農用柴油發動機廢氣的形成及凈化

摘要：從農用柴油發動機廢氣的成分、有害成分的成因及進氣燃燒系統、燃油噴射系統、廢氣后處理等幾方面綜述了降低柴油機排氣污染物的技術措施和控制對策。

關鍵詞：農用柴油發動機 廢氣 成因 凈化

發動機排出的廢氣中，除C02、H2O、N2和過量的O2為無害成分外，還包含有若干種有害成分，主要是一氧化碳（CO）、各種碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx），還有少量的硫化物（SO2等）、炭煙及臭味等。這些有害成分會污染大氣，對人體健康和動植物的生長也會造成嚴重的危害。

CO被吸入人體后，會阻礙血液對氧氣的輸送，造成人體缺氧窒息。SO2遇水發生作用形成硫酸，具有強烈的腐蝕性，刺激人體呼吸系統黏膜和眼睛。柴油機燃燒后，碳和氫反應生成多種碳氫化合物，它們是具有強烈氣味的物質，能刺激黏膜，有的還有致癌作用。NO在空氣中能氧化為NO2， NO2有強烈的刺激性氣味，對肺部有刺激性作用和毒性。NOx在強烈的陽光照射下，會發生光化學反應，形成光化學煙霧，對動植物具有很大的毒性。有機鉛化合物對人體組織細胞有強烈的毒性，而且影響時間很長。炭煙顆粒直觀上污濁空氣，影響視野，在顆粒表面和空隙內還附著有多環芳香烴等具有致癌作用的物質。

1 廢氣中有害成分的成因

在柴油機的排氣中，常會有白色、藍色或黑色等不同顏色的煙，其中含有炭粒和油霧。據試驗分析，白煙是由柴油和潤滑油顆粒（1 μm以上）形成，藍煙是由更細的液體微粒（0.4 μm以上）形成。由于這些柴油和潤滑油的微粒未經燃燒，或只經過熱裂解和部分燃燒，往往含有醛類、過氧化物及多環芳香烴等成分，帶有難聞臭味，刺激眼睛，甚至有致癌作用。這兩種煙往往是在啟動、低溫條件下由于霧化不良、燃燒室壁過冷、燃燒室氣流過強或混合氣過稀使燃燒緩慢滯后所致。黑煙是由廢氣中含有石墨結晶（炭黑）所致，粒度在0.5 μm以下。黑煙的生成一般經歷炭核生成、各種成分在炭核表面凝聚逐漸使微粒尺寸加大、微粒再聚合成串等幾個階段。如果油氣接觸了溫度相對較低的燃燒室壁面并被急劇冷卻，使壁面附近的燃燒中間產物變得比較穩定而難于氧化，然后在燃燒過程中被反復脫氫（氫被氧化）而析出石墨結晶。這些石墨結晶雖然可以在燃燒室中被燒掉一部分，而殘留下來的結晶則隨廢氣排出氣缸而冒黑煙。柴油機從低負荷急速地加載到大負荷時，也會使排氣冒黑煙，其原因是向低溫的燃燒室供入了大量的柴油，當柴油燃燒的火焰前鋒碰到較冷的燃燒室壁面時就會生成炭煙。柴油機排氣冒黑煙和排放微粒是需要重點解決的問題。

2 廢氣的凈化

2.1 對空氣、柴油進行預處理

這一措施可以改變氣缸內燃燒反應物的性質，改變燃燒反應的條件，如廢氣再循環、進氣管噴水、采用摻水乳化柴油，改變柴油性質和使用柴油添加劑、使用磁化柴油等，以達到消煙節油的效果。

（1）廢氣再循環。柴油機廢氣再循環降低NOx的作用機理與汽油機相同。但當柴油機在大負荷下出現缺氧時，會導致CO、HC和炭煙排放量增加。

（2）進氣管噴水。柴油機進氣管噴水是因為進入氣缸的水分降低了柴油機燃燒的最高溫度，因而能降低廢氣中NOx的含量。在進氣管噴水時，要求噴水能隨發動機負荷的大小自動調節。在直噴柴油機上，當噴水量等于柴油量時，NOx和HC的排放量約減少50%，功率僅下降4%左右。柴油機進氣管噴水的缺點是氣缸腐蝕加重和油底殼積水對潤滑油造成污染。

（3）采用摻水乳化柴油。有關研究表明：把柴油、水和乳化劑三者按一定的比例配制成乳化液在柴油機中進行燃燒，對降低NOx和炭煙的排放量有明顯的效果。

（4）使用磁化柴油。磁化柴油具有消煙節油的效果，其作用機理是使柴油通過同極磁場被磁化，改變了柴油分子的排列狀態，使柴油分子的結合力減弱，氧分子更易滲入，使柴油燃燒得更加完全，從而達到節油消煙的目的。

2.2 改進燃燒過程

為了改進燃燒過程，通常采取的措施有延遲噴油、提高噴油速率、加強進氣渦流和采用分隔式燃燒室等。

延遲噴油對于降低NOx的排放非常有效。但對于分隔式燃燒室，由于延遲噴油會出現低負荷不著火的情況，反而會使HC的排放增加。因此，要求有一套精密控制的供油提前角自動調整裝置，能在中等負荷時減小供油提前角，而在大負荷和小負荷時又能適當增大供油提前角。

分隔式燃燒室的NOx排放量要比直噴式燃燒室低1/3～1/2，其原因是在分隔式燃燒室中，副燃燒室的壁溫較高，自燃延遲期較短，使燃燒的最高壓力和溫度得到了控制，且副燃燒室混合氣較濃，燃燒在相對缺氧的條件下進行，由此共同抑制了NOx的產生。當混合氣進入主燃燒室后，活塞已經下行，氣缸內的溫度迅速下降，NOx已經不能繼續生成。分隔式燃燒室利用二次渦流促進了主燃燒室內混合氣的形成和燃燒，避免或減少了在主燃燒室內高溫局部缺氧區的出現，能使柴油充分燃燒，降低了CO和HC的排放。

2.3 對排出廢氣進行后處理

為了進一步降低有害排放，在廢氣排出氣缸后，通常采取除塵濾清凈化裝盆和催化轉化器對排氣進行最后的處理。