农用柴油发动机废气的形成及净化

柳向春

摘要：从农用柴油发动机废气的成分、有害成分的成因及进气燃烧系统、燃油喷射系统、废气后处理等几方面综述了降低柴油机排气污染物的技术措施和控制对策。

关键词：农用柴油发动机 废气 成因 净化

发动机排出的废气中，除C02、H2O、N2和过量的O2为无害成分外，还包含有若干种有害成分，主要是一氧化碳（CO）、各种碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx），还有少量的硫化物（SO2等）、炭烟及臭味等。这些有害成分会污染大气，对人体健康和动植物的生长也会造成严重的危害。

CO被吸入人体后，会阻碍血液对氧气的输送，造成人体缺氧窒息。SO2遇水发生作用形成硫酸，具有强烈的腐蚀性，刺激人体呼吸系统黏膜和眼睛。柴油机燃烧后，碳和氢反应生成多种碳氢化合物，它们是具有强烈气味的物质，能刺激黏膜，有的还有致癌作用。NO在空气中能氧化为NO2， NO2有强烈的刺激性气味，对肺部有刺激性作用和毒性。NOx在强烈的阳光照射下，会发生光化学反应，形成光化学烟雾，对动植物具有很大的毒性。有机铅化合物对人体组织细胞有强烈的毒性，而且影响时间很长。炭烟颗粒直观上污浊空气，影响视野，在颗粒表面和空隙内还附着有多环芳香烃等具有致癌作用的物质。

1 废气中有害成分的成因

在柴油机的排气中，常会有白色、蓝色或黑色等不同颜色的烟，其中含有炭粒和油雾。据试验分析，白烟是由柴油和润滑油颗粒（1 μm以上）形成，蓝烟是由更细的液体微粒（0.4 μm以上）形成。由于这些柴油和润滑油的微粒未经燃烧，或只经过热裂解和部分燃烧，往往含有醛类、过氧化物及多环芳香烃等成分，带有难闻臭味，刺激眼睛，甚至有致癌作用。这两种烟往往是在启动、低温条件下由于雾化不良、燃烧室壁过冷、燃烧室气流过强或混合气过稀使燃烧缓慢滞后所致。黑烟是由废气中含有石墨结晶（炭黑）所致，粒度在0.5 μm以下。黑烟的生成一般经历炭核生成、各种成分在炭核表面凝聚逐渐使微粒尺寸加大、微粒再聚合成串等几个阶段。如果油气接触了温度相对较低的燃烧室壁面并被急剧冷却，使壁面附近的燃烧中间产物变得比较稳定而难于氧化，然后在燃烧过程中被反复脱氢（氢被氧化）而析出石墨结晶。这些石墨结晶虽然可以在燃烧室中被烧掉一部分，而残留下来的结晶则随废气排出气缸而冒黑烟。柴油机从低负荷急速地加载到大负荷时，也会使排气冒黑烟，其原因是向低温的燃烧室供入了大量的柴油，当柴油燃烧的火焰前锋碰到较冷的燃烧室壁面时就会生成炭烟。柴油机排气冒黑烟和排放微粒是需要重点解决的问题。

2 废气的净化

2.1 对空气、柴油进行预处理

这一措施可以改变气缸内燃烧反应物的性质，改变燃烧反应的条件，如废气再循环、进气管喷水、采用掺水乳化柴油，改变柴油性质和使用柴油添加剂、使用磁化柴油等，以达到消烟节油的效果。

（1）废气再循环。柴油机废气再循环降低NOx的作用机理与汽油机相同。但当柴油机在大负荷下出现缺氧时，会导致CO、HC和炭烟排放量增加。

（2）进气管喷水。柴油机进气管喷水是因为进入气缸的水分降低了柴油机燃烧的最高温度，因而能降低废气中NOx的含量。在进气管喷水时，要求喷水能随发动机负荷的大小自动调节。在直喷柴油机上，当喷水量等于柴油量时，NOx和HC的排放量约减少50%，功率仅下降4%左右。柴油机进气管喷水的缺点是气缸腐蚀加重和油底壳積水对润滑油造成污染。

（3）采用掺水乳化柴油。有关研究表明：把柴油、水和乳化剂三者按一定的比例配制成乳化液在柴油机中进行燃烧，对降低NOx和炭烟的排放量有明显的效果。

（4）使用磁化柴油。磁化柴油具有消烟节油的效果，其作用机理是使柴油通过同极磁场被磁化，改变了柴油分子的排列状态，使柴油分子的结合力减弱，氧分子更易渗入，使柴油燃烧得更加完全，从而达到节油消烟的目的。

2.2 改进燃烧过程

为了改进燃烧过程，通常采取的措施有延迟喷油、提高喷油速率、加强进气涡流和采用分隔式燃烧室等。

延迟喷油对于降低NOx的排放非常有效。但对于分隔式燃烧室，由于延迟喷油会出现低负荷不着火的情况，反而会使HC的排放增加。因此，要求有一套精密控制的供油提前角自动调整装置，能在中等负荷时减小供油提前角，而在大负荷和小负荷时又能适当增大供油提前角。

分隔式燃烧室的NOx排放量要比直喷式燃烧室低1/3～1/2，其原因是在分隔式燃烧室中，副燃烧室的壁温较高，自燃延迟期较短，使燃烧的最高压力和温度得到了控制，且副燃烧室混合气较浓，燃烧在相对缺氧的条件下进行，由此共同抑制了NOx的产生。当混合气进入主燃烧室后，活塞已经下行，气缸内的温度迅速下降，NOx已经不能继续生成。分隔式燃烧室利用二次涡流促进了主燃烧室内混合气的形成和燃烧，避免或减少了在主燃烧室内高温局部缺氧区的出现，能使柴油充分燃烧，降低了CO和HC的排放。

2.3 对排出废气进行后处理

为了进一步降低有害排放，在废气排出气缸后，通常采取除尘滤清净化装盆和催化转化器对排气进行最后的处理。