刘永平

摘要： 本文通过内燃机柴油燃烧后产生的主要污染物进行阐述分类，并浅析了产生过程与机理，为了满足环保要求，达到排放标准，从机内净化、排气后处理，以及喷油系统改进等几个方面系统研究了合理的净化处理技术，从而实现了排放达到环保标准的效果，推动了内燃机环保净化技术的改进发展。

Abstract： This article categorizes the main pollutants produced after the combustion of internal combustion engine diesel， and analyzes the production process and mechanism. In order to meet environmental protection requirements and meet emission standards， it is purified from the engine， exhaust gas post-treatment， and fuel injection system improvement. Several aspects have systematically studied reasonable purification treatment technology， so as to achieve the effect of meeting environmental protection standards for emissions， and promote the improvement and development of environmental protection purification technology for internal combustion engines.

關键词： 柴油燃烧;内燃机;环保;排放污染物

Key words： diesel combustion;internal combustion engine;environmental protection;emission of pollutants

中图分类号：TK421.53                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0054-02

0  引言

为了适应时代要求，内燃机车的环保排放技术引起了高度关注。相较于汽油机，柴油机更加兼具寿命长、动力强、输出扭矩高和耗能低等优点，适用于铁路运输，但柴油机经过燃烧后也会产生包括氢化物、一氧化碳和氮氧化物及燃烧不充分的颗粒物等污染物，对环境污染尤为严重，亟待发展解决这些问题的新手段、新方法。

1  污染物的成分构成

鉴于柴油机使用的柴油型号不同，柴油机自身结构对于柴油也存在充分燃烧和不充分燃烧等，因此，在不同温度、不同氧气浓度、不同燃烧环境等条件的制约下，会经过多种化学反应，产生不同的燃烧产物，经过初步研究，主要排放物可达到接近200种物质，其中无害物质则包括氮、氢、氧等气体，有害物质则包括氮的氧化物、氢氧化物、碳氢化合物和废弃颗粒物等[1]。这些有害气体和固体废物虽然不易被肉眼可见，却危及着环境和人身健康。因此，我们的主要研究对象是如何降解这些氮氧和氢氧化物，以及常说的颗粒物PM等。

2  污染物的产生机理

2.1 氮氧化物

柴油机的废气产物中主要以二氧化氮（NO2）和一氧化氮（NO）为主，而NO在氮氧化物总占比中含量为85%～95%，经过燃烧排放后，又会与空气中的氧气发生化学反应，最终形成NO2，因此，我们在研究如何降低污染物排放，对废气进行降解时，通常以NO为研究方向。当室内燃烧温度高于1600℃条件下，柴油经过如下化学公式发生氧化反应：

N2+O→NO+N（1）

N+O2→NO+O（2）

N+OH→H+NO（3）

由上式可以清晰还原出N2在不同氧气浓度的条件下发生的氧化反应得到不同的氮氧化物产物，这一反应主要受氧浓度、温度和反应时间等因素影响。

2.2 一氧化碳

一氧化碳的主要生成影响因素受到如下几个方面的制约，首先在发生环境中的氧含量不足，即缺氧状态下发生不完全反应，容易产生CO;其次，当柴油燃烧后产生的氮氧化物、氢氧化物和碳氧化物等气体混合不均匀，即使在氧含量较充足条件下也会发生不完全反应，产生CO;第三，当充分燃烧后产生的CO2，与燃烧室内的水蒸气在足够的高温环境中进行热分解反应，也会产生一定量的CO，而碳氢化合物发生不完全燃烧也会产生CO等气体。

2.3 碳氢化合物

碳氢化合物在柴油燃烧过程中主要是发生不完全燃烧的产物，由于柴油机属于扩散燃烧，所以同一空间内不同区域都会积存产物气体，造成气体分布和混合不均匀，当氧气参与到化学反应中后，气体浓度或高或低，导致气体之间也会发生部分反应，最终由于燃烧不充分产生碳氢化合物（HC），这些气体随尾气一起被排放到大气中，造成环境污染。

2.4 废弃颗粒物

燃烧产物中的废弃颗粒物，即常说的PM指标，是指柴油机燃烧后排放的粒径大于PM2.5μm的颗粒物，这些物质一般悬浮于离地高度1-2m的空气中，这一高度正是普通人群的活动高度，因此，极易随着呼吸对人体健康造成伤害。此外，颗粒物种还包含有硫酸盐、金属碎屑、可溶性有机物、碳烟等物质，其中金属碎屑在人体内不可被分解，而硫酸盐和可溶性有机物一旦进入体内会造成身体伤害，碳烟更是烃类物质的高温燃烧产物，在体内更不可被降解，因此，污染颗粒对人身健康的威胁最大。

3  柴油机污染物的净化处理技术

综上所述，柴油机燃烧后的主要污染物，也是对环境污染最严重的污染物莫过于氮氧化物（NOx）和废弃颗粒物（PM），经过研究分析，最佳的降解环保方案是确保柴油机内充分燃烧，在过程中实现净化，通过调整柴油机进气方式、优化喷射角度、对高压喷油进行多段增压等方式，实现燃烧物在排放前的内净化过程。

3.1 机内净化

机内净化是指对燃烧过程的技术优化，利用改善柴油机的燃烧工况，增压供气、调整喷射角度等手段达到废气的净化效果和环保标准。

3.1.1 气体再循环

气体再循环技术（EGR）是指理想状态下，能够将燃烧室产生的废气经过进气道循环吸入到进气系统中，经过与新鲜空气的融合再反应，实现不完全反应的二次燃烧，得到充分燃烧后的清洁气体。此外，当进气道内新鲜空气与废气经过混合被稀释后，降低了实际的氧浓度，从而增加了惰性气体的浓度，间接抑制了氮氧化物的生成，从而减少气体的排放污染[3]。

3.1.2 增压中冷技术

通过对进气道进行吸入量增压，提升燃烧室内的进气量，增压后提升了空气密度，能够有效保证燃烧环境的完全反应，从而抑制PM的产生，但弊端是在增压结束时产生富氧环境，造成氮氧化物的含量增加，为了减少气体的排放，可以增加中冷环节，在富氧条件下降低燃烧室的温度，从而减缓反应速度，从而降低氮氧化物的产生与排放。

3.1.3 调控喷油时间与温控

对柴油机的喷油时间进行调控，适当推迟喷油的节点可以有效避开燃烧中的上止点，利于室内温度下降，改变燃烧反应温度条件，从而抑制燃烧发生;而当接近喷油过程的上止点时，恰是高温状态，利于氮氧化物的充分燃烧，减少颗粒物的产生。

3.1.4 渗水冷却技术

渗水冷却技术是指利用向进气道喷水或者气缸进行喷水、喷油（乳化油）的方式，促进在燃烧室高温环境中迅速将水变成蒸汽，从而挥发带走部分热量，实现降温的目的，减少氮氧化物的产生排放。

3.2 排气后处理技术

不同于上述方法，是将废气控制在反应过程中，而排气后的处理技术是通过将废气收集，集中后针对产生的氮氧化物进行处理，主要采用的方法有微粒捕捉器、氧化还原催化剂法等进行净化排放。

3.2.1 微粒捕捉器

微粒捕捉器是通过采用特殊的过滤材料，利用物理原理降低排气中颗粒物的方法，通过选用陶瓷制品或者金属制品的蜂窝状过滤器，将燃烧后的尾气通过排气通道，由设置在通道中的过滤器进行筛分拦截，拦截掉的颗粒物经过高温再燃烧，实现循环化学反应，从而达到洁净效果，此外，还可以利用喷油助燃剂、燃油添加剂、节气门清洁剂、连续催化再生剂、断续加热等方法实现捕捉过滤物的洁净再生。

3.2.2 氧化催化反应

利用氧化催化剂参与到柴油燃烧过程中，可以有效提高多数碳氢化合物、碳氧化合物和氮氧化合物的氧化反应，促进充分燃烧，一般氧化催化剂的活性反应温度为200℃～350℃，在此范围内活性可以充分发挥，当温度低于150℃时，催化剂的活性将会降低，不能起到催化效果，而当温度高于350℃时，又会导致硫酸盐的大量生成，从而抑制燃烧反应，反而增加了颗粒物的排放产生[2]。

3.2.3 还原催化反应

根据柴油燃烧后的产物不同，对于氮氧化物（NOx）的净化排放适用于采用还原催化反应技术，主要利用含硫量较低的柴油原油和尿素、氨等作为还原剂，而氨的制作方法是在尿素经过水溶后产生大量气体，而氨气作为还原剂可以与氮氧化物发生化学反应，置换还原出氮氧化物中的氮元素，产生氮气，从而实现氮氧化物的净化排放，主要反应公式如下：

2NO+O2=2NO2（4）

（NH2）2CO+H2O=2NH3+CO2（5）

2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O（6）

4NH3+3O2=2N2+6H2O（7）

3.3 噴油系统改进技术

喷油系统主要包括喷油压力、喷射角和喷油正时等客观规律，当喷油压力大时，会将柴油喷出的雾化效果更好，在燃烧室内混合更均匀，燃烧也更充分，不仅可以提高柴油燃烧后释放的动能，也可以减少污染物的排放量，同时，也决定了柴油的经济指标和性能指标。当高压喷射达到200MPa以上时，各项经济指标与性能才能发挥最合理工况。其次，油管的喷射压力大小也与油泵的供油速率和功率有关，其中供油速率影响着喷射时能够达到的最大压力，而喷射面积则直接决定着喷油的雾化效果和燃烧效果，喷油的主要经济规律也由油缸单位时间的进气量相关，为了有效降低废气排放，应采取最合理的喷油规律和调整影响因素指标。

为了达到最佳的喷油压力和雾化效果，在初期燃烧过程中应保持较低的供油速率，为防止未完全燃烧的油雾和空气混合，延长反应时间，增加不充分燃烧产物，从而影响内燃机油缸的缸内最高温度，通过调控压力来降低氮氧化物的排放产出量。当有缸内的油雾和混合气体燃烧不充分时均能够产生大量的颗粒物和碳氢化合物，因此，控制好油泵的供油速率，调控雾化喷油角度，合理配置燃烧速度和供油速度，使其处于稳定供油的平衡状态，才能达到最佳的动能输出与气体排放效果。

4  柴油净化排放技术发展方向与建议

柴油机作为铁路运输系统目前最主要的供能设备，为了响应环保排放标准要求号召，应于新兴技术进行合理搭配使用，对旧设备进行更新、改造，提高利用率。大力发展民营企业投入柴油机的外排物净化技术应用。此外，在进行柴油机环保技术改造的同时，还要发展环保检测技术，辅助污染物排放检测标准的落实执行，通过配套系统的建立，完善柴油机的柴油燃烧达到环保标准。

5  总结

综上所述，通过对内燃机主要污染物的产生来源与产生机理研究，有针对性地从产生过程的室内燃烧和排放口收集净化等两个方面阶段进行降解去污，最终实现外排物的环保达标排放，随着环保要求的提高，也促进着内燃机排放污染物净化技术的不断进步，实现双向共赢的局面。

参考文献：

[1]强永平，李海鹰，张炜.低温环境柴油机活塞烧蚀燃烧过程的分析研究[J].车用发动机，2021（06）：64-70.

[2]薛记恩，逢建珍.某型柴油机燃烧优化仿真技术研究[J].内燃机，2021（04）：38-43.

[3]李军成，李明星，曾丽丽，张志雄.燃烧模拟在国六柴油机燃烧系统开发中的应用[J].车用发动机，2021（02）：40-44.