柴油机排放污染物生成机理与治理措施分析

柴油机主要排放污染物的生成机理、影响因素与治理措施

摘要：通过分析柴油机在实际运行过程中CO、HC、NO X、PM等主要污染物的生成机理，总结归纳出影响这些污染物生成的主要因素，并以此为依据介绍现有的降低柴油机排放污染物的主要措施

关键词：柴油机排放物生成机理影响因素治理措施

1.问题描述

随着科学技术的不断发展深入，更多种类和形式的能源动力机械不断问世并投入应用，但是内燃机由于其应用的稳定性和广泛的适用性在如此环境下依旧在能源动力领域占据着龙头位置。因此内燃机仍然是能源动力领域中首选的动力机械。而内燃机中最典型突出的代表则为车用的往复式活塞内燃机。根据其使用燃料种类的不同可以分为汽油机和柴油机两种。相比于汽油机，柴油机具有燃油消耗低、耐久性好、寿命长、高扭矩输出、功率范围广等优点，因此柴油机在各行业里得到广泛的应用：在重型动力装置中,柴油机应用领域已经占绝对统治地位,在小型轿车等轻型车辆中,柴油机的应用也逐渐渗透。但是由于柴油机的广泛应用而带来的环境污染问题也越来越严重并且越发受到世人关注。柴油机排气污染物主要成分有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO X）、硫化物以及颗粒物（PM）等。由于柴油机采取的质调节方式，因此其混合气的平均空燃比远大于理论空燃比，故其CO与HC排放明显低于汽油机，所以柴油机排放控制的重点在于NO X和PM。由于各排放物生成机理不同，因此在它们各自的控制与净化措施也存在差异。本文接下来将叙述各主要排放污染物的生成机理、影响措施与治理措施。

2.柴油机主要排放污染物的生成机理

2.1.CO生成机理

CO的生成主要有三种途径：一是柴油机进气与柴油喷雾混合不均匀导致局部混合气过量空气系数Φa ＜1，局部燃烧缺氧导致不完全燃烧生成CO；二是已成为燃烧产物的CO2和H2O在高温条件下产生热解反应进而生成CO；三是排气过程中HC未完全氧化生成CO。

2.2.HC生成机理

排放的HC一般是未燃HC，是指没有燃烧或部分燃烧的碳氢化合物的总称。一般认为柴油机中HC的产生主要有两种途径：一是由于滞燃期中形成的过稀混合气在燃烧室内不能满足自燃或扩散火焰传播的条件，导致HC的氧化反应无法开始或瞬间终止，生成未燃HC；二是燃烧过程后期低速离开喷油嘴的燃油与进气不良好混合形成的过浓混合气不能着火及燃烧，生成未燃HC。

2.3.NO X生成机理

柴油机排放的NO X主要是NO和NO2，其中NO占据了NO X排放的85% - 95%。NO本身无毒无害，但NO 随着排气进入大气后会缓慢氧化成有毒的NO2，因此NO X生成机理主要针对NO讨论。NO的生成途径有三个：一是激发NO的生成；二是燃料NO的生成；三是高温NO的生成。前两者NO的生成量极少，可以忽略不计，因此NO的主要生成方式为高温NO的生成。其反应机理如下：

N2+O→NO+N

N+O2→NO+O

N+OH→H+NO

由上式可以知道影响NO生成的因素为高温、富氧和反应时间。

2.4.PM生成机理

柴油机排放的PM主要成分有碳粒、硫酸盐、可溶性有机成分和含金属元素的灰分等。其中碳粒的生成是一个非平衡过程，现在比较流行的理论认为生成碳粒的过程是燃油分子大量分解和原子分子重新排列的过程。当燃油喷射到高温空气中时，轻质烃很快蒸发气化，而重质烃会以液态暂时存在，液态的烃在高温缺氧条件下直接脱氢碳化，成为焦炭状的液相析出型碳粒，粗度一般较大。而已气化的轻质烃，经过不同途径，产生气相析出型碳粒，粒度相对较小。气相的燃油分子在高温缺氧的情况下发生部分氧化和热裂解，

不断脱氢形成原子级的碳粒子，逐渐聚合成直径为2nm的碳烟核心(碳核)；气相的烃和其它物质在碳核表面的凝聚，以及碳核相互碰撞发生的凝聚，使碳核继续增大，成为直径为20-30nm的碳烟基元；而碳烟基元经过相互聚集形成直径为1μm以下的球状或链状的多孔性聚合物。硫酸盐主要由燃料中硫分经燃烧反应生成。而含金属元素的灰分来源于各种添加剂以及运动件之间相互摩擦产生的磨屑。

3.柴油机排放污染物的主要影响因素

3.1.燃油品质

3.1.1.柴油十六烷值

柴油的十六烷值对滞燃期长短有较大的影响。如果柴油十六烷值较低，则滞燃期较长，这使缸内在燃烧初期积聚的燃油较多，初期放热率峰值和燃烧温度较高，因此NO X排放较多。由图1可看出低十六烷值柴油燃烧NO X排放量高（-10号柴油十六烷值为46,0号柴油十六烷值为53.8）。

图1 柴油十六烷值对NO X排放的影响

3.1.2.柴油硫含量

柴油硫含量的多少能明显影响PM中硫酸盐的排放。若将柴油的硫含量从0.5%降到0.03%将使轻型车的PM排放降低7%，使重型车的PM排放降低4%。

3.1.3.柴油芳烃含量

芳烃能提高火焰温度，为NO X产生提供高温条件，因而增加NO X的排放。

3.2.进气温度

进气温度的升高，将引起柴油机压缩温度及局部反应温度升高，这有利于NO的生成。同时，在高速中等负荷下，随着进气温度升高，滞燃期缩短，燃烧温度提高，促进HC的氧化同时减少淬熄现象，于是HC排放量减少。

3.3.柴油机负荷

燃油燃烧时，其中的C首先生成CO，在有足够的氧、温度及重组反应时间条件下，CO会继续被氧化成CO2。小负荷时，柴油机喷油量少，缸内气体温度低、氧化作用弱，因此CO排放浓度高。随着负荷增加，混合气空燃比减小，气体温度增加，氧化作用加强，CO排放逐渐减小。当负荷增大到一定程度后，由于氧浓度低和喷油后期供油量增加，反应时间变短，CO排放又增加。

NO X的生成主要受氧气含量、燃烧温度以及燃烧产物在高温中停留时间三者影响。小负荷时，混合气空燃比较大，虽然混合气中有充足的氧气，但燃烧室内温度较低，因此NO X排放量也较低；当负荷增加时，燃烧室内气体燃烧温度增加，NO X排放量变大；但随着负荷进一步加大，空燃比不断减小，燃烧室中氧浓度不断减小，NO X的生成再度受到抑制。图2所示的是负荷对NO X排放的影响。

图2 负荷对NO X排放的影响

柴油机负荷增大时，油束心部和沉积于壁面上的燃油量增多，而稀熄火区的油量减少。喷油定时和喷油速率保持不变的情况下，负荷增大则喷油持续时间增长，使后喷入的燃油反应时间减短，同时空燃比低氧浓度小，使HC氧化反应速率降低；但负荷增大时燃烧室内温度增高，这又促使HC氧化，并且后者影响更大，因此HC排放量随负荷增大而减小。

3.4.柴油机转速

柴油机转速的变化，会使与燃烧有关的气体流动、燃油雾化与混合气质量发生变化。这些变化对CO、NO X以及HC的排放都会产生影响。转速变化对直喷柴油机NO X和HC排放的影响不明显，但对CO排放的影响较大。柴油机在低速特别是怠速空转时，缸内温度低，喷油速度低，燃料雾化差，燃烧不完全，CO 排放量高。柴油机在高速时，充量系数较低，短时间内组织良好混合气较困难，燃烧不易完善，故CO排放量高。因此CO排放量在某一转速下最低，随着转速降低或增高CO排放量都会增高。图4所示为6135型低增压茶游记转速对排放物的影响。

3.5.供油系统参数及结构