柴油機中氮氧化合物（NOX）的生成機理及影響因素

劉 朋，張秋霞，汪東明，黃銀花（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，江蘇 淮安 223003）

柴油機中氮氧化合物（NOX）的生成機理及影響因素

劉 朋，張秋霞，汪東明，黃銀花
（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，江蘇 淮安 223003）

氮氧化合物（NOX）是柴油機主要排放污染物之一，不僅會生成酸雨，危害植物生長，而且也會破壞人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，因此NOX是柴油機排放主要控制指標(biāo)之一。本文詳細(xì)介紹了NOX的生成機理，重點分析了噴油定時、放熱規(guī)律、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速對于NOX生成率的影響。

NOX；生成機理；影響因素

0　引言

柴油機一氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C）的排放比汽油機低很多，但其過量空氣系數(shù)很高，且燃燒過程中產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致NOX大量生成。人吸入NOX后出現(xiàn)眩暈、無力等病癥，嚴(yán)重時出現(xiàn)窒息；另外，NOX還會與HC一起引起光化學(xué)反應(yīng)，造成更嚴(yán)重的危害。

本文將主要介紹NOX的生成機理及影響因素，以期為NOX的控制提供一定的指導(dǎo)意義。

1　生成機理

NOx是指燃燒過程中氮的各種氧化物，主要包括NO和NO2，其中NO的量相對較多。根據(jù)澤爾多維奇理論，在高溫、高壓和富氧的環(huán)境下，NO的化學(xué)反應(yīng)鏈為：

由于O2的化學(xué)反應(yīng)活性大于N2的化學(xué)反應(yīng)活性，O2的分解相對更加的容易，所以上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的開始是O2首先在高溫下分解為O原子，隨后由O原子激發(fā)其他鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

由反應(yīng)2可以看出，NO是O原子切斷N2分子的化合鍵生成的。溫度對于化學(xué)反應(yīng)O+N2→NO+N的反應(yīng)速率影響較大，因此降低柴油機的最高燃燒溫度有助于抑制O+N2→NO+N的反應(yīng)速率，降低NOX的排放。同時，氧濃度對于化學(xué)反應(yīng)O+N2→NO+N的反應(yīng)速率也由一定影響。此外，由于化學(xué)反應(yīng)需要時間，所以氮和氧在高溫中滯留的時間也是影響NOX生成的一個因素。

綜上所述，降低柴油機的最高燃燒溫度、降低化學(xué)反應(yīng)區(qū)域的氧濃度、降低氮和氧在高溫中滯留的時間，均可降低柴油機NOX的生成率。

從圖1中可以看出：在過量空氣系數(shù)＞1的稀混合氣區(qū)，NOX生成率隨溫度的升高而迅速增大。在過量空氣系數(shù)＜1的濃混合氣區(qū)，NOX生成率隨氧濃度的減小而急劇降低。

圖1　NO的平衡摩爾分?jǐn)?shù)與過量空氣系數(shù)關(guān)系圖

分析上圖得出結(jié)論：對于稀混合氣，溫度對于NOX的生成影響較大；對于濃混合氣，氧濃度對于NOX的生成影響較大。

2　影響柴油機NOX排放的因素

柴油機與汽油機的主要區(qū)別之一是，汽油機是預(yù)混合燃燒，柴油機是邊噴射、邊混合、邊燃燒。柴油機的噴射、混合、燃燒基本是同時進(jìn)行的，因此其混合時間極短，燃油分布不均勻，燃燒成分復(fù)雜、多變。在柴油機眾多的工況中，影響NOX排放的因素有：

（1）噴油提前角。實驗表明，當(dāng)噴油提前角在20°曲軸轉(zhuǎn)角時，NOX生成率最大。減小噴油提前角，推遲燃燒，降低燃燒溫度，可以減少NOX的排放量。但是推遲燃燒的方式會造成燃燒不充分，使燃油消耗量增加。

（2）放熱模式。柴油機的放熱規(guī)律包括傳統(tǒng)放熱模式和低排放放熱模式兩種。傳統(tǒng)放熱模式是指在壓縮上止點之前便出現(xiàn)一個放熱率峰值，使柴油機的最大爆發(fā)溫度升高，NOX生成率較高。隨后出現(xiàn)一個較為平緩的放熱率線，此過程會拉長燃燒過程，導(dǎo)致柴油高溫裂解，使微粒的排放量增加

低排放放熱模式是指在壓縮上止點之后開始急劇放熱，此時第一放熱峰值較低，使柴油機的最大爆發(fā)溫度較低，NOX生成率較低。隨后擴散燃燒速度較快，燃燒很快結(jié)束，NOX缺乏足夠的生成時間，NOX生成率較低。

（3）負(fù)荷。負(fù)荷增大使可燃混合氣的平均空燃比減小，燃燒壓力和溫度提高，NOX生成率提高。當(dāng)負(fù)荷超過某一限度時，由于燃燒室內(nèi)缺乏氧氣，導(dǎo)致燃燒惡化，使PM生成率提高，NOX生成率降低。

（4）轉(zhuǎn)速。NOX生成率受轉(zhuǎn)速影響較小。對于非增壓柴油機，由于低轉(zhuǎn)速下，NOX有足夠的反應(yīng)時間，故最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速比標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的NOX生成率高。

3　結(jié)語

NOX是柴油機主要排放污染物之一，其生成受到柴油機噴油定時、放熱規(guī)律、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等多種因素的影響。為了控制柴油機中NOX的排放，目前主要的技術(shù)是廢氣再循環(huán)（EGR）、選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原法（SNC）等技術(shù)。但目前這些技術(shù)的成本（經(jīng)濟(jì)成本、動力成本）較高，預(yù)計以后隨著低溫燃燒等技術(shù)的成熟，會為降低柴油機NOX的排放提供更加完善的技術(shù)。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.015

淮安市科技創(chuàng)新平臺與產(chǎn)學(xué)研載體建設(shè)計劃-科技公共服務(wù)平臺項目：淮安市汽車技術(shù)公共服務(wù)平臺（HAP201411），之子項目：汽車尾氣智能凈化裝置的設(shè)計（KA150805）

劉朋（1983-），男，山東濟(jì)寧人，碩士，工程師，主要研究方向:電控發(fā)動機工作原理及檢修方法。