機車柴油機排放及污染控制研究

周志強(中國北車集團大連機車車輛有限公司,遼寧　大連　116022）

機車柴油機排放及污染控制研究

周志強
(中國北車集團大連機車車輛有限公司,遼寧大連116022）

摘要：本文主要介紹了中國北車集團大連機車車輛有限公司的柴油機產品，闡述了機車柴油機排放的主要污染物及控制技術，介紹了幾種主要污染物的危害和來源，提供了幾種有效的控制方法，對未來機車柴油機的研發提出了要求。

關鍵詞：機車柴油機；污染物；控制

近年來，空氣污染問題已經嚴重影響了人們的生活，人們對空氣污染問題越來越重視。國家已經出臺了很多政策來對空氣污染進行控制。機車柴油機的排放物是空氣污染的主要來源之一，控制機車柴油機污染物的排放是未來機車柴油機發展的重點方向。

1　大連機車車輛有限公司柴油機產品介紹

大連機車車輛有限公司的柴油機產品主要是中速大功率柴油機，已經形成了240系列，265系列和270系列，功率覆蓋700kW-6800kW的全系列產品。主要用于鐵路機車，近年來大量用于船舶、發電等其他領域。

2　機車柴油機排放污染物

機車柴油機是內燃機車的心臟，為機車提供動力，但是由于柴油機燃燒不充分，空氣純度不夠，燃燒產生廢氣等原因，柴油機會排放出對大氣污染的物質，這些污染物會影響空氣質量，對環境造成影響，甚至會危及人類生命。

機車柴油機在運行過程中，排放的主要污染物包括一氧化碳（CO)、氮氧化合物（NOx)、碳氫化合物（HC)、二氧化硫（SO2)、炭煙等。我國相關法律法規規定柴油機的排放濃度不得超過如下限值(見表1)。

表1　柴油機的排放濃度

其中，CO是一種無色無味的有毒氣體，當被人體吸入時，會與血紅蛋白結合，導致缺氧，危害中樞神經，引起頭痛、頭暈、四肢無力等中毒癥狀，嚴重時會危及人的生命。

碳氫化合物（HC)包括未燃燒和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧化產物，如烷烴、烯烴、環烷烴、芳烴、醛、酮和有機酸等成分。HC會刺激眼黏膜、喉嚨以及支氣管，對血液有毒害。

NOx是NO、NO2等氮氧化物的總稱。高濃度的NO對肺有嚴重的損害。

SO2具有刺激性氣味，吸入過多會引起咳嗽、氣喘等。

SO2也是形成酸雨的主要物質，并會對土壤產生嚴重的傷害，對農作物，人類都是及其不利的。

炭煙（PM)主要由直徑為0.1-10μm的多孔性炭粒構成，是最近幾年國家嚴厲整治的污染物之一，國家每天都會對PM2.5進行監測與播報。現在空氣中炭煙的含量已經嚴重的影響了人們的生活與健康。

3　污染物生成機理

CO主要是由于燃油的不完全燃燒產生的。通常由于以下原因會造成燃油的不完全燃燒：

（1）參與反應的空氣量少于燃油量，導致反應空氣量與燃油量不匹配；

（2）參與反應的空氣不足或純度不夠，缺少氧化劑；

（3）燃油與空氣燃燒的時間過短。

HC的生成機理非常復雜，所以其的產生原因也有很多種，其中一種原因是從活塞與氣缸之間的間隙泄露出來，經曲軸箱和排氣管排放到大氣中；還有一種原因是由于燃油和機油的蒸發及不完全燃燒產生的。

NOx是在燃燒過程中，以不同的濃度生成的。由于柴油機在燃燒過程中溫度很高，會使得柴油機中的O2與空氣中的N2發生反應生成NO。之后NO又會與O2發生反應，生成NO2。NO與NO2的總稱為NOx。

同時，在燃油燃燒的過程中也會產生NOx。

SO2是燃油中的硫元素與空氣中的氧氣反應生成的。在燃油中，很多物質均包含有硫元素，在高溫燃燒時，會有硫元素與O2結合反應生成SO2，而二氧化硫會進一步被氧化成SO3，SO3與H2O結合形成硫酸，與雨水一起落下形成酸雨。

炭煙主要是在柴油機燃燒過程中形成的，在不同的工況和條件下，柴油機排出不同型式的煙。當柴油機冷機啟動時，將會排放出白煙，主要為液體顆粒，當燃燒的機油較多時，白煙變成藍煙，當負荷增大后，則出現最常見的黑煙。

4　機車柴油機排放控制技術

機車柴油機排放物造成污染的主要原因有燃料與空氣混合不好、燃料與空氣的純度不高以及排放后的處理技術不能滿足要求。表2給出了降低機車柴油機排放物的一些措施。

表2　降低機車柴油機排放的技術措施

（1）提高燃油和空氣的純度。使用高純度的燃油，對參與反應的空氣純度進行嚴格控制，在源頭上保證燃油和參與燃燒的空氣的質量，降低污染物排放。

（2）加大噴油壓力。提高燃油噴射壓力可以進一步細化燃油噴霧顆粒，燃油與空氣的接觸面積加大，燃油蒸發的時間變短，改善氣缸內的燃燒狀況。

（3）柴油機炭煙微粒過濾器。炭煙是機車柴油機的主要排放物。目前最好的方法就是通過后處理裝置來進行控制。微粒過濾器被實踐運用具有較好的效果。如圖所示為柴油機微粒過濾器原理：在過濾器入口設置一個燃燒器，通過噴油器向燃燒器內噴入少量燃油，并攻入二次空氣，利用火花塞或電熱塞將其點燃，最終將停留在濾芯上的微粒燒掉。微粒過濾器的濾芯由多孔陶瓷制造，它有較高的過濾效率。排氣穿過多孔陶瓷濾芯進入排氣管，將微粒留在濾芯上。

（4）廢氣再循環（EGR)。廢氣再循環系統將一部分廢氣送回到進氣管，與新鮮空氣混合再次進入燃燒室。但由于廢氣具有惰性，其可以降低燃燒速度，減緩壓力形成時間，降低燃燒室溫度，這樣可以有效地降低NOx排放。

5　結論

通過以上分析可以說明機車柴油機排放物的污染對人類以及環境的危害是非常大的，在今后機車柴油機的設計研發過程中，一定要認真考慮排放物的污染情況，采取有效措施降低排放污染物，促進機車柴油機向更節能、更環保、更先進的方向發展。