柴油机排气污染物分析及控制

摘 要：柴油机是公认的热效率最高的内燃机，被广泛应用于交通运输，工程机械，农用机械等诸多领域。体积大、噪音大、喷黑烟……这是日常人们对于柴油机的直观印象，柴油机燃烧排出的废气是主要的大气污染源之一，以交通运输业为例，车用和船用柴油机排出的CO2占整个世界CO2排放量的14%，成为造成地球温室效应的元凶之一。由于大气污染日益严重，人类生存环境日趋恶化，世界各国对柴油机废气的排放限制也越来越严格。

关键词：柴油机；排气污染；危害

中图分类号：X734.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）17-0003-01

1 柴油机排气污染物及其危害

1.1 废气的有害成分

柴油机使用轻柴油或重柴油作为燃料，排出的废气按危害性不同可分为有害成分和无害成分两类，无害（无直接危害）成分有二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）、氮（N2）等；有害成分就是我们通常说的污染物，其中主要污染物有一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳氢化合物（HC）、二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）和微粒物质等。习惯上把废气中的有害成分和碳烟颗粒等统称为排放物，也就是我们常说的排放。

1.2 柴油机排放物的危害

（1）一氧化碳（CO）。CO是无色无味的有毒气体，人体吸入会导致组织缺氧，发生恶心、头晕等，严重时导致窒息死亡。在柴油机排气中CO含量较少，一般只在高负荷运转时排放量较高。（2）氮氧化物（NOX）。柴油机排气中的氮氧化物90%以上是NO，少量是NO2，把它们合在一起用NOX表示。NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中会缓慢氧化成NO2。NO2是一种棕色的刺激性气体，对心肌和肺有很强的毒害作用，NO2是在地面附近形成光学烟雾的主要因素之一。（3）碳氢化合物（HC）。HC就是我们俗称的烃，是有机化合物的一种。这种化合物只由碳和氢组成，其中包含了烷烃、烯烃、环烃、芳香烃、醛、酮等多种有机成分，是许多其他有机化合物的基体。其中略带甜味的烯烃，对人体神经系统有麻醉作用，对黏膜组织有刺激性，它与NOX一起在太阳紫外线作用下可以形成有毒化学烟雾；芳香烃是最早被发现的化学致癌物，对人体血液和神经系统均有毒害作用；醛类，主要是甲醛，危害表现为对皮肤粘膜的刺激作用，可诱发支气管哮喘，可引起鼻咽肿瘤。（4）二氧化硫（SO2）。SO2是燃油中的硫分在燃烧时的产物。它具有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉黏膜，引起呼吸器官炎症。SO2进一步氧化生成SO3，与水分作用产生硫酸并形成酸雨。（5）微粒物质。柴油机工况不佳时，排气烟色会出现黑色、蓝色和白色。黑烟是由于燃烧不完全生成的碳烟，不仅对人的呼吸系统产生危害，而且由于在碳烟微粒中常常吸附有SO2和多环芳香烃成分，所以具有致癌的危险；蓝烟和白烟通常发生在柴油机启动过程中，或柴油机长时间低负荷运转时，它们通常是燃油或润滑油不完全燃烧形成的微粒，由于有甲醛等物质排出，故有刺激性与异味。

2 柴油机排气污染物的控制措施

2.1 燃烧过程的改进

通过对柴油机燃烧过程的研究，发现NOX是在燃烧温度大于2000℃，缸内氧气充足的条件下生成，而微粒是在燃烧温度大于1000℃，缸内氧气不充足的条件下形成。如何合理兼顾控制NOX和微粒排放是一项较为复杂的工作，通过控制柴油机在预燃阶段将可燃混合气量减少到最小限度来降低燃烧温度，从而降低NOX排放；通过在柴油机扩散燃烧阶段保持良好的燃油和空气的混合以及较高的燃烧温度来降低微粒排放物。为了实现上述控制目标，现代柴油机普遍采用了高压喷射、引导喷射、电控喷射、废气再循环、直接喷水等措施。

2.2 排气后处理

排气后处理是为了避免燃烧产生的废气直接排放到大气中，通过对碳烟等微粒的捕集或者通过催化转化的方法处理废气，使废气中的有害成分的含量进一步降低。

（1）微粒捕集。微粒捕集基本上是依靠在柴油机排气端安装微粒过滤器来实现的。过滤器根据材质不同，可分为陶瓷微粒过滤器和一次性纸质过滤器。陶瓷过滤器通常加工成蜂窝状，当排气通过时，碳颗粒就被堵在进口通道的壁面上，过滤效率可达90%以上，但是在使用过程中需要定期清除過滤器中的微粒，否则会增加排气背压，影响柴油机的性能。一次性纸质过滤器一般是折成褶状的滤筒，就像一般柴油机的进气过滤器，过滤效率接近100%，由于纸质滤芯的使用温度通常在120℃以下，所以这种过滤器需要安装随车的冷却装置，用于散热。（2）催化转化法。催化转化法是使废气中的NOX在300～400℃的温度下，以氨或尿素为还原剂，在反应器中将NOX还原为N2和O2。利用催化转化法可使排气中的NOX降低95%，是目前最有效的控制NOX排放的方法，缺点是设备成本高、体积大，并且需要较高的维护费用。

2.3 提升燃油品质

由于成本和市场的原因，我国主要炼油企业提供给市场使用的燃油质量标准普遍低于欧美等发达国家，特别是含硫量指标差距很大，许多经济欠发达地区、农用机械仍在使用国Ⅲ以下的燃油，直接影响了柴油机微粒排放的控制效果。随着经济水平的不断提升，国民环保意识的不断加强，政府强制推行使用国Ⅲ以上标准的燃油成为可能，从而为治理柴油机废气排放打下了坚实的基础。

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