柴油內燃機排放物環(huán)保凈化技術研究

劉永平

摘要： 本文通過內燃機柴油燃燒后產生的主要污染物進行闡述分類，并淺析了產生過程與機理，為了滿足環(huán)保要求，達到排放標準，從機內凈化、排氣后處理，以及噴油系統(tǒng)改進等幾個方面系統(tǒng)研究了合理的凈化處理技術，從而實現了排放達到環(huán)保標準的效果，推動了內燃機環(huán)保凈化技術的改進發(fā)展。

Abstract： This article categorizes the main pollutants produced after the combustion of internal combustion engine diesel， and analyzes the production process and mechanism. In order to meet environmental protection requirements and meet emission standards， it is purified from the engine， exhaust gas post-treatment， and fuel injection system improvement. Several aspects have systematically studied reasonable purification treatment technology， so as to achieve the effect of meeting environmental protection standards for emissions， and promote the improvement and development of environmental protection purification technology for internal combustion engines.

關鍵詞： 柴油燃燒;內燃機;環(huán)保;排放污染物

Key words： diesel combustion;internal combustion engine;environmental protection;emission of pollutants

中圖分類號：TK421.53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0054-02

0? 引言

為了適應時代要求，內燃機車的環(huán)保排放技術引起了高度關注。相較于汽油機，柴油機更加兼具壽命長、動力強、輸出扭矩高和耗能低等優(yōu)點，適用于鐵路運輸，但柴油機經過燃燒后也會產生包括氫化物、一氧化碳和氮氧化物及燃燒不充分的顆粒物等污染物，對環(huán)境污染尤為嚴重，亟待發(fā)展解決這些問題的新手段、新方法。

1? 污染物的成分構成

鑒于柴油機使用的柴油型號不同，柴油機自身結構對于柴油也存在充分燃燒和不充分燃燒等，因此，在不同溫度、不同氧氣濃度、不同燃燒環(huán)境等條件的制約下，會經過多種化學反應，產生不同的燃燒產物，經過初步研究，主要排放物可達到接近200種物質，其中無害物質則包括氮、氫、氧等氣體，有害物質則包括氮的氧化物、氫氧化物、碳氫化合物和廢棄顆粒物等[1]。這些有害氣體和固體廢物雖然不易被肉眼可見，卻危及著環(huán)境和人身健康。因此，我們的主要研究對象是如何降解這些氮氧和氫氧化物，以及常說的顆粒物PM等。

2? 污染物的產生機理

2.1 氮氧化物

柴油機的廢氣產物中主要以二氧化氮（NO2）和一氧化氮（NO）為主，而NO在氮氧化物總占比中含量為85%～95%，經過燃燒排放后，又會與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，最終形成NO2，因此，我們在研究如何降低污染物排放，對廢氣進行降解時，通常以NO為研究方向。當室內燃燒溫度高于1600℃條件下，柴油經過如下化學公式發(fā)生氧化反應：

N2+O→NO+N（1）

N+O2→NO+O（2）

N+OH→H+NO（3）

由上式可以清晰還原出N2在不同氧氣濃度的條件下發(fā)生的氧化反應得到不同的氮氧化物產物，這一反應主要受氧濃度、溫度和反應時間等因素影響。

2.2 一氧化碳

一氧化碳的主要生成影響因素受到如下幾個方面的制約，首先在發(fā)生環(huán)境中的氧含量不足，即缺氧狀態(tài)下發(fā)生不完全反應，容易產生CO;其次，當柴油燃燒后產生的氮氧化物、氫氧化物和碳氧化物等氣體混合不均勻，即使在氧含量較充足條件下也會發(fā)生不完全反應，產生CO;第三，當充分燃燒后產生的CO2，與燃燒室內的水蒸氣在足夠的高溫環(huán)境中進行熱分解反應，也會產生一定量的CO，而碳氫化合物發(fā)生不完全燃燒也會產生CO等氣體。

2.3 碳氫化合物

碳氫化合物在柴油燃燒過程中主要是發(fā)生不完全燃燒的產物，由于柴油機屬于擴散燃燒，所以同一空間內不同區(qū)域都會積存產物氣體，造成氣體分布和混合不均勻，當氧氣參與到化學反應中后，氣體濃度或高或低，導致氣體之間也會發(fā)生部分反應，最終由于燃燒不充分產生碳氫化合物（HC），這些氣體隨尾氣一起被排放到大氣中，造成環(huán)境污染。

2.4 廢棄顆粒物

燃燒產物中的廢棄顆粒物，即常說的PM指標，是指柴油機燃燒后排放的粒徑大于PM2.5μm的顆粒物，這些物質一般懸浮于離地高度1-2m的空氣中，這一高度正是普通人群的活動高度，因此，極易隨著呼吸對人體健康造成傷害。此外，顆粒物種還包含有硫酸鹽、金屬碎屑、可溶性有機物、碳煙等物質，其中金屬碎屑在人體內不可被分解，而硫酸鹽和可溶性有機物一旦進入體內會造成身體傷害，碳煙更是烴類物質的高溫燃燒產物，在體內更不可被降解，因此，污染顆粒對人身健康的威脅最大。

3? 柴油機污染物的凈化處理技術

綜上所述，柴油機燃燒后的主要污染物，也是對環(huán)境污染最嚴重的污染物莫過于氮氧化物（NOx）和廢棄顆粒物（PM），經過研究分析，最佳的降解環(huán)保方案是確保柴油機內充分燃燒，在過程中實現凈化，通過調整柴油機進氣方式、優(yōu)化噴射角度、對高壓噴油進行多段增壓等方式，實現燃燒物在排放前的內凈化過程。

3.1 機內凈化

機內凈化是指對燃燒過程的技術優(yōu)化，利用改善柴油機的燃燒工況，增壓供氣、調整噴射角度等手段達到廢氣的凈化效果和環(huán)保標準。

3.1.1 氣體再循環(huán)

氣體再循環(huán)技術（EGR）是指理想狀態(tài)下，能夠將燃燒室產生的廢氣經過進氣道循環(huán)吸入到進氣系統(tǒng)中，經過與新鮮空氣的融合再反應，實現不完全反應的二次燃燒，得到充分燃燒后的清潔氣體。此外，當進氣道內新鮮空氣與廢氣經過混合被稀釋后，降低了實際的氧濃度，從而增加了惰性氣體的濃度，間接抑制了氮氧化物的生成，從而減少氣體的排放污染[3]。

3.1.2 增壓中冷技術

通過對進氣道進行吸入量增壓，提升燃燒室內的進氣量，增壓后提升了空氣密度，能夠有效保證燃燒環(huán)境的完全反應，從而抑制PM的產生，但弊端是在增壓結束時產生富氧環(huán)境，造成氮氧化物的含量增加，為了減少氣體的排放，可以增加中冷環(huán)節(jié)，在富氧條件下降低燃燒室的溫度，從而減緩反應速度，從而降低氮氧化物的產生與排放。

3.1.3 調控噴油時間與溫控

對柴油機的噴油時間進行調控，適當推遲噴油的節(jié)點可以有效避開燃燒中的上止點，利于室內溫度下降，改變燃燒反應溫度條件，從而抑制燃燒發(fā)生;而當接近噴油過程的上止點時，恰是高溫狀態(tài)，利于氮氧化物的充分燃燒，減少顆粒物的產生。

3.1.4 滲水冷卻技術

滲水冷卻技術是指利用向進氣道噴水或者氣缸進行噴水、噴油（乳化油）的方式，促進在燃燒室高溫環(huán)境中迅速將水變成蒸汽，從而揮發(fā)帶走部分熱量，實現降溫的目的，減少氮氧化物的產生排放。

3.2 排氣后處理技術

不同于上述方法，是將廢氣控制在反應過程中，而排氣后的處理技術是通過將廢氣收集，集中后針對產生的氮氧化物進行處理，主要采用的方法有微粒捕捉器、氧化還原催化劑法等進行凈化排放。

3.2.1 微粒捕捉器

微粒捕捉器是通過采用特殊的過濾材料，利用物理原理降低排氣中顆粒物的方法，通過選用陶瓷制品或者金屬制品的蜂窩狀過濾器，將燃燒后的尾氣通過排氣通道，由設置在通道中的過濾器進行篩分攔截，攔截掉的顆粒物經過高溫再燃燒，實現循環(huán)化學反應，從而達到潔凈效果，此外，還可以利用噴油助燃劑、燃油添加劑、節(jié)氣門清潔劑、連續(xù)催化再生劑、斷續(xù)加熱等方法實現捕捉過濾物的潔凈再生。

3.2.2 氧化催化反應

利用氧化催化劑參與到柴油燃燒過程中，可以有效提高多數碳氫化合物、碳氧化合物和氮氧化合物的氧化反應，促進充分燃燒，一般氧化催化劑的活性反應溫度為200℃～350℃，在此范圍內活性可以充分發(fā)揮，當溫度低于150℃時，催化劑的活性將會降低，不能起到催化效果，而當溫度高于350℃時，又會導致硫酸鹽的大量生成，從而抑制燃燒反應，反而增加了顆粒物的排放產生[2]。

3.2.3 還原催化反應

根據柴油燃燒后的產物不同，對于氮氧化物（NOx）的凈化排放適用于采用還原催化反應技術，主要利用含硫量較低的柴油原油和尿素、氨等作為還原劑，而氨的制作方法是在尿素經過水溶后產生大量氣體，而氨氣作為還原劑可以與氮氧化物發(fā)生化學反應，置換還原出氮氧化物中的氮元素，產生氮氣，從而實現氮氧化物的凈化排放，主要反應公式如下：

2NO+O2=2NO2（4）

（NH2）2CO+H2O=2NH3+CO2（5）

2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O（6）

4NH3+3O2=2N2+6H2O（7）

3.3 噴油系統(tǒng)改進技術

噴油系統(tǒng)主要包括噴油壓力、噴射角和噴油正時等客觀規(guī)律，當噴油壓力大時，會將柴油噴出的霧化效果更好，在燃燒室內混合更均勻，燃燒也更充分，不僅可以提高柴油燃燒后釋放的動能，也可以減少污染物的排放量，同時，也決定了柴油的經濟指標和性能指標。當高壓噴射達到200MPa以上時，各項經濟指標與性能才能發(fā)揮最合理工況。其次，油管的噴射壓力大小也與油泵的供油速率和功率有關，其中供油速率影響著噴射時能夠達到的最大壓力，而噴射面積則直接決定著噴油的霧化效果和燃燒效果，噴油的主要經濟規(guī)律也由油缸單位時間的進氣量相關，為了有效降低廢氣排放，應采取最合理的噴油規(guī)律和調整影響因素指標。

為了達到最佳的噴油壓力和霧化效果，在初期燃燒過程中應保持較低的供油速率，為防止未完全燃燒的油霧和空氣混合，延長反應時間，增加不充分燃燒產物，從而影響內燃機油缸的缸內最高溫度，通過調控壓力來降低氮氧化物的排放產出量。當有缸內的油霧和混合氣體燃燒不充分時均能夠產生大量的顆粒物和碳氫化合物，因此，控制好油泵的供油速率，調控霧化噴油角度，合理配置燃燒速度和供油速度，使其處于穩(wěn)定供油的平衡狀態(tài)，才能達到最佳的動能輸出與氣體排放效果。

4? 柴油凈化排放技術發(fā)展方向與建議

柴油機作為鐵路運輸系統(tǒng)目前最主要的供能設備，為了響應環(huán)保排放標準要求號召，應于新興技術進行合理搭配使用，對舊設備進行更新、改造，提高利用率。大力發(fā)展民營企業(yè)投入柴油機的外排物凈化技術應用。此外，在進行柴油機環(huán)保技術改造的同時，還要發(fā)展環(huán)保檢測技術，輔助污染物排放檢測標準的落實執(zhí)行，通過配套系統(tǒng)的建立，完善柴油機的柴油燃燒達到環(huán)保標準。

5? 總結

綜上所述，通過對內燃機主要污染物的產生來源與產生機理研究，有針對性地從產生過程的室內燃燒和排放口收集凈化等兩個方面階段進行降解去污，最終實現外排物的環(huán)保達標排放，隨著環(huán)保要求的提高，也促進著內燃機排放污染物凈化技術的不斷進步，實現雙向共贏的局面。

參考文獻：

[1]強永平，李海鷹，張煒.低溫環(huán)境柴油機活塞燒蝕燃燒過程的分析研究[J].車用發(fā)動機，2021（06）：64-70.

[2]薛記恩，逢建珍.某型柴油機燃燒優(yōu)化仿真技術研究[J].內燃機，2021（04）：38-43.

[3]李軍成，李明星，曾麗麗，張志雄.燃燒模擬在國六柴油機燃燒系統(tǒng)開發(fā)中的應用[J].車用發(fā)動機，2021（02）：40-44.