柴油机主要排放污染物的生成机理、影响因素与治理措施

摘要：通过分析柴油机在实际运行过程中CO、HC、NOX、PM等主要污染物的生成机理，总结归纳出影 响这些污染物生成的主要因素，并以此为依据介绍现有的降低柴油机排放污染物的主要措施 关键词：柴油机 排放物 生成机理 影响因素 治理措施

1.问题描述

随着科学技术的不断发展深入，更多种类和形式的能源动力机械不断问世并投入应用，但是内燃机由于其应用的稳定性和广泛的适用性在如此环境下依旧在能源动力领域占据着龙头位置。因此内燃机仍然是能源动力领域中首选的动力机械。而内燃机中最典型突出的代表则为车用的往复式活塞内燃机。根据其使用燃料种类的不同可以分为汽油机和柴油机两种。相比于汽油机，柴油机具有燃油消耗低、耐久性好、寿命长、高扭矩输出、功率范围广等优点，因此柴油机在各行业里得到广泛的应用：在重型动力装置中,柴油机应用领域已经占绝对统治地位,在小型轿车等轻型车辆中,柴油机的应用也逐渐渗透。但是由于柴油机的广泛应用而带来的环境污染问题也越来越严重并且越发受到世人关注。柴油机排气污染物主要成分有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）、硫化物以及颗粒物（PM）等。由于柴油机采取的质调节方式，因此其混合气的平均空燃比远大于理论空燃比，故其CO与HC排放明显低于汽油机，所以柴油机排放控制的重点在于NOX和PM。由于各排放物生成机理不同，因此在它们各自的控制与净化措施也存在差异。本文接下来将叙述各主要排放污染物的生成机理、影响措施与治理措施。

2.柴油机主要排放污染物的生成机理

2.1.CO生成机理

CO的生成主要有三种途径：一是柴油机进气与柴油喷雾混合不均匀导致局部混合气过量空气系数Φa＜1，局部燃烧缺氧导致不完全燃烧生成CO；二是已成为燃烧产物的CO2和H2O在高温条件下产生热解反应进而生成CO；三是排气过程中HC未完全氧化生成CO。 2.2.HC生成机理

排放的HC一般是未燃HC，是指没有燃烧或部分燃烧的碳氢化合物的总称。一般认为柴油机中HC的产生主要有两种途径：一是由于滞燃期中形成的过稀混合气在燃烧室内不能满足自燃或扩散火焰传播的条件，导致HC的氧化反应无法开始或瞬间终止，生成未燃HC；二是燃烧过程后期低速离开喷油嘴的燃油与进气不良好混合形成的过浓混合气不能着火及燃烧，生成未燃HC。 2.3.NOX生成机理

柴油机排放的NOX主要是NO和NO2，其中NO占据了NOX排放的85% - 95%。NO本身无毒无害，但NO随着排气进入大气后会缓慢氧化成有毒的NO2，因此NOX生成机理主要针对NO讨论。NO的生成途径有三个：一是激发NO的生成；二是燃料NO的生成；三是高温NO的生成。前两者NO的生成量极少，可以忽略不计，因此NO的主要生成方式为高温NO的生成。其反应机理如下：

N2+O→NO+N N+O2→NO+O N+OH→H+NO

由上式可以知道影响NO生成的因素为高温、富氧和反应时间。 2.4.PM生成机理

柴油机排放的PM主要成分有碳粒、硫酸盐、可溶性有机成分和含金属元素的灰分等。其中碳粒的生成是一个非平衡过程，现在比较流行的理论认为生成碳粒的过程是燃油分子大量分解和原子分子重新排列的过程。当燃油喷射到高温空气中时，轻质烃很快蒸发气化，而重质烃会以液态暂时存在，液态的烃在高温缺氧条件下直接脱氢碳化，成为焦炭状的液相析出型碳粒，粗度一般较大。而已气化的轻质烃，经过不同途径，产生气相析出型碳粒，粒度相对较小。气相的燃油分子在高温缺氧的情况下发生部分氧化和热裂解，

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4.2.后处理技术

4.2.1.柴油微粒捕集器（DPF）

柴油机微粒捕集器是柴油机PM排放后处理的主要方式。它由收集排气微粒的滤芯和各类周期性地把滤芯中积存的微粒烧掉或氧化掉的再生系统所组成。微粒捕集器的关键技术是过滤材料和过滤体的再生。滤芯材料有多种，包括SiC、金属丝网和陶瓷等，以陶瓷材料最优。微粒捕集器的再生一般都采用燃烧法：利用外界能量提高微粒捕集器内的温度，使沉积在过滤体中的微粒尽可能快、尽可能完全地燃烧，或者通过使用某些催化剂降低微粒的着火温度，使之能在柴油机正常的排气温度下着火燃烧分解，从而降低PM的排放。

4.2.2.选择性催化还原系统（SCR）

SCR用来降低柴油机NOX的排放，也能降低部分HC。其工作原理是：在排气中喷入氨、尿素或其他含氮化合物（还原剂），使排气中的NOX还原成N2和水，图5为典型的车用SCR 系统。其主反应方程式为：

4NH3 + 4NO + O2→4N2 + 6H2O