柴油机排放的环境保护

赖可坚邹颂宇田少民

工程机械对环境的影响主要有三：一是柴油机的废气排放物对大气的污染；二是噪声对人居环境的污染；三是废油、废水对土壤或地表水的污染。其中，尤以废气排放对人类健康的危害最大。

1、废气中的污染物及其危害

柴油机排放的废气中包含有气态、液态及固态的污染物。气态污染物中含有CO2、CO、H2、NOx、SO2、HC、氧化物，有机氮化物及含硫混合物等；液态污染物中含有H2SO4、HC、氧化物等；固态污染物有碳、金属、无机氧化物、硫酸盐，以及多环芳烃(PAH)和醛等碳氢化合物。

上述污染物中，最主要的是CO、HC、NOx以及固体微粒(PM)。CO 是柴油不完全燃烧产生的无色无味气体；HC也是柴油不完全燃烧和气缸壁淬冷的产物；NOx是NO2与NO的总称，它们都是在燃烧时空气过量、温度过高而生成的氮气燃烧产物，NO在空气中即被氧化成NO2，NO2呈红褐色并有强烈气味；PM是所排气体中可见污染物，它是由柴油燃烧中裂解的碳(干烟灰)、未燃碳氢化合物、机油与柴油在燃烧时生成的硫酸盐等组成的微粒，也就是我们常见的由排气管冒出的黑

烟。相对汽油机而言，柴油机的CO和HC排放量较少，主要排放的污染物是NOx和PM。

CO通过呼吸道进入人体后，会同血红蛋白结合，破坏血液中的氧交换机制，使人缺氧而损害中枢神经，引起头痛、呕吐、昏迷和痴呆等后果，严重时会造成CO中毒。

HC中含有许多致癌物质，长期接触会诱发肺癌、胃癌和皮肤癌。

NO2刺激人眼黏膜，引起结膜炎、角膜炎，吸入肺脏还会引起肺炎和肺水肿。

HC和NOx在阳光强烈时的紫外线照射下，会产生光化学烟雾，使人呼吸困难、植物枯黄落叶、加速橡胶制品与建筑物的老化。

PM被吸入人体后会引起气喘、支气管炎及肺气肿等慢性病；在碳烟微粒上吸附的PAH等有机物，更是极有害的致癌物。

2、柴油机的排放标准

为了控制废弃污染，许多国家都制订了相应的环保法规和排放污染物防治的技术政策，以及控制排放污染物限制的技术监督标准。欧盟柴油机稳态试验(试验程序ESC)时的排放标准如附表所示。

我国已于2000年实施了“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法(GB17691-1999)”、“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆可见污染物限制及测试方法

(GB3847-1999)”等排放标准。这些强制性的国家标准等效采用了联合国欧洲经济委员会(ECE)有关汽车排放控制的全部技术内容，这意味着我国对新车的排放要求已达到欧洲90年代初期水平，比旧有的

国家标准更加严格了。

g/(kw·h)

在执行新标准中，主要问题是可见污染物排放的测试根据

GB3897-1999要求采用取样式不透光度仪，测定连续通过气样管的一部分排气的不透光度，测量单位为m-1(光吸收系数)。这种全负荷烟度排放值的测量仪器，是一种部分流不透光的烟度计(如AVL415型、AVL438型及AVL439型)，目前还是依赖于进口；因此，国内仍在沿用旧标准“汽车油机全负荷烟度(GB14761.1993)”、“汽车柴油机全负荷烟度测量法(HB3847-1993)”、“柴油车自如加速排放标准(GB14761.6-1993)”及“柴油车自如加速烟度的测量滤纸烟度法(GB/T3846-1993)”，利用滤纸测定烟度Rb，单位为FSN(滤纸烟度指数)。

3、机内净化技术

车用柴油及改善混合气质量和燃烧状况的措施有：采用可变进气

流量装置；优化喷油器设计；采用可变喷油正时系统；采用HEUI、EUI、LDCR等先进的电喷技术；优化燃烧室设计，强化紊流，减小缝隙容积等。

康明斯公司在ISR、ISC、ISM系列发动机中，采用垂直中央喷射和更高的喷射压力，使排放污染物减少了1/5。

盖瑞特公司在涡轮增压器上采用液压变喷嘴涡轮技术，使发动机在怠速至全速的工作范围内都降低了NOx的排放。

废气再循环技术可有效地控制NOx的排放；但是，要想不增加HC的排放，还得采用电控废气再循环技术，利用调整装置来优化不同负荷时的废气再循环。

在工程机械柴油机上采用电子喷射系统是重大的技术进步。新三菱·卡特彼勒公司的HEUI共轨液压式喷油系统，由高压油泵、共轨油道、调压阀、控制单元(电磁阀)、电控液压喷嘴等组成。在液压共轨中保持4~23MPa油压，通过喷油器的增压活塞使燃油压力增至

30~140MPa；喷油计量由喷由时段与喷油压力决定，而喷油时段则取决于电磁阀通电时间的长短；电磁阀按负荷情况与转速的变化自动地调节喷油正时。EUI高压共轨电子喷油系统则能够进行预喷射与后喷射，还可实现△型喷油规律的多段喷射。LICR电液控制喷油系统则可根据发动机工况，更好地实现预喷压力的调节。电喷技术由于可根据负荷与转速的变化自动地按柴油喷射曲线喷油，使柴油更好的雾化、充分燃烧，净化了废气，也减少了可见污染物(黑烟)的排放。

4、机外后处理技术

采用后处理技术，是对现有车型进行技改、控制排放的最有效措施；对于新车，采用机外后处理措施也比采用机内净化措施容易得多。机外后处理装置主要是催化净化器的微粒捕集器。

国内最常用的催化器是三元催化转化器，它是由金属壳体、隔温衬垫和催化剂组成的筒型构件。隔温衬垫使用堇青石陶瓷压制成，横截面上每cm2有32~64个小孔；在这种蜂窝状陶瓷载体表面，附着有作为催化剂的铂、铹、钯等贵金属和作为助催化剂的稀土添加剂。贵金属稀土联用催化剂是目前最有效的催化剂。柴油机废气的气相反应通常在很慢的速度下进行，一旦有了催化剂，CO、HC、NOx在催化剂作用下被迅速氧化还原成CO2、H2O、N2。

三元催化转化器中的堇青石陶瓷蜂窝也是一个滤烟地微粒捕集器，当碳烟通过比它小得多的蜂窝微孔时，就被通道管壁截获。蜂窝陶瓷的网眼堵塞后形成的烟灰层，在500C以上的温度下会被废气点燃而是滤烟器不致失活。

催化转化器可以加装在发动机排气管末端，也有将它与消声器做成一体的。对于在隧道内施工的机械，还可采用二级净化系统，即在催化转化器后再安装一个烟尘水洗箱；水洗箱中加油涤烟剂，烟气穿过水溶液时会进一步溶解废气中的有害气体并使碳烟微粒沉淀。

5、合理使用维护

超负荷使用、保养维护不当或检修调整不良等使用中的问题，都会使柴油机的性能恶化，导致污染物排放量增加。在使用与维护中，有必要采取严格的管理规范和技术措施。