| 工程机械柴油机尾气控制技术现状与展望（一） |
柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在工程机械领域得到了广泛的应用，如压路机、装载机、挖掘机、推土机等都是以柴油机作为动力。虽然柴油机具有许多优点，但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有HC、CO、SO、NO和PM（微粒）。尤其是在施工现场，由于工程机械和运输车辆来往比较频繁，加之通风条件的限制，这些工程机械排放的有害气体严重超标且会弥漫于整个上作面，极大地危害了施工人员的身体健康和施工的正常进行，因此，对柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义。 1 燃料方面的控制措施 1.1代用燃料 采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一，并且由于化石燃料有限，寻找代用燃料更成为当前内燃机研究的热门话题。目前，代用燃料主要有天然气、压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、氢气、甲醇、乙醇、二甲醚（DEM），碳酸二甲酯（DMC）及生物柴油等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源的代用燃料。其中CNG，LPG，甲醇一汽油汽车在我国得到了政府的大力支持并得到迅速发展。 甲醇可从天然气、煤及生物质等原料中提取；乙醇主要是含糖和淀粉的农作物发酵后制得。利用醇类燃料发动机的动力性和经济性可接近或超过柴油机和汽油机，排气的有害成分少，是一种很有发展前景的燃料。但是，甲醇和乙醇燃烧时会放出甲醛和乙醛等有害成分，因而在使用上受到限制。 二甲醚（DEM）是近年来倍受关注的柴油机代用燃料，它可从煤、天然气和生物物质废料中制得。DEM的自燃性很好，可作为单燃料直接代替柴油；能够实现发动机高效、柔和压缩燃烧，具有与柴油机相同或略高的动力性和经济性能；最突出的优点是DEM能够彻底消除排烟和实现超低排放，NOx排放比柴油机低30%以上，若同时采用废气再循环时，可将NO排放进一步降低到一般柴油机的50%达到PM和NO的同时降低。 碳酸二甲酯（DMC）中含有53.3%的氧，燃烧所产生的碳烟和颗粒比纯柴油低；据报道，保加利亚生物燃料和再生能源协会通过加工使用过的食用油，来生产生物柴油，年产量可达300吨。它实际上是甲基酯菜籽油或甲基酯植物油，生产原料为向日葵、大豆等等。市场售价每升为0.5美元的这种生物柴油，可以替代柴油，也可与柴油混合使用。而且，它完全由可再生原料提炼而成，在燃烧过程中产生的二氧化碳量大大低于普通柴油，对环境的污染比普通柴油小得多。目前，已有美国、德国、巴西、阿根廷等投入生产。 另外也有一种生物柴油，是以废餐饮油等为原料制成的液体燃料。其基本制作过程为：垃圾油加入反应罐后，通过一种微酸性催化剂技术，使得其醇解和酯化可同时进行，反应速度也明显加快。另外，通过一种金属盐处理剂，解决了利用废旧动植物油脂生产柴油残留酸值高的关键问题。这两项关键技术都降低了生物柴油的生产成本，使得生物柴油从实验室走进了生产车间。 1.2 燃油的改性 1.2.1提高十六烷值。柴油的十六烷值越高，着火延迟期越短，点火质量越好；各种污染物的排放一般随柴油十六烷的增加而下降，十六烷值不足，着火延迟期缩短，点火质量差，预混合燃烧量过多，运转粗暴，噪声加大，黑烟和NO排放增加。增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗粒PM、CO和NO的排放。 1.2.2降低芳香烃在燃油中的含量。芳香烃的密度比较大，着火性比较差，燃烧过程中会产生更多的碳黑，使尾气中的CO，HC，NO以及PM都有所增加。因此，降低芳香烃的含量可以有效地控制有害污染物的排放。 1.2.3降低燃油中的含S量。在燃烧过程中柴油中的S有1%~3%转化为硫酸盐排出；其余的主要转化为SO，Van Beckhoven研究发现：在直喷柴油机中，燃油中S份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低10%~30%。Bartlett报道说在所有轻型柴油机中，燃油中硫份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低大约7%。 1.2.4降低密度。柴油密度、粘度是柴油重要的理化指标，它们将影响柴油的喷雾质量，进而影响柴油机的排放情况。降低柴油的密度，可使HC和排放中的颗粒物减少。燃料密度从840kg/m3减少到800kg/m3，微粒排放物将减少13%。 1.2.5利用燃油添加剂。经常使用的有十六烷值改进添加剂、消除积炭添加剂和消烟剂等，但是这些添加剂使用后的作用并不理想，有的还有负面影响。比如应用较多的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，加入少量后可显著降低柴油机的排气烟度，但微粒的排放量反而增加，且这些金属对人体有害，现在已不推荐使用。 通过以上分析可以看出，柴油机燃料方面的控制措施主要有以下几种：采用代用燃料；提高燃料的十六烷值；选择适当的柴油粘度，降低柴油的表面张力；降低密度；减少柴油中的含硫量和芳香烃含量。这些技术措施都有助丁降低柴油机尾气有害排放物。 2 柴油机机内净化技术 柴油机机内净化技术主要是改善油气混合气，防止局部过量空气系数超过0.9（这有利于NO的生产）和低于0.6（这有利于碳烟的生产）。降低微粒和碳烟的排放与改善燃烧过程是一致的，使柴油机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。但是这些减少措施往往会增加NO的排放，这为柴油机的排放控制造成了特殊的困难。因此在确定尾气净化措施时，需要从目前先进的净化技术出发，根据机器性能，采取多种措施综合使用，才能达到净化的目的。 2.1采用新的燃烧方式 传统的柴油机燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两个部分。主要燃烧是λ≈l处的扩散燃烧，火焰温度高，极易产生NOx，采用稀薄的均匀混合气可解决这一问题。美国西南研究院提出的均匀充量压缩燃烧系统（HCCI）和日本ACE研究所的预混稀薄燃燃烧过程（PREDIC）等均是采用这种思路。采用预混稀薄燃燃烧方式减少或消除了扩散燃烧，稀混合气可降低燃烧温度，可大幅度降低NOx，比一般柴油机降低98%；由于气缸内混合气均匀，无局部过浓混合气，可使PM排放比一般柴油机降低27%，预混稀薄燃烧方式目前还处于研究阶段，离实用还有一定距离，但是前景非常可观。 |
