柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有危害廢氣排放的形成原理與控制方法



引言：柴油發(fā)電機(jī)有害廢氣排放主要包括CO、HC、NOx及顆粒（碳煙）等，但是由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)總是會(huì)在均值噴油量α＞14.7（過量空氣系數(shù)φa＞1）的稀混合氣體下運(yùn)行，因此CO消耗量相對性汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低很多；并且柴油發(fā)電機(jī)要在貼近縮小上止點(diǎn)周邊逐漸油泵壓燃，汽柴油局限在燃燒倉中的時(shí)間比較短，進(jìn)而混合氣體受汽缸邊界層的激冷效用、狹重效用、浮油吸咐、堆積物吸附性等等都比較小，因此HC排出也很低。因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)未燃HC廢氣排放，多發(fā)于柴油機(jī)噴注邊緣混合氣過稀的區(qū)域，并且與噴霧器特點(diǎn)相關(guān)。因而，只需改進(jìn)噴油泵的做霧化特點(diǎn)從而使噴注與燃燒倉優(yōu)良配對，就能有效地降低HC排出。現(xiàn)階段，柴油發(fā)電機(jī)排出掌控的重點(diǎn)問題，便是NOX和顆粒消耗量控制。可是，一般控制NOX排出的機(jī)身工程措施均會(huì)讓排出的顆粒提升，燃料經(jīng)濟(jì)性惡變，二者相互矛盾。但是為了更有效地控制NOX和顆粒排出，掌握其形成原理是非常重要的。




一、NOx的形成原理



在柴油發(fā)電機(jī)的燃燒現(xiàn)象中，易產(chǎn)生高溫氧氣充足標(biāo)準(zhǔn)，因此不可避免形成NOX但在澎漲過程的低溫條件下，一部分NO發(fā)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生少量NO2。針對柴油發(fā)電機(jī)，因其燃料特性及其混合氣體的建立方式及燃燒現(xiàn)象與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不一樣，因此其NOx的形成原理也和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)各有不同。依據(jù)NOx的形成來源及形成方式，將燃燒現(xiàn)象中產(chǎn)生的NO分成供熱 NO（Themal NO）、迅速NO（Prompt NO）和然料NO（Fuel NO）三種形態(tài)。在其中，供熱NO和高效NO的形成主要以空氣中N2為發(fā)源。供熱NO是空氣中N2和O2在火苗成功后的高溫下發(fā)生反應(yīng)時(shí)代的產(chǎn)物，其形成原理與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)同樣，用擴(kuò)張Zeldovich基本原理敘述。而快速NO的形成方式與供熱NO不一樣，主要在然料太濃的預(yù)混和火苗攜帶，由超出化學(xué)反應(yīng)平衡濃度值以上O、OH等活性位點(diǎn)為原因所引起的氮氧化合物溶解中產(chǎn)生的活性炭化氫（CH、CH2等）與空氣中N2反映而形成HCN、NH等副產(chǎn)物，這種物質(zhì)再經(jīng)過一系列的反應(yīng)生成CN和N，CN和N后進(jìn)一步空氣氧化而形成迅速NOo然料NO一般是由然料中所含有的碳?xì)浠�合物溶解而引起的副產(chǎn)物NH2、NH、N、HCN、CN等參與反映時(shí)代的產(chǎn)物。因?yàn)檐嚺洳裼桶l(fā)電機(jī)然料中基本不存在碳?xì)浠�合物，因此車配柴油發(fā)電機(jī)然料NO可忽略。

1、供熱 NO

      柴油發(fā)電機(jī)在預(yù)混和燃燒現(xiàn)象中，部分均勻混合氣體與此同時(shí)點(diǎn)燃。這時(shí)，當(dāng)燃燒溫度超出1800K時(shí)，空氣中O2轉(zhuǎn)化成0分子時(shí)與空氣中N2高溫下結(jié)合而產(chǎn)生供熱NOo這類供熱NO產(chǎn)生的反應(yīng)原理與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)同樣，可以用高溫下由0分子所引起的鏈反應(yīng)原理，即Zeldovich基本原理，加上由OH所引起的反應(yīng)方程所組成的擴(kuò)張Zeldovich基本原理來描述。當(dāng)O2轉(zhuǎn)化成O分子后［式（5-37）］，高溫下進(jìn)行一系列的鏈反應(yīng)。

氧分子在所有NO產(chǎn)生的鏈反應(yīng)全過程起著活性鏈功效。即與然料中可燃性成份中間反應(yīng)的活化能比較小，并且反映比較快。因此供熱NO不能在火苗表面形成，而是火苗中下游區(qū)造成。

柴油發(fā)電機(jī)均值噴油量比較大，因而操縱預(yù)混和燃燒階段的熱力NO的最基本對策，便是盡可能降低燃燒溫度，與此同時(shí)減少混合氣體中氧氣的成分，并縮短在高溫下點(diǎn)燃帶內(nèi)的留置時(shí)間。

對柴油發(fā)電機(jī)執(zhí)行EGR時(shí)，EGR不但減少燃燒溫度，并且減少均值噴油量和混合氣體中氧氣的成分，因而EGR減少NO的性能比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更突出。采用高壓噴涌技術(shù)性主要是為了合理延遲噴涌時(shí)時(shí)刻刻，并高溫下迅速噴涌混和點(diǎn)燃，從而減少天然氣在高溫下的留置時(shí)間與整體點(diǎn)燃期內(nèi)。

2、迅速NO

      迅速NOX是空氣中N2在一定條件下與O2反應(yīng)結(jié)論，要在碳?xì)淙剂匣旌蠚怏w較濃的預(yù)混和火苗區(qū)極速產(chǎn)生的。在火苗攜帶氮氧化合物溶解而形成活性CH化學(xué)物質(zhì)（如CH、CH2）和C2與N2所進(jìn)行的反應(yīng)方程為。
這類反應(yīng)的活化能小，反應(yīng)靈敏，并且在火苗中形成HCN、NH、N及CN等副產(chǎn)物。這種副產(chǎn)物里的N易溶解，非常容易與O、OH和O2反應(yīng)生成迅速NOX。

與供熱NO不一樣，迅速NO要在碳?xì)淙剂陷^濃的混合氣體下燃燒，在火苗攜帶極速產(chǎn)生的，對溫度的依賴感小，與混合氣體的噴油量緊密相關(guān)，并且迅速NO的形成速率會(huì)比供熱NO快。當(dāng)噴油量α＞14.7（過量空氣系數(shù)Φa＞1）的稀混合氣體時(shí)，關(guān)鍵形成供熱NOX這時(shí)迅速NO生成量非常少；但是當(dāng)噴油量α＜14.7的較濃混合氣體時(shí)，關(guān)鍵形成迅速NO；但在10.3＜＜14.7范圍之內(nèi)混合氣體下燃燒，迅速NO和供熱NO并存。因?yàn)樵诨鹈鐜��?nèi)供熱NO形成速率相對性遲后，所以即使是在噴油量α＞14.7的稀混合氣體范圍之內(nèi)迅速NO的摩爾分?jǐn)?shù)小，但是其功效卻不能忽視，因則在鏈反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生N分子。在擴(kuò)散火焰區(qū)域，然料太濃區(qū)域內(nèi)一樣會(huì)生成迅速NO。因此，抑止迅速NO形成的有效手段就是控制CH活性因子與N2反應(yīng)。因而，在蔓延燃燒階段減少迅速NO的主要措施，便是提供足夠多的O2，阻攔HCN的形成反映，從而減少HCN、NH2等副產(chǎn)物。換句話說，根據(jù)混合氣體形成過程控制和放熱反應(yīng)規(guī)律性控制，可以限制HCN、NH2等副產(chǎn)物和燃燒溫度，由此可完成低NO排出的燃燒現(xiàn)象。

此外，分析表明，柴油發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)NO全是燃燒結(jié)束之后20°（CA）內(nèi)產(chǎn)生的。因而，延遲油泵時(shí)時(shí)刻刻是控制柴油發(fā)電機(jī)NOx排出的有效手段。但代價(jià)是燃油消耗率逐步提高，排氣管吸收系數(shù)提升。



二、碳煙的形成原理



1、碳煙的形成全過程

顆粒乳狀物（碳煙）可以分為可溶有機(jī)物質(zhì)（Soluble Organic Fractions，SOF）且不可溶成份二種，主要是由燃燒產(chǎn)生的含碳量顆粒（碳煙）以及表面吸附的多種多樣有機(jī)化合物構(gòu)成。在高溫環(huán)境下因?yàn)榉纸夥磻?yīng)所形成的低等氮氧化合物中，并沒有和空氣再接觸到的一部分最終變成顆粒。顆粒的形成及成長階段如下圖1所顯示，可以分為形核全過程、表層快速增長凝結(jié)全過程，及其氧化過程。形核全過程是通過然料主要成份的小分子物質(zhì)氮氧化合物形成顆粒核的化學(xué)反應(yīng)過程，表層快速增長凝結(jié)全過程主要是指所產(chǎn)生的顆粒核聚生成顆粒物理的生長過程，而氧化過程就是指燃燒中后期已產(chǎn)生的碳煙在澎漲環(huán)節(jié)中氧化全過程。

固態(tài)碳顆粒能量水準(zhǔn)比較低，但是并不是燃燒過程的反應(yīng)物立即轉(zhuǎn)化成碳顆粒，而是經(jīng)過由化學(xué)動(dòng)力學(xué)掌控的反映過程的副產(chǎn)物的凝結(jié)和成長階段后從而形成碳煙，如下圖2所顯示。在溫度過低1700K的時(shí)候多環(huán)芳族能量級(jí)別低而穩(wěn)定。當(dāng)高于該溫度時(shí)，聚乙炔及碳蒸氣的電子能級(jí)變低且更持久。在太濃而均勻混合氣得潔凈臺(tái)火苗表面，當(dāng)溫度過低1700K時(shí)，在加熱攜帶碳煙的形成全過程經(jīng)歷多環(huán)芳族的副產(chǎn)物的形成和形成核的全過程。當(dāng)極速加熱至1700K以上時(shí)，聚乙炔及碳蒸汽變成副產(chǎn)物而形成碳煙。這時(shí)多環(huán)芳族失靈。

2、碳煙的形成標(biāo)準(zhǔn)

碳煙產(chǎn)生的第一個(gè)前提條件是點(diǎn)燃現(xiàn)場噴油量。分析表明碳煙一般在噴油量為5.25-5.65的狹小的范圍之內(nèi)產(chǎn)生。在這種條件下，當(dāng)預(yù)混合氣體貼近火苗帶時(shí)，遭受火苗面持續(xù)高溫?zé)醾鬟f的影響而產(chǎn)生持續(xù)高溫氧氣不足的局勢，這時(shí)然料里的烴分子結(jié)構(gòu)在高溫下氧氣不足條件下，產(chǎn)生一部分氧化和分解反應(yīng)而產(chǎn)生各種各樣低級(jí)不飽和烴類，如丁二烯、乙炔氣體以及相對較高的同系物和多環(huán)芳香烴。他們持續(xù)脫氫、匯聚成用碳為主體的直徑約2nm左右碳煙關(guān)鍵。液相的烴和其他物質(zhì)在這樣一個(gè)碳煙關(guān)鍵表面凝結(jié)，及其碳煙關(guān)鍵互相碰撞而出現(xiàn)凝結(jié)，使碳煙關(guān)鍵擴(kuò)大成直徑約20～30nm的碳煙基元。最后經(jīng)過匯聚功效被堆積成直徑約1μm以內(nèi)的球團(tuán)礦狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)匯聚物（圖3）。

碳煙造成的另一個(gè)前提條件是溫度梯度。對預(yù)混和火苗，在2100～2400K的環(huán)境溫度碳煙生成量較大。當(dāng)火焰的溫度超出該環(huán)境溫度時(shí)，從化學(xué)反應(yīng)平衡視角氧原子無法在此高溫環(huán)境凝結(jié)成碳煙；與此同時(shí)高溫下火苗紫外光線抗壓強(qiáng)度不變?nèi)酰�使已�?jīng)形成的碳煙從火苗排出來以前就有可能被空氣氧化，因而碳煙生成量反倒降低。在火苗溫度比較低條件下，低等氮氧化合物顆粒也會(huì)變得粗壯，產(chǎn)生多環(huán)芳族氮氧化合物（PAH），在化學(xué)反應(yīng)過程中生長成平均直徑為50nm水平極大的碳煙顆粒物。而高溫下因?yàn)榈�氧化合物的脫氫反�?yīng)，促使轉(zhuǎn)化成碳蒸汽的速度比低溫時(shí)快，并迅速匯聚而產(chǎn)生碳煙。因此，碳煙的形成全過程與溫度有直接的關(guān)系。

3、碳煙的形成特性

針對柴油發(fā)電機(jī)，因其邊噴涌邊燃燒混合氣體形成和加熱方式的特征，在氣缸內(nèi)混合氣體極不勻。雖然總體上是富氧燃燒，可是燃燒倉內(nèi)部分地區(qū)持續(xù)高溫氧氣不足是造成柴油發(fā)電機(jī)造成碳煙的重要原因。因而，在邊噴涌邊點(diǎn)燃期內(nèi)碳煙生成量快速增加，當(dāng)油泵完成后沒多久，碳煙生成量達(dá)到高峰，在澎漲環(huán)節(jié)中已產(chǎn)生的碳煙發(fā)生氧化反應(yīng)，使之成分迅速降低。碳煙（顆粒）表層的氧化速率與溫度和氧氣的分壓電路相關(guān)。如上所述，當(dāng)火焰的溫度為2100K以上時(shí)，伴隨著火苗溫度升高，碳煙的氧化加速。當(dāng)火焰的溫度超出2100K時(shí)，碳煙的氧化速率減慢。氧氣的分壓電路越大，碳煙的氧化速率就越快。圖5所示為柴油發(fā)電機(jī)燃燒倉內(nèi)碳煙及NO廢氣排放等體積（或克分子）成績隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，圖上Soot指不溶性碳煙。不難看出，一般碳煙的形成全過程先于NO的形成，而碳煙最后的消耗量在于澎漲環(huán)節(jié)中碳煙的氧化水平。可是，因?yàn)樘紵煹难趸瘲l件及NO2的形成標(biāo)準(zhǔn)基本一致，因此加快碳煙氧化對策，通常會(huì)與此同時(shí)產(chǎn)生NO消耗量的提高。因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)的NOx和碳煙的形成均與其說混合氣體的形成和燃燒現(xiàn)象息息相關(guān)，對一定的燃燒倉，柴油發(fā)電機(jī)的噴涌系統(tǒng)軟件直接關(guān)系混合氣體的建立。因而，對柴油發(fā)電機(jī)噴涌系統(tǒng)的控制要求也越來越高。

4、碳煙的系統(tǒng)原理

對柴油發(fā)電機(jī)，燃燒火焰環(huán)境溫度和局部混合氣體的噴油量是決定碳煙形成的重要因素。圖6所示為柴油發(fā)電機(jī)NOx和PM（顆粒）的形成地區(qū)。因而，操縱碳煙兩條基本上途徑就是：第一，提升火焰的溫度，但是這種方法和控制NOx排出相悖，因此對車用發(fā)動(dòng)機(jī)不可行；第二，操縱火苗領(lǐng)域里混合氣體的噴油量，防止部分混合氣體為太濃情況。

因而，操縱碳煙的原理就是控制燃燒溫度和混合氣體的噴油量。因此，必須機(jī)構(gòu)燃燒倉里的氣旋健身運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)滲流混和，同時(shí)促進(jìn)噴霧器的顆粒化。對預(yù)混和火苗，必須提供足夠的O2，這同時(shí)有利于抑止迅速NO的形成；但對擴(kuò)散火焰，必須推動(dòng)混合氣體的建立。具體辦法是，使噴涌速度高效運(yùn)轉(zhuǎn)或采用高壓噴涌，為此推動(dòng)噴霧器顆粒變的與此同時(shí)減少噴涌階段。這會(huì)對操縱點(diǎn)燃前期部分混合氣體的噴油量和點(diǎn)燃中、后期滲流擴(kuò)散火焰是一種很有效的辦法。改善燃燒倉構(gòu)造，合理機(jī)構(gòu)燃燒倉里的氣旋健身運(yùn)動(dòng)，保證一定的氣旋抗壓強(qiáng)度維持性，是推動(dòng)蔓延燃燒速率和碳煙空氣氧化的有效手段。

三、柴油機(jī)的排出操縱



當(dāng)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)集中體現(xiàn)在進(jìn)氣道、燃燒系統(tǒng)、噴涌系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)的發(fā)展上。操縱和減少柴油機(jī)的排出關(guān)鍵從以下幾個(gè)方面下手。

（1）通過提升汽柴油質(zhì)量，進(jìn)氣口品質(zhì)等方式，如果采用增加中冷，多氣缸技術(shù)性，EGR等。

（2）當(dāng)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對柴油機(jī)噴涌科技的要求是：精確的汽柴油計(jì)量檢定，靈活多變的油泵按時(shí)，最理想的噴油壓力，提升油泵規(guī)律性。通常把這種手段稱之為機(jī)身凈化處理方式。

（3）選用在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管尾端改裝廢氣凈化裝置以進(jìn)一步降低有危害廢氣排放直接進(jìn)空氣，如果采用De-NO催化轉(zhuǎn)換器和顆粒捕集器等都可以有效地降低NOX和顆粒物排放。此方法稱之為主機(jī)凈化處理方式。

（4）科學(xué)合理的維護(hù)和管理。過載應(yīng)用、維護(hù)和保養(yǎng)不當(dāng)或維修調(diào)節(jié)異常等使用過程中難題，都會(huì)讓柴油機(jī)的特性惡變，造成污染物質(zhì)提升，使用維修中，必須采取嚴(yán)格的管理制度和工程措施。要選擇要求品質(zhì)等級(jí)黏度的汽車機(jī)油。要選擇十六烷值適中柴油機(jī)，要盡可能地采用高硫柴油機(jī)。在柴油機(jī)中摻加XS30.30高效率柴油添加劑，有效地控制碳煙排放.



匯總：

柴油發(fā)電機(jī)組里，柴油機(jī)的工業(yè)廢氣是造成環(huán)境污染的主要來源，在其中成分中除了99.7%（75.5%的N2、10%的CO2、8%的水蒸氣和6%的O2）對人們沒害外，其余0.3%（0.2%的NO、0.01%的NO2、0.03%的HC和0.05%的CO、0.01%的SO2和低于0.01%的PM）全是有害物，這是產(chǎn)生霧霾和污染環(huán)境的直接原因。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣中包含了汽態(tài)、液體及固態(tài)的污染物質(zhì)。氣體污染物內(nèi)含CO2、CO、H2、NOX、SO2、HC、金屬氧化物、有機(jī)化學(xué)氮化合物及硫含量混合物質(zhì)等。近些年來科技實(shí)力發(fā)展和對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)研究的深入,根據(jù)機(jī)身主機(jī)凈化處理對策早已大大改善了柴油機(jī)的排放水平。為避免髙壓噴涌所帶來的氮氧化物排放提升,務(wù)必延遲時(shí)間油泵,那樣又導(dǎo)致熱效降低。若想有效解決排出難題,必須對NOx和顆粒這幾種關(guān)鍵廢氣排放的形成原理有清晰的認(rèn)識(shí)。