控制柴油機排放的燃料技術與措施

喻革 龍超

摘要：柴油發動機具有高熱效率還有高扭矩等優勢，在輪船以及車輛上都得到了廣泛的應用，但是在使用的過程中也會產生大量的廢氣，硫化物以及氮氧化物是高污染排放的根源所在，必須要對這個問題進行高度的重視。本文從燃料的性質、柴油機的機內凈化以及排氣凈化后處理這三個方面展開研究，并且提出了具體的控制廢氣排放的燃料技術與措施。

關鍵詞：柴油機;排放;燃料;技術;措施

中圖分類號：TK421.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0032-02

0? 引言

為了讓環境得到更好的保護，從而實現可持續發展的戰略，在使用柴油機的時候必須要嚴格地控制其排放水平。柴油機所排放的有害物主要是燃燒燃料的過程中生成的，就有害物的排放水平而言，不僅和發動機技術以及發動機的使用條件存在關系，和燃料之間也存在著很大的關系。因此，為了有效地降低柴油機的廢氣排放，需要對使用的燃料進行相應的研究，從而制定出更加有效的燃料技術與措施。

1? 優化燃料的性質

1.1 將CN進行提高

通過相關的研究可以發現，如果CN越高的話那么碳煙的生成就會越多，這也就相當于減少了柴油機的廢氣排放。早期所使用的柴油主要是將原油進行分餾所得出的，里面所含的正構烷烴比較多，由于正構烷烴的安全性比較差，在四百度以上就會很容易出現熱裂解的現象，然后生成小分子不飽和烴，這種小分子非常容易發生環化縮聚，進而生成碳煙母體，并且會隨著CN的升高而逐漸增多。現如今石油煉制的工藝已經發生了很大的變化，柴油當中的芳烴含量也大量地提升上來，正構烷烴的含量出現了大幅度的下降，為了有效地彌補芳烴CN比較低的缺陷在，在一些柴油當中還會適當地添加一些CN改進劑，這也讓CN對柴油機廢氣排放的影響規律發生了相應的變化。隨著人們對燃料的研究進一步深入，也得出一些有效的結論。只要柴油機使用的燃料當中主要成分不是正構烷烴，那么不管在不在燃料中添加CN的改進劑，柴油機排放的廢氣當中的各項指標都會隨著CN的升高而出現下降，這也說明了在生產柴油的時候將CN提高就可以有效地降低柴油機的廢氣排放量。

1.2 降低燃料表面的張力

燃料在以霧粒的狀態進行燃燒的時候所生成的碳煙和氣態燃燒狀態下相比會多很多，這也是柴油機生成碳煙的一種主要方式。通過相關的研究可以表明，霧化油粒的直徑對碳煙的生成量存在著一定的影響，即便是柴油機表面的張力出現了下降，柴油機所噴射出來的霧化油粒的直徑還是會出現很大的降低，如果是餾分比較重或者是粘度比較大的柴油，就可以通過將其表面張力降低的方式來減少柴油機廢氣排放。另外，燃料的粘度既不能過大也不能過小，否則都會導致廢氣的排放出現惡化的現象，就直噴式的柴油機而言，當其粘度在0.000003-0.000009m2/s這個范圍就比較適宜，在這個范圍當中會隨著粘度的提高而降低燃料的消耗，進而有效地減少柴油機廢氣的排放。

1.3 降低燃料中的含硫量

在正常情況下，柴油當中的含硫量是在0.15%到0.3%之間，當柴油燃燒的時候大概會有98%的硫會轉化成二氧化硫，剩下的部分則為硫酸鹽顆粒，還有一部分的硫會進一步地出現氧化而且還會和燃燒所產生的水進行結合，進而形成硫酸鹽，增加了柴油機廢氣排放中的顆粒量[1]。如果燃料當中硫的含量從0.12%降至0.05%的時候，那么柴油機排放的廢氣當中顆粒的量就會減少8%到10%，如果再將燃料當中硫的含量進行減少的話則不會對顆粒的排放量產生影響。

1.4 在柴油中加入降污添加劑

碳酸二甲酯中氧氣的含量比較高，而且其沸點也較高，和柴油之間具有較高的互溶性，最主要的無毒。在柴油當中添加碳酸二甲酯可以不用改造燃油系統就將柴油機的碳煙排放量有效地減少。與此同時，在柴油當中添加代用燃料也可以有效地控制柴油機的廢氣排放量，將二甲醚作為柴油的代用燃料，能夠把發動機的功率提高10%到15%，還可以把發動機的熱效率提高2%到3%，進而讓柴油機的廢氣排放達到歐Ⅲ的標準。生物燃油屬于一種替代性的燃料，將其用在柴油機上能夠有效地降低二氧化碳以及碳氫化合物，不過其價格偏高，可以在普通柴油當中適當地摻雜一些生物柴油，這樣也能夠減少柴油機的廢氣排放。

2? 柴油機的機內凈化

柴油機的機內凈化其核心就是優化燃燒的過程，讓發動機能夠混合得比較均勻，使燃料在燃燒的時候更加充分，并且工作的時候更加柔和，進而實現減少廢氣排放的目的。

2.1 提高噴油壓力以及減小噴孔的直徑

將柴油機的噴油壓力提高以及減小噴孔的直徑能夠有效地減少顆粒當中的碳排放量[2]。為了有效地避免高壓噴射造成氮氧化合物的增加，還得將空氣渦流運動進行降低，將壓縮比進行提高以及將燃油的噴射時間進行定時，這樣才可以更好地和高壓噴射進行適應，進而減少柴油機廢氣排放中的顆粒以及氮氧化合物。將噴嘴壓力室的容積減少能夠減少廢氣中的顆粒以及碳氫化合物的排放，將柴油機的燃油噴射率進行優化，例如應用雙彈簧噴油器可以有效地降低顆粒以及氮氧化合物的排放。

2.2 電控高壓噴射技術

在柴油機的使用過程中應用電子控制高壓噴射技術，可以讓柴油機實現最佳的噴油定時以及最佳的噴油速率，還可以連續地調節發動機的轉速以及負荷之間的關系，讓顆粒的排放量能夠降低四成以上，還可以把柴油機的排放性能進行相應的改善。電控高壓噴射技術主要是控制柴油機的噴油規律，還能夠結合發動機的運行情況實現最佳的噴油。另外，對預混合燃燒以及擴散燃燒的比例進行控制，能夠有效地減少有害廢氣的排放，實現柴油機的凈化。

2.3 可變技術以及多氣門技術

在使用柴油機的時候運用可變技術能夠讓發動機的性能變得更加理想，還可以有效地改善不同情況下的經濟性以及廢氣的排放。可變技術指的是對噴油定時進行可變的控制，實現渦流以及增壓系統的可變控制，如果合理地使用可變技術可以將碳氫化合物以及顆粒的排放量減少30%以上。通過使用多氣門技術可以在一定的程度上將進氣門以及排氣門的總流通橫截面積擴大，讓噴油器能夠垂直地布置在氣缸的軸線上，這樣不光將噴油器的冷卻狀況以及活塞的熱應力改善了很多，還能實現噴霧均勻地在空間中分布，只有這樣才能讓流動噴霧的效果更好。

2.4 改進燃燒系統以及增壓中冷技術

將燃燒系統進行改進主要是讓燃燒室的形狀以及供油系統等達到最佳的匹配效果。必須要確保燃油在燃燒室當中分布得非常均勻，而且還得保證有合適的氣體在流動，噴油的規律以及噴油定時也得非常合理。通過使用電控泵噴嘴以及電子調速器等有效的措施，不光能夠將柴油機的性能進行改善，還能夠將柴油機的廢氣排放量減少，特別是可以減少顆粒的排放[3]。廢氣渦輪增壓能夠將氣缸當中的有效壓力提高上來，還可以提高過量空氣系數以及整個循環系統中的平均溫度，讓柴油機的顆粒物排放量能夠減少一半左右，還可以有效地減少一氧化碳以及碳氫化合物的排放。運用中冷技術可以將一氧化氮的排放量降低65%左右。因此，運用中冷增壓技術可以有效地減少柴油機的廢氣排放量。

3? 排氣凈化后處理

3.1 顆粒過濾以及再生技術

就目前來看，控制柴油機顆粒排放的一種有效方法就是使用DPF（顆粒過濾）技術，這樣能夠有效地降低顆粒物的排放數量以及排放質量。在應用DPF技術的時候主要需要關注兩個方面，首先需要注重開發出排氣阻力低以及過濾效率較高的濾體材料，其次就是過濾體的再生技術。現階段對過濾體材料的研究已經逐漸趨于成熟，不過在對再生技術進行研究這方面卻有著一定的滯后性[4]。就再生而言，可以將其劃分為被動再生以及主動再生。被動再生也被稱之為催化再生，主要是通過添加鍶以及鐵等金屬有機物將顆粒物的氧化活化能有效地降低，讓顆粒物的再生溫度能夠大幅降低。在正常的情況下，過濾體的溫度都是比較低的，這也讓消除大多數的硫酸鹽以及可溶性有機物顆粒的可能性大大提升了上來。由此可見，帶有催化劑的過濾系統和沒有催化劑的過濾系統相比，其過濾的效率要高很多。主動再生指的是外加能量的一種再生方式，通常包括電加熱再生以及逆向噴氣再生、微波再生等再生方式。不管是主動再生還是被動再生，都得將再生的策略進行優化控制，假如沒有控制好的話，就很可能讓載體的溫度變得過高，這會讓顆粒過濾器的使用壽命減少很多。

3.2 加裝氧化型催化轉化器

在柴油機上加裝氧化型催化轉化器屬于一種有效的措施，能夠將柴油機排放出來的可燃氣體以及可溶性有機物進行凈化[5]。在加裝氧化型催化轉化器的時候通常是利用鉑以及鈀等貴重的金屬來當中催化劑，能夠將碳氫化合物以及一氧化碳的排放量減少一半左右，還能夠將顆粒的排放量減少60%左右，對于多環芳烴以及硝基多環芳烴的排放數量也可以有效地減少。

3.3 非過濾技術

針對非過濾技術，當前主要是采用靜電式微粒收集器來收集柴油機排放的氣體。在柴油機所排放的氣體中有75%左右的顆粒都帶電，而且每個帶電的微粒都帶有一到五個的基本電荷。借助附加強電場來吸附帶電的碳煙微粒可以取得較好的效果，不過附加設備的體積較大，而且結構也比較復雜，還不適合進行大范圍的推廣。

3.4 NOX控制技術

就目前來看降低NOX（氮氧化合物）排放的有效措施主要有三個方面，分別是DeNOX催化器、SCR催化系統還有NOX吸附轉化器。這三種技術都對硫非常敏感，所以需要使用低硫燃料或者是采用相應的脫硫措施。對于DeNOX催化器而言，主要是利用金屬離子沸石以及釩鉬所制成的催化劑來達到降低氮氧化合物的分解溫度，這樣能夠讓其分解成氮氣還有氧氣。而SCR催化系統則是又通過在排氣當中添加尿素以及氨水等具有還原性的物質，進而將氮氧化合物還原成氮氣還有水[6]。NOX吸附轉化器的原理是把氮氧化合物的轉化成二氧化氮并且儲存，然后再通過添加還原劑將其進行還原。NOX吸附轉化器通常是應用在比較稀薄的燃燒過程當中，它的效率能夠高達90%，不過對硫也非常敏感，所以在使用的時候都會加裝相應的硫捕集器來提升使用的效果。

4? 結語

在使用柴油機的過程中難免會產生相應的廢氣，在廢氣當中存在一些有害的氣體，對大氣造成了嚴重的污染。為了實現對柴油機廢氣排放的有效控制，需要從燃料、柴油機的機內凈化以及排氣后處理這三個方面著手。只有將燃料的成分與排氣的凈化控制進行結合才能夠有效地降低廢氣的排放量，從而降低對環境的污染程度，實現可持續發展的戰略。

參考文獻：

[1]郭和軍，劉治中，姚如杰.控制柴油機排放的燃料技術與措施[J].拖拉機與農用運輸車，1999（02）：53-57.

[2]杜愎剛，朱會田，許力.車用柴油機排放控制現狀與技術進展[J].內燃機工程，2004（03）：71-74.

[3]陳明全.船用柴油機排放控制技術[J].建筑工程技術與設計，2017（09）：90.

[4]朱虹.汽車柴油機排放控制技術[J].中小企業管理與科技，2009（01）：227-228.

[5]李春萍，閆文俊，張微，等.柴油發動機排放尾氣及控制措施淺析[J].黑龍江科技信息，2016（13）：68-69.

[6]林錚.車用柴油機排放控制技術的探討[J].能源與環境，2011（04）：79-80.