浅析柴油发动机排放物的生成机理

赵龙 邱文龙 朱天一 何博 巩百如

摘 要：随着环境问题变得越来越严峻，柴油发动机的减排工作也变得刻不容缓，我们在分析柴油机排放物生成的同时，对于如何采取一些措施降低碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、颗粒等排放物的生成也进行了阐述。

关键词：环境；柴油发动机；碳氢化合物；一氧化碳；氮氧化物；颗粒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.006

0 前言

环境保护是近几年的热门话题，蓝天保卫战已经是每个制造型企业攻坚克难的课题。汽车排放物对环境污染有重要影响，随着我国汽车保有量的进一步提升，排放污染物增长速度惊人，以2014年为例全国机动车排放污染物4547.3万吨，其中氮氧化物627.8万吨，颗粒物57.4萬吨，碳氢化合物428.4万吨，一氧化碳3433.7万吨。这些污染物会直接影响人的健康，因此，国家环保部已经开始加强对汽车排放物的监管力度，排放法规进一步加严。使用严格的排放法规来要求各家主机厂，通过技术手段降低汽车排放污染物。

柴油机排放是汽车排放污染物的主要来源之一，柴油机的排放物主要包括碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物。通过研究柴油机污染物生成机理，在源头降低柴油机排放污染物，保证发动机动力性能的基础上，排放满足国家法规要求，为蓝天保卫战尽一份力。

1 碳氢化合物的生成

碳氢化合物主要是未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解的部分氧化产物。喷油器喷入燃烧室内的燃油与空气混合形成的混合气太稀或太浓，以及发动机燃烧室壁面淬熄，都是造成碳氢化合物增加的主要因素。

碳氢排放的主要来源还包括以下两种原因，其一是燃烧室壁面产生的油膜。油膜蒸发会产生油气，由于产生的油气时刻较迟，这部分油气只有少部分被氧化，从而产生碳氢化合物。另一个就是容积淬熄，当发动机做到更高的额定功率，这种情况在混合气过稀或过浓时，容易发生容积淬熄，使碳氢化合物排放量大增。

目前优化重型柴油机碳氢化合物排放的两个主要手段是：（1）降低喷油器压力室向燃烧室滴漏燃油；（2）减少滞燃期稀薄燃油混合气的形成。

2 一氧化碳的生成

一氧化碳是碳氢燃料在燃烧过程中产生的中间物，一氧化碳的生成主要是因为燃料的不完全燃烧。氧气不充足、燃烧温度不高以及反应时间短，都会使燃烧恶化从而产生一氧化碳。在燃烧过程结束时，一氧化碳会被多种氧化剂氧化成二氧化碳。如果由于缺少氧化剂或气体温度低，一氧化碳不能完成化合反应，一氧化碳就会残留于废气中。

影响一氧化碳生成的主要因素是低空燃比。图1展示了增压直喷、自然吸气非直喷两款发动机，燃空比对一氧化碳排放的影响。在高负荷，一氧化碳主要是在混合气过浓区域产生；低负荷是在混合气过稀区域产生。

过浓混合气燃烧会产生一氧化碳，提高发动机燃烧温度、增加氧气浓度和加快混合气混合都能促使一氧化碳氧化成二氧化碳，可以作为降低一氧化碳排放的手段。

3 氮氧化物的生成

在内燃机排放物中，NOx一般被称为氮氧化物。在直喷式柴油发动机尾气中，一氧化氮是最主要的氮氧化物，一氧化氮占发动机尾气氮氧化物比例的70%-90%。二氧化氮主要是维持氮氧化物平衡。

氮氧化物生成的主要区间是在扩散燃烧阶段，预混燃烧阶段由于燃油混合气过浓、氧气浓度低、燃烧温度低等因素，几乎没有氮氧化物生成，因此在扩散燃烧阶段是氮氧化物生成的主要区域。

氮氧化物形成的另一个比较重要的原因，是在燃烧过程中生成的一氧化氮通过反应形成二氧化氮。在燃烧过程中，一氧化氮有很多潜在生成机理，影响这些生成机理比较重要的因素有温度、压力、火焰传播、关键反应停留时间以及浓度等。

降低氮氧化物生成的主要技术手段是缸内净化，通过标定手段使发动机原始燃烧产生的氮氧化物降低，例如降低燃烧过程中的燃烧温度，降低燃烧过程中氧气的含量。

缸外净化通过增加SCR后处理喷射系统将燃烧过程产生的NOx，在后处理载体催化作用下产生无害的氮气排放到大气中。其总量反应方程式为：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

4 颗粒的生成

在所有排放物中最具有争议的就是颗粒物，颗粒物的定义是： 在温度小于52℃，内燃机排气中，任何能够被取样滤清器捕集到的物质称之为颗粒。柴油机颗粒没有明确的物理定义，颗粒是比较复杂的排放，包括物质的种类，下文主要对颗粒物进行详细的介绍。

一般而言，颗粒物是空气燃油混合气组成的有机物与无机物。颗粒最主要的组成部分是：由于发动机缸内不均匀燃烧产生的碳颗粒。小粒子或燃烧颗粒组成了预混火焰，在过稀或过浓混合气中燃烧。燃油中存在的硫元素是硫化物颗粒的主要来源，如果燃烧产物的硫化物在潮湿的环境中，其颗粒物质量会翻倍。挥发的碳氢燃料以及他们的衍生物也会存在于颗粒物中。这些物质被称为有机可溶物，主要源于含有碳氢化合物的润滑油。由于活塞与汽缸壁不合理的摩擦或者是活塞环刮油不净，导致大量的润滑油消耗以及未燃润滑油在缸内燃烧时形成颗粒。

控制碳颗粒形成的方法就是根据其形成原因进行氧化。增加燃烧过程预混时间，可以使发动机缸内未燃混合气与极稀区域的空气进行混合。缸内的高温，也会使排气中的碳颗粒氧化从而降低。降低发动机转速可以为燃烧和氧化过程提供更充足的时间。

4.1 碳颗粒的来源

机油耗的控制可以通过内燃机内部很多部件进行。不合理的缸套衬垫磨损、活塞环密封性差，导致气缸壁上的润滑油不能完全刮干净，增压器润滑油、轴承损坏、长时间怠速以及活塞气缸壁的疲劳摩擦等都会造成机很高的油耗。对于重型柴油发动机而言，润滑系统是发动机必不可少的一部分，喷射润滑油主要目的是降低活塞温度。过量喷射润滑油会增加机油的消耗。另外，柴油机急加速或是发动机负荷从低到高，可能导致更多的未燃润滑油，此时的活塞环密封性变差。低负荷时，燃烧压力很低，活塞环与气缸壁形成的压力低，密封压力越低，密封性越差则会导致更高的机油消耗。

发动机的一些运行工况也可能是促使颗粒物生成的因素。例如，发动机通过持续加油的急加速。空气系统的延迟导致实际所需空气比理论所需空气少很多。于增压发动机而言，增压器的迟滞可能会使充气降低，也会由于充气缺乏而导致更多的碳颗粒排放生成。

4.2 柴油机排放产生的烟

在过量润滑油消耗的情况下，发动机尾气排出的烟会呈现蓝色或灰色。因此当发动机尾气冒蓝烟或是灰烟的情况下，预示发动机需要进行大修。然而，未燃燃料也会出现蓝烟情况（燃油分子直径微米大约为0.5微米）。另一方面，白烟则是由于燃油喷射到温度比较低的燃烧室内，油滴直径大约1.3微米。这种现象主要在低温或高海拔进行冷启动时发生。白烟会随着发动机暖机而消失。图2展示了一辆轿车在冷启动时冒白烟的图片。

大量黑烟主要是因为很少对空气滤清器、喷油器进行保养，或是燃油喷射泵/燃油系统安装有问题。这种烟主要是碳颗粒，或是聚集的平均直径在0.02微米到超过0.12微米的粒子组成。粒子直径分布主要取决于发动机燃烧系统的类型，发动机燃烧系统的类型，同时随着喷油量的增加，颗粒物排放也受影响。图3展示了装载机在急加速过程中冒黑烟的现象。

参考文献：

[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]朱舫舫.重型柴油机车辆道路排放特征及评估方法研究[D].武汉理工大学.