淺析柴油發動機排放物的生成機理

趙龍 邱文龍 朱天一 何博 鞏百如

摘 要：隨著環境問題變得越來越嚴峻，柴油發動機的減排工作也變得刻不容緩，我們在分析柴油機排放物生成的同時，對于如何采取一些措施降低碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物、顆粒等排放物的生成也進行了闡述。

關鍵詞：環境；柴油發動機；碳氫化合物；一氧化碳；氮氧化物；顆粒

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

0 前言

環境保護是近幾年的熱門話題，藍天保衛戰已經是每個制造型企業攻堅克難的課題。汽車排放物對環境污染有重要影響，隨著我國汽車保有量的進一步提升，排放污染物增長速度驚人，以2014年為例全國機動車排放污染物4547.3萬噸，其中氮氧化物627.8萬噸，顆粒物57.4萬噸，碳氫化合物428.4萬噸，一氧化碳3433.7萬噸。這些污染物會直接影響人的健康，因此，國家環保部已經開始加強對汽車排放物的監管力度，排放法規進一步加嚴。使用嚴格的排放法規來要求各家主機廠，通過技術手段降低汽車排放污染物。

柴油機排放是汽車排放污染物的主要來源之一，柴油機的排放物主要包括碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物、顆粒物。通過研究柴油機污染物生成機理，在源頭降低柴油機排放污染物，保證發動機動力性能的基礎上，排放滿足國家法規要求，為藍天保衛戰盡一份力。

1 碳氫化合物的生成

碳氫化合物主要是未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解的部分氧化產物。噴油器噴入燃燒室內的燃油與空氣混合形成的混合氣太稀或太濃，以及發動機燃燒室壁面淬熄，都是造成碳氫化合物增加的主要因素。

碳氫排放的主要來源還包括以下兩種原因，其一是燃燒室壁面產生的油膜。油膜蒸發會產生油氣，由于產生的油氣時刻較遲，這部分油氣只有少部分被氧化，從而產生碳氫化合物。另一個就是容積淬熄，當發動機做到更高的額定功率，這種情況在混合氣過稀或過濃時，容易發生容積淬熄，使碳氫化合物排放量大增。

目前優化重型柴油機碳氫化合物排放的兩個主要手段是：（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

一氧化碳是碳氫燃料在燃燒過程中產生的中間物，一氧化碳的生成主要是因為燃料的不完全燃燒。氧氣不充足、燃燒溫度不高以及反應時間短，都會使燃燒惡化從而產生一氧化碳。在燃燒過程結束時，一氧化碳會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，一氧化碳就會殘留于廢氣中。

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動機，燃空比對一氧化碳排放的影響。在高負荷，一氧化碳主要是在混合氣過濃區域產生；低負荷是在混合氣過稀區域產生。

過濃混合氣燃燒會產生一氧化碳，提高發動機燃燒溫度、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

在內燃機排放物中，NOx一般被稱為氮氧化物。在直噴式柴油發動機尾氣中，一氧化氮是最主要的氮氧化物，一氧化氮占發動機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間是在擴散燃燒階段，預混燃燒階段由于燃油混合氣過濃、氧氣濃度低、燃燒溫度低等因素，幾乎沒有氮氧化物生成，因此在擴散燃燒階段是氮氧化物生成的主要區域。

氮氧化物形成的另一個比較重要的原因，是在燃燒過程中生成的一氧化氮通過反應形成二氧化氮。在燃燒過程中，一氧化氮有很多潛在生成機理，影響這些生成機理比較重要的因素有溫度、壓力、火焰傳播、關鍵反應停留時間以及濃度等。

降低氮氧化物生成的主要技術手段是缸內凈化，通過標定手段使發動機原始燃燒產生的氮氧化物降低，例如降低燃燒過程中的燃燒溫度，降低燃燒過程中氧氣的含量。

缸外凈化通過增加SCR后處理噴射系統將燃燒過程產生的NOx，在后處理載體催化作用下產生無害的氮氣排放到大氣中。其總量反應方程式為：

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議的就是顆粒物，顆粒物的定義是： 在溫度小于52℃，內燃機排氣中，任何能夠被取樣濾清器捕集到的物質稱之為顆粒。柴油機顆粒沒有明確的物理定義，顆粒是比較復雜的排放，包括物質的種類，下文主要對顆粒物進行詳細的介紹。

一般而言，顆粒物是空氣燃油混合氣組成的有機物與無機物。顆粒最主要的組成部分是：由于發動機缸內不均勻燃燒產生的碳顆粒。小粒子或燃燒顆粒組成了預混火焰，在過稀或過濃混合氣中燃燒。燃油中存在的硫元素是硫化物顆粒的主要來源，如果燃燒產物的硫化物在潮濕的環境中，其顆粒物質量會翻倍。揮發的碳氫燃料以及他們的衍生物也會存在于顆粒物中。這些物質被稱為有機可溶物，主要源于含有碳氫化合物的潤滑油。由于活塞與汽缸壁不合理的摩擦或者是活塞環刮油不凈，導致大量的潤滑油消耗以及未燃潤滑油在缸內燃燒時形成顆粒。

控制碳顆粒形成的方法就是根據其形成原因進行氧化。增加燃燒過程預混時間，可以使發動機缸內未燃混合氣與極稀區域的空氣進行混合。缸內的高溫，也會使排氣中的碳顆粒氧化從而降低。降低發動機轉速可以為燃燒和氧化過程提供更充足的時間。

4.1 碳顆粒的來源

機油耗的控制可以通過內燃機內部很多部件進行。不合理的缸套襯墊磨損、活塞環密封性差，導致氣缸壁上的潤滑油不能完全刮干凈，增壓器潤滑油、軸承損壞、長時間怠速以及活塞氣缸壁的疲勞摩擦等都會造成機很高的油耗。對于重型柴油發動機而言，潤滑系統是發動機必不可少的一部分，噴射潤滑油主要目的是降低活塞溫度。過量噴射潤滑油會增加機油的消耗。另外，柴油機急加速或是發動機負荷從低到高，可能導致更多的未燃潤滑油，此時的活塞環密封性變差。低負荷時，燃燒壓力很低，活塞環與氣缸壁形成的壓力低，密封壓力越低，密封性越差則會導致更高的機油消耗。

發動機的一些運行工況也可能是促使顆粒物生成的因素。例如，發動機通過持續加油的急加速。空氣系統的延遲導致實際所需空氣比理論所需空氣少很多。于增壓發動機而言，增壓器的遲滯可能會使充氣降低，也會由于充氣缺乏而導致更多的碳顆粒排放生成。

4.2 柴油機排放產生的煙

在過量潤滑油消耗的情況下，發動機尾氣排出的煙會呈現藍色或灰色。因此當發動機尾氣冒藍煙或是灰煙的情況下，預示發動機需要進行大修。然而，未燃燃料也會出現藍煙情況（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，油滴直徑大約1.3微米。這種現象主要在低溫或高海拔進行冷啟動時發生。白煙會隨著發動機暖機而消失。圖2展示了一輛轎車在冷啟動時冒白煙的圖片。

大量黑煙主要是因為很少對空氣濾清器、噴油器進行保養，或是燃油噴射泵/燃油系統安裝有問題。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0.12微米的粒子組成。粒子直徑分布主要取決于發動機燃燒系統的類型，發動機燃燒系統的類型，同時隨著噴油量的增加，顆粒物排放也受影響。圖3展示了裝載機在急加速過程中冒黑煙的現象。

參考文獻：

[1]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2010.

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