柴油機(jī)NOx的排放控制

王林光，劉開(kāi)敏，侯曉勤，周佩琴

（寧波中策動(dòng)力機(jī)電集團(tuán)有限公司，浙江寧波315032）

柴油機(jī)因其良好的經(jīng)濟(jì)性、可靠、機(jī)動(dòng)性被廣泛的應(yīng)用在船舶動(dòng)力、發(fā)電等領(lǐng)域，近年來(lái)隨著柴油機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，燃燒原（重）油技術(shù)的不斷成熟和航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，柴油機(jī)所排放出來(lái)的尾氣嚴(yán)重污染了人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境，據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）稱(chēng)，僅2007年遠(yuǎn)洋船就釋放了2 580萬(wàn)噸的氮氧化物，這個(gè)排放量相當(dāng)于當(dāng)時(shí)全球氮氧化物排放的30%左右，如此驚人的數(shù)據(jù)可見(jiàn)大氣污染已經(jīng)到了不可忽視的地步。當(dāng)下對(duì)于生產(chǎn)柴油機(jī)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，研究NOx排放的控制措施迫在眉睫，刻不容緩。

1 柴油機(jī)NOx排放的危害和生成機(jī)理

（1）NOx排放的危害

柴油機(jī)排放的有害廢氣主要有NOx、SOx、COx、HC等，而NOx是柴油機(jī)排放產(chǎn)物中對(duì)人類(lèi)和環(huán)境危害最大的。NOx一般包括NO和NO2，NO是一種無(wú)色、無(wú)味，毒性不大，但濃度高時(shí)會(huì)使神經(jīng)中樞癱瘓和痙攣的氣體，而且它極其不穩(wěn)定，與氧氣接觸后極容易生成NO2，NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強(qiáng)（毒性約是NO的5倍）的紅棕色氣體，吸入后可對(duì)人的呼吸道造成刺激和傷害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起肺氣腫；當(dāng)濃度高于100×10－6體積濃度時(shí)，會(huì)有生命危險(xiǎn)。

另外NOx和HC在太陽(yáng)光作用下會(huì)生產(chǎn)光化學(xué)煙霧，NOx還會(huì)增加周?chē)粞醯臐舛?，而臭氧?huì)破壞植物的生長(zhǎng)、破壞紫外線(xiàn)形成的大氣層，而且還會(huì)導(dǎo)致酸雨，進(jìn)而形成硝酸鹽。

介于以上種種危害，國(guó)際海事組織（IMO）已經(jīng)對(duì)船用柴油機(jī)制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，目前正在實(shí)施的于2011年1月1日實(shí)行的NOx排放TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于不同類(lèi)型的柴油機(jī)有不同的計(jì)算方法，方法如表1。

表1 NOx排放的TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)

（2）柴油機(jī)NOx的形成機(jī)理

迄今為止人們已經(jīng)對(duì)NOx的生產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，比較受大家認(rèn)可的是策爾多維奇機(jī)理。該機(jī)理認(rèn)為柴油機(jī)排放中的NO并非主要來(lái)自燃油的燃燒，而是來(lái)自氮?dú)馀c氧氣的反應(yīng)，它是在氧氣過(guò)剩的情況下由于燃燒時(shí)的持續(xù)高溫形成的，在膨脹和排氣時(shí)有少量的分解，排到大氣后遇氧形成NO2和其他氮氧化物。主要反應(yīng)式如下：

柴油機(jī)燃燒過(guò)程中噴射各區(qū)均可以生成NO，其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和局部氧原子的濃度、燃燒產(chǎn)物的冷卻速度和滯留時(shí)間（即高溫下所占燃燒循環(huán)的時(shí)間量）等因素有關(guān)。

從理論上來(lái)講，柴油機(jī)NOx排放的形成是無(wú)法避免的，但通過(guò)控制燃燒過(guò)程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時(shí)間等可以加以限制。

2 柴油機(jī)NOx排放的控制措施

柴油機(jī)的工作過(guò)程有兩種：2沖程過(guò)程和4沖程過(guò)程，本文主要針對(duì)4沖程過(guò)程來(lái)分析。4沖程柴油機(jī)的主要工作過(guò)程見(jiàn)圖1。低轉(zhuǎn)速使NOx排放量加劇，見(jiàn)圖3。

圖1 4沖程柴油機(jī)工作過(guò)程

實(shí)踐表明影響柴油機(jī)NOx排放的主要因素與高溫、高壓、過(guò)氧量、紊流、滯留時(shí)間、燃油含氮量和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速等有關(guān)，針對(duì)以上各因素可以采取相對(duì)應(yīng)的措施來(lái)降低NOx的生成量。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)整

發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)整主要還是集中在對(duì)燃油噴射壓力、噴射提前角以及噴射持續(xù)時(shí)間、噴孔大小造成的紊流以及柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速等方面來(lái)考慮。

（1）優(yōu)化燃油噴射壓力

根據(jù)實(shí)際測(cè)試可知，燃油的噴射壓力越高使得燃油的霧化效果越好，混合越均勻，燃燒更加充分，燃燒溫度也得以提高，從而NOx排放增加；過(guò)低的噴射壓力會(huì)造成燃油混合不充分造成燃油浪費(fèi)，油耗上升，但NOx排放降低，考慮到經(jīng)濟(jì)性使得該方法落空。

（2）優(yōu)化噴油正時(shí)

NOx的排放受?chē)娪驼龝r(shí)的影響較大，燃燒可分為滯燃期、速燃期、緩燃期和后燃期，噴油正時(shí)提前使得燃油在壓縮室混合時(shí)間延長(zhǎng)（即滯燃期時(shí)間長(zhǎng)），混合更充分，進(jìn)而燃燒效果越好，NOx排放增加，若噴油正時(shí)延遲得話(huà)，NOx排放會(huì)好，但燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)很差，而且煙度和微粒物會(huì)增加，鑒于燃油經(jīng)濟(jì)性和NOx排放的影響，一般在調(diào)整噴油正時(shí)時(shí)會(huì)進(jìn)行綜合考慮。

（3）優(yōu)化噴油器噴孔

在設(shè)計(jì)選擇噴油器的時(shí)候，一般盡可能的選擇使用孔數(shù)多、孔徑細(xì)的噴油器，這樣不僅能增加噴射范圍，而且混合效果也好，相對(duì)來(lái)說(shuō)初期噴射時(shí)間也會(huì)長(zhǎng)些，但過(guò)多、過(guò)細(xì)的孔徑使得NOx排放增加，同時(shí)孔易堵塞等，一般中速柴油機(jī)選取使用5～7個(gè)孔的噴油器，另外MAN新型的噴油器（油嘴部分增加滑閥）能更好的控制噴油效果，防止噴油后出現(xiàn)滴油現(xiàn)象（圖2）。

（4）優(yōu)化噴射時(shí)間

噴射時(shí)間越短N(yùn)Ox生成量越少，這樣會(huì)使得噴射速度越快越好。

（5）優(yōu)化柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速

柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)于NOx排放起著重要的影響，過(guò)

圖2 MAN公司的噴油器改進(jìn)

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)NOx排放的影響

2.2 燃燒室的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化

NOx排放與燃燒室的局部最高燃燒溫度有著密不可分的關(guān)系，見(jiàn)圖4。

圖4 NOx排放與燃燒室局部最高溫度的關(guān)系

（1）優(yōu)化柴油機(jī)的壓縮比

柴油機(jī)的壓縮比控制著著火延遲期的長(zhǎng)短。降低壓縮比，有利于著火延遲，降低最高爆壓，可使得燃燒最高溫度降低，進(jìn)而使得NOx排放降低，炭煙增加。但壓縮比過(guò)低，柴油機(jī)點(diǎn)火困難。反之，壓縮比高，則最高爆壓增大，氣缸工作惡劣，強(qiáng)度要求高，經(jīng)濟(jì)性好。壓縮比對(duì)NOx的影響較為復(fù)雜，選取壓縮比時(shí)需綜合考慮。

（2）水化技術(shù)

水化技術(shù)可分為3種不同的摻水方式，燃燒室直接噴水技術(shù)、加濕技術(shù)（中冷器進(jìn)氣口噴水）和燃油摻水乳化技術(shù)。

水具有較高的比熱，在燃燒過(guò)程中吸熱可降低燃燒最高溫度，水跟油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進(jìn)一步降低，該方式在降低NOx排放的同時(shí)，對(duì)燃油摻水乳化技術(shù)來(lái)說(shuō)還有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性和排氣煙度，并有降噪效果，但水會(huì)對(duì)氣缸壁有腐蝕作用，以上3種技術(shù)雖然都能不同程度的降低NOx排放，但現(xiàn)階段都只限于試驗(yàn)室階段，尚未推廣中。

2.3 采用廢氣再循環(huán)技術(shù)

采用廢氣再循環(huán)（EGR）是降低NOx排放的一項(xiàng)極為有效的措施，目前在汽車(chē)上得到了較為成熟的運(yùn)用。EGR在所有負(fù)荷條件下都可以有效的減少NOx排放。定量廢氣引入柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，再循環(huán)到燃燒室內(nèi)，有利于點(diǎn)火延遲，增加了參與反應(yīng)物的熱容量以及CO2、H2O等惰性氣體對(duì)氧氣的稀釋作用，從而降低最高燃燒溫度，減少NOx的生成，大約60%～70%的NOx在高負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生，此時(shí)采用合適的廢氣再循環(huán)對(duì)于減少NOx是很有效的。廢氣再循環(huán)率為15%時(shí)，NOx排放可以減少50%以上，而廢氣再循環(huán)率為25%時(shí)，NOx可減少80%以上，但隨著廢氣再循環(huán)率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速度變慢，燃燒穩(wěn)定性變差，HC和油耗增加，功率下降。若采用＂熱EGR＂還可以同時(shí)減少HC和PM的排放，并不會(huì)增加油耗，在中、低負(fù)荷時(shí)凈化效果更佳。由于EGR氣門(mén)的升程信號(hào)會(huì)因氣門(mén)座積炭而不能正確反應(yīng)EGR量，其相應(yīng)速度較慢，所以廢氣再循環(huán)量更應(yīng)通過(guò)進(jìn)氣流量和EGR氣門(mén)的升程信號(hào)相結(jié)合來(lái)反應(yīng)。EGR裝置見(jiàn)圖5。

圖5 廢氣再循環(huán)裝置示意圖

2.4 選擇性催化還原系統(tǒng)

選擇性催化還原系統(tǒng)（圖6）目前主要是將柴油機(jī)所排放的廢氣通過(guò)與尿素（NH3）混合，然后一起被送到催化劑反應(yīng)腔進(jìn)行還原反應(yīng)，從而將有害氣體通過(guò)化學(xué)反應(yīng)中和掉。該方法能更大程度上減少NOx的排放，試驗(yàn)表明一次還原反應(yīng)大約能夠還原85%～95%的NOx排放量，其配比量對(duì)于40%尿素溶液來(lái)說(shuō)，其消耗量大約是20～25g／kWh。但其缺點(diǎn)是尿素容腔太大，而且對(duì)于不同的柴油機(jī)在不同的工況下需要記錄不同的數(shù)據(jù)，從而被輸送到芯片中進(jìn)行備案以達(dá)到配比的目的，再者就是排氣背壓可能因裝了這么一個(gè)裝置后背壓有過(guò)大情況。

圖6 選擇性催化還原系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的各種減少NOx排放的措施，都不同程度上存在一定的局限性，在減少NOx排放的同時(shí)有可能導(dǎo)致柴油機(jī)在動(dòng)力性或者經(jīng)濟(jì)性的下降，對(duì)其他排放物，比如顆粒、HC、CO、CO2等反而會(huì)增加，要進(jìn)一步減少NOx排放，從根本上還得從柴油機(jī)的燃燒過(guò)程著手，比如目前日本使用的可變?nèi)加屯馆喖瓤紤]到了燃油經(jīng)濟(jì)性，又能很大程度上改善NOx排放，今后研究柴油機(jī)NOx產(chǎn)生機(jī)理以及改善燃燒方式仍將是一個(gè)重點(diǎn)。

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