農(nóng)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的形成及凈化

柳向春

摘要：從農(nóng)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的成分、有害成分的成因及進(jìn)氣燃燒系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、廢氣后處理等幾方面綜述了降低柴油機(jī)排氣污染物的技術(shù)措施和控制對(duì)策。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 廢氣 成因 凈化

發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣中，除C02、H2O、N2和過(guò)量的O2為無(wú)害成分外，還包含有若干種有害成分，主要是一氧化碳（CO）、各種碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx），還有少量的硫化物（SO2等）、炭煙及臭味等。這些有害成分會(huì)污染大氣，對(duì)人體健康和動(dòng)植物的生長(zhǎng)也會(huì)造成嚴(yán)重的危害。

CO被吸入人體后，會(huì)阻礙血液對(duì)氧氣的輸送，造成人體缺氧窒息。SO2遇水發(fā)生作用形成硫酸，具有強(qiáng)烈的腐蝕性，刺激人體呼吸系統(tǒng)黏膜和眼睛。柴油機(jī)燃燒后，碳和氫反應(yīng)生成多種碳?xì)浠衔?，它們是具有?qiáng)烈氣味的物質(zhì)，能刺激黏膜，有的還有致癌作用。NO在空氣中能氧化為NO2， NO2有強(qiáng)烈的刺激性氣味，對(duì)肺部有刺激性作用和毒性。NOx在強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射下，會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成光化學(xué)煙霧，對(duì)動(dòng)植物具有很大的毒性。有機(jī)鉛化合物對(duì)人體組織細(xì)胞有強(qiáng)烈的毒性，而且影響時(shí)間很長(zhǎng)。炭煙顆粒直觀上污濁空氣，影響視野，在顆粒表面和空隙內(nèi)還附著有多環(huán)芳香烴等具有致癌作用的物質(zhì)。

1 廢氣中有害成分的成因

在柴油機(jī)的排氣中，常會(huì)有白色、藍(lán)色或黑色等不同顏色的煙，其中含有炭粒和油霧。據(jù)試驗(yàn)分析，白煙是由柴油和潤(rùn)滑油顆粒（1 μm以上）形成，藍(lán)煙是由更細(xì)的液體微粒（0.4 μm以上）形成。由于這些柴油和潤(rùn)滑油的微粒未經(jīng)燃燒，或只經(jīng)過(guò)熱裂解和部分燃燒，往往含有醛類、過(guò)氧化物及多環(huán)芳香烴等成分，帶有難聞臭味，刺激眼睛，甚至有致癌作用。這兩種煙往往是在啟動(dòng)、低溫條件下由于霧化不良、燃燒室壁過(guò)冷、燃燒室氣流過(guò)強(qiáng)或混合氣過(guò)稀使燃燒緩慢滯后所致。黑煙是由廢氣中含有石墨結(jié)晶（炭黑）所致，粒度在0.5 μm以下。黑煙的生成一般經(jīng)歷炭核生成、各種成分在炭核表面凝聚逐漸使微粒尺寸加大、微粒再聚合成串等幾個(gè)階段。如果油氣接觸了溫度相對(duì)較低的燃燒室壁面并被急劇冷卻，使壁面附近的燃燒中間產(chǎn)物變得比較穩(wěn)定而難于氧化，然后在燃燒過(guò)程中被反復(fù)脫氫（氫被氧化）而析出石墨結(jié)晶。這些石墨結(jié)晶雖然可以在燃燒室中被燒掉一部分，而殘留下來(lái)的結(jié)晶則隨廢氣排出氣缸而冒黑煙。柴油機(jī)從低負(fù)荷急速地加載到大負(fù)荷時(shí)，也會(huì)使排氣冒黑煙，其原因是向低溫的燃燒室供入了大量的柴油，當(dāng)柴油燃燒的火焰前鋒碰到較冷的燃燒室壁面時(shí)就會(huì)生成炭煙。柴油機(jī)排氣冒黑煙和排放微粒是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

2 廢氣的凈化

2.1 對(duì)空氣、柴油進(jìn)行預(yù)處理

這一措施可以改變氣缸內(nèi)燃燒反應(yīng)物的性質(zhì)，改變?nèi)紵磻?yīng)的條件，如廢氣再循環(huán)、進(jìn)氣管噴水、采用摻水乳化柴油，改變柴油性質(zhì)和使用柴油添加劑、使用磁化柴油等，以達(dá)到消煙節(jié)油的效果。

（1）廢氣再循環(huán)。柴油機(jī)廢氣再循環(huán)降低NOx的作用機(jī)理與汽油機(jī)相同。但當(dāng)柴油機(jī)在大負(fù)荷下出現(xiàn)缺氧時(shí)，會(huì)導(dǎo)致CO、HC和炭煙排放量增加。

（2）進(jìn)氣管噴水。柴油機(jī)進(jìn)氣管噴水是因?yàn)檫M(jìn)入氣缸的水分降低了柴油機(jī)燃燒的最高溫度，因而能降低廢氣中NOx的含量。在進(jìn)氣管噴水時(shí)，要求噴水能隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)。在直噴柴油機(jī)上，當(dāng)噴水量等于柴油量時(shí)，NOx和HC的排放量約減少50%，功率僅下降4%左右。柴油機(jī)進(jìn)氣管噴水的缺點(diǎn)是氣缸腐蝕加重和油底殼積水對(duì)潤(rùn)滑油造成污染。

（3）采用摻水乳化柴油。有關(guān)研究表明：把柴油、水和乳化劑三者按一定的比例配制成乳化液在柴油機(jī)中進(jìn)行燃燒，對(duì)降低NOx和炭煙的排放量有明顯的效果。

（4）使用磁化柴油。磁化柴油具有消煙節(jié)油的效果，其作用機(jī)理是使柴油通過(guò)同極磁場(chǎng)被磁化，改變了柴油分子的排列狀態(tài)，使柴油分子的結(jié)合力減弱，氧分子更易滲入，使柴油燃燒得更加完全，從而達(dá)到節(jié)油消煙的目的。

2.2 改進(jìn)燃燒過(guò)程

為了改進(jìn)燃燒過(guò)程，通常采取的措施有延遲噴油、提高噴油速率、加強(qiáng)進(jìn)氣渦流和采用分隔式燃燒室等。

延遲噴油對(duì)于降低NOx的排放非常有效。但對(duì)于分隔式燃燒室，由于延遲噴油會(huì)出現(xiàn)低負(fù)荷不著火的情況，反而會(huì)使HC的排放增加。因此，要求有一套精密控制的供油提前角自動(dòng)調(diào)整裝置，能在中等負(fù)荷時(shí)減小供油提前角，而在大負(fù)荷和小負(fù)荷時(shí)又能適當(dāng)增大供油提前角。

分隔式燃燒室的NOx排放量要比直噴式燃燒室低1/3～1/2，其原因是在分隔式燃燒室中，副燃燒室的壁溫較高，自燃延遲期較短，使燃燒的最高壓力和溫度得到了控制，且副燃燒室混合氣較濃，燃燒在相對(duì)缺氧的條件下進(jìn)行，由此共同抑制了NOx的產(chǎn)生。當(dāng)混合氣進(jìn)入主燃燒室后，活塞已經(jīng)下行，氣缸內(nèi)的溫度迅速下降，NOx已經(jīng)不能繼續(xù)生成。分隔式燃燒室利用二次渦流促進(jìn)了主燃燒室內(nèi)混合氣的形成和燃燒，避免或減少了在主燃燒室內(nèi)高溫局部缺氧區(qū)的出現(xiàn)，能使柴油充分燃燒，降低了CO和HC的排放。

2.3 對(duì)排出廢氣進(jìn)行后處理

為了進(jìn)一步降低有害排放，在廢氣排出氣缸后，通常采取除塵濾清凈化裝盆和催化轉(zhuǎn)化器對(duì)排氣進(jìn)行最后的處理。