柴油發動機有危害廢氣排放的形成原理與控制方法



引言：柴油發電機有害廢氣排放主要包括CO、HC、NOx及顆粒（碳煙）等，但是由于柴油發動機總是會在均值噴油量α＞14.7（過量空氣系數φa＞1）的稀混合氣體下運行，因此CO消耗量相對性汽油發動機低很多；并且柴油發電機要在貼近縮小上止點周邊逐漸油泵壓燃，汽柴油局限在燃燒倉中的時間比較短，進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。因為柴油發電機未燃HC廢氣排放，多發于柴油機噴注邊緣混合氣過稀的區域，并且與噴霧器特點相關。因而，只需改進噴油泵的做霧化特點從而使噴注與燃燒倉優良配對，就能有效地降低HC排出。現階段，柴油發電機排出掌控的重點問題，便是NOX和顆粒消耗量控制。可是，一般控制NOX排出的機身工程措施均會讓排出的顆粒提升，燃料經濟性惡變，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



在柴油發電機的燃燒現象中，易產生高溫氧氣充足標準，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發生氧化反應而產生少量NO2。針對柴油發電機，因其燃料特性及其混合氣體的建立方式及燃燒現象與汽油發動機不一樣，因此其NOx的形成原理也和汽油發動機各有不同。依據NOx的形成來源及形成方式，將燃燒現象中產生的NO分成供熱 NO（Themal NO）、迅速NO（Prompt NO）和然料NO（Fuel NO）三種形態。在其中，供熱NO和高效NO的形成主要以空氣中N2為發源。供熱NO是空氣中N2和O2在火苗成功后的高溫下發生反應時代的產物，其形成原理與汽油發動機同樣，用擴張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混和火苗攜帶，由超出化學反應平衡濃度值以上O、OH等活性位點為原因所引起的氮氧化合物溶解中產生的活性炭化氫（CH、CH2等）與空氣中N2反映而形成HCN、NH等副產物，這種物質再經過一系列的反應生成CN和N，CN和N后進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氫化合物溶解而引起的副產物NH2、NH、N、HCN、CN等參與反映時代的產物。因為車配柴油發電機然料中基本不存在碳氫化合物，因此車配柴油發電機然料NO可忽略。

1、供熱 NO

      柴油發電機在預混和燃燒現象中，部分均勻混合氣體與此同時點燃。這時，當燃燒溫度超出1800K時，空氣中O2轉化成0分子時與空氣中N2高溫下結合而產生供熱NOo這類供熱NO產生的反應原理與汽油發動機同樣，可以用高溫下由0分子所引起的鏈反應原理，即Zeldovich基本原理，加上由OH所引起的反應方程所組成的擴張Zeldovich基本原理來描述。當O2轉化成O分子后［式（5-37）］，高溫下進行一系列的鏈反應。

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

柴油發電機均值噴油量比較大，因而操縱預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，與此同時減少混合氣體中氧氣的成分，并縮短在高溫下點燃帶內的留置時間。

對柴油發電機執行EGR時，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的性能比汽油發動機更突出。采用高壓噴涌技術性主要是為了合理延遲噴涌時時刻刻，并高溫下迅速噴涌混和點燃，從而減少天然氣在高溫下的留置時間與整體點燃期內。

2、迅速NO

      迅速NOX是空氣中N2在一定條件下與O2反應結論，要在碳氫燃料混合氣體較濃的預混和火苗區極速產生的。在火苗攜帶氮氧化合物溶解而形成活性CH化學物質（如CH、CH2）和C2與N2所進行的反應方程為。
這類反應的活化能小，反應靈敏，并且在火苗中形成HCN、NH、N及CN等副產物。這種副產物里的N易溶解，非常容易與O、OH和O2反應生成迅速NOX。

與供熱NO不一樣，迅速NO要在碳氫燃料較濃的混合氣體下燃燒，在火苗攜帶極速產生的，對溫度的依賴感小，與混合氣體的噴油量緊密相關，并且迅速NO的形成速率會比供熱NO快。當噴油量α＞14.7（過量空氣系數Φa＞1）的稀混合氣體時，關鍵形成供熱NOX這時迅速NO生成量非常少；但是當噴油量α＜14.7的較濃混合氣體時，關鍵形成迅速NO；但在10.3＜＜14.7范圍之內混合氣體下燃燒，迅速NO和供熱NO并存。因為在火苗帶內供熱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迅速NO的摩爾分數小，但是其功效卻不能忽視，因則在鏈反應過程中會產生N分子。在擴散火焰區域，然料太濃區域內一樣會生成迅速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。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等副產物。換句話說，根據混合氣體形成過程控制和放熱反應規律性控制，可以限制HCN、NH2等副產物和燃燒溫度，由此可完成低NO排出的燃燒現象。

此外，分析表明，柴油發電機絕大多數NO全是燃燒結束之后20°（CA）內產生的。因而，延遲油泵時時刻刻是控制柴油發電機NOx排出的有效手段。但代價是燃油消耗率逐步提高，排氣管吸收系數提升。



二、碳煙的形成原理



1、碳煙的形成全過程

顆粒乳狀物（碳煙）可以分為可溶有機物質（Soluble Organic Fractions，SOF）且不可溶成份二種，主要是由燃燒產生的含碳量顆粒（碳煙）以及表面吸附的多種多樣有機化合物構成。在高溫環境下因為分解反應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氮氧化合物形成顆粒核的化學反應過程，表層快速增長凝結全過程主要是指所產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生的碳煙在澎漲環節中氧化全過程。

固態碳顆粒能量水準比較低，但是并不是燃燒過程的反應物立即轉化成碳顆粒，而是經過由化學動力學掌控的反映過程的副產物的凝結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的時候多環芳族能量級別低而穩定。當高于該溫度時，聚乙炔及碳蒸氣的電子能級變低且更持久。在太濃而均勻混合氣得潔凈臺火苗表面，當溫度過低1700K時，在加熱攜帶碳煙的形成全過程經歷多環芳族的副產物的形成和形成核的全過程。當極速加熱至1700K以上時，聚乙炔及碳蒸汽變成副產物而形成碳煙。這時多環芳族失靈。

2、碳煙的形成標準

碳煙產生的第一個前提條件是點燃現場噴油量。分析表明碳煙一般在噴油量為5.25-5.65的狹小的范圍之內產生。在這種條件下，當預混合氣體貼近火苗帶時，遭受火苗面持續高溫熱傳遞的影響而產生持續高溫氧氣不足的局勢，這時然料里的烴分子結構在高溫下氧氣不足條件下，產生一部分氧化和分解反應而產生各種各樣低級不飽和烴類，如丁二烯、乙炔氣體以及相對較高的同系物和多環芳香烴。他們持續脫氫、匯聚成用碳為主體的直徑約2nm左右碳煙關鍵。液相的烴和其他物質在這樣一個碳煙關鍵表面凝結，及其碳煙關鍵互相碰撞而出現凝結，使碳煙關鍵擴大成直徑約20～30nm的碳煙基元。最后經過匯聚功效被堆積成直徑約1μm以內的球團礦狀或網狀結構匯聚物（圖3）。

碳煙造成的另一個前提條件是溫度梯度。對預混和火苗，在2100～2400K的環境溫度碳煙生成量較大。當火焰的溫度超出該環境溫度時，從化學反應平衡視角氧原子無法在此高溫環境凝結成碳煙；與此同時高溫下火苗紫外光線抗壓強度不變弱，使已經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變得粗壯，產生多環芳族氮氧化合物（PAH），在化學反應過程中生長成平均直徑為50nm水平極大的碳煙顆粒物。而高溫下因為氮氧化合物的脫氫反應，促使轉化成碳蒸汽的速度比低溫時快，并迅速匯聚而產生碳煙。因此，碳煙的形成全過程與溫度有直接的關系。

3、碳煙的形成特性

針對柴油發電機，因其邊噴涌邊燃燒混合氣體形成和加熱方式的特征，在氣缸內混合氣體極不勻。雖然總體上是富氧燃燒，可是燃燒倉內部分地區持續高溫氧氣不足是造成柴油發電機造成碳煙的重要原因。因而，在邊噴涌邊點燃期內碳煙生成量快速增加，當油泵完成后沒多久，碳煙生成量達到高峰，在澎漲環節中已產生的碳煙發生氧化反應，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。如上所述，當火焰的溫度為2100K以上時，伴隨著火苗溫度升高，碳煙的氧化加速。當火焰的溫度超出2100K時，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所示為柴油發電機燃燒倉內碳煙及NO廢氣排放等體積（或克分子）成績隨曲軸轉角的變化規律，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節中碳煙的氧化水平。可是，因為碳煙的氧化條件及NO2的形成標準基本一致，因此加快碳煙氧化對策，通常會與此同時產生NO消耗量的提高。因為柴油發電機的NOx和碳煙的形成均與其說混合氣體的形成和燃燒現象息息相關，對一定的燃燒倉，柴油發電機的噴涌系統軟件直接關系混合氣體的建立。因而，對柴油發電機噴涌系統的控制要求也越來越高。

4、碳煙的系統原理

對柴油發電機，燃燒火焰環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所示為柴油發電機NOx和PM（顆粒）的形成地區。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，因此對車用發動機不可行；第二，操縱火苗領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，必須機構燃燒倉里的氣旋健身運動，推動滲流混和，同時促進噴霧器的顆粒化。對預混和火苗，必須提供足夠的O2，這同時有利于抑止迅速NO的形成；但對擴散火焰，必須推動混合氣體的建立。具體辦法是，使噴涌速度高效運轉或采用高壓噴涌，為此推動噴霧器顆粒變的與此同時減少噴涌階段。這會對操縱點燃前期部分混合氣體的噴油量和點燃中、后期滲流擴散火焰是一種很有效的辦法。改善燃燒倉構造，合理機構燃燒倉里的氣旋健身運動，保證一定的氣旋抗壓強度維持性，是推動蔓延燃燒速率和碳煙空氣氧化的有效手段。

三、柴油機的排出操縱



當代柴油發動機集中體現在進氣道、燃燒系統、噴涌系統和后處理系統的發展上。操縱和減少柴油機的排出關鍵從以下幾個方面下手。

（1）通過提升汽柴油質量，進氣口品質等方式，如果采用增加中冷，多氣缸技術性，EGR等。

（2）當代柴油發動機對柴油機噴涌科技的要求是：精確的汽柴油計量檢定，靈活多變的油泵按時，最理想的噴油壓力，提升油泵規律性。通常把這種手段稱之為機身凈化處理方式。

（3）選用在發動機排氣管尾端改裝廢氣凈化裝置以進一步降低有危害廢氣排放直接進空氣，如果采用De-NO催化轉換器和顆粒捕集器等都可以有效地降低NOX和顆粒物排放。此方法稱之為主機凈化處理方式。

（4）科學合理的維護和管理。過載應用、維護和保養不當或維修調節異常等使用過程中難題，都會讓柴油機的特性惡變，造成污染物質提升，使用維修中，必須采取嚴格的管理制度和工程措施。要選擇要求品質等級黏度的汽車機油。要選擇十六烷值適中柴油機，要盡可能地采用高硫柴油機。在柴油機中摻加XS30.30高效率柴油添加劑，有效地控制碳煙排放.



匯總：

柴油發電機組里，柴油機的工業廢氣是造成環境污染的主要來源，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，這是產生霧霾和污染環境的直接原因。柴油發動機排出的廢氣中包含了汽態、液體及固態的污染物質。氣體污染物內含CO2、CO、H2、NOX、SO2、HC、金屬氧化物、有機化學氮化合物及硫含量混合物質等。近些年來科技實力發展和對柴油發動機研究的深入,根據機身主機凈化處理對策早已大大改善了柴油機的排放水平。為避免髙壓噴涌所帶來的氮氧化物排放提升,務必延遲時間油泵,那樣又導致熱效降低。若想有效解決排出難題,必須對NOx和顆粒這幾種關鍵廢氣排放的形成原理有清晰的認識。