柴油機NOx的排放控制

王林光，劉開敏，侯曉勤，周佩琴

（寧波中策動力機電集團有限公司，浙江寧波315032）

柴油機因其良好的經濟性、可靠、機動性被廣泛的應用在船舶動力、發電等領域，近年來隨著柴油機技術的不斷進步，燃燒原（重）油技術的不斷成熟和航運業的不斷發展，柴油機所排放出來的尾氣嚴重污染了人類賴以生存的自然環境，據國際海事組織（IMO）稱，僅2007年遠洋船就釋放了2 580萬噸的氮氧化物，這個排放量相當于當時全球氮氧化物排放的30%左右，如此驚人的數據可見大氣污染已經到了不可忽視的地步。當下對于生產柴油機的企業來說，研究NOx排放的控制措施迫在眉睫，刻不容緩。

1 柴油機NOx排放的危害和生成機理

（1）NOx排放的危害

柴油機排放的有害廢氣主要有NOx、SOx、COx、HC等，而NOx是柴油機排放產物中對人類和環境危害最大的。NOx一般包括NO和NO2，NO是一種無色、無味，毒性不大，但濃度高時會使神經中樞癱瘓和痙攣的氣體，而且它極其不穩定，與氧氣接觸后極容易生成NO2，NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強（毒性約是NO的5倍）的紅棕色氣體，吸入后可對人的呼吸道造成刺激和傷害，嚴重時會引起肺氣腫；當濃度高于100×10－6體積濃度時，會有生命危險。

另外NOx和HC在太陽光作用下會生產光化學煙霧，NOx還會增加周圍臭氧的濃度，而臭氧會破壞植物的生長、破壞紫外線形成的大氣層，而且還會導致酸雨，進而形成硝酸鹽。

介于以上種種危害，國際海事組織（IMO）已經對船用柴油機制定了一系列的標準，目前正在實施的于2011年1月1日實行的NOx排放TierⅡ標準，該標準對于不同類型的柴油機有不同的計算方法，方法如表1。

表1 NOx排放的TierⅡ標準

（2）柴油機NOx的形成機理

迄今為止人們已經對NOx的生產機理進行了大量的研究，比較受大家認可的是策爾多維奇機理。該機理認為柴油機排放中的NO并非主要來自燃油的燃燒，而是來自氮氣與氧氣的反應，它是在氧氣過剩的情況下由于燃燒時的持續高溫形成的，在膨脹和排氣時有少量的分解，排到大氣后遇氧形成NO2和其他氮氧化物。主要反應式如下：

柴油機燃燒過程中噴射各區均可以生成NO，其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和局部氧原子的濃度、燃燒產物的冷卻速度和滯留時間（即高溫下所占燃燒循環的時間量）等因素有關。

從理論上來講，柴油機NOx排放的形成是無法避免的，但通過控制燃燒過程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時間等可以加以限制。

2 柴油機NOx排放的控制措施

柴油機的工作過程有兩種：2沖程過程和4沖程過程，本文主要針對4沖程過程來分析。4沖程柴油機的主要工作過程見圖1。低轉速使NOx排放量加劇，見圖3。

圖1 4沖程柴油機工作過程

實踐表明影響柴油機NOx排放的主要因素與高溫、高壓、過氧量、紊流、滯留時間、燃油含氮量和柴油機的轉速等有關，針對以上各因素可以采取相對應的措施來降低NOx的生成量。

2.1 發動機的調整

發動機的調整主要還是集中在對燃油噴射壓力、噴射提前角以及噴射持續時間、噴孔大小造成的紊流以及柴油機的轉速等方面來考慮。

（1）優化燃油噴射壓力

根據實際測試可知，燃油的噴射壓力越高使得燃油的霧化效果越好，混合越均勻，燃燒更加充分，燃燒溫度也得以提高，從而NOx排放增加；過低的噴射壓力會造成燃油混合不充分造成燃油浪費，油耗上升，但NOx排放降低，考慮到經濟性使得該方法落空。

（2）優化噴油正時

NOx的排放受噴油正時的影響較大，燃燒可分為滯燃期、速燃期、緩燃期和后燃期，噴油正時提前使得燃油在壓縮室混合時間延長（即滯燃期時間長），混合更充分，進而燃燒效果越好，NOx排放增加，若噴油正時延遲得話，NOx排放會好，但燃油經濟性會很差，而且煙度和微粒物會增加，鑒于燃油經濟性和NOx排放的影響，一般在調整噴油正時時會進行綜合考慮。

（3）優化噴油器噴孔

在設計選擇噴油器的時候，一般盡可能的選擇使用孔數多、孔徑細的噴油器，這樣不僅能增加噴射范圍，而且混合效果也好，相對來說初期噴射時間也會長些，但過多、過細的孔徑使得NOx排放增加，同時孔易堵塞等，一般中速柴油機選取使用5～7個孔的噴油器，另外MAN新型的噴油器（油嘴部分增加滑閥）能更好的控制噴油效果，防止噴油后出現滴油現象（圖2）。

（4）優化噴射時間

噴射時間越短NOx生成量越少，這樣會使得噴射速度越快越好。

（5）優化柴油機的轉速

柴油機的轉速對于NOx排放起著重要的影響，過

圖2 MAN公司的噴油器改進

圖3 轉速對NOx排放的影響

2.2 燃燒室的結構和參數優化

NOx排放與燃燒室的局部最高燃燒溫度有著密不可分的關系，見圖4。

圖4 NOx排放與燃燒室局部最高溫度的關系

（1）優化柴油機的壓縮比

柴油機的壓縮比控制著著火延遲期的長短。降低壓縮比，有利于著火延遲，降低最高爆壓，可使得燃燒最高溫度降低，進而使得NOx排放降低，炭煙增加。但壓縮比過低，柴油機點火困難。反之，壓縮比高，則最高爆壓增大，氣缸工作惡劣，強度要求高，經濟性好。壓縮比對NOx的影響較為復雜，選取壓縮比時需綜合考慮。

（2）水化技術

水化技術可分為3種不同的摻水方式，燃燒室直接噴水技術、加濕技術（中冷器進氣口噴水）和燃油摻水乳化技術。

水具有較高的比熱，在燃燒過程中吸熱可降低燃燒最高溫度，水跟油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進一步降低，該方式在降低NOx排放的同時，對燃油摻水乳化技術來說還有利于改善燃油經濟性和排氣煙度，并有降噪效果，但水會對氣缸壁有腐蝕作用，以上3種技術雖然都能不同程度的降低NOx排放，但現階段都只限于試驗室階段，尚未推廣中。

2.3 采用廢氣再循環技術

采用廢氣再循環（EGR）是降低NOx排放的一項極為有效的措施，目前在汽車上得到了較為成熟的運用。EGR在所有負荷條件下都可以有效的減少NOx排放。定量廢氣引入柴油機進氣系統中，再循環到燃燒室內，有利于點火延遲，增加了參與反應物的熱容量以及CO2、H2O等惰性氣體對氧氣的稀釋作用，從而降低最高燃燒溫度，減少NOx的生成，大約60%～70%的NOx在高負荷時產生，此時采用合適的廢氣再循環對于減少NOx是很有效的。廢氣再循環率為15%時，NOx排放可以減少50%以上，而廢氣再循環率為25%時，NOx可減少80%以上，但隨著廢氣再循環率的增加，發動機燃燒速度變慢，燃燒穩定性變差，HC和油耗增加，功率下降。若采用＂熱EGR＂還可以同時減少HC和PM的排放，并不會增加油耗，在中、低負荷時凈化效果更佳。由于EGR氣門的升程信號會因氣門座積炭而不能正確反應EGR量，其相應速度較慢，所以廢氣再循環量更應通過進氣流量和EGR氣門的升程信號相結合來反應。EGR裝置見圖5。

圖5 廢氣再循環裝置示意圖

2.4 選擇性催化還原系統

選擇性催化還原系統（圖6）目前主要是將柴油機所排放的廢氣通過與尿素（NH3）混合，然后一起被送到催化劑反應腔進行還原反應，從而將有害氣體通過化學反應中和掉。該方法能更大程度上減少NOx的排放，試驗表明一次還原反應大約能夠還原85%～95%的NOx排放量，其配比量對于40%尿素溶液來說，其消耗量大約是20～25g／kWh。但其缺點是尿素容腔太大，而且對于不同的柴油機在不同的工況下需要記錄不同的數據，從而被輸送到芯片中進行備案以達到配比的目的，再者就是排氣背壓可能因裝了這么一個裝置后背壓有過大情況。

圖6 選擇性催化還原系統

3 結束語

本文所介紹的各種減少NOx排放的措施，都不同程度上存在一定的局限性，在減少NOx排放的同時有可能導致柴油機在動力性或者經濟性的下降，對其他排放物，比如顆粒、HC、CO、CO2等反而會增加，要進一步減少NOx排放，從根本上還得從柴油機的燃燒過程著手，比如目前日本使用的可變燃油凸輪既考慮到了燃油經濟性，又能很大程度上改善NOx排放，今后研究柴油機NOx產生機理以及改善燃燒方式仍將是一個重點。

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