機車柴油機排放控制技術研究

康軼男

摘 要：加強機車柴油機排放控制的研究工作對于環境保護具有重要的現實意義。本文介紹了機車柴油機排放的有害污染物的組成，較全面的論述了降低有害物排放的措施，并對我國機車柴油機排放研究提出建議。

關鍵詞：機車柴油機；排放；控制技術；環保

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.047

近年來，全球環境狀況日益惡化，現代工業要進一步發展必須走可持續發展之路，即注重環境保護，減少環境污染。內燃機車的發展也不例外，評價現代機車柴油機的一個重要指標就是排放物的排放水平。在我國鐵路運輸系統中，內燃牽引發揮著重要的作用。至2015年底，我國鐵路全路配屬機車約19763臺，其中內燃機車約8150臺，占41.2%。目前，內燃機車柴油機的研究應考慮其對環境的影響，如何實現內燃機車技術的節能環保是鐵路現代化發展的一個主要方向。

1 機車柴油機排放物的組成

機車柴油機排放的有害污染物主要成分包括：氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）、碳氫（HC）化合物和顆粒物質（PM）。其中，氮氧化物和顆粒物排放量較多，一氧化碳和碳氫化合物的排放量較少。

2 機車柴油機排放控制技術發展趨勢

2.1 以優化燃燒為目的的機內凈化措施

（1）延遲噴油定時：這種方法可促使參與預混合燃燒的燃油量的減少，確保初始放熱率降低，使燃燒室內的最高燃燒溫度降低，最終使NOx的生成受到抑制。一般情況下，如果氮氧化物的排放減少，可能會增加顆粒物和燃油消耗率。因此，如果要采取相應的措施降低氮氧化物的排放時，應綜合考慮顆粒物和燃油消耗率的水平是否控制在合理范圍內，以上因素應綜合考慮，不應只顧一個方面，應統籌考慮，兩者兼顧。

（2）米勒循環（Miller循環）：一般情況下，柴油機運轉進入燃燒過程中進氣門才關閉。而米勒循環是將關閉的時間點提前到下止點前。以上改變方式的應用，會造成氣缸內工質發生一定程度的膨脹，降低壓縮壓力和燃燒溫度，進而可使NOx排放量減少。

（3）廢氣再循環技術（EGR）：這種技術主要是借助EGR閥按一定比例將增壓器渦輪前的部分廢氣引到進氣系統，基于以上條件下，廢氣和增壓空氣充分混合，可起到稀釋空氣的作用，從而使NOX的生成有效減低。有關試驗結果顯示，15%的廢氣再循環可使進氣中的氧濃度從21%降到18%。當柴油機在75%負荷下運轉時，NOX排放量減少70%；在最大持續功率工況下，NOX排放減少60%。

（4）高效增壓+中冷技術：采用高效增壓器配套的柴油機，可使工作循環溫度降低，從而起到降低NOX排放的作用，通過以上技術也有利于高柴油機功率和效率的進一步提升。與高效增壓相配合，可發揮對中冷水溫降低的作用，即使參與燃燒的空氣溫度降低，使NOX生成受到抑制。

（5）電子控制燃油噴射技術：這種技術是目前機車柴油機節能減排較常采用的技術。目前，共軌式燃油電子噴射系統是較為先進的系統，其主要優勢在于可實現高壓噴射；噴油壓力獨立于柴油機工作轉速，從而使柴油機低速、低負荷性能得以改善；噴油定時可實現靈活控制：可提前對部分負荷供油，以起到加速燃燒的作用；可延遲大負荷供油，使氮氧化物的排放得以減少。

2.2 以排氣后處理為目的的機外凈化措施

（1）選擇性催化還原（SCR）：目前這種技術歐洲應用較為廣泛。該系統的工作原理是以氨氣作為還原劑，借助催化劑的作用，使柴油機排氣中有害的NOX向氮氣及水轉化，氮氣和水對環境幾乎沒有影響，從而可以起到減少環境污染、保護環境的作用。該方法中氨氣的獲取主要采用向排氣管中噴射尿素水溶液的方法。但這種措施的實現，要求具備存儲和供給尿素的地面基礎設施和避免冬季水基尿素溶液凍結的專業設備，這對鐵路機車是一個比較大的考驗，因此實施起來有一定的難度。

（2）顆粒過濾器（DPF）：目前，國內外常用的顆粒過濾器的過濾材料主要有泡沫陶瓷、壁流式蜂窩陶瓷、編織陶瓷纖維和多孔金屬等。其中壁流式蜂窩陶瓷是目前綜合性能較好的過濾體，過濾效率可達90%以上。顆粒過濾器至今仍未研究出簡單可靠的再生技術。

（3）氧化催化劑（DOC）：其主要用于對排氣中的HC、CO及顆粒物的可溶性有機物（SOF）進行處理，在250℃以上的排氣環境中，具有良好的凈化作用。對于液態HC，由于其燃燒溫度較低，使用氧化催化劑可使其減少90%以上。

2.3 排放技術的應用

目前，國內外主要應用兩條排放控制技術路線，即“優化燃燒+選擇性催化還原”技術路線和“廢氣再循環+顆粒過濾器/氧化催化劑”技術路線，在后一技術路線中，“廢氣再循環+顆粒過濾器”技術路線應用更為廣泛。

3 對我國機車柴油機排放控制工作方向的建議

總之，加強對我國機車柴油機排放控制的研究工作具有重要的現實意義。在很長一個時期內，我國內燃機車柴油機排放控制的研究工作應注重以下幾個方面：①逐步完善我國內燃機車排放法規，確保我國內燃機車柴油機研究工作取得突破性進展的同時減少其對環境的污染。②系統檢測和分析我國鐵路現有和新造柴油機的排放水平，全面掌握相關信息和數據，綜合分析，以制定有針對性的措施加以改進和治理，減少其污染物的排放。③加快研制相應的排放檢測設備，完善檢測條件。還應當進行天然氣發動機的研究，為環境保護貢獻力量。

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