机车柴油机排放及污染控制研究

周志强(中国北车集团大连机车车辆有限公司,辽宁　大连　116022）

机车柴油机排放及污染控制研究

周志强
(中国北车集团大连机车车辆有限公司,辽宁大连116022）

摘要：本文主要介绍了中国北车集团大连机车车辆有限公司的柴油机产品，阐述了机车柴油机排放的主要污染物及控制技术，介绍了几种主要污染物的危害和来源，提供了几种有效的控制方法，对未来机车柴油机的研发提出了要求。

关键词：机车柴油机；污染物；控制

近年来，空气污染问题已经严重影响了人们的生活，人们对空气污染问题越来越重视。国家已经出台了很多政策来对空气污染进行控制。机车柴油机的排放物是空气污染的主要来源之一，控制机车柴油机污染物的排放是未来机车柴油机发展的重点方向。

1　大连机车车辆有限公司柴油机产品介绍

大连机车车辆有限公司的柴油机产品主要是中速大功率柴油机，已经形成了240系列，265系列和270系列，功率覆盖700kW-6800kW的全系列产品。主要用于铁路机车，近年来大量用于船舶、发电等其他领域。

2　机车柴油机排放污染物

机车柴油机是内燃机车的心脏，为机车提供动力，但是由于柴油机燃烧不充分，空气纯度不够，燃烧产生废气等原因，柴油机会排放出对大气污染的物质，这些污染物会影响空气质量，对环境造成影响，甚至会危及人类生命。

机车柴油机在运行过程中，排放的主要污染物包括一氧化碳（CO)、氮氧化合物（NOx)、碳氢化合物（HC)、二氧化硫（SO2)、炭烟等。我国相关法律法规规定柴油机的排放浓度不得超过如下限值(见表1)。

表1　柴油机的排放浓度

其中，CO是一种无色无味的有毒气体，当被人体吸入时，会与血红蛋白结合，导致缺氧，危害中枢神经，引起头痛、头晕、四肢无力等中毒症状，严重时会危及人的生命。

碳氢化合物（HC)包括未燃烧和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃、醛、酮和有机酸等成分。HC会刺激眼黏膜、喉咙以及支气管，对血液有毒害。

NOx是NO、NO2等氮氧化物的总称。高浓度的NO对肺有严重的损害。

SO2具有刺激性气味，吸入过多会引起咳嗽、气喘等。

SO2也是形成酸雨的主要物质，并会对土壤产生严重的伤害，对农作物，人类都是及其不利的。

炭烟（PM)主要由直径为0.1-10μm的多孔性炭粒构成，是最近几年国家严厉整治的污染物之一，国家每天都会对PM2.5进行监测与播报。现在空气中炭烟的含量已经严重的影响了人们的生活与健康。

3　污染物生成机理

CO主要是由于燃油的不完全燃烧产生的。通常由于以下原因会造成燃油的不完全燃烧：

（1）参与反应的空气量少于燃油量，导致反应空气量与燃油量不匹配；

（2）参与反应的空气不足或纯度不够，缺少氧化剂；

（3）燃油与空气燃烧的时间过短。

HC的生成机理非常复杂，所以其的产生原因也有很多种，其中一种原因是从活塞与气缸之间的间隙泄露出来，经曲轴箱和排气管排放到大气中；还有一种原因是由于燃油和机油的蒸发及不完全燃烧产生的。

NOx是在燃烧过程中，以不同的浓度生成的。由于柴油机在燃烧过程中温度很高，会使得柴油机中的O2与空气中的N2发生反应生成NO。之后NO又会与O2发生反应，生成NO2。NO与NO2的总称为NOx。

同时，在燃油燃烧的过程中也会产生NOx。

SO2是燃油中的硫元素与空气中的氧气反应生成的。在燃油中，很多物质均包含有硫元素，在高温燃烧时，会有硫元素与O2结合反应生成SO2，而二氧化硫会进一步被氧化成SO3，SO3与H2O结合形成硫酸，与雨水一起落下形成酸雨。

炭烟主要是在柴油机燃烧过程中形成的，在不同的工况和条件下，柴油机排出不同型式的烟。当柴油机冷机启动时，将会排放出白烟，主要为液体颗粒，当燃烧的机油较多时，白烟变成蓝烟，当负荷增大后，则出现最常见的黑烟。

4　机车柴油机排放控制技术

机车柴油机排放物造成污染的主要原因有燃料与空气混合不好、燃料与空气的纯度不高以及排放后的处理技术不能满足要求。表2给出了降低机车柴油机排放物的一些措施。

表2　降低机车柴油机排放的技术措施

（1）提高燃油和空气的纯度。使用高纯度的燃油，对参与反应的空气纯度进行严格控制，在源头上保证燃油和参与燃烧的空气的质量，降低污染物排放。

（2）加大喷油压力。提高燃油喷射压力可以进一步细化燃油喷雾颗粒，燃油与空气的接触面积加大，燃油蒸发的时间变短，改善气缸内的燃烧状况。

（3）柴油机炭烟微粒过滤器。炭烟是机车柴油机的主要排放物。目前最好的方法就是通过后处理装置来进行控制。微粒过滤器被实践运用具有较好的效果。如图所示为柴油机微粒过滤器原理：在过滤器入口设置一个燃烧器，通过喷油器向燃烧器内喷入少量燃油，并攻入二次空气，利用火花塞或电热塞将其点燃，最终将停留在滤芯上的微粒烧掉。微粒过滤器的滤芯由多孔陶瓷制造，它有较高的过滤效率。排气穿过多孔陶瓷滤芯进入排气管，将微粒留在滤芯上。

（4）废气再循环（EGR)。废气再循环系统将一部分废气送回到进气管，与新鲜空气混合再次进入燃烧室。但由于废气具有惰性，其可以降低燃烧速度，减缓压力形成时间，降低燃烧室温度，这样可以有效地降低NOx排放。

5　结论

通过以上分析可以说明机车柴油机排放物的污染对人类以及环境的危害是非常大的，在今后机车柴油机的设计研发过程中，一定要认真考虑排放物的污染情况，采取有效措施降低排放污染物，促进机车柴油机向更节能、更环保、更先进的方向发展。