柴油机NOx的排放控制

王林光，刘开敏，侯晓勤，周佩琴

（宁波中策动力机电集团有限公司，浙江宁波315032）

柴油机因其良好的经济性、可靠、机动性被广泛的应用在船舶动力、发电等领域，近年来随着柴油机技术的不断进步，燃烧原（重）油技术的不断成熟和航运业的不断发展，柴油机所排放出来的尾气严重污染了人类赖以生存的自然环境，据国际海事组织（IMO）称，仅2007年远洋船就释放了2 580万吨的氮氧化物，这个排放量相当于当时全球氮氧化物排放的30%左右，如此惊人的数据可见大气污染已经到了不可忽视的地步。当下对于生产柴油机的企业来说，研究NOx排放的控制措施迫在眉睫，刻不容缓。

1 柴油机NOx排放的危害和生成机理

（1）NOx排放的危害

柴油机排放的有害废气主要有NOx、SOx、COx、HC等，而NOx是柴油机排放产物中对人类和环境危害最大的。NOx一般包括NO和NO2，NO是一种无色、无味，毒性不大，但浓度高时会使神经中枢瘫痪和痉挛的气体，而且它极其不稳定，与氧气接触后极容易生成NO2，NO2是一种有刺激性气味、毒性很强（毒性约是NO的5倍）的红棕色气体，吸入后可对人的呼吸道造成刺激和伤害，严重时会引起肺气肿；当浓度高于100×10－6体积浓度时，会有生命危险。

另外NOx和HC在太阳光作用下会生产光化学烟雾，NOx还会增加周围臭氧的浓度，而臭氧会破坏植物的生长、破坏紫外线形成的大气层，而且还会导致酸雨，进而形成硝酸盐。

介于以上种种危害，国际海事组织（IMO）已经对船用柴油机制定了一系列的标准，目前正在实施的于2011年1月1日实行的NOx排放TierⅡ标准，该标准对于不同类型的柴油机有不同的计算方法，方法如表1。

表1 NOx排放的TierⅡ标准

（2）柴油机NOx的形成机理

迄今为止人们已经对NOx的生产机理进行了大量的研究，比较受大家认可的是策尔多维奇机理。该机理认为柴油机排放中的NO并非主要来自燃油的燃烧，而是来自氮气与氧气的反应，它是在氧气过剩的情况下由于燃烧时的持续高温形成的，在膨胀和排气时有少量的分解，排到大气后遇氧形成NO2和其他氮氧化物。主要反应式如下：

柴油机燃烧过程中喷射各区均可以生成NO，其生成浓度与局部温度、局部氮原子和局部氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间（即高温下所占燃烧循环的时间量）等因素有关。

从理论上来讲，柴油机NOx排放的形成是无法避免的，但通过控制燃烧过程的最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。

2 柴油机NOx排放的控制措施

柴油机的工作过程有两种：2冲程过程和4冲程过程，本文主要针对4冲程过程来分析。4冲程柴油机的主要工作过程见图1。低转速使NOx排放量加剧，见图3。

图1 4冲程柴油机工作过程

实践表明影响柴油机NOx排放的主要因素与高温、高压、过氧量、紊流、滞留时间、燃油含氮量和柴油机的转速等有关，针对以上各因素可以采取相对应的措施来降低NOx的生成量。

2.1 发动机的调整

发动机的调整主要还是集中在对燃油喷射压力、喷射提前角以及喷射持续时间、喷孔大小造成的紊流以及柴油机的转速等方面来考虑。

（1）优化燃油喷射压力

根据实际测试可知，燃油的喷射压力越高使得燃油的雾化效果越好，混合越均匀，燃烧更加充分，燃烧温度也得以提高，从而NOx排放增加；过低的喷射压力会造成燃油混合不充分造成燃油浪费，油耗上升，但NOx排放降低，考虑到经济性使得该方法落空。

（2）优化喷油正时

NOx的排放受喷油正时的影响较大，燃烧可分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期，喷油正时提前使得燃油在压缩室混合时间延长（即滞燃期时间长），混合更充分，进而燃烧效果越好，NOx排放增加，若喷油正时延迟得话，NOx排放会好，但燃油经济性会很差，而且烟度和微粒物会增加，鉴于燃油经济性和NOx排放的影响，一般在调整喷油正时时会进行综合考虑。

（3）优化喷油器喷孔

在设计选择喷油器的时候，一般尽可能的选择使用孔数多、孔径细的喷油器，这样不仅能增加喷射范围，而且混合效果也好，相对来说初期喷射时间也会长些，但过多、过细的孔径使得NOx排放增加，同时孔易堵塞等，一般中速柴油机选取使用5～7个孔的喷油器，另外MAN新型的喷油器（油嘴部分增加滑阀）能更好的控制喷油效果，防止喷油后出现滴油现象（图2）。

（4）优化喷射时间

喷射时间越短NOx生成量越少，这样会使得喷射速度越快越好。

（5）优化柴油机的转速

柴油机的转速对于NOx排放起着重要的影响，过

图2 MAN公司的喷油器改进

图3 转速对NOx排放的影响

2.2 燃烧室的结构和参数优化

NOx排放与燃烧室的局部最高燃烧温度有着密不可分的关系，见图4。

图4 NOx排放与燃烧室局部最高温度的关系

（1）优化柴油机的压缩比

柴油机的压缩比控制着着火延迟期的长短。降低压缩比，有利于着火延迟，降低最高爆压，可使得燃烧最高温度降低，进而使得NOx排放降低，炭烟增加。但压缩比过低，柴油机点火困难。反之，压缩比高，则最高爆压增大，气缸工作恶劣，强度要求高，经济性好。压缩比对NOx的影响较为复杂，选取压缩比时需综合考虑。

（2）水化技术

水化技术可分为3种不同的掺水方式，燃烧室直接喷水技术、加湿技术（中冷器进气口喷水）和燃油掺水乳化技术。

水具有较高的比热，在燃烧过程中吸热可降低燃烧最高温度，水跟油混合喷入燃烧室还可以降低燃油密度，从而使燃烧温度进一步降低，该方式在降低NOx排放的同时，对燃油掺水乳化技术来说还有利于改善燃油经济性和排气烟度，并有降噪效果，但水会对气缸壁有腐蚀作用，以上3种技术虽然都能不同程度的降低NOx排放，但现阶段都只限于试验室阶段，尚未推广中。

2.3 采用废气再循环技术

采用废气再循环（EGR）是降低NOx排放的一项极为有效的措施，目前在汽车上得到了较为成熟的运用。EGR在所有负荷条件下都可以有效的减少NOx排放。定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火延迟，增加了参与反应物的热容量以及CO2、H2O等惰性气体对氧气的稀释作用，从而降低最高燃烧温度，减少NOx的生成，大约60%～70%的NOx在高负荷时产生，此时采用合适的废气再循环对于减少NOx是很有效的。废气再循环率为15%时，NOx排放可以减少50%以上，而废气再循环率为25%时，NOx可减少80%以上，但随着废气再循环率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性变差，HC和油耗增加，功率下降。若采用＂热EGR＂还可以同时减少HC和PM的排放，并不会增加油耗，在中、低负荷时净化效果更佳。由于EGR气门的升程信号会因气门座积炭而不能正确反应EGR量，其相应速度较慢，所以废气再循环量更应通过进气流量和EGR气门的升程信号相结合来反应。EGR装置见图5。

图5 废气再循环装置示意图

2.4 选择性催化还原系统

选择性催化还原系统（图6）目前主要是将柴油机所排放的废气通过与尿素（NH3）混合，然后一起被送到催化剂反应腔进行还原反应，从而将有害气体通过化学反应中和掉。该方法能更大程度上减少NOx的排放，试验表明一次还原反应大约能够还原85%～95%的NOx排放量，其配比量对于40%尿素溶液来说，其消耗量大约是20～25g／kWh。但其缺点是尿素容腔太大，而且对于不同的柴油机在不同的工况下需要记录不同的数据，从而被输送到芯片中进行备案以达到配比的目的，再者就是排气背压可能因装了这么一个装置后背压有过大情况。

图6 选择性催化还原系统

3 结束语

本文所介绍的各种减少NOx排放的措施，都不同程度上存在一定的局限性，在减少NOx排放的同时有可能导致柴油机在动力性或者经济性的下降，对其他排放物，比如颗粒、HC、CO、CO2等反而会增加，要进一步减少NOx排放，从根本上还得从柴油机的燃烧过程着手，比如目前日本使用的可变燃油凸轮既考虑到了燃油经济性，又能很大程度上改善NOx排放，今后研究柴油机NOx产生机理以及改善燃烧方式仍将是一个重点。

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