劉永平

摘要： 本文通過(guò)內(nèi)燃機(jī)柴油燃燒后產(chǎn)生的主要污染物進(jìn)行闡述分類，并淺析了產(chǎn)生過(guò)程與機(jī)理，為了滿足環(huán)保要求，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，從機(jī)內(nèi)凈化、排氣后處理，以及噴油系統(tǒng)改進(jìn)等幾個(gè)方面系統(tǒng)研究了合理的凈化處理技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了排放達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的效果，推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)環(huán)保凈化技術(shù)的改進(jìn)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(guān)鍵詞： 柴油燃燒;內(nèi)燃機(jī);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(hào)：TK421.53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0054-02

0? 引言

為了適應(yīng)時(shí)代要求，內(nèi)燃機(jī)車的環(huán)保排放技術(shù)引起了高度關(guān)注。相較于汽油機(jī)，柴油機(jī)更加兼具壽命長(zhǎng)、動(dòng)力強(qiáng)、輸出扭矩高和耗能低等優(yōu)點(diǎn)，適用于鐵路運(yùn)輸，但柴油機(jī)經(jīng)過(guò)燃燒后也會(huì)產(chǎn)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(duì)環(huán)境污染尤為嚴(yán)重，亟待發(fā)展解決這些問(wèn)題的新手段、新方法。

1? 污染物的成分構(gòu)成

鑒于柴油機(jī)使用的柴油型號(hào)不同，柴油機(jī)自身結(jié)構(gòu)對(duì)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(huì)經(jīng)過(guò)多種化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不同的燃燒產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)初步研究，主要排放物可達(dá)到接近200種物質(zhì)，其中無(wú)害物質(zhì)則包括氮、氫、氧等氣體，有害物質(zhì)則包括氮的氧化物、氫氧化物、碳?xì)浠衔锖蛷U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(duì)象是如何降解這些氮氧和氫氧化物，以及常說(shuō)的顆粒物PM等。

2? 污染物的產(chǎn)生機(jī)理

2.1 氮氧化物

柴油機(jī)的廢氣產(chǎn)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(jīng)過(guò)燃燒排放后，又會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終形成NO2，因此，我們?cè)谘芯咳绾谓档臀廴疚锱欧?，?duì)廢氣進(jìn)行降解時(shí)，通常以NO為研究方向。當(dāng)室內(nèi)燃燒溫度高于1600℃條件下，柴油經(jīng)過(guò)如下化學(xué)公式發(fā)生氧化反應(yīng)：

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(yīng)得到不同的氮氧化物產(chǎn)物，這一反應(yīng)主要受氧濃度、溫度和反應(yīng)時(shí)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(gè)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(yīng)，容易產(chǎn)生CO;其次，當(dāng)柴油燃燒后產(chǎn)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(huì)發(fā)生不完全反應(yīng)，產(chǎn)生CO;第三，當(dāng)充分燃燒后產(chǎn)生的CO2，與燃燒室內(nèi)的水蒸氣在足夠的高溫環(huán)境中進(jìn)行熱分解反應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生一定量的CO，而碳?xì)浠衔锇l(fā)生不完全燃燒也會(huì)產(chǎn)生CO等氣體。

2.3 碳?xì)浠衔?/p>

碳?xì)浠衔镌诓裼腿紵^(guò)程中主要是發(fā)生不完全燃燒的產(chǎn)物，由于柴油機(jī)屬于擴(kuò)散燃燒，所以同一空間內(nèi)不同區(qū)域都會(huì)積存產(chǎn)物氣體，造成氣體分布和混合不均勻，當(dāng)氧氣參與到化學(xué)反應(yīng)中后，氣體濃度或高或低，導(dǎo)致氣體之間也會(huì)發(fā)生部分反應(yīng)，最終由于燃燒不充分產(chǎn)生碳?xì)浠衔铮℉C），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(chǎn)物中的廢棄顆粒物，即常說(shuō)的PM指標(biāo)，是指柴油機(jī)燃燒后排放的粒徑大于PM2.5μm的顆粒物，這些物質(zhì)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(dòng)高度，因此，極易隨著呼吸對(duì)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(jī)物、碳煙等物質(zhì)，其中金屬碎屑在人體內(nèi)不可被分解，而硫酸鹽和可溶性有機(jī)物一旦進(jìn)入體內(nèi)會(huì)造成身體傷害，碳煙更是烴類物質(zhì)的高溫燃燒產(chǎn)物，在體內(nèi)更不可被降解，因此，污染顆粒對(duì)人身健康的威脅最大。

3? 柴油機(jī)污染物的凈化處理技術(shù)

綜上所述，柴油機(jī)燃燒后的主要污染物，也是對(duì)環(huán)境污染最嚴(yán)重的污染物莫過(guò)于氮氧化物（NOx）和廢棄顆粒物（PM），經(jīng)過(guò)研究分析，最佳的降解環(huán)保方案是確保柴油機(jī)內(nèi)充分燃燒，在過(guò)程中實(shí)現(xiàn)凈化，通過(guò)調(diào)整柴油機(jī)進(jìn)氣方式、優(yōu)化噴射角度、對(duì)高壓噴油進(jìn)行多段增壓等方式，實(shí)現(xiàn)燃燒物在排放前的內(nèi)凈化過(guò)程。

3.1 機(jī)內(nèi)凈化

機(jī)內(nèi)凈化是指對(duì)燃燒過(guò)程的技術(shù)優(yōu)化，利用改善柴油機(jī)的燃燒工況，增壓供氣、調(diào)整噴射角度等手段達(dá)到廢氣的凈化效果和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 氣體再循環(huán)

氣體再循環(huán)技術(shù)（EGR）是指理想狀態(tài)下，能夠?qū)⑷紵耶a(chǎn)生的廢氣經(jīng)過(guò)進(jìn)氣道循環(huán)吸入到進(jìn)氣系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)與新鮮空氣的融合再反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)不完全反應(yīng)的二次燃燒，得到充分燃燒后的清潔氣體。此外，當(dāng)進(jìn)氣道內(nèi)新鮮空氣與廢氣經(jīng)過(guò)混合被稀釋后，降低了實(shí)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(shù)

通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行吸入量增壓，提升燃燒室內(nèi)的進(jìn)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(yīng)，從而抑制PM的產(chǎn)生，但弊端是在增壓結(jié)束時(shí)產(chǎn)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(yīng)速度，從而降低氮氧化物的產(chǎn)生與排放。

3.1.3 調(diào)控噴油時(shí)間與溫控

對(duì)柴油機(jī)的噴油時(shí)間進(jìn)行調(diào)控，適當(dāng)推遲噴油的節(jié)點(diǎn)可以有效避開燃燒中的上止點(diǎn)，利于室內(nèi)溫度下降，改變?nèi)紵磻?yīng)溫度條件，從而抑制燃燒發(fā)生;而當(dāng)接近噴油過(guò)程的上止點(diǎn)時(shí)，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(chǎn)生。

3.1.4 滲水冷卻技術(shù)

滲水冷卻技術(shù)是指利用向進(jìn)氣道噴水或者氣缸進(jìn)行噴水、噴油（乳化油）的方式，促進(jìn)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(shí)現(xiàn)降溫的目的，減少氮氧化物的產(chǎn)生排放。

3.2 排氣后處理技術(shù)

不同于上述方法，是將廢氣控制在反應(yīng)過(guò)程中，而排氣后的處理技術(shù)是通過(guò)將廢氣收集，集中后針對(duì)產(chǎn)生的氮氧化物進(jìn)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(jìn)行凈化排放。

3.2.1 微粒捕捉器

微粒捕捉器是通過(guò)采用特殊的過(guò)濾材料，利用物理原理降低排氣中顆粒物的方法，通過(guò)選用陶瓷制品或者金屬制品的蜂窩狀過(guò)濾器，將燃燒后的尾氣通過(guò)排氣通道，由設(shè)置在通道中的過(guò)濾器進(jìn)行篩分?jǐn)r截，攔截掉的顆粒物經(jīng)過(guò)高溫再燃燒，實(shí)現(xiàn)循環(huán)化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)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(shí)現(xiàn)捕捉過(guò)濾物的潔凈再生。

3.2.2 氧化催化反應(yīng)

利用氧化催化劑參與到柴油燃燒過(guò)程中，可以有效提高多數(shù)碳?xì)浠衔?、碳氧化合物和氮氧化合物的氧化反?yīng)，促進(jìn)充分燃燒，一般氧化催化劑的活性反應(yīng)溫度為200℃～350℃，在此范圍內(nèi)活性可以充分發(fā)揮，當(dāng)溫度低于150℃時(shí)，催化劑的活性將會(huì)降低，不能起到催化效果，而當(dāng)溫度高于350℃時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致硫酸鹽的大量生成，從而抑制燃燒反應(yīng)，反而增加了顆粒物的排放產(chǎn)生[2]。

3.2.3 還原催化反應(yīng)

根據(jù)柴油燃燒后的產(chǎn)物不同，對(duì)于氮氧化物（NOx）的凈化排放適用于采用還原催化反應(yīng)技術(shù)，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(jīng)過(guò)水溶后產(chǎn)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(xué)反應(yīng)，置換還原出氮氧化物中的氮元素，產(chǎn)生氮?dú)?，從而?shí)現(xiàn)氮氧化物的凈化排放，主要反應(yīng)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(jìn)技術(shù)

噴油系統(tǒng)主要包括噴油壓力、噴射角和噴油正時(shí)等客觀規(guī)律，當(dāng)噴油壓力大時(shí)，會(huì)將柴油噴出的霧化效果更好，在燃燒室內(nèi)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(dòng)能，也可以減少污染物的排放量，同時(shí)，也決定了柴油的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和性能指標(biāo)。當(dāng)高壓噴射達(dá)到200MPa以上時(shí)，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(guān)，其中供油速率影響著噴射時(shí)能夠達(dá)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(jīng)濟(jì)規(guī)律也由油缸單位時(shí)間的進(jìn)氣量相關(guān)，為了有效降低廢氣排放，應(yīng)采取最合理的噴油規(guī)律和調(diào)整影響因素指標(biāo)。

為了達(dá)到最佳的噴油壓力和霧化效果，在初期燃燒過(guò)程中應(yīng)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(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，增加不充分燃燒產(chǎn)物，從而影響內(nèi)燃機(jī)油缸的缸內(nèi)最高溫度，通過(guò)調(diào)控壓力來(lái)降低氮氧化物的排放產(chǎn)出量。當(dāng)有缸內(nèi)的油霧和混合氣體燃燒不充分時(shí)均能夠產(chǎn)生大量的顆粒物和碳?xì)浠衔?，因此，控制好油泵的供油速率，調(diào)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(dá)到最佳的動(dòng)能輸出與氣體排放效果。

4? 柴油凈化排放技術(shù)發(fā)展方向與建議

柴油機(jī)作為鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)目前最主要的供能設(shè)備，為了響應(yīng)環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求號(hào)召，應(yīng)于新興技術(shù)進(jìn)行合理搭配使用，對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行更新、改造，提高利用率。大力發(fā)展民營(yíng)企業(yè)投入柴油機(jī)的外排物凈化技術(shù)應(yīng)用。此外，在進(jìn)行柴油機(jī)環(huán)保技術(shù)改造的同時(shí)，還要發(fā)展環(huán)保檢測(cè)技術(shù)，輔助污染物排放檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)執(zhí)行，通過(guò)配套系統(tǒng)的建立，完善柴油機(jī)的柴油燃燒達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

5? 總結(jié)

綜上所述，通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)主要污染物的產(chǎn)生來(lái)源與產(chǎn)生機(jī)理研究，有針對(duì)性地從產(chǎn)生過(guò)程的室內(nèi)燃燒和排放口收集凈化等兩個(gè)方面階段進(jìn)行降解去污，最終實(shí)現(xiàn)外排物的環(huán)保達(dá)標(biāo)排放，隨著環(huán)保要求的提高，也促進(jìn)著內(nèi)燃機(jī)排放污染物凈化技術(shù)的不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)雙向共贏的局面。

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