| 标题 | 农用柴油机排放污染物的控制与净化措施 |
| 范文 | 王海英 20世纪60年代以来，柴油机排放污染物的控制与净化问题已成为内燃机技术发展上的一个重要内容，国内外都取得了一些成果，其中包括排放污染物的测定设备与方法、排放污染物的控制标准以及各种控制措施与净化措施等。 一、改进燃烧系统、供油系统与进气系统 降低排气污染，首先在柴油机本身的燃烧上采取措施，也就涉及到燃烧室、供油和进气的问题。 分开式燃烧室的排放污染比直喷式要低，而且直喷式的排放对各种因素的变化很敏感（如压缩余隙对CO、HC、碳烟的生成有一定影响，应该努力减小压缩余隙），但因经济性的原因，燃烧室从分开式发展向直喷式的趋势是明显的。直喷式燃烧室的NOx生成量高是个突出的问题，采用延迟喷油和排气再循环可以起到降低NOx排放的作用，但产生了对功率和经济性不利的影响。所以改进旧有燃烧室和探索新型燃烧室是必要的，如M过程燃烧室的NOx和HC排出量都较大，要通过增压、排气再循环和延迟喷油等措施来解决；新型燃烧室中如四角形燃烧室可以使燃料分布均匀，降低燃烧温度，四角处引起紊流，使NOx和排烟减少；涡流预燃室结合预燃室与涡流室的特点，适当控制了涡流，可以消除强涡流引起的高温火焰集中现象，使得这种燃烧室在具有良好经济性和动力性的同时，NOx生成不多；预燃室式燃烧室生成的NOx较低，但HC和CO生成量却偏高，为此提出了可变几何参数的预燃室，由于活塞顶部凸块伸入预燃室喷孔改变了喷孔的气流速度，改善了燃烧过程，除了可以降低耗油率使接近直喷式外，也降低了HC、碳烟和最高爆发压力及燃烧噪声；还有的直喷式在延迟喷油的同时加强气流运动，使得在保持足够热效率的同时可以降低循环平均温度，减少NOx和碳烟的生成；有的涡流室和活塞顶凹槽构成两级燃烧，减少了各污染成分的生成量。 供油系统各项参数，例如喷油定时、喷油压力、喷油速率、喷嘴结构形式等，对排放污染影响较大。喷油延迟显著降低了最高燃烧压力和温度，缩短了反应物在缸内的滞留时间，所以对降低NOx的生成是一种简便有效的措施，现已得到广泛应用，但在部分负荷时则应使喷油适当提前以减少HC的生成。在采用喷油延迟后，为不使燃烧后拖，可以使喷油加快，缩短喷油延续，并加强气流运动以强化燃烧反应，使比油耗和后燃产物CO、碳烟不致过分增多，最好能采用喷油提前角的自动调节器（机械作用的或电子控制的）以求尽量达到延迟喷油的最佳值。正确调整喷射压力保证喷雾质量对于降低排放HC和碳烟是个很重要的使用因素，在使用中喷射压力的变化应该进行定期的检测和调整。 燃烧室内的空气运动对污染成分的生成也有很大的影响，涡流大小对燃烧完全与否和排烟多少有影响，NOx的排放浓度往往随涡流强度的增大而增加，所以涡流强度的大小只能在兼顾HC、CO、碳烟和NOx的生成之间进行选择。采用增压后，由于进气量增多，循环温度升高，有利于CO、HC、碳烟的排放降低，缓和了延迟喷油带来后燃的不利影响，但NOx的生成量增多；采用增压中冷，则可以兼顾动力性、经济性与排放性能，由于中冷后降低了进气温度，使燃烧温度不致升高过多，因而控制了NOx的生成。增压后应该加装油量限制器（限烟器）以减小加速时的排烟。改善进气系统的一个重要使用因素是对空滤器的保养、气门定时的安装、气门间隙的调整，这些会影响到充量系数和余气系数，从而影响到缸内污染物的生成量。 二、对空气与燃料进行预处理 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，如采用排气再循环、进气管喷水、采用掺水乳化燃料，改变燃料性质和使用燃油添加剂、使用磁化燃油以达到消烟节油的效果等。 排气再循环方法在汽油机上也已采用，是柴油机降低NOx的有效措施之一，由于废气引回缸内而稀释了缸内反应物，使缸内增多了三原子分子（排气中的燃烧产物CO2和H2O等为三原子分子），因而明显降低了燃烧室高峰温度，使NOx生成量减少，也由于减少了排气量而使柴油机排放污染物的绝对数量减少；由于将高温废气引入气缸，还使柴油机可改善启动性能，改善怠速燃烧，降低怠速燃烧，降低怠速耗油量和CO、HC排放量，减小低温和怠速、小负荷时的着火延迟，降低燃烧噪声。这种方法如果将废气经过冷却再送回气缸，称为冷循环，在降低NOx和烟度、减少功率损失上比热循环好，但是装用冷却装置，润滑油易于变坏，发动机腐蚀和磨损较大。再循环量在15%以内为宜。在高负荷下，由于氧气不足，使烟度和功率损失增大。所以实用中还有待解决再循环量在不同工况条件下的控制和调节问题。 进气管喷水使缸内燃烧温度下降，并可冷却进气，使充量密度提高，其功率损失和烟度变化较小，优于排气再循环法。试验认为，喷水量和燃料量比值为1时较合适，喷水一般在进气门前。但是这种方法也存在腐蚀气缸、污染润滑油等实际问题。 燃料性质对碳烟生成存在一定规律性，相同十六烷值的芳香烃比烷烃更易于生烟；十六烷值增大，碳烟生成量也增大。柴油内加入含钡的消烟添加剂可以起到消烟作用，这是因为钡化合物可以提供OH基，再和C的微粒很快发生作用。 Cn+OH→CO+Cn-1+H 连续进行这样的反应就可以起到消烟的作用。但是柴油中含硫时可能会生成硫酸钡，燃烧中也可能生成碳酸钡，这些钡盐对柴油机零件的影响及钡盐随废气排出后对环境的影响则还有待进一步试验。 磁化燃油可以起到消烟节油的效果，已在国内有了一定程度的应用推广，其原理示意如图。它使燃油通过某一电磁场，磁场为由两个同极（N极）组成的排斥场，油分子被感应产生磁性，并由于分子磁矩同极相斥而改变了燃油分子排列状态，使燃油分子间结合力减弱，为氧气渗入增强燃烧创造了条件，所以可以达到消烟节油的效果。燃油中的碳氢比例不同，所需磁场强度与燃油流速不同，所需燃油流速还与油管在工作场中的间隙有关；要提高燃油磁化后的燃烧速率，应选择相应的磁通密度。据台架试验和车辆运载试验，装磁化燃油的消烟节油器后，消烟率在50%以上，节油率也在6%以上，其动力性也有所改善。 1.油流方向2.磁钢3.直流电源接头4.封闭套5.油管固定套 图消烟节油器原理示意图 三、对废气进行后处理 对柴油机废气使用催化氧化法已比较成功，国内已研制的一种容量16 L的圆筒形催化箱结构，内装含铂（Pt）0.3%的7501号催化剂，低温活性好，起始反应温度低，HC为200 ℃，CO为150 ℃，排温500 ℃时CO转化率最高已超过90%，HC最高转化率可达60%。使用催化净化器时应使其达到一定温度以保证一定的净化效率，但温度过高也会使催化剂迅速失去活性，对铂系催化剂，允许温度可达1100 ℃，非贵金属催化剂的耐高温性能则要降低；柴油机排气温度过低时，会使废气中的碳粒、焦油等附着在催化剂表面，使之失去活性，硫、磷等物质附着在催化剂表面，将使催化剂中毒而失去活性，所以使用一定时间（如2000 h）后，催化剂应经过500～800 ℃高温处理，烧掉覆盖于表面的碳欧共体焦油，使催化剂再生；为避免催化剂低温中毒，应尽量避免柴油机排温过低，避免低负荷燃烧恶化，减少加速过程产生碳烟和过剩燃油进入净化器污染催化剂的情况；排气通过时，颗粒状催化剂会发生移位，相互撞击而磨损，车辆振动也会使催化剂振碎，冷凝于催化剂表面的水汽在升温时气化、膨胀会使催化剂崩毁，使用中应该尽量避免以上这些机械毁损情况。还可用水洗法除去部分刺激性的HC、碳烟和NO2，即在排气管内喷水，喷水方向与气流方向相反使形成水幕，水中可加入某些可溶性物质使增加吸收污染成分的能力，如10%硫酸钠水溶液中加入0.5%苯二酚，20%硫酸亚铁水溶液中加入0.5%苯二酚，可对排气中醛类净化90%，NOx净化25%～40%。 四、改善使用工况的选择和加强维护保养 柴油机排放污染物的生成与使用的负荷和转速工况是密切相关的，因此应该选择排污低、性能损失少的工况为常用工况。降低标定功率使用可以减少排污生成，一般将降低标写功率与喷油延迟等措施结合以达到低排污的要求。我国农村大量单缸柴油机没有扭矩储备，使用中以功率储备代替，造成柴油机超负荷和冒黑烟严重，所以从减少污染、节约燃油和改善发动机工作条件来看，都应该装设油量校正器以提高扭矩储备，降低最大扭矩时的转速。我国近年来对于节能型柴油机要求扩大低油耗区范围，从排放的角度来看，可以大大减轻柴油机超负荷时的不完全燃烧，因而降低各种污染成分的排出，尤其明显的是烟度可以大大减轻。这就要求合理选择发动机的设计工况（转速和负荷），从配气定时、喷油提前和燃烧室设计上实现扩大低油耗区，使高负荷时减少排放。在负荷不足时，设法能自动切断几个气缸的燃油供给，使工作气缸仍能满足正常工作条件，达到节油和降低排放的目标。对于既定的内燃机结构在与各种动力装置配套时，往往动力装置对柴油机的要求是多方面的，有些方面互相矛盾，因而应该全面分析和衡量，正确调整，使工况合理，达到排放要求。 在使用中要降低排气污染，维护保养也是极为重要的一环。例如，对柴油、机油与燃气的泄漏应有严格的定期检查和排除；对于“三滤”应该按照实际工况定期检查、清洗和更换；要定期检查进气管压力，查清压力降低的原因；定期更换机油，分析油底中的金属成分和含量；加强燃油系统的维护工作，如燃油的滤清、喷油定时和喷油压力的检查、喷油器雾化质量的检查和重新调整；保证压缩系统正常，包括活塞和活塞环间隙、气门定时和气门间隙等正常，启动方便；不存在烧机油的情况等。 1.油流方向2.磁钢3.直流电源接头4.封闭套5.油管固定套 图消烟节油器原理示意图 三、对废气进行后处理 对柴油机废气使用催化氧化法已比较成功，国内已研制的一种容量16 L的圆筒形催化箱结构，内装含铂（Pt）0.3%的7501号催化剂，低温活性好，起始反应温度低，HC为200 ℃，CO为150 ℃，排温500 ℃时CO转化率最高已超过90%，HC最高转化率可达60%。使用催化净化器时应使其达到一定温度以保证一定的净化效率，但温度过高也会使催化剂迅速失去活性，对铂系催化剂，允许温度可达1100 ℃，非贵金属催化剂的耐高温性能则要降低；柴油机排气温度过低时，会使废气中的碳粒、焦油等附着在催化剂表面，使之失去活性，硫、磷等物质附着在催化剂表面，将使催化剂中毒而失去活性，所以使用一定时间（如2000 h）后，催化剂应经过500～800 ℃高温处理，烧掉覆盖于表面的碳欧共体焦油，使催化剂再生；为避免催化剂低温中毒，应尽量避免柴油机排温过低，避免低负荷燃烧恶化，减少加速过程产生碳烟和过剩燃油进入净化器污染催化剂的情况；排气通过时，颗粒状催化剂会发生移位，相互撞击而磨损，车辆振动也会使催化剂振碎，冷凝于催化剂表面的水汽在升温时气化、膨胀会使催化剂崩毁，使用中应该尽量避免以上这些机械毁损情况。还可用水洗法除去部分刺激性的HC、碳烟和NO2，即在排气管内喷水，喷水方向与气流方向相反使形成水幕，水中可加入某些可溶性物质使增加吸收污染成分的能力，如10%硫酸钠水溶液中加入0.5%苯二酚，20%硫酸亚铁水溶液中加入0.5%苯二酚，可对排气中醛类净化90%，NOx净化25%～40%。 四、改善使用工况的选择和加强维护保养 柴油机排放污染物的生成与使用的负荷和转速工况是密切相关的，因此应该选择排污低、性能损失少的工况为常用工况。降低标定功率使用可以减少排污生成，一般将降低标写功率与喷油延迟等措施结合以达到低排污的要求。我国农村大量单缸柴油机没有扭矩储备，使用中以功率储备代替，造成柴油机超负荷和冒黑烟严重，所以从减少污染、节约燃油和改善发动机工作条件来看，都应该装设油量校正器以提高扭矩储备，降低最大扭矩时的转速。我国近年来对于节能型柴油机要求扩大低油耗区范围，从排放的角度来看，可以大大减轻柴油机超负荷时的不完全燃烧，因而降低各种污染成分的排出，尤其明显的是烟度可以大大减轻。这就要求合理选择发动机的设计工况（转速和负荷），从配气定时、喷油提前和燃烧室设计上实现扩大低油耗区，使高负荷时减少排放。在负荷不足时，设法能自动切断几个气缸的燃油供给，使工作气缸仍能满足正常工作条件，达到节油和降低排放的目标。对于既定的内燃机结构在与各种动力装置配套时，往往动力装置对柴油机的要求是多方面的，有些方面互相矛盾，因而应该全面分析和衡量，正确调整，使工况合理，达到排放要求。 在使用中要降低排气污染，维护保养也是极为重要的一环。例如，对柴油、机油与燃气的泄漏应有严格的定期检查和排除；对于“三滤”应该按照实际工况定期检查、清洗和更换；要定期检查进气管压力，查清压力降低的原因；定期更换机油，分析油底中的金属成分和含量；加强燃油系统的维护工作，如燃油的滤清、喷油定时和喷油压力的检查、喷油器雾化质量的检查和重新调整；保证压缩系统正常，包括活塞和活塞环间隙、气门定时和气门间隙等正常，启动方便；不存在烧机油的情况等。 1.油流方向2.磁钢3.直流电源接头4.封闭套5.油管固定套 图消烟节油器原理示意图 三、对废气进行后处理 对柴油机废气使用催化氧化法已比较成功，国内已研制的一种容量16 L的圆筒形催化箱结构，内装含铂（Pt）0.3%的7501号催化剂，低温活性好，起始反应温度低，HC为200 ℃，CO为150 ℃，排温500 ℃时CO转化率最高已超过90%，HC最高转化率可达60%。使用催化净化器时应使其达到一定温度以保证一定的净化效率，但温度过高也会使催化剂迅速失去活性，对铂系催化剂，允许温度可达1100 ℃，非贵金属催化剂的耐高温性能则要降低；柴油机排气温度过低时，会使废气中的碳粒、焦油等附着在催化剂表面，使之失去活性，硫、磷等物质附着在催化剂表面，将使催化剂中毒而失去活性，所以使用一定时间（如2000 h）后，催化剂应经过500～800 ℃高温处理，烧掉覆盖于表面的碳欧共体焦油，使催化剂再生；为避免催化剂低温中毒，应尽量避免柴油机排温过低，避免低负荷燃烧恶化，减少加速过程产生碳烟和过剩燃油进入净化器污染催化剂的情况；排气通过时，颗粒状催化剂会发生移位，相互撞击而磨损，车辆振动也会使催化剂振碎，冷凝于催化剂表面的水汽在升温时气化、膨胀会使催化剂崩毁，使用中应该尽量避免以上这些机械毁损情况。还可用水洗法除去部分刺激性的HC、碳烟和NO2，即在排气管内喷水，喷水方向与气流方向相反使形成水幕，水中可加入某些可溶性物质使增加吸收污染成分的能力，如10%硫酸钠水溶液中加入0.5%苯二酚，20%硫酸亚铁水溶液中加入0.5%苯二酚，可对排气中醛类净化90%，NOx净化25%～40%。 四、改善使用工况的选择和加强维护保养 柴油机排放污染物的生成与使用的负荷和转速工况是密切相关的，因此应该选择排污低、性能损失少的工况为常用工况。降低标定功率使用可以减少排污生成，一般将降低标写功率与喷油延迟等措施结合以达到低排污的要求。我国农村大量单缸柴油机没有扭矩储备，使用中以功率储备代替，造成柴油机超负荷和冒黑烟严重，所以从减少污染、节约燃油和改善发动机工作条件来看，都应该装设油量校正器以提高扭矩储备，降低最大扭矩时的转速。我国近年来对于节能型柴油机要求扩大低油耗区范围，从排放的角度来看，可以大大减轻柴油机超负荷时的不完全燃烧，因而降低各种污染成分的排出，尤其明显的是烟度可以大大减轻。这就要求合理选择发动机的设计工况（转速和负荷），从配气定时、喷油提前和燃烧室设计上实现扩大低油耗区，使高负荷时减少排放。在负荷不足时，设法能自动切断几个气缸的燃油供给，使工作气缸仍能满足正常工作条件，达到节油和降低排放的目标。对于既定的内燃机结构在与各种动力装置配套时，往往动力装置对柴油机的要求是多方面的，有些方面互相矛盾，因而应该全面分析和衡量，正确调整，使工况合理，达到排放要求。 在使用中要降低排气污染，维护保养也是极为重要的一环。例如，对柴油、机油与燃气的泄漏应有严格的定期检查和排除；对于“三滤”应该按照实际工况定期检查、清洗和更换；要定期检查进气管压力，查清压力降低的原因；定期更换机油，分析油底中的金属成分和含量；加强燃油系统的维护工作，如燃油的滤清、喷油定时和喷油压力的检查、喷油器雾化质量的检查和重新调整；保证压缩系统正常，包括活塞和活塞环间隙、气门定时和气门间隙等正常，启动方便；不存在烧机油的情况等。 |
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