EGR。

涡轮增压柴油机在30%~50%负荷以上的工况下.平均排气压力低于平均进气压力。故排气再循环难以实现。为此，各国学者提出了多种在增压柴油机上实现排气再循环的方案。主要有：通过调整正时实现内部EGR；在进气管或排气管内装节流阀，通过节流来降低进气压力或提高排气压力；通过辅助装置或活塞本身的压力将废气压入进气管；通过在进气管加装文曲利管(Venturi Pipe)，降低EGR接头处的进气压力；利用压力波动等。其中采用文曲利管EGR系统能较方便地在高工况下实现排气再循环.并且附加泵气损失少、成本不高、有很大的优越性。

2.7防止机油的泄漏

柴油机尾气排放中PM除了燃油燃烧生成外，机油产生的PM也占相当部分。PM可分为可溶性有机物(SOF)和不可溶有机物(IOF)两部分，两者所占的比例大约为39%和61%。在SOF中，由机油产生的PM占绝大部分，约占PM总量的29%；机油除产生SOF外也产生IOF，来自机油的PM总计占PM总量34%。同时，窜入燃烧室中不完全燃烧的机油随尾气排出，是形成柴油机排放的蓝烟的重要组成部分。因此，必须尽量防止和减少机油窜入燃烧室，这应通过改进润滑油系统设计，减少裙部间隙，优化活塞、活塞环和气缸表面的设计，提高气缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施，减少从气门推杆泄漏的机油等措施来实现。

2.8加水燃烧

在柴油中加入少量的水，形成“油包水”形式的乳化燃料，燃烧时液态水受热变为汽态时，吸收汽化潜热，使燃烧温度和压力下降，以致在提高燃油蒸发速度的同时，减少了热裂反应，从而抑制NOx的生成，同时，由于液态水受热变为汽态会形成“爆炸”，具有进一步雾化的作用，使燃料和空气进一步混合，减少PM的排放。

实验证明：当喷水量等于燃油量时，NOx＋HC的排放将降低50%左右，而功率仅仅降低4%，降低排放效果较好。但是，进气管喷水会造成进气管、气缸腐蚀增加，油底壳易积水，并要求喷水量能随发动机负荷的改变而调节，这在设计和l结构上存在一定的困难。

3柴油机尾气后处理技术

柴油机尾气中氧含量较高，HC和CO的含量比汽油机低的多，其主要有害物是NOx和碳烟，因此柴油机尾气净化的重点是降低NOx和减少碳烟。措施为用选择性还原催化转化器在富氧条件下还原NOx，用氧化催化转化器降低HC和CO的排放量和颗粒PM状物质中的有机成分；用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。

3.1 NOx的后处理措施

去除NOx的最理想的方法是将NO催化分解为N和O，但是在O和SO作用下催化剂很快失活，因而这种方法的实用前景渺茫。目前，柴油机尾气NOX净化研究主要从选择性催化还原和吸附一催化还原两条技术路线入手，碳素纤维还原技术。

选择性催化还原最重要的是确定还原剂和催化剂。研究者对NH3选择性催化还原柴油机排气NOX也进行过尝试，结果表明其净化率可达65%以上.但是，这种方法只适合于固定式柴油机排气的净化处理，对于运行工况多变的柴油车，因存在NH3泄漏问题而不适用。1990年，1wamoto和Held分别报道在Cu/ZSM一5催化剂上，HC能选择性催化还原NOx，到目前为止，研究过的催化剂可分为负载型贵金属、负载型金属氧化物和离子交换的沸石三大类。拓宽催化剂或催化剂一还原剂组合的活性温度范围，提高催化剂在S02和水热环境中的稳定性是今后的努力方向。

吸附一催化还原NO是在稀燃阶段将NOx吸附储存起来，而在短暂的富燃阶段，NOx释放并被排气中的HC还原。吸附还原型三元催化剂的活性成分是贵金属和碱土金属(或稀土金属)，影响吸附一还原催化剂性能的主要因素是吸附剂在柴油机尾气温度下吸附NO的容量及其抗SO2和CO2毒害能力，提高这两方面的性能是今后的努力目标。吸附一催化还原已被日本汽车生产厂家证明适用于部分新车型的NOX净化，但这种方法在一定程度上牺牲了燃料的经济性，还要求燃料含S量非常低。对于超低S燃料，现有吸附一催化还原技术可将NOX降低90%。适用于S高含量燃料的吸附一催化技术目前尚在开发之中。对于同时净化PM和NO的技术，部分研究结果表明，在钙钛和贵金属催化剂上碳粒能还原NOx。最近，日本丰田公司开发出一种连续式同时催化净化PM和NOX并对NO和HC也具有较好的净化作用，所以有望在同一种催化剂上同时净化PM，NO，CO和HC，即开发出所谓的“四效催化剂”，其开发成功无疑将极大地推动柴油机尾气控制技术的进步。

采用碳素纤维加载低电压技术，可有效减少NOx的排放。碳素纤维具有催化活性，能促进废气中的NO与C或HC进行氧化还原反应，随着电压的升高，可使NOX排放明显降低。目前，该技术正处于研究阶段，尚未取得突破性进展，同时该技术净化效果的发挥必须以微粒的有效消除为基础。对不同基材的活性碳素纤维采用硝酸浸渍，并以此作为直接还原剂，以达到脱除NO的目的。如采用硝酸浸渍的沥青基、粘胶基、聚丙稀晴基等为原材料制成的活性碳素纤维。不过，这些研究仍处于试验室阶段。

3.2 PM的后处理技术

3.2.1加装氧化催化转化器

柴油机PM后处理技术包括催化氧化和过滤。柴油机加装氧化催化转换器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性SOF有机组分的常用措施。采取此措施(以铂Pt、钯Pd贵重金属作为催化剂)能使HC、CO减少50%，颗粒PM减少50%~70%，其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。

但是，氧化催化器的缺点是会将排气中的SO2氧化为SO，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，额外增加颗粒物质排放量。美国最近针对新型柴油机进行的一项示范研究表明，当使用S的质量分数为368×10-6的柴油时，催化氧化可使瞬态工况条件下的PM排放降低23%~29%，HC降低52%~58%?若改用S的质量分数为54×10-6的柴油，PM可降低13%。所以，柴油机氧化催化器一般适用于含硫量较低的柴油燃料；并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常，使净化效果达到最佳。

3.2.2采用微粒捕集器

微粒捕集器由微粒过滤器和再生装置组成。微粒捕集器通过其中有极小孔隙的过滤介质(滤芯)捕集柴油机排气中的固态碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。

微粒捕集器的工作主体是滤芯，目前常用的过滤材料有：金属丝网、陶瓷纤维、泡沫陶瓷和壁流式蜂窝陶瓷等。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。滤芯应满足较高的性能指标：具有较高的过滤效率，具有大的过滤面积?耐热冲击性好，具有较强的机械性能指标，热稳定性好，能承受较高的热负荷?具有较小的热膨胀系数?通过性好，流通阻力小?在外形尺寸相同的情况下，背压小，背压增长率低，适应再生能力强?质量轻。目前，最常使用的过滤材料为堇青石(其主要成分为MgO.AlO.SiO)和碳化硅晶体SiC。

微粒捕集器对碳的过滤效率较高，可达到60%。在过滤过程中，会导致柴油机排气背压升高，当排气背压达到16~20kPa时，柴油机性能开始恶化，因此必须定期地除去颗粒，使过滤器恢复到原来的工作状态，即过滤器再生。微粒捕集器的再生方式可分为“被动”再生和“主动”再生：“被动”方式即为催化再生，是在过滤器载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗粒的氧化反应的活化能，降低碳粒的起燃温度来实现颗粒过滤器的再生；“主动”再生方式又称为“热再生”，即外加能量(热能)的再生方式，利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤器内的微粒PM。根据外加能量的形式可分为：全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、电自加热再生和微波再生等。随后又开发出CRT(连续再生捕集器)系统、节流再生、逆向喷气再生、振动再生等几种非加热再生方式。

就目前而言，在再生过滤器的研究中需进一步解决的问题有：降低再生温度，进一步降低再生所需要的能量。在柴油机的排气温度下使其能有效地再生，达到减少能量损耗和简化机构的目的：对于使用气压制动的车辆，逆向喷气再生技术是今后的一个发展方向。但其结构和能量的来源以及可靠性都有待于进一步深入研究。连续再生将是以后一个重要的发展方向，但就中国而言，由于受柴油中的硫含量太高的影响(要求为50×10)，国内在相当长的时间内受化工技术的影响不能使用。

在各种柴油机微粒捕捉器再生技术中，除连续再生外，都要对再生时机进行判断，即进行再生控制，再生控制系统是微粒捕捉器不可缺少的部分。现代自动捕集器系统已经具备在线诊断系统形式的电子监测，并同时控制再生过程，除了简单地监测背压，还用复杂的运算来确定烟尘装载量。最新开发的烟尘传感器(如测电导率)可连续监控排气的清洁度，保证了捕集器在正确的时机进行再生。

3.2.3静电式微粒收集器

柴油机排气微粒中有70%~80%呈带电状态，每个带电微粒约带1~5个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性。目前利用附加强电场对呈带电特性的碳烟微粒进行静电吸附，并取得了一定的试验成果。但目前的问题是设备体积过大，成本太高，在车辆上使用最困难的是高压电的供给及收集中防止二次分散及反电晕等问题。但是随着技术的发展也是极有前景的。

3.2.4电压捕集技术

在柴油机排气管的上下游分别装金属网，网间加约50V直流电压。一般上游的金属网网格较大，加负电压；下游的金属网网格较密，加正电压。当微粒经过上游金属网时带上负电，经过下游带正电的金属网时被吸附，从而达到微粒净化的目的，这种方法装置简单且过滤效率高。

3.2.5脉冲电晕等离子体化学处理技术

此种技术利用5-20eV的高能电子轰击反应器中的气体分子NOx，SO，O，HO等。经过激活、分解、电离等过程产生很强的自由基COH，HO，原子氧(O)和臭氧等，强氧化物迅速氧化掉碳粒、NOx和SO在水的作用下生成硝酸和硫酸，加入适当的添加剂(NH等)则生成相应的铵盐，可通过滤清器和静电除尘收集产物，从而达到减少污染的目的。但由于本过程产生了新的盐类和其它化学成份，有可能形成二次污染，目前尚处于理论研究和实验室内的应用。

3.2.6静电旋风技术

研究人员对静电旋风技术捕集去除柴油机PM的效果进行了探索性研究。结果表明，借助高压脉冲静电作用不仅能较好地捕集柴油机排气PM，而且尾气中的HC和NOx也有一定的去除作用。静电旋风捕集器具有排气阻力小、清灰简单等优势。

4结束语

4.1燃料方面

目前的发展方向是采用代用燃料，提高石油冶炼技术，研制新型柴油添加剂，消除柴油中的硫，减少燃油中的芳烃成分，降低柴油中不饱和烃的含量，提高柴油的品质，从源头上解决尾气排放的问题。

4.2机内净化技术

柴油机尾气排放控制的发展方向将是采用多种措施综合应用。运用电子控制技术，通过对柴油机优化设计，采用增压中冷、EGR来达到最优配合。

4.3尾气后处理技术

催化剂、氧化剂和还原剂是发展的方向，此外微粒捕集器的再生技术以及去除微粒的非过滤技术也有待于发展。

第三篇：工程机械液压控制技术的研究进展与展望

工程机械液压控制技术的研究进展与展望

摘 要：近年来，随着科学技术的不断发展，对工程机械液压的控制性能要求也越来越高，因此，在现代工程机械中液压传动和控制技术也扮演着越来越重要的角色。对于液压控制技术，如何能更有效的提高工程机械整机的控制性能以及可靠性等问题，成为当今工程机械液压控制领域的研究热点之一。本文以液压控制技术的概念和特点为切入点，对液压控制技术的发展前景和发展趋势进行简要分析。

关键词：工程机械；液压传动及控制技术；发展趋势；展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.102

0 前言

现如今，睡着科学技术的不断提高以及经济的飞速发展，液压传动控制技术对工业发展的影响也越来越大，在一定程度上它对工程机械的发展趋势起了决定性的作用。在实际工程控制过程中，如何充分发挥液压传动控制技术从而提高工程机械的性能，成为当今工程控制领域急需解决的重要问题之一，对此我们需要对工程机械液压传动控制技术进行全面的了解，进而对其做深入的研究。只有我们对该技术做了深入的了解之后才能更好的将液压控制技术应用于实际工程机械液压控制过程当中。下面就以下几个方面对其作前要分析。工程机械液压控制技术的概念及特点

在现代工程机械的发展过程中，液压传动及控制技术作为最重要的组成部分，发挥着重要的作用。

（1）液压控制技术的涵义。目前，液压控制技术是工程机械领域最为常见的控制系统，包括液压传动技术和控制技术，在技术研究过程中，作为液压控制系统的核心技术，两者彼此协调、促进及影响，从而保证了工程安全性可可靠性。所谓的液压控制技术就是在实际工程控制过程中通过电子机械，利用液压泵将机械能转化为压力，从而促使液压油工作，并且通过控制阀门来对液压油进行更加协调合理的控制，从而使液压缸通过不同的路径和动作来完成液压控制过程中的各项任务。

（2）液压控制技术的特点。在实际工程应用中，液压控制技术的特点可概括为如下四点：1）在狭窄的空间内，液压控制技术能实现大功率以及满足多方位执行器集中操作的性能要求；2）液压控制以发动机作为原动力时，岁系统中各种能源的利用率较好，从而也更好的实现了对能源的综合利用；3）在实际应用中，液压控制技术不受地形以及地理位置的影响，无论环境多么恶劣，他都能顺利的进行工作；4）液压控制系统属于环境友好型系统，即在生产过程中，不会对外界的生态环境造成破坏，实现了经济、环境等的协调发展。液压控制技术的发展趋势

（1）电子控制自动化。目前，常见的液压机械工作时均以电子控制系统为核心，首要目标就是提高它的性能、效能以及安全性能，其次就是更大程度的加大对各种能源的利用率。面对多路阀，实际工作中最为常见的控制方式就是利用电液比例来控制。该方式不仅提高了机械的工作效率及性能，还能完成远程操作这一要求。电子控制自动化还体现在电子泵技术上，工作原理就是将变量泵的压力、流动参数和流量通过电子控制系统实现控制，并且利用过程中检测到的流量、压力信号来进行负荷控制，最终提高变量泵的工作性能。

（2）智能化。整体上来看，尽管目前我国对液压控制技术的智能化研究还处于初级阶段，但该技术对工程机械的发展起了推动作用，对其工作性能也产生了极为重要的影响。在实际的工程应用中，智能控制系统能够较大幅度的提高工程机械的控制效率。例如无人挖掘机，由先进的液压控制、通信以及图像处理等技术，在很大程度上改善了现场人员的工作环境。在工作过程中无人挖掘机能够利用高级的控制方法，稳定性这一问题能得到有效的解决，在启动和停止时的振动现象也会大大地减弱，避免了机械因此而受到损坏的问题。

（3）节能。现如今，能源不断减少，可用资源对人类来说更加可贵，节能已经成为全球共同关注的话题之一，当然，在工程机械领域，机械节能已经成为该领域相关人员主要研究的核心内容，机械节能包括液压系统的节能和从发动机到液压系统的整体功率适应两部分。展望

在以后的机械控制研究领域内，主要针对液压控制技术在电子控制、节能、可靠性以及安全性等方面的研究，应进行更深一步的探究和开发。

电子控制方面，由于电子控制自动化是提高工程机械权值的重要方面，所以，设计者应该从用户者的角度进行设计，从而满足用户多方面的需求。

在节能上，研究者仍需进一步提高元器件的单体效率，随着研究的深入，提高元器件单体效率的难度变得越来越大，因此，我们须将研究重点转移到如何提高发动机和液压系统整体最佳效率的匹配上。最为重要的是研发新的实用性的节能液压元件，如二次调节系统和相关野鸭变压器、自由活塞发动机等。与此同时，还应注重能源和能量回收技术的开发。目前，动力混合系统在汽车上已得到广泛应用，同时也将逐渐应用于工程机械上。

在工程机械领域内，对机械的可靠性和安全性要求不断提高，因此，如何让提高机械的耐振性、耐热性、耐水性和相关元器件的可靠性，将成为今后的一大研究热点。同时，对环境适应性的研究也应当重视起来，其中包括对机械启动和停止时刻的产生的振动和噪声的控制，以及针对液压油如何将其可生物分解得技术的探究等。

在机械振动控制上，液压主动悬架技术逐渐应用于工程机械，事实证明，在实际的工程中也渐渐得到广泛应用。然而对于机械噪声的控制，实际工程中大多数仍然利用液压元件的某些特性来实现降低噪声这一要求。随着对流体动力学仿真、噪声数值的模拟和试验的分析设计方法的不断涌出，建立起一套液压元件的低噪声的结构和参数设计准则，从而使得液压元件上午噪声评价能在设计阶段进行，这将成为工程机械领域又一重点研究方向。结束语

近年来，国内工程机械得到迅猛发展，应用领域也不断拓展，本文主要针对工程机械液压控制技术的研究进展与展望进行了浅要分析，对于当前的研究进展，主要从电子控制自动化、智能化、节能和环保等方面做了前要分析，然后在此基础上对工程机械液压控制技术的未来发展方向进行展望。

参考文献：

[1]李秀兰，韩顺杰.工程车辆节能技术研究[J].长春大学学报，2007（04）.[2]柏红专.工程机械液压传动系统的污染及控制措施[J].凿岩机械气动工具，1994（03）.[3]王庆丰，魏建华，吴根茂，张彦廷.工程机械液压控制技术的研究进展与展望[J].机械工程学报，2004（01）.

第四篇：网络安全技术现状与展望

计算机前沿讲座论文

《网络安全技术现状与展望》

班级： 计算机民本（12-1）

姓名：吐尔逊阿依.达吾提 学号： 5011107127 讲师： 李鹏 日期： 2011-12-02

塔里木大学教务处制

网络安全技术现状与展望

1、引言

安全问题是伴随人类社会进步和发展而日显其重要性的。信息技术革命不仅给人们带来工作和生活上的方便，同时也使人们处于一个更易受到侵犯和攻击的境地。例如，个人隐私的保密性就是在信息技术中使人们面对的最困难的问题之一。在“全球一村”的网络化时代，传统的物理安全技术和措施不再足以充分保证信息和系统的安全了。

近年来，世界各国相继提出自己的信息高速公路计划──国家信息基础设施NII(National Information Infrastructure)，同时，建立全球的信息基础设施GII(Global Information Infrastructure)也已被提上了议事日程。问题在于，仅从物理通信基础的角度来看，这种基础设施因主要涉及技术问题而相对容易解决得多。然而，这是远远不够的。以将影响人类未来生活方式的电子商务应用来说，它不仅涉及技术问题，而且更多地与社会、生活、道德、法律等相关，更有甚者，有些问题可能是道德和法律都无能为力的，这个时侯，人们又想到了技术，寄期望于技术能解决一切问题。不幸的是，当前的技术离我们的目标还有一定的距离。

在信息技术领域，信息安全和计算机系统安全是两个相互依赖而又很难分开的问题。保证信息安全的一个必要条件是实现计算机系统的安全，而保证计算机系统安全的一个必要条件也是实现信息安全。这或许就是此问题是如此之难的原因。如果说两者有什么基本的共同之处的话，那就是在于两者的实现都是通过“存取控制”或“访问控制”来作为最后一道安全防线(如果不考虑基于审计或其它信息的攻击检测方法的话)。在这道防线之前，自然就是“身份鉴别”或“身份认证”。为此，各种“授权”或“分配”技术就应运而生了。从根本上说，操作系统安全、数据库安全和计算机网络安全的基本理论是相通的。由于此问题的复杂性，以及在当前的计算机网络环境下，在某种意义上说计算机网络的安全为操作系统安全和数据库安全提供了一个基础，在本文中我们主要讨论计算机网络安全的问题。

2、计算机网络安全研究的现状

人类社会发展历程中，必须与各种困难作顽强的斗争。这些困难对他们生存的威胁不仅来自自然灾害如风、雨、雷、电等，还来自野兽或异族的攻击。在石器时代，虽然人类可以有了简单的生产工具甚至武器，但人们对山洞的依赖性可能怎么强调都不会过分。这个时期的身份“鉴别”或“认证”技术可能只需要山洞的看门人认识其每一个成员即可。到了中世纪，人们不仅可以有金属制的更为强有力的装备，同时也有了更为坚固的城堡。这个时期的身份“鉴别”或“认证”技术可能需要每一个成员佩带一个特殊的标志。在当代，人类有了诸如原子弹这种大规模杀伤性武器的同时，人们也试图实现诸如“太空防御”计划这种“反武器”，与此相应的是，用于身份“鉴别”或“认证”的技术也从传统的物理身份发展到了 1

基于计算、生物统计学特征的数字身份。

纵观整个人类社会发展史，可以清楚地看到，安全技术是“矛”和“盾”的对立统一，两者相辅相承，相互促进。所谓“道高一尺，魔高一丈”，紧接其后的“魔高一尺，道高一丈”，就是当前这种相互刺激的写照。

2.1基于密码术的网络安全

密码术在历史上对军事、国防和外交的重要性是不言而喻的，尤其是在第二次世界大战中，盟军成功破译德国和日本密码系统为早日结束这埸战争起了相当大的作用。然而，到那时为止的密码术在很大程度上是一门艺术而非科学，它过分依赖于密码设计人员的创造性甚至“小聪明”。

在本世纪30年代，Shannon成功地建立了通信保密系统的数学原理，从此，密码术的研究开始进入一个科学领域的时代。尽管不实用，毕竞人们看到了存在完美保密的密码系统。但真正使密码术为广大民间人士作嘱目的里程碑是70年代由IBM最先发表而由美国国家标准局和商业部采用的DES(Data Encryption Standard)──这是传统的对称密钥体制的里程碑，以及几年之后由Diffie和Hellman发表的基于离散对数求解困难性的公钥密码系统，Rivest、Shamir和Adleman发表了基于大合数因子分解困难性的公钥密码系统RSA──开创了密码学研究的新纪元。

应该注意到，实用的密码系统的建立是基于当前计算机的计算能力，同时也是基于计算机科学理论中的计算复杂性和结构复杂性研究成果的。由于众所周知的原因，当前的计算密码学成果都是基于尚未证明的假设即P和NP不是同一个集合的。而且，由于复杂性理论研究本身的复杂性，当前的复杂性成果是基于最坏情形复杂性而不是平均情形复杂性的，这又使我们感到了问题的严重性。然而，无论如何可以自慰的是，越来越有理由使我们相信我们所基于的复杂性假设是正确的。而且，最近的有关研究成果表明，人们在基于平均复杂性的密码系统研究和设计方面有期望会取得突破。当前已取得的成果主要是基于传统的“数的几何”这门学科中的与格有关的计算难题而构造出来的，基于一个自然问题的密码系统还有待进一步的工作。

自从计算机网络技术和系统被人们使用一开始，密码术就被应用到计算机网络和系统中实现信息的机密性、完整性，并用于用户身份的鉴别或认证。在计算机网络体系结构的各个层次，都成功的应用过密码术。但是，一个明显的趋势是，安全机制已从传统的通信子网(如链路层或物理层)上升到资源子网(如应用层或会话层)。一个重要的原因是，由于当前条件下存在多种异构的计算机通信网络。在这方面，国际标准化组织发表的一系列网络安全框架起了指导作用。由于计算机网络领域的一个典型特征是，先有应用或平台后有标准，这种市场驱动带来的一个直接结果是，各层都有相应的安全机制。下面我们将从协议栈的低层到高层分别介绍已有的安全机制。由于TCP/IP已成为事实上的工业标准，在以下的讨论中，我们基于TCP/IP协议栈而不是ISO/OSI的标准的七层模式。

2.1.1网络层安全机制

安全的IP层已成为网络安全研究中的重点之一。安全的IP层应该提供报文鉴别机制以实现信息完整性，提供数据加密机制以实现信息的机密性，还要提供路由加密机制来对付通信量分析的攻击。关于IP层的数据完整性(通过MD5报文摘要算法实现)机制和数据机密性(通过对称的或非对称的密码算法实现)机制实现已在RFC 1826和RFC 1825中讨论，该两份文档基本上给出了一个可行的方案。在RFC 1826中定义了鉴别头AH(Authentication Header)来实现报文完整性，在RFC 1825中定义了封装安全载荷头ESP(Encapsulation Security Payload)来实现报文机密性。

IP的功能和实现决定了通信量分析攻击是IP网络中一个固有的脆弱点，因为IP数据分组中的路由信息对攻击方是可读的。通信量分析指攻击方通过分析协议实体间报文频率、长度等信息，并据此推断出有用信息。为了对付通信量分析的攻击，一种最简单的方法即所谓的通信量填充机制，但这种方法显然会浪费网络带宽，更进一步，这种方法仅能用于当某两个节点之间的通信量突然减少时这种情况。如果与此相反，通信量填充就无能为力了。

我们已有工作成果表明，不仅在链路层或物理层实现抗通信量分析攻击,而且可在IP层本身解决此问题。有关技术细节就不在这里介绍了。有趣的是，网络层防火墙的有效性也依赖于IP层的安全性。

2.1.2 会话层安全机制

到目前为止最引人注目的会话层安全机制是Netscape公司提出的安全套接字层SSL(Secure Socket Layer)。SSL提供位于TCP层之上的安全服务。它使用的安全机制包括通过对称密码算法和非对称密码算法来实现机密性、完整性、身份鉴别或认证。SSL已用于浏览器和www.xiexiebang.communication Technology)。

2.1.3 应用层安全机制

在人们注重于会话层安全机制的同时，应用层安全机制也受到了同样的重视。从类似于电子商务这种应用的角度出发，已提出了两种实用的应用。就安全电子邮件而言，因特网工程任务组IETF(Internet Engineering Task Force)在1993年提出了加强保密的电子邮件方案PEM(Privacy-Enhanced Mail)。但是，由于多种原因，该方案并未得到广泛支持。后来，由于RSA数据安全公司的介入，在1995年提出了S/MIME协议(Secure/Multipurpose Internet Mail Extensions)。从World-Wide Web角度来看，人们提出了三种安全的HTTP协议或协议簇。第一个是HTTPS，它事实上就是基于SSL来实现安全的HTTP。第二个是SHTTP(Secure HTTP)，是CommerceNet在1994年提出的，其最初的目的是用于电子商务。该协议后来也提交给了因特网工程任务组IETF的WEB事务安全工作组讨论。象SSL一样，SHTTP提供了数据机密性、数据完整性和身份鉴别或认证服务。二者的不同之处在于，SHTTP是HTTP的一个扩展，它把安全机制嵌入到HTTP中。显然，由于SHTTP较之SSL更面向应用，3

因此实现起来要复杂一些。在早期，各厂商一般只选择支持上述两个协议之一，但现在许多厂商对两者都支持。第三个是安全电子交易(Secure Electronic Transaction)SET。这是一个庞大的协议，它主要涉及电子商务中的支付处理。它不仅定义了电子支付协议，还定义了证书管理过程。SET是由Visa和MasterCard共同提出的。

2.1.4基于密码术的网络安全体系结构

综合本节的讨论，我们可以从下图中看出当前已提出和实现的在网络体系结构各层实现的安全机制。

2.2 基于网络技术本身的网络安全

我们认为，基于密码术的安全机制不能完全解决网络中的安全问题的一个主要原因在于，尽管密码算法的安全强度是很强的，但当前的软件技术不足以证明任一个软件恰好实现的是该软件的规格说明所需要的功能。由于象操作系统这种核心的系统软件的正确性也不能形式地证明，因此不能保证任何重要的软件中没有安全漏洞。事实告诉我们，那些被黑客们发现的系统软件中的安全漏洞恰好成了他们使用的攻击点。在本节中我们不讨论这种原因导致的安全问题。这种安全漏洞或许只有等到形式的软件开发和正确性证明技术取得突破后，才能得到很好地解决。

基于网络技术本身的网络安全机制方面，主要是防火墙技术。常用的主要有网络层防火墙和应用层防火墙两种。

目前常用的网络层防火墙主要工作在IP层，通过分析IP包头来决定允许或禁止某个信息包通过该防火墙，如路由器过滤就是一种最常见的类型。

应用层防火墙是主要是通过应用层网关或服务代理来实现的。即当来自内部网络的请求到达应用层网关时，它代理内部主机与外部公共网上的服务器建立连接，进而转发来自外部服务器的请求响应。这种代理对内部主机来说可以是透明的，对外部服务器来说也可以是透明的。

由于目前已有许多介绍防火墙的文章，本文不拟介绍有关的技术实现细节。

2.3 问题

尽管到目前为止人们已实现了许多安全机制，但安全问题仍然倍受怀疑和关注。事实上，象电子商务这种应用是否会得到充分的推广，将在很大程度上取决于人们对网络安全机制的信心。虽然目前有关计算机犯罪中，非技术因素导致的损失大于技术因素(如黑客或密码分析)的损失，但对于安全技术和机制的要求将越来越高。这种需求将不仅驱动理论研究的进展，还必将促进实际安全产品的进一步发展。

3.展望

对网络安全本质的认识却还处于一个相当原始的阶段，其表现形式是基于密码术的网络安全和基于防火墙的网络安全尚不能完美地结合成一种更加有效的安全机制。我们期望，如果能够提出一个合理的数学模型，将会对网络安全的研究和可实际应用网络安全系统的开发 4

起非常大的促进作用。

从实用的角度出发，目前人们已提出了一些基于人工智能的网络安全检测专家系统。这方面，SRI(Stanford Research Institute)和Purdue大学已做了许多工作。同时，基于主动网络安全检测的安全系统的研究也已起步，在这方面，Internet Security Systems也已有一些产品问世。

参考文献

[1]孟令奎,史文中,张鹏林.网络地理信息系统原理与技术[M].北京:科学出版社.2005 [2]刘南,刘仁义.地理信息系统[M].北京:高等教育出版社.2002 [3]姬婧,孟景风.浅论WebGIS系统[J].煤炭技术,2006 [4]田洪阵,刘沁萍,刘军伟.WebGIS的现状及其发展趋势[J].许昌学院学报.2004 [5]尚武.网络地理信息系统(WebGIS)的现状及前景[J].地质通报.2006 [6]龚健雅.当代GIS的若干理论与技术[J].武汉:武汉测绘科技大学出版社.1999 [7]李一鸣.基于Internet的地理信息系统——WEBGIS[J].电脑知识与技术.2005

第五篇：辅助生殖技术现状与展望

辅助生殖技术现状与展望

1978年7月25日，随着世界首例试管婴儿Louise Brown的诞生，揭开了人类辅助生殖技术(ART)研究的序幕，此后，体外受精(IVF)技术不断成功用于多种不孕症的治疗。目前，世界上已有超过400万的婴儿通过该技术出生，IVF技术发明人Robert Edwards博士也因此获得了2010诺贝尔生理学或医学奖。ART对于人类的重要意义得到了充分的肯定。在中国生殖医学工作者的共同努力下，中国ART在近30年里也飞速发展。

一、中国ART的发展现状

中国内地首例试管婴儿于1988年3月在北京大学(原北京医科大学)第三医院诞生。随后首例赠胚试管婴儿于1988年6月在中南大学湘雅医学院(原湖南医科大学)诞生。1995年2月，中国首例冻融胚胎试管婴儿诞生。目前，中国内地已经有百余个生殖医学中心能够开展常规体外受精一胚胎移植(IVF．ET)技术，且能保持稳定的成功率。中国ART衍生技术的应用范围和技术水平已接近国际先进水平。

1992年，在比利时诞生了人类首例卵母细胞胞质内单精子注射(ICSI)的试管婴儿。1996年4月，中国首例ICSI试管婴儿在中山大学附属第一医院诞生。目前，无论是来自自然射精的精液，还是取自附睾、睾丸、逆行射精膀胱内的精子行ICSI，甚至是精细胞ICSI，都获得了成功。然而，ICSI技术避开了人类生殖的自然选择过程，有可能会增加后代出生缺陷的发生率。已有研究表明，Y染色体长臂基因或基因簇微缺失与无精或严重少弱精有关。此外，严重少精子症、弱精子症患者染色体异常包括嵌合体比例较正常人群高。因此，ICSI手术应严格掌握适应证，并重视术前的遗传学咨询及检查。1989年，英国学者Handyside成功地采用PCR技术分析卵裂球的性别构成，完成了世界首例植人前遗传学诊断(PGD)，开创了产前诊断的新纪元。中国首例PGD于1999年在中山大学附属第一医院完成。随着荧光原位杂交(FISH)技术在植入前诊断染色体非整倍体及胚胎性别获得成功后，多重PER、荧光PCR和多色FISH等技术，特别是1999年以来开展的间期核转换、全基因组扩增和比较基因组杂交技术相继用于PGD，促进了PGD技术的应用。目前中国有2O余家PGD中心能够进行相应的研究和临床应用，技术水平达到国际先进水平。冷冻技术在中国生殖医学领域的应用发展始于20世纪80年代。1981年，中国首个人类精子库在中南大学湘雅医学院(原湖南医科大学)创立，并于2004年向社会开放自存精子服务。随着女性生育年龄的推迟、癌症患者的增加，女性生育能力保留的需求也日益增加。卵母细胞及卵巢组织冷冻技术逐步应用于临床。2006年1月，我国首例、国际上第2例“三冻(冻卵、冻精、冻胚胎，再解冻移植入母体子宫内)”试管婴儿在北京大学第三医院诞生。目前，国内开展卵母细胞冷冻的中心有30余家，尽管2011年应用卵母细胞冷冻技术治疗的患者仅有300余例，但临床妊娠率也达到了30％ 的较高水平。

但是，在取得这些成绩的同时，也存在着多胎妊娠率高，促排卵药物的过度使用，配子捐赠在临床应用时伦理规范和法律制度不够健全等相关问题。

二、中国ART的管理现状

自2001年，卫生部制定和颁布了一系列法规，如2001年卫生部第l4号部长令发布《人类辅助生殖技术管理办法》，2003年颁布《卫生部人类辅助生殖技术与人类精子库技术规范、基本标准和伦理原则》、《卫生部人类辅助生殖技术与人类精子库评审、审核和审批管理程序》，2007年颁布《卫生部关于加强人类辅助生殖技术和人类精子库设置规划和监督管理的通知》，并公布北京大学第三医院等12家医疗机构成为人类ART及人类精子库培训基地。截至2011年，中华医学会生殖医学分会调查的数据显示，中国内地31个省、自治区和直辖市共有178家ART治疗中心，覆盖除西藏外的3O个省级行政区域，年开展ART治疗超过18万个周期，临床妊娠率近5年来稳定在40％左右。这些法规的颁布和实施，对严防ART商业化，引导中国ART沿着健康、实用的轨道发展起了重要作用。特别是《人类辅助生殖技术规范》中，明确规定每周期移植胚胎总数不得超过3个，其中35岁以下妇女第1次助孕周期移植胚胎数不得超过2个，在一定程度上有效控制了多胎妊娠的发生。但是，进一步减少ART的合并症，还有待于技术水平的提高和法律法规的完善。

近年来，虽然国家行政管理部门加大管理和执法力度，但是仍有一些未经批准的单位违规开展人类ART和人类精子库技术工作。已被批准的单位，有的未严格执行技术规范、技术标准和伦理原则的规定，违反《人类辅助生殖技术规范》中“对于多胎妊娠必须实施减胎术，避免双胎，严禁三胎和三胎以上妊娠分娩”的规定；有的超出批准范围开展业务。这些导致ART在一定层面的滥用，多胎妊娠等并发症的增加，给家庭和社会增加了经济负担。2013年2月5日，卫生部、总后勤部卫生部联合启动了人类ART管理专项整治行动，重点查处医疗机构未经批准擅自开展ART和运行人类精子库的行为；医疗机构超出批准范围开展ART的行为；非法买卖配子、合子、胚胎的行为；实施代孕技术的行为；违规采供精、使用不具有“人类精子库批准证书”机构提供的精子的行为；在开展人类ART过程中擅自进行性别选择的行为；医疗机构工作人员参与非法ART的行为；非法销售、滥用促排卵药物的行为；其他违反《人类辅助生殖技术管理办法》、《人类精子库管理办法》、《军队医疗机构开展人类辅助生殖技术管理办法》及相关规定的行为。并针对薄弱环节和突出问题进行重点治理，加快修订和完善相关法律法规、技术规范。随着活动的开展和深入将有效地促进我国ART管理水平，促进ART质量控制与评估标准的制定、ART管理信息系统的建立、国家级质量控制中心的设立、ART质控与评估的开展。

三、中国ART的科学研究现状

2010年，经教育部批准北京大学第三医院、山东大学省立医院和浙江大学医学院附属妇产科医院分别筹建了辅助生殖、生殖内分泌、生殖遗传3个教育部重点实验室，这是我国生殖医学研究发展史上一件尤为重要的事情。围绕当前国际及国内重大的生殖医学问题，这些重点实验室组织全国各地生殖中心与科研院所承担了“雌性生育力维持调节机制研究及生殖资源库建立”、“排卵障碍相关疾病发生机制研究”、“辅助生殖诱发胚胎源性疾病的风险评估和机制研究”等重大研究项目，紧密追踪辅助生殖相关研究的前沿方向，以创新ART、提高辅助生殖的效率、明确辅助生殖的风险与安全性为主攻研究方向，采用临床与基础相结合的研究手段，推动我国生殖医学研究快速、稳定、健康的发展。通过这些全国性大型的合作研究项目的开展，有利于解决女性生殖健康相关疾病的发生机制、提出女性生育能力保护的策略、进一步完善ART风险评估及各项临床标准的建立、促进分子与细胞遗传学诊断方法的改善与相关评价体系的建立。

四、中国ART的展望

回顾过去的30年，控制性超促排卵、冷冻保存、ICSI、改良的胚胎培养技术、经阴道取卵技术、配子捐赠等技术的发展成就了生殖医学的今天。展望未来，我们必须进一步加深对ART的安全性研究，ART的改进及人文关怀研究，重视生育能力保留问题，发展PGD技术，开展干细胞在ART及再生医学中的应用研究，体外培养的研究，加强对辅助生殖机构的监管，推进ART规范化培训，建立我国健康、安全、高效的ART平台。

1．ART的安全性研究：辅助生殖本身非生理性的特征，引发了相应的“生殖安全性问题”。其可能与高流产率、早产、先天性畸形、低出生体质量、遗传性疾病、染色体异常、表观遗传学修饰异常、神经系统发育异常等成年期疾病发生有联系。为解决此问题有必要建立长期随访和报告制度。同时，提高胚胎培养水平、胚胎筛选能力、囊胚培养能力，提倡单胚胎移植，减少多胎妊娠也将是未来几年内ART管理的重要环节。

2．ART的改进及人文关怀问题：常规IVF治疗过程需要一定的刺激时间，多次的注射，频繁就诊及监测，造成患者压力和焦虑情绪增加，迫使一些患者退出治疗。有必要开发性价比更适合我国目前发展中国家国情的ART。郎景和院士多次强调，医师要加强人文修养，给予患者的首先是关爱、帮助、慰藉，要充分考虑心理因素和社会因素对患者健康和疾病的影响。对于接受ART治疗的患者更应该给予更多的人文关怀。

3．生育能力保留问题：随着生育年龄后延及妇科恶性肿瘤的治疗，女性保留生育能力受到越来越多的重视，人卵母细胞冷冻、卵巢组织冷冻为她们带来了希望，也成为生殖医学重要的研究方向。加强生育能力保留相关基础机制的研究，才能使我国的生殖医学研究处于国际领先行列。

4．遗传性疾病PGD的研究和应用：随着高龄、反复自然流产、反复IVF失败女性的增多，使需要应用PGD的患者也在增加。同时，随着与疾病有关基因的研究的深入及数据的积累使得植入前基因诊断成为现实。如BRCA1、2基因与乳腺癌和(或)卵巢上皮性癌的发生相关，对于有乳腺癌和(或)卵巢上皮性癌家族史的个体，上述两种基因的植入前筛查将有助于排除携带这两种基因的后代。目前对于某些隐性遗传病，我们通常采用产前诊断。现在的技术完全可以做到在一张芯片上同时检测500个基因，如果某一隐性基因纯合子与一种严重的疾病有关联，我们可以用该方法在胚胎植入前进行筛选、排除。多基因诊断芯片的开发与应用有望成为PGD研究的一个重要方向。但是我们同时也要明确，PGD是一把双刃剑，目前虽然对PGD儿童进行的流行病学调查未提示胚胎活检影响生长发育，但模型动物的结果给我们敲响了警钟。随着囊胚玻璃化冷冻技术的成熟，囊胚期活检可能取代卵裂期胚胎活检成为今后的发展方向。

5．干细胞在ART及再生医学中的应用：克隆羊多利的诞生开创了体细胞生殖的先河。多利羊只具有单亲的遗传物质，它的出现是生殖医学发展史上的一大飞跃，克服了诱导基因组融合并保证胚胎的正常发育等一系列科学难题。如今这种研究思路已被用于各种哺乳动物模型中。如果我们能实现体细胞生殖，那么我们就不会像现在这样依赖于精卵捐赠，与之伴随的社会和法律争议也可迎刃而解。2012年10月，13本京都大学研究团队在Science发表论文，成功从小鼠的人工诱导性多能干细胞(iPS细胞)中培育出卵母细胞，并使其体外受精后产下健康后代。该研究团队2012年成功从小鼠的iPS细胞中制造出具有生殖功能的精子。这两项研究成果如果能用于人类，则可通过人体的皮肤细胞制造出iPS细胞，再用iPS细胞制造出的精子和卵母细胞进行体外受精，使无法产生精子或卵母细胞的夫妻获得继承自身遗传基因的后代。

人类胚胎干细胞是目前再生医学研究中的关键问题之一，优化多种成体干细胞分离纯化和体外培养技术，改进干细胞定向诱导分化的条件，建立骨髓等来源的成体干细胞定向诱导分化技术，并对诱导细胞的免疫表型、分化调控、生物学特征、体内外功能、临床应用安全性评估等进行了系统研究，已为干细胞治疗的临床应用奠定了基础。积极推动干细胞临床标准的制定和干细胞研究相关人员的培训应成为干细胞技术研究良性发展的必要元素之一。6．在体外受精并培养胚胎至成熟技术的研究：英国作家Aldous Huxley在其1932年出版的《美丽新世界》小说中将体外受精视为科幻，如今体外受精技术已成为现实。他当时还描述了另外一个概念—— 体外培养，即在体外受精并培养胚胎至成熟。自从该书出版后，世界各地学者开展了一系列体外培养的尝试，20世纪50年代13本的研究者曾成功地在体外培育出一只发展至妊娠中期的羊胚；二战后，Johns Hopkins大学也有学者在体外尝试培养啮齿目动物胚胎并取得了一定成就，但随着主要研究人员的退休，该项目也中断了。根据目前一些国家法律的规定，在实验室中培育人类胚胎的时限是两个星期，也导致该技术进展缓慢。一旦这种技术实现，对代孕的需求以及与代孕技术有关的争议会逐渐退出历史舞台。但也应该认识到这项技术的伦理争议，比如参与克隆技术研究的科学家可以不用代孕母亲而完成他们的实验；还将对劳动女性的劳动保障及健康保险产生冲击，意味着女性不再需要产假；父母的职责也会因此发生变化；父母与子女的联系可能因此削弱。

7．规范、完善ART的管理及培训：我们还要积极借鉴国外ART监督管理的经验和做法，研究中国ART发展状况及监督管理过程中存在的问题，规范和整顿ART与人类精子库技术的市场行为，保证其安全有效、规范有序、合理合法地开展，使其逐步走人规范化和法制化的轨道。另外，生殖医学是近年来发展迅速的独立学科，又是一门跨学科的学科，包括胚胎学、生物学、妇产科学、男科学、心理学、伦理学和法律学等，许多从业人员没有得到相关的专业训练，目前还缺乏相应的教材。将生殖医学纳入规范的2～3年的专业培训体系将能更好地推动生殖医学的持续健康发展。