柴油机尾气排放异常现象分析与研究.doc

山东交通学院毕业论文前 言 随着我国经济的高速发展，各种车辆及在矿山，公路等恶劣环境下工作的工程机械对柴油机的技术性能要求不断提高，与此同时各柴油机厂家也在不断改进已有型号和开发各种性能更高的产品。WD615型柴油机为引进国外技术在中国制造的高速柴油机，适用范围广、使用可靠、经济技术指标优良、启动迅速、操作简单和维修方便等优点使其得到了广泛应用。但是它排放的污染物与环境意识日益增强的人们的要求越来越不相适应，所以要想柴油机继续得到广泛应用，我们必须想办法解决它的排放问题。柴油机排放的尾气成分非常复杂，可以说所有成分对于人类来说都是有害的。污染物排放可以说是自柴油机问世以来就困惑人们的一大难题，这不可能完全避免，实际生活中我们只是在尽量减少其排放而已。 随着对柴油机低排放要求越来越严格，改善其工作过程的难度也越来越大，能统筹兼顾动力性、经济性、排放性的柴油机会变得更加复杂，成本也会随之提高。所以世界各国都在大力研究提高燃油质量、改善燃烧过程和排气后处理技术，在尽量保证柴油机工作正常的情况下减少其向大气中排放的污染物。对于柴油机故障诊断，观察其排气烟色，是一种十分便捷有效的方法。但是我们只有对正常烟色有所了解才会正确判断非正常烟色。 本文将以潍动WD615型柴油机为例对其尾气排放异常情况进行较为系统的分析研究，以期能为用户对其进行保养和维修带来方便。本文共分为五部分，第一部分简要叙述柴油机排放物种类及其危害，第二部分介绍各种排放物的生成途径，第三部分介绍WD615型柴油机的冒烟故障及其解决方法，第四部分介绍WD615柴油机的排放特性，第五部分介绍目前可行的各种尾气后处理技术。1柴油机排放物及其危害1.1二氧化碳的危害 WD615型柴油机所用柴油是一种复杂的碳氢化合物，当它与空气混合燃烧时排出物主要是二氧化碳和水蒸气。以前我们并不把完全燃烧时排出的二氧化碳当成一种污染物，但是近年来随着石油、煤炭等的大量使用造成二氧化碳在大气中所占的比例明显上升而且每年都在继续增加使全球温度逐步提高，造成明显的温室效应，所以柴油机排放的二氧化碳也成为我们要控制的对象。要想控制柴油机排放二氧化碳就要提高其燃烧效率、热效率和机械效率，减少做单位功所排出的二氧化碳。1.2水蒸气的危害 柴油燃烧所产生的水蒸气自身我们不认为它是一种污染物，因为大气中本来就含有大量水蒸气。但它遇到碳化物或硫化物时，仍有可能产生有害的酸性物质。1.3一氧化碳的危害 柴油机燃烧过程的时间很短，可燃混合气在燃烧室内混合不可能均匀，所以燃料燃烧就可能不完全，燃料在燃烧区停留时间不足以完全燃烧生成二氧化碳而生成一氧化碳，排气中就会有不完全燃烧产生的一氧化碳甚至未燃烧的燃料。负荷过大时也会产生很多一氧化碳，一氧化碳可以与人体内输送氧气的血红蛋白结合使人窒息。1.4氮氧化物的危害 燃烧室内温度很高，空气中的氮会在高温下氧化生成各种氮氧化物而污染大气。柴油机排放的氮氧化物大都是一氧化氮，只有少量二氧化氮。一氧化氮为无色气体，在空气中正常浓度下不会有直接毒性。但是浓度过高时会引起中枢神经的障碍，影响肺的功能。一氧化氮在空气中氧化很缓慢，但是有紫外线照射时会迅速转化成二氧化氮。二氧化氮是褐色气体，有刺激性气味，进入人体后会与水分结合生成硝酸，导致咳嗽、气喘等病症。二氧化氮也是形成光化学烟雾的原因。1.5碳氢化合物的危害 燃料燃烧不充分或未燃烧就产生了碳氢化合物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、有机酸等。现在还未发现烷烃对人体的直接危害。烯烃略带甜味，有麻醉作用且对粘膜有刺激作用，烯烃与氮氧化物是形成光化学烟雾的罪魁祸首。芳香烃有香味，但也有很强的毒性，苯的浓度高了会引起白血病，损失肝脏和中枢神经系统。醛类是刺激性物质且有毒，柴油机排出的醛类主要有甲醛、乙醛和丙烯醛，它们都刺激喉、支气管和眼粘膜，对血液也有伤害。但是柴油机过量空气系数较大所以排放的碳氢化合物较少。1.6硫化物的危害柴油中含有的硫燃烧后变成二氧化硫或三氧化硫排出，二氧化硫是一种无色气体在空气中会慢慢转化成三氧化硫，它与水结合会生成亚硫酸，对人的口鼻粘膜有强烈的刺激性。虽然以上所说硫化物的危害很大但柴油机排放的硫化物对环境造成的污染作用较小。1.7含碳颗粒的危害 柴油机所排放的微粒主要成分是碳，它可以深入人的肺部损伤肺内各种通道的自净作用，从而使其他化合物发挥致癌作用。这些炭粒上还吸附有很多有机物质包括多环芳烃有不同程度的诱变和致癌作用。以上介绍的污染物除了对人体有严重危害外还会对环境造成很大污染，例如影响大气能见度、植物的生长、建筑物寿命及外观等。柴油机使用较多的城市中其排放的微粒可使市内光线发生折射，天空变暗。二氧化硫等会形成酸雨使水体酸化，森林被破坏。2柴油机排放物的生成途径2.1氮氧化物的生成途径 氮氧化物的形成需要有三个条件：（a）高温，一般情况下认为生成氮氧化物需要在高于1700k的温度下；（b）富氧，氮氧化物一般是由空气中的氮和氧化合而成的，因为柴油机混合气偏稀，空气有多余。所以它很容易排放氮氧化物；（c）缸内滞留时间，燃气在汽缸内的滞留时间越长则氮氧化物的生成量越多。 柴油机汽缸内达到的最高燃烧温度特别是最先燃烧的可燃混合气对一氧化氮产生有很大影响，因为这部分可燃混合气在随后的压缩中温度会很高，而空气中的氮被氧化成一氧化氮正需要这样的高温，这就增加了一氧化氮的生成量，且这些燃气在做功冲程会与空气和温度较低的燃气混合从而冻结生成的一氧化氮，其中氮氧化物主要在开始阶段的燃烧生成，因此如何降低最高燃烧温度和改善开始阶段的燃烧对氮氧化物的生成都有重要影响。 目前最简单的办法就是适当推迟喷油，降低柴油机的最高燃烧温度，但是这样会增加柴油机的燃油消耗且增加柴油机的PM量。此外，采用较多的还是EGR(排气再循环)技术，这项技术是目前减少氮氧化物排放的主要措施。通过排气再循环进入进气系统的废气大大增加了可燃混合气中已燃气的分数，这样不仅可以减少可燃气的发热量，而且增大了可燃混合气的比热容（因为已燃气中二氧化碳和水蒸气等三原子气体比热容比氧气、氮气等二原子气体的比热容大），所以降低了最高燃烧温度，减少了氮氧化物的排量，已燃气所占分数增多也会降低燃烧速率，同样降低了燃烧温度减少了氮氧化物的排量。2.2 HC化合物的生成途径 柴油喷入燃烧室后，靠近喷注外缘的可燃混合气过量空气系数比较大，所以不会自燃，只能发生缓慢氧化反应且进行的不完全，所以在这个地区产生的是未燃烧的燃油及其氧化产物，如一氧化碳、醛类等，其中一部分会随尾气排出。在这个可燃混合气过稀的区域产生的碳氢化合物的数量取决于滞燃期喷入的柴油量、燃油与空气的混合速率，还有燃烧室中的燃烧条件。因此柴油机HC的排放量与滞燃期和十六烷值都有关，滞燃期越长HC排放量越多。造成过浓混合气的原因有二：一是由于燃烧后期从喷油器喷出的燃油速度较低，喷油嘴的压力室积油是HC排放增多的重要原因。另一个原因是喷入燃烧室的燃油量过多。在喷油结束时，喷油嘴的压力室内仍存在燃油，这部分燃油在高温下会发生汽化而进入燃烧室，与空气混合较慢错过了燃烧期，以HC的形式排放出来。2.3含碳颗粒的生成途径 柴油机排放微粒的组成取决于运转工况，特别是排气温度。当排气温度高于500时，微粒基本上是一些碳质微球的聚合体，称为碳烟。但是大多数情况下柴油机排放温度都低于500，这时烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分（可能来自燃油和润滑油两部分）。柴油机排放的烟粒主要由燃油中的碳产生，并与所用柴油质量有关。 由于有机可溶成分可来自润滑油，所以为了减少由润滑油造成的微粒排放，就要在保证柴油机工作可靠性的前提下尽可能降低润滑油消耗，这将涉及到多方面的因素如零件构造、加工工艺等，其中最重要的是汽缸活塞组的控油性能。要改善汽缸与汽缸盖之间的密封使汽缸在工作时形状变化尽量小。另外，还要改善活塞与活塞环的控油能力。 降低柴油机微粒排放的关键是降低烟粒的排放，而烟粒生成的重要条件是高温且缺氧。所以改善柴油机的燃油混合均匀性，使燃烧室内的任何一处燃油均能与足量空气混合，是降低烟粒排放的重要措施。 在中小负荷范围内，微粒随负荷的增加而缓慢增加，这时空燃比很大，所以微粒排放很少。但当接近于全负荷时，微粒排放会急剧增加。虽然这时的过量空气系数仍然大于1，但燃烧室内的燃油已经不可能与空气混合均匀，甚至有些地方过量空气系数小于0.6，造成大量微粒排出。 提高喷油压力，改善喷油雾化情况能促进燃油与空气更好的混合，从而减少烟粒的生成。 WD615型柴油机中装有涡轮增压器的会大大增加柴油机的充气量，提高燃油燃烧的空燃比，所以明显减少了柴油机的烟粒和微粒的排放。3 柴油机冒烟故障及其排除方法3.1柴油机冒黑烟柴油机冒黑烟问题可以说是伴随柴油机的先天性缺陷，柴油机刚发明时就存在冒黑烟问题，但人们对降低排放烟度问题却从未终止过，特别是现在世界各国对环境污染问题越来越重视，增加了控制微粒排放的新要求，降低柴油机微粒排放与降低烟度是一致的，都要从改善柴油机的可燃混合气形成入手。柴油机在正常工作温度下，其排出的烟色为无色或淡灰色，当然这里所说的无色并不是绝对的无色。柴油机造成污染物排放的根本原因是可燃混合气成分不当和混合不均匀。（1）柴油机可燃混合气是在燃烧室内形成的，混合空间小，时间短，喷油、汽化、混合和燃烧都在燃烧室内进行且边喷射边燃烧。这就可能造成可燃混合气的混合不均匀，在不同的空间可燃混合气成分不同且随时间而变化，燃烧室上部可燃混合气比较浓而空气就相对的不足，柴油是碳氢化合物，在氧气不足的情况下燃烧不充分从而引起“冒黑烟”，这是空间上引起冒黑烟的原因。而在时间上，整体来说喷油、燃烧的前期燃烧室内空气较多，过量空气系数比较大，造成不易着火，使着火落后期延长。在喷油和燃烧的后期由于前期燃烧消耗氧并产生废气造成后期燃烧条件变差，这也可能导致“冒黑烟”。由此可见，柴油在燃烧室内的雾化质量是排烟加大的重要原因。而柴油雾化的好坏主要由供油系统的高压部分决定，即高压泵和喷油器，对高压泵的调校主要包括怠速工况和额定工况的供油量和各缸供油量的均匀度。对喷油器的调校主要是喷油压力以及雾化状况。供油量和供油均匀度超过规定值或者是喷油压力和雾化状况达不到指定要求都会造成排烟量大。（2） 供油正时对柴油机排烟影响也很大，潍动WD615型柴油机对供油正时相当敏感，当误差为23度曲轴转角时排烟就明显加大。当供油时间过早时，冒黑烟并伴有敲缸声。而供油时间过晚则会冒白烟 。所以当柴油机排烟量大时就有必要检查其供油正时的正确性。 全部正时齿轮仅在凸轮轴齿轮与正时壳上刻有正时刻线标记。当柴油机转至一缸压缩上止点时，凸轮轴齿轮上的正时刻线标记如果与正时齿轮壳上的正时刻线标记对齐，则说明柴油机的配气相位是正确的。否则需要重新安装凸轮轴齿轮。（3）柴油是靠汽缸内的高温达到着火点而燃烧的，因此对于汽缸密封也必须引起足够的重视。一般而言，汽缸压力不得低于标准值的20%，否则汽缸压力太低则柴油不能充分燃烧，也会产生大量黑烟排出。由柴油机结构知汽缸压力低主要由以下几方面原因造成：气门间隙不对：气门间隙不对将会直接影响柴油机配气正时，即气门该打开时未打开该关闭时未关闭，进而影响到柴油机的进气量和排气通畅，降低了柴油机的过量空气系数，造成柴油机的油气混合过浓，燃油燃烧不完全、不充分，柴油机冒黑烟。气门间隙不对还会造成以下不良后果：柴油机动力不足、柴油机启动困难、配气机构可能有强烈的金属碰撞声。确认气门间隙是否正确的方法是：打开气门室盖，用手感或塞尺检查气门间隙。应定期检查并调整气门间隙。气门密封不好：气门密封带严重变形或磨损，将导致气门密封不严，也会导致气缸压力和温度达不到指定要求，柴油燃烧不完全，冒黑烟。活塞环密封不好：活塞环或缸套磨损严重，会使汽缸密封不严，导致压缩压力不足，不仅会导致柴油机烧机油而冒蓝烟，而且负荷较大时也会冒大量黑烟。活塞与汽缸壁间隙过大：汽缸与活塞之间的间隙因柴油机型号不同而有所差异，间隙过小则造成活塞与汽缸磨损严重，间隙过大则造成漏气，燃烧室内气压不足，柴油燃烧不充分冒黑烟。进气不畅，主要是空气滤清器太脏造成：空气滤清器堵塞或太脏是很多柴油机冒黑烟的主要原因。如果柴油机平时无黑烟，也无其他异常现象，。只有带负荷时才有黑烟喷出，负荷减少时黑烟也随着减少那么可以认为是空气滤清器的问题。如果我们拆掉空气滤清器，启动柴油机工作，观察带负荷时柴油机烟色，若黑烟减少，则说明需要保养或更换空气滤清器，但是柴油机不带空气滤清器工作时间不要太长。涡轮增压器技术性能下降： WD615属自然吸气型柴油机（148KW）吸入的新鲜空气由空气滤清器直接进入进气道，而WD615.64和WD615.61型属废气涡轮增压柴油机（177KW和191KW）。即在空气滤清器和发动机进气道之间安装了一个废气涡轮增压器。WD615.67型废气涡轮增压中冷型柴油机（206KW）在增压器与进气道之间增加了一个空气散热器，它把空气从130降低到50，相对增加了空气的密度，进而增加了柴油机的功率，该散热器称为中冷器。涡轮增压器的工作原理为：柴油机排出来的废气吹动涡轮旋转带动同轴的泵轮旋转向进气道压缩空气，涡轮转速越大则进气压力也越大。所以当涡轮增压器发生故障时，进气压力将跟不上柴油机运转的要求而冒黑烟。 对涡轮增压器的检查主要是观察涡轮与泵轮是否发生变形，磨损和擦伤，涡轮壳与泵轮壳是否有油污，最后应对涡轮轴端与泵轮轴端进行轴向间隙和径向间隙的测量与检查。气门座圈凹陷太深：气门座圈长期经受燃烧高温和气门的强烈冲击，加之气门座圈底孔的铝合金性质，将使气门座圈凹入逐渐变大，使气门平面与缸盖底面之间的尺寸相对增加，也就是增加了燃烧室的容积，降低了压缩比从而降低了汽缸的压力和温度导致柴油燃烧不充分，柴油机严重冒黑烟。活塞顶间隙太大：如果对柴油机进行大修时没有严格按照要求检查并调整活塞顶间隙，将影响到汽缸的压缩比降低其压力和温度使柴油不能很好的燃烧，导致冒黑烟。（4）热混合作用：在汽缸内旋转的气流中，已燃的工质由于温度高密度小，会沿内螺旋线向汽缸中心移动，而四周的未燃油滴与空气混合温度较低密度相对大则会沿外螺旋线向燃烧室四周移动，这就会使已燃工质与未燃工质分开，这有利于可燃混合气的形成与燃烧，称为“热混合作用”但是气流运动过强对油束的阻力已相应加大，减少其射程引起“热锁”作用，即中心处燃油过多，空气不足而外围无油，空气不能被充分利用而导致柴油燃烧不充分也会冒黑烟。（5）柴油机转速和负荷对排放也有影响：转速影响喷油规律、柴油喷射的雾化分布和着火落后期，转速增高时工质温度也会相应增高，这会改善燃烧过程，但是高压油管内柴油压力不变，使喷油延迟角和喷油持续期增大，导致放入率低，热效率降低，排温增加，烟度增加。柴油机负荷增加时汽缸内工质温度升高，着火落后期缩短，能改善燃烧，但由于负荷太大导致过量空气系数减小，进而导致可燃混合气燃烧不完全而冒黑烟。（6）柴油机冷却水温的最佳值为8293，温度太低则影响柴油的雾化燃烧导致冒黑烟。所以尤其是在冬季应及时检查百叶窗和冷却系中节温器的工作状况。（7）对于柴油机的发火性能我们常用十六烷值来表示，在柴油机中要求柴油的发火性要好但是十六烷值应适当不能太高，因为十六烷值太高则柴油的热稳定性不好，喷人燃烧室后热裂化反应强烈形成大量不易燃烧的游离碳，导致排烟含黑碳。如果十六烷值太低则柴油发火性不好，不易燃烧排气冒白烟。一般要求柴油十六烷值在4555单位同时柴油中还要掺入适量减少废气烟度、催化碳化物燃烧的催化剂如超碱性钡化合物等，所以柴油不合格对烟度也有影响。（8）一般情况下柴油机启动时高压泵供油量都比较大，以此来保证启动顺利，所以有些些车辆如斯太尔等经常设有冷启动加浓装置，以此保证供给较大油量使柴油机在低温下能顺利启动，而柴油机一旦启动这些冷启动加浓装置也就不再起作用，但是当它们出故障时就会一直起作用从而一直供给较大油量，这就会引起排烟大。 （9）冒烟限制器故障：为了配合WD615涡轮增压机型供油量与增压空气量匹配的需要，波许泵与FM泵上都安装有冒烟限制器。冒烟限制器实际上是一个可变行程的齿杆限位器，拥有控制各种增压工况的最大供油量的作用。冒烟限制器通过气管线与进气道相连接，随时检测进气道的进气压力，从而自动调节喷油量以使喷油量与进气量匹配。各型号喷油泵所配冒烟限制器都有它的特性曲线，厂家往往给出冒烟限制器在一定泵转速条件下，喷油泵的油量调节齿杆行程随增压气压变化而变化的标准数值，作为冒烟限制器的检验与调整标准。例如WD615.67机型用波许喷油泵的冒烟限制器在喷油泵试验台上以转速500r/min时，必须符合下表标准，见表3-1：表3-1 冒烟限制器的检验与调整标准 Tab.3-1 The standard of inspection and adjust on the smoke downshifts进气压（kpa）7042330齿杆行程（mm）12.412.611.511.610.210.49.810.0 冒烟限制器在试验台上检查测试时气压应从最高70kpa逐渐下降至0.其开始起作用气压应为5060kpa，作用结束时气压为2530kpa。(10)人为因素：不合理的使用也是柴油机冒烟的重要原因，同样的一台柴油机因使用的人不同排烟情况也会大不相同，例如低温下使用时应该先给柴油机加温或启动后怠速升温，这样就会减轻冒烟程度。运行中突然加大油门会使柴油机冒黑烟。挡位状态不合适，高速低档或低速高档都会引起柴油机冒黑烟。长时间超大负荷工作也是柴油机冒黑烟的原因。综上所述柴油机排放黑烟的故障原因及排除方法见表3-2：表3-2 柴油机冒黑烟原因与排除方法 Tab.3-2 The reason and the method of diesel out black smoke故障原因排除方法柴油在燃烧室混合不均匀即柴油雾化不好调校喷油器和高压泵燃油质量差更换新柴油供油或配气定时不准按规定调整进气不畅清洗空气滤清器 涡轮增压器工作不正常修理或更换气缸压力不足检查气门间隙、气门密封、活塞环密封、气门座圈凹陷及缸壁间隙是否符合要求热混合作用只能由专业厂家改进燃烧室工艺柴油机负荷过大尽量使柴油机在正常负荷下工作柴油机工作温度过低尽量使柴油机在正常条件下工作冷启动加浓装置故障维修或更换冷启动加浓装置冒烟限制器起作用点不对重新调整（由专业厂家进行）3.2柴油机冒蓝烟 WD615型柴油机冒蓝烟往往是由于柴油机使用时间日久慢慢开始“烧机油”所致，蓝烟越浓说明烧机油越严重，这时应检查柴油机缸套是否磨损过大，是否拉缸，是否粘环等。而此时也伴随着曲轴箱窜气出现。增压器排油严重也会造成机油从进气道进入汽缸造成烧机油。日常维护柴油机时应清洗涡轮增压器并清理增压器到中冷器之间管道的机油。下面着重分析烧机油的原因：（1）机油加注量过多。柴油机油底壳的油量过多，可能使机油泵入燃烧室内造成“烧机油”。（2）活塞与缸套之间的间隙过大。由于活塞、缸套间隙过大，使缸壁上的机油过多，造成机油过量烧损。这时主要现象是连续冒蓝烟伴随现象是功率下降及曲轴箱废气压力大。（3）活塞环对口或粘环。由于人为装配错误使活塞环开口错位太小（三个活塞环开口错位应为120度）使活塞环密封性降低。或是由于拉缸造成活塞环与环槽完全粘死（俗称粘环），使活塞环刮油功能失效，机油窜入燃烧室造成烧机油，（4）拉缸造成机油烧损。如果发生拉缸事故则不仅造成废气增大、功率降低、敲缸，还会造成烧机油的故障。（5）第二道气环装配错误。WD615型柴油机活塞上共有两道气环和一道油环，油环截面是完全对称的因此装配时没有上下之分，而第一道气环是双面桶面环，装配时必须把打印有TOP（向上）的一面向上。但是第一道气环上环面有一道凹槽所以一般不会安装错。第二道气环是锥面环，即内环面是矩形环面而外环面是锥形环面。由于外环面锥角很小用肉眼很难看出，所以很多人在安装时候会误认为这个环是矩形环，在装配时不注意上、下环面。如果将下环面朝上装配，将会造成锥面向上，刮油作用反而会变成向上泵油的作用，显然会产生烧机油的故障。由此可见在装配第二道气环时应将打印有“TOP”标记的环面朝上装配。（6）空气滤清器阻塞，进气不畅或油盆内油面过高，使进入汽缸内的空气减少，导致油多气少，可燃混合气比例不正常，燃烧不完全也可能会冒蓝烟。（7）增压器排油严重也会造成机油从进气道进入汽缸造成烧机油，日常维护柴油机时应清洗涡轮增压器并清理增压器到中冷器之间管道的机油。如果是增压器故障则主要现象是冒蓝白烟，且转速越高，冒蓝烟现象越严重，并伴随有增压器不正常声音。 一般来说柴油机冒蓝烟我们就可以认为是烧机油造成的。3.3柴油机冒白烟 白色烟所指的白色与无色不同，它是指水蒸气的白色，冒白烟说明排烟中含有水分或未燃烧的燃油。在冬天工作的柴油机其温度很低，排气管温度也很低，排出的水蒸气凝结形成白色烟雾，这属于正常现象。而当柴油机温度及排气管温度均正常时排气仍冒白烟，则说明柴油机工作出现故障。故障原因可能是燃油中混有水分或喷油器故障，导致喷油压力低在燃烧室中柴油雾化不良等。柴油机冒白烟的主要影响因素如下：（1）喷油器故障，喷油雾化不良，喷油压力太低，导致滴油现象。在气缸中燃油混合不均匀，燃烧不完全产生大量的未燃烃，排气时容易产生水雾或水蒸气。（2）供油提前角过小，活塞上行至气缸顶前喷人气缸的燃油过少，形成的可燃混合气太稀，同时过迟的喷油减少了预混燃料量，预混合气减少了必然导致燃烧速度降低，燃烧持续时间变长，燃烧形成大量的水蒸气。（3）柴油质量不过关，其中混入了水和空气，喷人气缸后形成不均匀的燃油混合气，导致混合气燃烧不完全产生大量为未燃烃排出。(4)活塞因长时间使用磨损严重，压缩冲程不能提供足够的压力导致燃烧不完全。（5）尤其是在冬天柴油机刚起动时个别气缸不工作，未燃烧的混合气随其他气缸的废气而排出机体形成白色烟雾。（6）喷油器雾化不好或者有滴油现象导致部分柴油在未燃烧的情况下排出，在排气管内汽化后形成白色烟雾而排出。针对不同排烟现象本文提供以下排除方法： 冬天柴油机启动时的排气管有大量白烟冒出，但经过一段时间后白烟消失，柴油机工作正常，这说明故障是由于天气太冷，柴油机工作温度过低造成的，一段时间后柴油机温度提高了故障自然也就排除了。 柴油机工作无力且冒白烟时可让尾气掠过手掌，如果发现有水分则说明汽缸中已经进水。这种情况下可采用单缸断油法来检测是哪个汽缸进水，若停止给某汽缸供油影响到了柴油机的转速，说明该汽缸工作良好，否则说明该汽缸出现故障，应该检查该汽缸的喷油器喷孔上是否有水迹，如果有水则查明进水原因，是汽缸有裂纹还是汽缸垫损坏。如果各个汽缸情况都正常而柴油机仍然无力工作且冒白烟，则故障原因很有可能是柴油质量不符合标准，混入了水分，这时应该打开燃油箱和燃油滤清器的放污螺塞，查看柴油是否混入了水分。 柴油机冒白烟会提高柴油机的工作温度，当冷却液温度在70左右时柴油机排气烟色由白色变为黑色则可以初步判断故障原因为喷油器雾化不良或滴油造成。用逐缸断油法来查出有故障的喷油器然后对其进行校验。若在喷油时有滴油现象发生则要检测是喷油压力太低还是针阀体变形造成的，然后有针对性的进行改善。如果柴油机刚启动时冒白烟，一段时间后冒黑烟，则故障原因是汽缸压力不足，虽然这时不影响柴油机启动，但刚启动时由于温度太低，部分柴油未燃烧而挥发成蒸汽排出机体，一段时间后温度升高了，但是由于汽缸压力太低柴油燃烧不完全、不充分产生很多炭粒排出形成黑烟。这时应检查气门关闭严密程度、配气相位、汽缸垫、喷油器座孔的密封垫是否漏气、汽缸磨损是否太大等原因然后根据不同情况进行处理。4 WD615型柴油机的排放特性4.1柴油机稳态排放特性 带涡轮增压的WD615型柴油机整个工况内排放的CO量均很少，绝大多数情况下未燃CO小于5g/（kwh），且在中速、中负荷工况时最少。当柴油机转速很低时，由于燃烧室内空气流动不会很强烈，所以可燃混合气也不会混合很均匀，这样燃烧时生成的CO量就相对的较多。 柴油机的HC排放量随负荷的增加而下降，而绝对排放量基本保持不变，当负荷不变而转速变化时，HC排放量基本不变，但是HC排放的规律比CO要复杂得多，这是HC对测量仪器更敏感，测量可靠性较差造成的。 柴油机在中等偏大负荷时排放氮氧化物最多，因为此时可燃混合气中含氧量相对较多，而燃烧温度又很高，而当负荷再增大时，氧的含量相对就下降，氮氧化物排放量不再增加 。 柴油机的烟度变化相对比较有规律，转速不变时烟度随负荷增大而增大，这主要由于过量空气系数下降了。当负荷不变时，柴油机烟度在某一转速达到最小值，这个状态是柴油机燃烧过程的最优化，只要是不在这个转速工作，则烟度都会增加，在低速大负荷工作时，空气相对不足且气流运动也不是很强烈，这时烟度会大幅度上升，柴油机严重冒烟。4.2柴油机瞬态排放特性4.2.1冷启动 柴油机冷启动时，机件温度较低，导致压缩终了的温度也较低，喷人燃烧室内的燃油不易挥发，刚启动时转速较低，喷油压力也较低，再加上柴油蒸发不好，所以可燃混合气混合不好，转速低也导致燃烧室内的空气流动缓慢，大量燃油碰到汽缸壁上形成油膜。由综上所述知冷启动时喷人燃烧室内的燃油不容易很好的自燃，而自燃之前这些燃油就有可能以未燃HC的形式排出汽缸，造成柴油机严重排放HC，而喷入的燃油开始燃烧后汽缸壁上的油膜也很难完全燃烧，其中一部分挥发排出汽缸，另一部分则形成浓可燃混合气，燃烧生成CO排出。柴油机这时排放的HC表现为冒白烟。要改善柴油机的冷启动排放问题，WD615型柴油机采用了直喷式。启动前的预热对减轻启动冒白烟也是很有效的。其次，如果适当控制供油系统，使得柴油机刚被启动机拖动时不喷油，等到柴油机达到启动最高转速时才开始喷油则冷启动排放问题也可以大大改善。4.2.2 加减速等瞬态工况 WD615型带涡轮增压器的柴油机在突然踩下加速踏板进行加速时，由于惯性的影响，涡轮增压器不可能马上提供足量的空气所以急加速冒黑烟。为此我们可以改善供油系统，使喷油与进气速度更好得匹配。 在转速不变而转矩变化的工况下微粒的排放量随转矩上升率的增加而增加，且转速越低，微粒增加率越大而且增加的主要是微粒中的有机可溶成分，烟粒基本不变，其主要原因是燃烧室内温度的提高滞后于喷油量的增加，与稳态相比，燃烧室内温度较低，不利于汽缸壁上的油膜燃烧，导致瞬态工况下有机可溶成分增加。当转速不变而转矩下降时微粒排放量基本不变。 柴油机突然减速时不喷油或只提供怠速所需的油量，所以排放问题可以忽略。5排气后处理技术5.1微粒捕集器5.1.1 捕集方式 柴油机冒黑烟可以说是一个伴随柴油机的出现就有的疑难杂症，虽然人们一直想办法防治但是很难彻底消除。采用后处理技术是对现有车型进行优化，控制排放的很有效的措施;对于新车，采用机外后处理措施比采用机内净化措施要容易的多，机外后处理装置主要是催化转化器的微粒捕集器（DPF），就是在柴油机排气管中间加上一个集催化、过滤等功能为一体的排气净化装置。如图5-1所示：图5-1 柴油机微粒搜集器Fig.5-1 Diesel particulate trap 通过高温氧化来降低柴油机尾气中的80%以上的微粒，需要在800以上的高温条件下且持续时间必须达到4s以上，柴油机时间运作条件下很难达到这样的条件。虽然催化氧化方法可以降低微粒中的有机可溶成分（见5.2）但是这种方法对碳烟几乎不起作用。 用水或溶液清洗排气只能降低柴油机微粒排放的10%左右，且占用体积很大，所以使用不多。 工业上用的旋风除尘器，是利用微粒的离心力将微粒从气流中分离出来。由于柴油机微粒粒度大多低于0.3um，离心分离的效果不好，所以清除效率不高。 静电除尘器是利用高压电场的作用使微粒凝聚，但是这种装置所需的空间太大，很难广泛推广。曾有人试图把静电凝聚和离心分离两种方法相结合，开发出了静电旋风捕集器，虽然提高了捕集效率但是在捕集物的处理、高压电板的绝缘和结构的紧凑性方面仍存在很多问题。由以上分析，比较可靠的柴油机尾气处理技术还是微粒捕集器。 微粒捕集器能减少柴油机所产生的灰烟达90%以上。这种捕捉器安装在排放系统中，它可以在排放的污染微粒进入大气之前就将其捕捉，然后在柴油机运行过程中把捕捉到的这些微粒燃烧掉。它的工作基本原理可以叙述如下：在柴油微粒捕捉器上喷涂金属铂、铑、钯，柴油机排放的含碳粒的黑烟通过专门的管道进入捕捉器，捕捉器内部的设置将会把含碳的微粒吸附在金属纤维毡制成的过滤器上，当微粒的吸附量达到一定程度后，尾端的燃烧器将会自动点火燃烧将所吸附的微粒烧掉变成二氧化碳，而二氧化碳对环境是无污染的，这就达到了我们净化尾气的目的。5.1.2微粒捕捉器的再生 柴油机微粒捕捉器能有效减少微粒物的排放，它先捕捉废气中的微粒然后对其进行氧化，使微粒过滤器能够继续进行吸附微粒的工作。在微粒捕集器的长时间工作中，会逐渐增加过滤器里的颗粒物含量这就会造成柴油机排气困难，所以我们必须定期对过滤器中的颗粒物进行清除以恢复微粒捕捉器的过滤性能，即微粒捕捉器的再生。这其中的方法有两种：一种是利用外界能源使微粒捕捉器内的温度提高以便其达到颗粒燃烧所需的温度（DPF内温度达到300度时颗粒物才会被氧化燃烧否则将会堵塞过滤器），这种方法我们称之为主动再生。但是尽管柴油机排气微粒为可燃物，但在含氧5%以上的气氛中，在650温度下也要2分钟以上的时间才能完全氧化。柴油机的排气温度一般在全负荷时也只能达600650，况且柴油机一般也不会在全负荷下运行而大多数情况下是在中小负荷下运行，排气温度只在400左右。所以要想在柴油机实际使用条件下实现微粒捕捉器的主动再生是很困难的，实际上简便可靠的方法一直在探索中。在DPF开发的早期，再生技术很不成熟，曾经采用把DPF拆下在通风的控温电炉里将沉积的微粒燃烧掉的方法实现再生，使用这种方法，只要根据沉积量适当控制电炉的通风量、温度和再生时间就能保证实现DPF的再生。但是这种方法很复杂，增加了工作人员的工作量并且要一个备用的微粒捕捉器进行轮流工作。另一种方法是在燃油中以适当比例加入一些燃油添加剂或催化剂（锶、铁、铈等）以降低颗粒物的着火点，使它们在柴油机正常排放温度下氧化燃烧，这种方法我们称之为被动再生。当然这种添加剂量不要过少，否则会使再生温度提高。使用这种方法就能避免由于再生时滤芯温度过高而造成滤芯损坏的问题。早期采用的方法是在DPF陶瓷滤芯表面（主要在其排气入口附近）涂覆催化剂，促进微粒氧化燃烧，降低微粒着火温度，但是由于这时排气微粒与活性金属的接触程度不够，所以微粒着火点降低不明显。实验证明，在较低的排气流速、较少的沉积微粒量和排气含氧量较高的条件下。这种方法也只能把再生温度降低到450左右，在不进行其他辅助措施的情况下仍不能满足DPF的再生。另外，这种方法也具有下面所说的用氧化催化器的缺点，即当燃油中含硫量较高时会形成大量硫酸盐。所以这种方法已被淘汰。当浸渍催化剂的DPF不断承载微粒时，随着时间的延长，催化剂将逐渐被微粒覆盖，只有沉积的第一层微粒能与催化剂接触，这样催化剂就被屏蔽不能使微粒燃烧。如果把催化剂加到燃油中，它就能与微粒同时沉积在滤芯表面上，保证催化剂的功能，使问题得到解决。大多数金属都可以作为再生催化剂的活性成分，但从经济和对人的危害方面考虑，现在大都选择铁、铜、锰等，它们以能溶于柴油的化合物状态存在，但是现在它们只能使再生温度下降到300左右，还不够低，再生概率还不够大，因此再生时间难以控制，容易因再生时已沉积微粒过多而造成DPF过热损坏；添加的催化剂中的金属有90%以上以氧化物的形式残留在DPF内，虽然不会排入大气造成污染，但会堵塞DPF而缩短其寿命，燃油添加剂在气缸中燃烧时，会产生一些使微粒在较低温度下容易着火的活性中心，但它们与排气管壁和增压器涡轮叶片等相撞后会丧失活性能量，因此当DPF排气系统较复杂时或有涡轮增压器时，效果较差；有些金属添加剂在柴油中长期储存会析出油渣，从而在喷油器上生成金属沉淀物。长期在柴油中加添加剂固然是一种可行的操作方法，但是这样会在非再生期浪费添加剂，而添加剂的消耗以及相应的排放应该减小到最低程度。所以为了达到这个要求且使柴油机长时期稳定工作，最好使添加剂与即将进入柴油机的燃油相混合。可以用一个泵和一个辅助储罐来实现。但我们也要防止未喷人气缸的柴油回流到主油箱以避免添加剂的浓度越来越高。柴油机如果经过上述的排气后处理技术，排烟和污染将明显降低，具体数据见表5-1：表5-1 柴油机安装微粒搜集器后排烟和污染的降低数据 Tab.5-1 smoke and pollution reduce data of diesel after installing the particulate trap set排气成分炭粒氮氧化物COHC减少90%以上90%99%90%99%50%90% 仅仅通过改善柴油机的设计及其运行参数来降低污染物的排放有很大的局限性。对于柴油机来说，可燃混合气压缩燃烧方式很难明显减少碳氢燃油脱氢碳化而生成的碳烟微粒，而降低氮氧化物的措施又会增加含碳微粒的排放并且会增加柴油的消耗，所以在实际生活中只是尽量寻求二者的平衡而已。5.2氧化催化转化器 柴油机尾气也可以用氧化催化剂来进行处理，氧化催化剂的功能主要是降低微粒的排放，虽然柴油机尾气排放温度较低会导致尾气中的碳烟难以氧化，但是氧化催化剂可以氧化微粒中的大部分有机可溶成分（使其下降40%90%），达到降低微粒排放的效果。不仅如此氧化催化剂还可以使CO的排量降低30%左右，HC排量降低50%左右，还可净化PHA（多环芳烃）50%以上，净化醛类80%左右。且能减轻排气的气味。国产柴油中硫的含量较高，燃烧后生成二氧化硫，研究发现在过量空气系数不变的情况下二氧化硫的排量大致与柴油中含硫量成正比。在氧化催化转化器的作用下二氧化硫被氧化成三氧化硫，然后生成硫酸盐，变成微粒的一部分。催化氧化效果越好则生成的硫酸盐越多，有时候会达到没有氧化催化器时的10倍。所以当柴油机所用柴油含硫量较高时，在大负荷工况下由于排气温度高，催化氧化强烈导致硫酸盐的增加不但抵消了有机可溶成分的减小，严重时甚至会使微粒总量上升。所以只有在所用的燃油含硫量较低时才会显示出氧化催化转化器的效果。不同含硫量的柴油对氧化催化器的影响如图5-2所示： 图5-2 柴油机用不同含硫量的柴油运转时用氧化催化器的效果Fig5-2 Oxidation catalytic effect of diesel engine with different sulphur diesel 图5-3表示柴油机使用氧化催化器时排气温度对微粒排放量的影响，由图知当排气温度低于150时，催化剂基本不起作用，随着温度的提高，由于有机可溶成分被氧化使微粒排放量下降。而当排气温度高于350后，由于硫酸盐大量生成反而导致微粒排放量增加。由此可知柴油机氧化催化器的最佳工作温度是200350,但是仅仅靠调整柴油机工况很难控制排气温度一直处在这种最近温度范围内。对于柴油机氧化催化剂的活性成分，尽管钯的催化活性不如铂，但是产生的硫酸盐要少的多且价格相对便宜的多，因此用钯作为活性成分比较合适。 图5-3 柴油机用氧化催化器时排气温度对微粒排放量的影响 Fig5-2 the effect of exhaust temperature to Particle emissions when using oxidation catalysts 柴油机氮氧化物后处理技术主要有以下几种：（1）选择性非催化还原。选择性非催化还原的的原理是在高温排气中加 氨气，与排出的氮氧化物反应生成氮气和水。这种方法最大的优点就是不需要价格昂贵的催化剂，但是由图三知道要想得到很好的净化效果必须把温度控制在11001400K范围内。因为还原反应是在NH2和NO之间进行的，而只有在这个温度范围内氨气才能分解出大量NH2，温度太低NH2产生量太少，温度太高则氨气分解为NO，这就是图中温度太高时NO量太多的原因。图5-4 用氨气还原一氧化氮时反应结果与反应温度的关系Fig5-4 The relationship between reaction response and t