柴油机碳烟的生成及控制

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柴油机排气微粒(PM ) 是柴油车的主要污染物之一。PM 大致可分为两种组分: 一是可溶于有机溶液
的可溶性有机组分(SO F) , 主要来源于未燃烧的燃料、润滑油及燃烧中间产物; 另一种是不溶于有机溶液
的干组分, 主要由干碳烟(DS) 和硫酸盐组成。其中SO F 占26% , 硫酸盐10% , DS: 64% [1 ]。所以, 对
研究尾气排放的专业人士来讲, 最关注的是碳烟。各种烟度计所测出的成分, 主要是碳烟, 因为碳烟是最
强的阻光物质。
　　碳烟(当然还有其它微粒) 排入大气后, 以颗粒状悬浮于空间, 颗粒直径越小, 沉降时间越长。2～ 10Lm
的微粒吸入人体肺部后有可能排出体外, 2Lm 以下的则会在体内沉积, 并引起病变。
　　柴油机排出的碳烟90% 以上小于1Lm, 其沉降时间小于01003cm ös, 甚至0100009cm ös[2 ]。这就说明
柴油机碳烟的危害远比汽油机大。碳烟对人体危害还在于它含有SO 2, 多环芳烃及3·4 苯丙芘, 后二种是
强致癌物。1　碳烟的生成
　　汽油机采用预混合燃烧方式, 在使用无铅汽油情况下, 一般可以认为汽油机不产生微粒或碳烟。而柴
油机采用扩散燃烧方式, 这就决定了柴油机产生碳烟是不可避免的。实际上, 有资料显示, 柴油机碳烟的
生成率超过汽油机的50 倍以上[2 ]。
111　碳烟的生成机理
　　碳氢燃料(也称烃化燃料) 的不完全燃烧所生成的碳烟是以碳原子作为主要成分并含有10%～ 30% 氢
原子的碳氢化合物所组成。碳氢燃料(包括部分进入燃烧室的润滑油) , 在缺氧条件下, 重质烃在液态下直
接脱氢碳化, 成为焦碳状的液相析出型态碳粒, 粒度一般比较大。而轻质烃首先气化, 然后裂解成甲烷和
乙烯之类的低分子碳氢化合物以及多环芳烃。它们不断脱氢形成原子级的碳粒子并聚合成直径2nm 左右的
碳烟核心, 碳烟核心再碰撞凝聚以及其它有机物附着, 碳核增大为直径20nm～ 30nm 的的碳烟基元, 最后
形成直径1Lm 以下的碳烟排出。下面分析碳烟的几种形成方式。
11111　脱氢反应方式　以甲烷(CH4) 为例。甲烷是碳氢燃料的热裂解产物, 在低于柴油自燃温度(一般
是300℃以下) , 它就是所谓的未燃碳氢化合物; 一旦超过柴油自燃温度(300℃以上) , 在氧不足时, 甲烷会分解产生各种强活性物质。其反应如下[3 ]:
　　　　　　　　CH3- H (D= 4221786KJöm o l) —→·CH3+ H·
　　　　　　　·CH2- H (D= 355181 KJömo l) —→∶CH2+ H·
　　　　　　　∶CH - H (D= 5191064KJömo l) —→ CH+ H·
　　　　　　　 C- H (D= 334188 KJömo l) —→·C
·
·
·+ H·
　　从上述反应式可看出, 甲烷经过逐步脱氢, 直至成为游离状态碳原子。
11112　乙炔生成物方式　以乙烯(C2H4) 为例, 乙烯有一个碳碳双键, 虽然在高温中, 该双键有可能断裂而
生成CH2 基团, 但使其断裂的离解能量D 值相当大(D= 661KJöm o l)。所以相比较而言, 脱氢更为容易
(D= 435134KJöm o l) , 反应如下[3 ]。
　　　　　　CH2= CH- H (D= 435134KJömo l) →CH2= CH·+ H·
　　　　　　·CH= CH- H (D= 163125KJöm o l) —→CH≡CH+ H·
　　由上可知, 因为脱氢D 值较小, 乙烯基团容易变为乙炔(CH≡CH)。这是一种不活泼, 难以氧化的聚
缩化合物。这些化合物在1000℃以上高温时, 在缺氧条件下, 继续脱氢:
　　　　　　　CH≡CH (D≤50615KJöm o l) →CH≡C·+ H·
　　得乙炔基团CH≡C·, 该基团加上两个乙炔分子在环化后就生成苯基基团:
　　　　　　　CH≡C·
CH≡CH
CH≡C2CH= CH·
CH≡CH
·　CH≡C·
CH≡CH
CH≡C2CH= CH·
CH≡CH
·
　　C6H5·基团继续环化脱氢, 得到几乎仅由碳组成的具有多环结构的不溶性的具有六方晶格的碳烟晶
粒。另外C6H5·基团也可通过夺取氢而生成多环芳烃物。最后也生成碳烟晶粒。碳烟的这两种生成方式, 以
乙炔基团直接吸取多环芳烃中物质最为简捷。所以, 当燃料中含芳烃(特别是多环芳烃) 量多时, 碳烟的
生成量也多。
11113　CO 分离方式　除上述各种反应外, 由于碳氢不完全燃烧生成CO , 在缺氧条件下CO 也会裂解产生游
离碳: 　　　　　　　　　　　　　2CO WC+ CO 22　碳烟生成的控制
　　目前, 柴油机尚无一种实用的碳烟机外净化技术, 主要是靠发动机性能优化, 即所谓机内净化来控制
碳烟。已经生成的碳烟, 在高温下只要具备足够的氧化环境, 其粒经会缩小甚至完全氧化。即碳烟要经历
生成和氧化两个阶段, 这两个过程均与混合气中含氧量有关系, 氧量不同, 碳烟的生成和氧化就不同。由
此得到控制碳烟的指导思想: 燃烧前期应避免高温缺氧, 抑制碳烟生成; 燃烧后期应保证高温富氧并有一
定高温火焰, 加强混和气扰流强度, 加速碳烟氧化。基于此思想, 下面介绍几种最为有效的控制手段。
图1　喷油定时对RB 影响
211　合理的喷油规律
　　喷油规律的三要素是喷油始点、喷油速率和喷油持续期。
　　首先, 要在合理范围内, 将喷油始点前移, 延长着火
延迟期, 这样, 可以加快燃烧速度并较早结束燃烧, 降低
碳烟生成。另外, 如果将喷油始点后移超过最小着火延迟
期, 也能降低碳烟生成, 这是因为此时扩散火焰温度降低
所致。图1 是在6105QB 型直喷式柴油机上的试验结果。该
机正常喷油提前角为- 18℃A。
　　喷油速率应是先缓后急, 喷油结束时快速断油。使其燃烧初期温度低, 抑制碳烟生成, 后期急速喷射是加速扩
散燃烧速度, 加强碳烟氧化。
　　喷油结束时要迅速停止喷射, 以避免低的喷油压力和
喷油速率使雾化质量变差, 导致碳烟增加。图2 是一种比
第4 期　　　　　　　　　　　　　　　　张洪涛等: 柴油机碳烟的生成及控制75
较理想的喷油规律, 其形状近似“靴形”。