柴油机排放物的危害及控制技术

摘要：随着排放法规的日益严格，对内燃机的排放控制要求越来越高。为了内燃机的持续、健康发展，各种新技术脱颖而出。本文介绍了现有的柴油机的排放控制技术，并分析了今后排放控制技术的发展趋势。

关键词：柴油机 有害排放物 排放控制

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、挖掘机、推土机、大型卡车等都是以柴油机作为动力。虽然柴油机有着很多优点，但是其所排放的尾气中有害物质成分较多，随着人们对环境保护的日益重视，对柴油及排放的尾气进行控制和净化就具有十分重要的意义。

柴油机的逆袭

噪音大、震动大、冒黑烟、不上档次，这是很多人对柴油车的第一印象。事实上，在电控柴油共轨技术成熟后，柴油机的震动、噪音以及冒黑烟等问题都得到了很大的改善，再加上效率高、油耗低、碳排放少等优点，柴油车已成为支持环保的“高大上”之选。

虽然柴油机天生碳排放低，但这并不意味着它可以高枕无忧。柴油机没有节气门，柴油的燃烧一直处于富氧状态，多余的氧气也没闲着，在高温高压的条件下，部分氧气与氮气发生反应生成氮氧化物（NOx）。氮氧化物排放到大气中对人体会造成伤害，还可能引发酸雨、光化学烟雾等灾害，因此在排放法规中，都会对其严加限制。此外，由于柴油挥发性不强，再加上与空气混合的时间很短，导致油气混合不充分，燃烧时常常会产生固体颗粒物，也就是我们常说的“粉尘”或者“烟”。用现在流行的说法就是会导致PM2.5上升！

1.柴油机的有害排放物及其危害

柴油机的有害排放物主要有CO、NOx、HC、SOx和PM（碳烟颗粒）它们分别以气、液、固相的形式存在。气相排放物包括CO、NOx、和气态碳氢；液相排放物有SOx和液态碳氢；固相排放物是微小的球状碳粒，其表面吸附有一些HC以及SOx。

CO是不完全燃烧的产物，是无色、无臭的有害气体，被吸入人体后，能以比氧强210倍的亲和力同血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，阻碍向心、脑等器官输送氧气，使人发生 恶心、头晕、疲劳等症状，严重时会窒息死亡。一氧化碳也会使人慢性中毒，只要表现为中枢神经受损、记忆力减退等。

NOx是空气中的和在燃烧室的高温高压环境下反应生成的，主要是氧化氮和二氧化氮。其毒性强，对人体和植物生长均有不利影响，氮氧化物也是形成酸雨和光化学烟雾的只要物质之一。

HC只要是未然燃料和窜漏的润滑油，HC中含有的多环芳烃有巨大的致癌作用，且某些烃类可刺激人的眼睛及呼吸器官，造成呼吸困难。

SOx来源于燃料以及窜漏的润滑油中含有的S，它与空气中的水反应生成硫酸，可使土壤及水变为酸性，损害树木及农作物的枝叶，过高浓度会影响呼吸并可使呼吸及心血管疾病患者加重病情。

PM是柴油机排放物中主要的污染物之一，细小的碳烟颗粒可进入肺的最深部位，并沉积较长时间，可能引起危害。还可加重呼吸系统病症（哮喘，支气管炎），降低肺功能及免疫力，导致肺组织器质性病变与泡状巨噬细胞损伤。

2.排放控制技术

减少较少柴油机燃烧时有害成分生成技术主要是改善油气混合物，防止局部过量空气系数超过0.9（这有利于NO）和低于0.6（这有利于碳烟的生成）。降低微粒的排放和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、排放减少的要求。

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。主要燃烧时处的扩散燃烧，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烧过程（PREDIC）等均是采用这种思路。采用预混稀薄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 改善燃料品质

燃油中氮的含量及柴油的十六烷值对排放有重要影响。燃料中的氮的氧化作用可使NOx附加的排放达5%～15%。柴油的十六烷值，着火和燃烧较容易，滞燃期短，则HC、CO及NOx的排放都下降。但由于十六烷值高，燃烧化学稳定性差，容易生成碳烟。在柴油中加入添加剂能够有效地降低碳烟。

燃油添加剂实际上是一种助燃剂，它能够促进燃烧过程中碳分子的氧化。目前使用的消烟剂中以含锰的化合物最为有效，可以大大降低碳烟的生成。

2.3 废气再循环

废气再循环（EGR）是控制柴油机排气污染的一种有效措施。废气再循环可以使柴油机预混合燃烧峰值降低，滞燃期缩短，氧浓度下降，火焰温度下降，因而能有效降低NOx排放。但同时，由于废气再循环使燃烧持续时间增加，导致碳烟排放增加，因此需要对废气再循环进行控制。当柴油机在低转速、小负荷、气缸内燃烧温度比较低的情况下，停止废气再循环，以防止生成HC，CO和碳烟。当柴油机在高转速、大负荷、气缸内燃烧温度比较高的情况下，进行废气再循环，以抑制NOx的生成。另外，还应根据柴油机的工况改变废气再循环率，达到在所有工况下都获得最低的排放。

2.4 燃油乳化技术

燃油乳化技术可以降低柴油机的排放。试验表明。燃油掺水后，由于水具有比较高的比热容和汽化热，其升温和汽化需要一定的热量，是火焰温度降低，从而抑制了NOx的生成。由于水蒸气在气缸内参与一定程度的热分解，使气缸内瞬时的氧原子浓度相对增加，从而也增加了CO再氧化的机会，使CO排放降低。另外，由于乳化油具有快燃特性，使燃油能实现完全燃烧，从而显著地降低了HC的生成。乳化油还能够有效地减少碳烟的排放。这是因为碳烟主要是在扩散火焰中形成的，而乳化油正好使预混合比例增加，扩散燃烧比例下降，这就减少了碳烟形成的机会。另外，气缸内瞬时氧浓度的增加，也有利于对已形成的碳烟氧化。

2.5 提高喷油压力和减少喷孔直径

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。此种措施也需要和其他改进方法相结合才能达到更好地效果。

提高喷油压力可以有效地降低柴油机的颗粒排放；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。

3总结

随着日益严格的排放法规的出台，目前大部分的柴油机仍需要更好地发展排放控制技术，尽可能减少有害排放物的排放，同时最大限度兼顾到燃油经济性和动力性，这将是柴油机排放控制技术发展的趋势。

参考文献：

[1]孔繁伟，李明海，张岩.改进燃油喷射系统，降低柴油机有害排放[J].内燃机车，2005（6）：1-3

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