機車柴油機排放控制技術(shù)研究

康軼男

摘 要：加強機車柴油機排放控制的研究工作對于環(huán)境保護具有重要的現(xiàn)實意義。本文介紹了機車柴油機排放的有害污染物的組成，較全面的論述了降低有害物排放的措施，并對我國機車柴油機排放研究提出建議。

關(guān)鍵詞：機車柴油機；排放；控制技術(shù)；環(huán)保

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.047

近年來，全球環(huán)境狀況日益惡化，現(xiàn)代工業(yè)要進一步發(fā)展必須走可持續(xù)發(fā)展之路，即注重環(huán)境保護，減少環(huán)境污染。內(nèi)燃機車的發(fā)展也不例外，評價現(xiàn)代機車柴油機的一個重要指標(biāo)就是排放物的排放水平。在我國鐵路運輸系統(tǒng)中，內(nèi)燃牽引發(fā)揮著重要的作用。至2015年底，我國鐵路全路配屬機車約19763臺，其中內(nèi)燃機車約8150臺，占41.2%。目前，內(nèi)燃機車柴油機的研究應(yīng)考慮其對環(huán)境的影響，如何實現(xiàn)內(nèi)燃機車技術(shù)的節(jié)能環(huán)保是鐵路現(xiàn)代化發(fā)展的一個主要方向。

1 機車柴油機排放物的組成

機車柴油機排放的有害污染物主要成分包括：氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）、碳?xì)洌℉C）化合物和顆粒物質(zhì)（PM）。其中，氮氧化物和顆粒物排放量較多，一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧帕枯^少。

2 機車柴油機排放控制技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 以優(yōu)化燃燒為目的的機內(nèi)凈化措施

（1）延遲噴油定時：這種方法可促使參與預(yù)混合燃燒的燃油量的減少，確保初始放熱率降低，使燃燒室內(nèi)的最高燃燒溫度降低，最終使NOx的生成受到抑制。一般情況下，如果氮氧化物的排放減少，可能會增加顆粒物和燃油消耗率。因此，如果要采取相應(yīng)的措施降低氮氧化物的排放時，應(yīng)綜合考慮顆粒物和燃油消耗率的水平是否控制在合理范圍內(nèi)，以上因素應(yīng)綜合考慮，不應(yīng)只顧一個方面，應(yīng)統(tǒng)籌考慮，兩者兼顧。

（2）米勒循環(huán)（Miller循環(huán)）：一般情況下，柴油機運轉(zhuǎn)進入燃燒過程中進氣門才關(guān)閉。而米勒循環(huán)是將關(guān)閉的時間點提前到下止點前。以上改變方式的應(yīng)用，會造成氣缸內(nèi)工質(zhì)發(fā)生一定程度的膨脹，降低壓縮壓力和燃燒溫度，進而可使NOx排放量減少。

（3）廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）：這種技術(shù)主要是借助EGR閥按一定比例將增壓器渦輪前的部分廢氣引到進氣系統(tǒng)，基于以上條件下，廢氣和增壓空氣充分混合，可起到稀釋空氣的作用，從而使NOX的生成有效減低。有關(guān)試驗結(jié)果顯示，15%的廢氣再循環(huán)可使進氣中的氧濃度從21%降到18%。當(dāng)柴油機在75%負(fù)荷下運轉(zhuǎn)時，NOX排放量減少70%；在最大持續(xù)功率工況下，NOX排放減少60%。

（4）高效增壓+中冷技術(shù)：采用高效增壓器配套的柴油機，可使工作循環(huán)溫度降低，從而起到降低NOX排放的作用，通過以上技術(shù)也有利于高柴油機功率和效率的進一步提升。與高效增壓相配合，可發(fā)揮對中冷水溫降低的作用，即使參與燃燒的空氣溫度降低，使NOX生成受到抑制。

（5）電子控制燃油噴射技術(shù)：這種技術(shù)是目前機車柴油機節(jié)能減排較常采用的技術(shù)。目前，共軌式燃油電子噴射系統(tǒng)是較為先進的系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢在于可實現(xiàn)高壓噴射；噴油壓力獨立于柴油機工作轉(zhuǎn)速，從而使柴油機低速、低負(fù)荷性能得以改善；噴油定時可實現(xiàn)靈活控制：可提前對部分負(fù)荷供油，以起到加速燃燒的作用；可延遲大負(fù)荷供油，使氮氧化物的排放得以減少。

2.2 以排氣后處理為目的的機外凈化措施

（1）選擇性催化還原（SCR）：目前這種技術(shù)歐洲應(yīng)用較為廣泛。該系統(tǒng)的工作原理是以氨氣作為還原劑，借助催化劑的作用，使柴油機排氣中有害的NOX向氮氣及水轉(zhuǎn)化，氮氣和水對環(huán)境幾乎沒有影響，從而可以起到減少環(huán)境污染、保護環(huán)境的作用。該方法中氨氣的獲取主要采用向排氣管中噴射尿素水溶液的方法。但這種措施的實現(xiàn)，要求具備存儲和供給尿素的地面基礎(chǔ)設(shè)施和避免冬季水基尿素溶液凍結(jié)的專業(yè)設(shè)備，這對鐵路機車是一個比較大的考驗，因此實施起來有一定的難度。

（2）顆粒過濾器（DPF）：目前，國內(nèi)外常用的顆粒過濾器的過濾材料主要有泡沫陶瓷、壁流式蜂窩陶瓷、編織陶瓷纖維和多孔金屬等。其中壁流式蜂窩陶瓷是目前綜合性能較好的過濾體，過濾效率可達(dá)90%以上。顆粒過濾器至今仍未研究出簡單可靠的再生技術(shù)。

（3）氧化催化劑（DOC）：其主要用于對排氣中的HC、CO及顆粒物的可溶性有機物（SOF）進行處理，在250℃以上的排氣環(huán)境中，具有良好的凈化作用。對于液態(tài)HC，由于其燃燒溫度較低，使用氧化催化劑可使其減少90%以上。

2.3 排放技術(shù)的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外主要應(yīng)用兩條排放控制技術(shù)路線，即“優(yōu)化燃燒+選擇性催化還原”技術(shù)路線和“廢氣再循環(huán)+顆粒過濾器/氧化催化劑”技術(shù)路線，在后一技術(shù)路線中，“廢氣再循環(huán)+顆粒過濾器”技術(shù)路線應(yīng)用更為廣泛。

3 對我國機車柴油機排放控制工作方向的建議

總之，加強對我國機車柴油機排放控制的研究工作具有重要的現(xiàn)實意義。在很長一個時期內(nèi)，我國內(nèi)燃機車柴油機排放控制的研究工作應(yīng)注重以下幾個方面：①逐步完善我國內(nèi)燃機車排放法規(guī)，確保我國內(nèi)燃機車柴油機研究工作取得突破性進展的同時減少其對環(huán)境的污染。②系統(tǒng)檢測和分析我國鐵路現(xiàn)有和新造柴油機的排放水平，全面掌握相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，綜合分析，以制定有針對性的措施加以改進和治理，減少其污染物的排放。③加快研制相應(yīng)的排放檢測設(shè)備，完善檢測條件。還應(yīng)當(dāng)進行天然氣發(fā)動機的研究，為環(huán)境保護貢獻力量。

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