淺析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的生成機(jī)理

趙龍 邱文龍 朱天一 何博 鞏百如

摘 要：隨著環(huán)境問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)峻，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的減排工作也變得刻不容緩，我們?cè)诜治霾裼蜋C(jī)排放物生成的同時(shí)，對(duì)于如何采取一些措施降低碳?xì)浠衔铩⒁谎趸?、氮氧化物、顆粒等排放物的生成也進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：環(huán)境；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；碳?xì)浠衔铮灰谎趸?；氮氧化物；顆粒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.006

0 前言

環(huán)境保護(hù)是近幾年的熱門話題，藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)已經(jīng)是每個(gè)制造型企業(yè)攻堅(jiān)克難的課題。汽車排放物對(duì)環(huán)境污染有重要影響，隨著我國(guó)汽車保有量的進(jìn)一步提升，排放污染物增長(zhǎng)速度驚人，以2014年為例全國(guó)機(jī)動(dòng)車排放污染物4547.3萬(wàn)噸，其中氮氧化物627.8萬(wàn)噸，顆粒物57.4萬(wàn)噸，碳?xì)浠衔?28.4萬(wàn)噸，一氧化碳3433.7萬(wàn)噸。這些污染物會(huì)直接影響人的健康，因此，國(guó)家環(huán)保部已經(jīng)開始加強(qiáng)對(duì)汽車排放物的監(jiān)管力度，排放法規(guī)進(jìn)一步加嚴(yán)。使用嚴(yán)格的排放法規(guī)來(lái)要求各家主機(jī)廠，通過(guò)技術(shù)手段降低汽車排放污染物。

柴油機(jī)排放是汽車排放污染物的主要來(lái)源之一，柴油機(jī)的排放物主要包括碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氮氧化物、顆粒物。通過(guò)研究柴油機(jī)污染物生成機(jī)理，在源頭降低柴油機(jī)排放污染物，保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上，排放滿足國(guó)家法規(guī)要求，為藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)盡一份力。

1 碳?xì)浠衔锏纳?/p>

碳?xì)浠衔镏饕俏慈己臀赐耆紵娜加?、?rùn)滑油及其裂解的部分氧化產(chǎn)物。噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油與空氣混合形成的混合氣太稀或太濃，以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面淬熄，都是造成碳?xì)浠衔镌黾拥闹饕蛩亍?/p>

碳?xì)渑欧诺闹饕獊?lái)源還包括以下兩種原因，其一是燃燒室壁面產(chǎn)生的油膜。油膜蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生油氣，由于產(chǎn)生的油氣時(shí)刻較遲，這部分油氣只有少部分被氧化，從而產(chǎn)生碳?xì)浠衔铩Ａ硪粋€(gè)就是容積淬熄，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)做到更高的額定功率，這種情況在混合氣過(guò)稀或過(guò)濃時(shí)，容易發(fā)生容積淬熄，使碳?xì)浠衔锱欧帕看笤觥?/p>

目前優(yōu)化重型柴油機(jī)碳?xì)浠衔锱欧诺膬蓚€(gè)主要手段是：（1）降低噴油器壓力室向燃燒室滴漏燃油；（2）減少滯燃期稀薄燃油混合氣的形成。

2 一氧化碳的生成

一氧化碳是碳?xì)淙剂显谌紵^(guò)程中產(chǎn)生的中間物，一氧化碳的生成主要是因?yàn)槿剂系牟煌耆紵?。氧氣不充足、燃燒溫度不高以及反?yīng)時(shí)間短，都會(huì)使燃燒惡化從而產(chǎn)生一氧化碳。在燃燒過(guò)程結(jié)束時(shí)，一氧化碳會(huì)被多種氧化劑氧化成二氧化碳。如果由于缺少氧化劑或氣體溫度低，一氧化碳不能完成化合反應(yīng)，一氧化碳就會(huì)殘留于廢氣中。

影響一氧化碳生成的主要因素是低空燃比。圖1展示了增壓直噴、自然吸氣非直噴兩款發(fā)動(dòng)機(jī)，燃空比對(duì)一氧化碳排放的影響。在高負(fù)荷，一氧化碳主要是在混合氣過(guò)濃區(qū)域產(chǎn)生；低負(fù)荷是在混合氣過(guò)稀區(qū)域產(chǎn)生。

過(guò)濃混合氣燃燒會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度、增加氧氣濃度和加快混合氣混合都能促使一氧化碳氧化成二氧化碳，可以作為降低一氧化碳排放的手段。

3 氮氧化物的生成

在內(nèi)燃機(jī)排放物中，NOx一般被稱為氮氧化物。在直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中，一氧化氮是最主要的氮氧化物，一氧化氮占發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣氮氧化物比例的70%-90%。二氧化氮主要是維持氮氧化物平衡。

氮氧化物生成的主要區(qū)間是在擴(kuò)散燃燒階段，預(yù)混燃燒階段由于燃油混合氣過(guò)濃、氧氣濃度低、燃燒溫度低等因素，幾乎沒(méi)有氮氧化物生成，因此在擴(kuò)散燃燒階段是氮氧化物生成的主要區(qū)域。

氮氧化物形成的另一個(gè)比較重要的原因，是在燃燒過(guò)程中生成的一氧化氮通過(guò)反應(yīng)形成二氧化氮。在燃燒過(guò)程中，一氧化氮有很多潛在生成機(jī)理，影響這些生成機(jī)理比較重要的因素有溫度、壓力、火焰?zhèn)鞑?、關(guān)鍵反應(yīng)停留時(shí)間以及濃度等。

降低氮氧化物生成的主要技術(shù)手段是缸內(nèi)凈化，通過(guò)標(biāo)定手段使發(fā)動(dòng)機(jī)原始燃燒產(chǎn)生的氮氧化物降低，例如降低燃燒過(guò)程中的燃燒溫度，降低燃燒過(guò)程中氧氣的含量。

缸外凈化通過(guò)增加SCR后處理噴射系統(tǒng)將燃燒過(guò)程產(chǎn)生的NOx，在后處理載體催化作用下產(chǎn)生無(wú)害的氮?dú)馀欧诺酱髿庵?。其總量反?yīng)方程式為：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

4 顆粒的生成

在所有排放物中最具有爭(zhēng)議的就是顆粒物，顆粒物的定義是： 在溫度小于52℃，內(nèi)燃機(jī)排氣中，任何能夠被取樣濾清器捕集到的物質(zhì)稱之為顆粒。柴油機(jī)顆粒沒(méi)有明確的物理定義，顆粒是比較復(fù)雜的排放，包括物質(zhì)的種類，下文主要對(duì)顆粒物進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

一般而言，顆粒物是空氣燃油混合氣組成的有機(jī)物與無(wú)機(jī)物。顆粒最主要的組成部分是：由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)不均勻燃燒產(chǎn)生的碳顆粒。小粒子或燃燒顆粒組成了預(yù)混火焰，在過(guò)稀或過(guò)濃混合氣中燃燒。燃油中存在的硫元素是硫化物顆粒的主要來(lái)源，如果燃燒產(chǎn)物的硫化物在潮濕的環(huán)境中，其顆粒物質(zhì)量會(huì)翻倍。揮發(fā)的碳?xì)淙剂弦约八麄兊难苌镆矔?huì)存在于顆粒物中。這些物質(zhì)被稱為有機(jī)可溶物，主要源于含有碳?xì)浠衔锏臐?rùn)滑油。由于活塞與汽缸壁不合理的摩擦或者是活塞環(huán)刮油不凈，導(dǎo)致大量的潤(rùn)滑油消耗以及未燃潤(rùn)滑油在缸內(nèi)燃燒時(shí)形成顆粒。

控制碳顆粒形成的方法就是根據(jù)其形成原因進(jìn)行氧化。增加燃燒過(guò)程預(yù)混時(shí)間，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)未燃混合氣與極稀區(qū)域的空氣進(jìn)行混合。缸內(nèi)的高溫，也會(huì)使排氣中的碳顆粒氧化從而降低。降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以為燃燒和氧化過(guò)程提供更充足的時(shí)間。

4.1 碳顆粒的來(lái)源

機(jī)油耗的控制可以通過(guò)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部很多部件進(jìn)行。不合理的缸套襯墊磨損、活塞環(huán)密封性差，導(dǎo)致氣缸壁上的潤(rùn)滑油不能完全刮干凈，增壓器潤(rùn)滑油、軸承損壞、長(zhǎng)時(shí)間怠速以及活塞氣缸壁的疲勞摩擦等都會(huì)造成機(jī)很高的油耗。對(duì)于重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，潤(rùn)滑系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的一部分，噴射潤(rùn)滑油主要目的是降低活塞溫度。過(guò)量噴射潤(rùn)滑油會(huì)增加機(jī)油的消耗。另外，柴油機(jī)急加速或是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷從低到高，可能導(dǎo)致更多的未燃潤(rùn)滑油，此時(shí)的活塞環(huán)密封性變差。低負(fù)荷時(shí)，燃燒壓力很低，活塞環(huán)與氣缸壁形成的壓力低，密封壓力越低，密封性越差則會(huì)導(dǎo)致更高的機(jī)油消耗。

發(fā)動(dòng)機(jī)的一些運(yùn)行工況也可能是促使顆粒物生成的因素。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)持續(xù)加油的急加速。空氣系統(tǒng)的延遲導(dǎo)致實(shí)際所需空氣比理論所需空氣少很多。于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，增壓器的遲滯可能會(huì)使充氣降低，也會(huì)由于充氣缺乏而導(dǎo)致更多的碳顆粒排放生成。

4.2 柴油機(jī)排放產(chǎn)生的煙

在過(guò)量潤(rùn)滑油消耗的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排出的煙會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色或灰色。因此當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣冒藍(lán)煙或是灰煙的情況下，預(yù)示發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行大修。然而，未燃燃料也會(huì)出現(xiàn)藍(lán)煙情況（燃油分子直徑微米大約為0.5微米）。另一方面，白煙則是由于燃油噴射到溫度比較低的燃燒室內(nèi)，油滴直徑大約1.3微米。這種現(xiàn)象主要在低溫或高海拔進(jìn)行冷啟動(dòng)時(shí)發(fā)生。白煙會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)而消失。圖2展示了一輛轎車在冷啟動(dòng)時(shí)冒白煙的圖片。

大量黑煙主要是因?yàn)楹苌賹?duì)空氣濾清器、噴油器進(jìn)行保養(yǎng)，或是燃油噴射泵/燃油系統(tǒng)安裝有問(wèn)題。這種煙主要是碳顆粒，或是聚集的平均直徑在0.02微米到超過(guò)0.12微米的粒子組成。粒子直徑分布主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的類型，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的類型，同時(shí)隨著噴油量的增加，顆粒物排放也受影響。圖3展示了裝載機(jī)在急加速過(guò)程中冒黑煙的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]朱舫舫.重型柴油機(jī)車輛道路排放特征及評(píng)估方法研究[D].武漢理工大學(xué).