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柴油機(jī)排氣污染物分析及控制
公安邊防部隊(duì)高等�？茖W(xué)校 張志學(xué)1 尹春雨2 2017/10/3 5:05:10
柴油機(jī)是公認(rèn)的熱效率最高的內(nèi)燃機(jī)，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸，工程機(jī)械，農(nóng)用機(jī)械等諸多領(lǐng)域。體積大、噪音大、噴黑煙……這是日常人們對(duì)于柴油機(jī)的直觀印象，柴油機(jī)燃燒排出的廢氣是主要的大氣污染源之一，以交通運(yùn)輸業(yè)為例，車用和船用柴油機(jī)排出的CO2占整個(gè)世界CO2排放量的14%，成為造成地球溫室效應(yīng)的元兇之一。由于大氣污染日益嚴(yán)重，人類生存環(huán)境日趨惡化，世界各國(guó)對(duì)柴油機(jī)廢氣的排放限制也越來(lái)越嚴(yán)格。
一、柴油機(jī)排氣污染物及其危害
1.廢氣的有害成分
柴油機(jī)使用輕柴油或重柴油作為燃料，排出的廢氣按危害性不同可分為有害成分和無(wú)害成分兩類，無(wú)害（無(wú)直接危害）成分有二氧化碳（CO2）、水蒸氣（H2O）、氮（N2）等；有害成分就是我們通常說(shuō)的污染物，其中主要污染物有一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳?xì)浠衔铮℉C）、二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）和微粒物質(zhì)等。習(xí)慣上把廢氣中的有害成分和碳煙顆粒等統(tǒng)稱為排放物，也就是我們常說(shuō)的排放。
2.柴油機(jī)排放物的危害
（1）一氧化碳（CO）
CO是無(wú)色無(wú)味的有毒氣體，人體吸入會(huì)導(dǎo)致組織缺氧，發(fā)生惡心、頭暈等，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致窒息死亡。在柴油機(jī)排氣中CO含量較少，一般只在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)排放量較高。
（2）氮氧化物（NOX）
柴油機(jī)排氣中的氮氧化物90%以上是NO，少量是NO2，把它們合在一起用NOX表示。NO是無(wú)色氣體，本身毒性不大，但在大氣中會(huì)緩慢氧化成NO2。NO2是一種棕色的刺激性氣體，對(duì)心肌和肺有很強(qiáng)的毒害作用，NO2是在地面附近形成光學(xué)煙霧的主要因素之一。
（3）碳?xì)浠衔铮℉C）
HC就是我們俗稱的烴，是有機(jī)化合物的一種。這種化合物只由碳和氫組成，其中包含了烷烴、烯烴、環(huán)烴、芳香烴、醛、酮等多種有機(jī)成分，是許多其他有機(jī)化合物的基體。其中略帶甜味的烯烴，對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用，對(duì)黏膜組織有刺激性，它與NOX一起在太陽(yáng)紫外線作用下可以形成有毒化學(xué)煙霧；芳香烴是最早被發(fā)現(xiàn)的化學(xué)致癌物，對(duì)人體血液和神經(jīng)系統(tǒng)均有毒害作用；醛類，主要是甲醛，危害表現(xiàn)為對(duì)皮膚粘膜的刺激作用，可誘發(fā)支氣管哮喘，可引起鼻咽腫瘤。
（4）二氧化硫（SO2）
SO2是燃油中的硫分在燃燒時(shí)的產(chǎn)物。它具有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉黏膜，引起呼吸器官炎癥。SO2進(jìn)一步氧化生成SO3，與水分作用產(chǎn)生硫酸并形成酸雨。
（5）微粒物質(zhì)
柴油機(jī)工況不佳時(shí)，排氣煙色會(huì)出現(xiàn)黑色、藍(lán)色和白色。黑煙是由于燃燒不完全生成的碳煙，不僅對(duì)人的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害，而且由于在碳煙微粒中常常吸附有SO2和多環(huán)芳香烴成分，所以具有致癌的危險(xiǎn)；藍(lán)煙和白煙通常發(fā)生在柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，或柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它們通常是燃油或潤(rùn)滑油不完全燃燒形成的微粒，由于有甲醛等物質(zhì)排出，故有刺激性與異味。
二、柴油機(jī)排氣污染物的控制措施
大量研究表明，要有效控制柴油機(jī)有害物的排放，必須從柴油機(jī)燃燒過(guò)程的改進(jìn)、排氣后處理及改善燃油品質(zhì)入手。
1．燃燒過(guò)程的改進(jìn)
通過(guò)對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的研究，發(fā)現(xiàn)NOX是在燃燒溫度大于2000℃，缸內(nèi)氧氣充足的條件下生成，而微粒是在燃燒溫度大于1000℃，缸內(nèi)氧氣不充足的條件下形成。如何合理兼顧控制NOX和微粒排放是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，通過(guò)控制柴油機(jī)在預(yù)燃階段將可燃混合氣量減少到最小限度來(lái)降低燃燒溫度，從而降低NOX排放；通過(guò)在柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒階段保持良好的燃油和空氣的混合以及較高的燃燒溫度來(lái)降低微粒排放物。為了實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)，現(xiàn)代柴油機(jī)普遍采用了高壓噴射、引導(dǎo)噴射、電控噴射、廢氣再循環(huán)、直接噴水等措施。
（1）高壓噴射
采用高壓噴射對(duì)柴油機(jī)控制排放極其重要。大于150MPa的噴射壓力，較小的噴油器孔徑，較大的燃燒室開(kāi)口，較短的噴油持續(xù)期，這些措施，改善了燃油的霧化質(zhì)量，燃油與空氣的混合和燃燒速度加快，顆粒排放顯著降低。高噴射壓力和短噴油持續(xù)期可在噴油終點(diǎn)保持不變的情況下推遲噴油定時(shí)，從而在保證燃油消耗率和微粒排放不變的情況下使最高燃燒壓力和NOX排放量降低。
（2）電控噴射和引導(dǎo)噴射
未來(lái)直噴式柴油機(jī)必須進(jìn)行供油規(guī)律的最佳控制，推薦柴油機(jī)采用電控共軌噴射系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際工作需要對(duì)供油時(shí)間、供油間隔角和供油循環(huán)量進(jìn)行最優(yōu)控制，可以獲得所要求的最佳燃燒方案，既保證柴油機(jī)工作性能同時(shí)又減少了NOX和微粒的生成。
（3）廢氣再循環(huán)
廢氣再循環(huán)是指把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的部分廢氣回送到進(jìn)氣歧管，并與新鮮混合氣一起再次進(jìn)入氣缸。由于廢氣中含有大量的CO2等氣體，而CO2不能燃燒（未完，下一頁(yè)）
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