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1、柴油机的排放与控制第一节 柴油机的废气排放及生成机理的认知柴油发电机组中，柴油机的废气排放是造成环境污染的重要来源，其中成份中除99.7%（75.5%的N2、10%的CO2、8%的水蒸汽和6%的O2）对人类无害外，其余的0.3%（0.2%的NO、0.01%的NO2、0.03%的HC和0.05%的CO、0.01%的SO2和小于0.01%的PM）都是有害物质，它是形成酸雨和破坏臭氧层的罪魁祸首。柴油机对环境的污染主要有下列三个方面：一是柴油机的废气排放物对大气的污染；二是噪声对环境的污染；三是废油、废水对土壤或地表水的污染。其中，尤以废气排放对人类健康的危害最大。柴油机排放的废气中包含有气态、液态
2、及固态的污染物。气态污染物中含CO2、CO、H2、NOX、SO2、HC、氧化物、有机氮化物及含硫混合物等。柴油是在533K625K的温度范围内从石油中提炼出来的碳氢化合物。其中各成分质量分数分别是碳87%,氢12.6%,氧0.4%。碳氢化合物燃料完全燃烧时,将只产生CO2H2O,没有其它成分。和汽油机相比,柴油机的CO和HC排放均比较小,这是因为柴油机总体来说在稀混合气下运转,平均过量空气系数一般在1.53之间,CO生成后可以得到进一步的氧化;作为汽油机HC排放的主要来源狭缝效应在柴油机中大为弱化,原因是柴油机中进入狭缝的是空气而不是可燃混合气,因此HC排放得到大幅度降低。NOx的排放与汽油机
3、在同一个数量级,微粒排放则要大几十倍甚至更多,所以NOx和微粒是柴油机最主要的排放物。近年来随着科技水平的发展和对柴油机研究的深入,通过机内机外净化措施已经大大改善了柴油机的排放水平。为防止高压喷射带来的氮氧化物排放增加,必须延迟喷油,这样又导致热效率下降。要想从根本上解决排放问题,需要对NOx和微粒这两种主要排放物的生成机理有深刻的认识。一、 NOx的生成机理氮氧化物包括NO、NO2、N2O3、N2O、N2O5、N2O4、NO3等,在化石燃料的燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和N2O,其中以NO为主。以煤的燃烧为例,NO占90%以上, N2O占510%。燃烧过程中NOx来源于燃料中的氮化合
4、物和空气中的氮气的氧化过程,过去已经有大量的研究人员从事NOx的生成机理方面的研究。按其生成的基础理论,NOx可分为热力型NOx和燃料型NOx两大类,其中热力型NOx又分为捷里德维奇(Zeldovich)NOx和快速型NOx。燃料中含氮量的不同以及氮元素在燃料中的存在形态的不同和燃烧方式的不同,使这两种氮氧化物的比例有很大区别。1.热力型NOx。热力型NOx源于燃烧过程中空气中的氮气被氧化成NO,它主要产生于温度高于1800 K的高温区,其反应机理可以捷里德维奇(Zeldovich)模型描述,而且从扩大的模型的常用反应常数看,生成速度比较缓慢:N2 02 NO NN 02 NO 0N 0H N
5、0 H热力型NOx的主要影响因素是温度和氧浓度。随温度和氧浓度的增加,热力型NOx的浓度增加。因此,降低热力型NOx的基本原理就是降低氧的浓度、降低火焰温度以及缩短高温区的停留时间等。在工程实践中,采用烟气再循环、浓淡燃烧、水蒸气喷射以及新发展起来的高温空气燃烧技术等都是利用上述原理来控制热力型NOx的生成措施。2.快速型NOx。快速型NOx是碳氢类燃料在过量空气系数1稀混合气工况时,理论上不应该有CO产生,但是实际燃烧过程中,由于混合不均匀,造成局部地区1条件成立,由于局部燃烧不完全而产生CO;或者已形成的CO2和H2O 在高温时吸热产生热离解反应,由此产生CO;另外,在排气过程中,未燃碳氢
6、化合物HC的不完全氧化,也会产生部分CO。4.臭气的生成机理。汽车排气中的臭气含有多种成分物质,除O3 和NOx外,主要还有甲醛和丙烯醛等燃料不完全燃烧或中间裂解产物。第二节 柴油机废气排放的影响因素一、 NO 当柴油机的温度愈高，N2和O2的浓度就愈大，则NO的生成率愈高，由此可知，影响NO生成率最主要的因素有3个：温度、时间、及喷油角度。二、 HC和碳烟碳烟生成的因素可归纳为3T，即时间、温度和湍流，温度越高，停留时间越长，湍流混合良好，促使HC和sootr 氧化，则总颗粒TPM将减少，但同时NOX的生成将增加，这就是直喷柴油机中著名的”颗粒-NoX权衡曲线”，柴油机在调试排放指标时，一般
7、均把一种污染物（例如用高压喷射把TPM指标达到法规要求）利用燃烧改善本身达到要求，然后再对另一种污染物用其它方法（例如对NOX用EGR、推迟喷油提前角、废气后处理）来达到法规要求。这已经是被证明是同时降低PM和NOX排放的措施极少。第三 柴油机的排放控制现代柴油机集中体现在进气系统、燃烧系统、喷射系统以及后处理系统的发展上。控制和降低柴油机的排放主要从以下几个方面入手。1、通过提高燃油品质，进气质量等手段，如采用增压中冷，多气门技术，EGR等。2、现代柴油机对柴油喷射技术的要求为：准确的燃油计量，灵活的喷油定时，最佳的喷油压力，优化喷油规律。通常把这种手段称为机内净化方法。3、采用在柴油机排气尾部加装废气净化装置以进一步降低有害排放物直接进入大气，如采用De-NO催化转换器和颗粒捕集器等可以有效地降低NOX和颗粒的排放。这种方法称为机外净化方法。4、合理的维护和管理。超负荷使用、保养维护不当或检修调整不良等使用中的问题，都会使柴油机的性能恶化，导致污染物增加，在使用维护中，有必要采取严格的管理规范和技术措施。要选用规定质量等级黏度的机油。要选用十六烷值适中的柴油，并尽可能地选用低硫柴油。在柴油中掺入XS30.30高效柴油添加剂，有效地控制碳烟的排放。7行业1材料
