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（淮安信息職業技術學院汽車工程系，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
（淮安信息職業技術學院汽車工程系，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系統，因此NOX是柴油機排放主要控制指標之一。本文詳細介紹了NOX的生成機理，重點分析了噴油定時、放熱規律、負荷、轉速對于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）和碳氫化合物（HC）的排放比汽油機低很多，但其過量空氣系數很高，且燃燒過程中產生高溫，導致NOX大量生成。人吸入NOX后出現眩暈、無力等病癥，嚴重時出現窒息；另外，NOX還會與HC一起引起光化學反應，造成更嚴重的危害。

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。根據澤爾多維奇理論，在高溫、高壓和富氧的環境下，NO的化學反應鏈為：

由于O2的化學反應活性大于N2的化學反應活性，O2的分解相對更加的容易，所以上述鏈式反應的開始是O2首先在高溫下分解為O原子，隨后由O原子激發其他鏈式反應。

由反應2可以看出，NO是O原子切斷N2分子的化合鍵生成的。溫度對于化學反應O+N2→NO+N的反應速率影響較大，因此降低柴油機的最高燃燒溫度有助于抑制O+N2→NO+N的反應速率，降低NOX的排放。同時，氧濃度對于化學反應O+N2→NO+N的反應速率也由一定影響。此外，由于化學反應需要時間，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、降低化學反應區域的氧濃度、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＞1的稀混合氣區，NOX生成率隨溫度的升高而迅速增大。在過量空氣系數＜1的濃混合氣區，NOX生成率隨氧濃度的減小而急劇降低。

圖1　NO的平衡摩爾分數與過量空氣系數關系圖

分析上圖得出結論：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別之一是，汽油機是預混合燃燒，柴油機是邊噴射、邊混合、邊燃燒。柴油機的噴射、混合、燃燒基本是同時進行的，因此其混合時間極短，燃油分布不均勻，燃燒成分復雜、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，當噴油提前角在20°曲軸轉角時，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。柴油機的放熱規律包括傳統放熱模式和低排放放熱模式兩種。傳統放熱模式是指在壓縮上止點之前便出現一個放熱率峰值，使柴油機的最大爆發溫度升高，NOX生成率較高。隨后出現一個較為平緩的放熱率線，此過程會拉長燃燒過程，導致柴油高溫裂解，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，燃燒很快結束，NOX缺乏足夠的生成時間，NOX生成率較低。

（3）負荷。負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。當負荷超過某一限度時，由于燃燒室內缺乏氧氣，導致燃燒惡化，使PM生成率提高，NOX生成率降低。

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

3　結語

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、放熱規律、負荷、轉速等多種因素的影響。為了控制柴油機中NOX的排放，目前主要的技術是廢氣再循環（EGR）、選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原法（SNC）等技術。但目前這些技術的成本（經濟成本、動力成本）較高，預計以后隨著低溫燃燒等技術的成熟，會為降低柴油機NOX的排放提供更加完善的技術。

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