摘要:康明斯发电机组在运行过程中产生的排放物主要包括氮氧化物(NOₓ)、颗粒物(PM)、一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)。其生成机理与柴油机的燃烧特性密切相关,具体分析如下:
一、氮氧化物(NOₓ)的生成机理
NOₓ主要包括NO(90%以上)和少量NO₂,生成主要依赖高温富氧环境:
热力型NO(Thermal NO)
在燃烧温度>1800 K时,空气中的N₂和O₂发生链式反应:
O+N2→NO+N,N+O2→NO+OO+N2→NO+N,N+O2→NO+O
主要出现在扩散燃烧阶段的高温火焰锋面后区域。
快速型NO(Prompt NO)
在局部缺氧区域(空燃比φₐ=0.6~0.7),碳氢自由基(CH)与N₂反应生成HCN,进一步氧化为NO。
影响因素:
燃烧温度:每升高100 K,NO生成速率翻倍。
氧浓度:过量空气系数>1时,NOₓ显著增加。
喷油正时:推迟喷油可降低峰值温度,减少NOₓ,但可能增加碳烟。
二、颗粒物(PM)的生成机理
PM由碳烟(Soot)、可溶性有机物(SOF)和硫酸盐组成:
碳烟生成
在扩散燃烧阶段的局部缺氧区(φₐ>2.0),燃油裂解生成多环芳烃(PAH),并聚合成碳核(直径0.02~0.1 μm)。
高温(>1600°C)促进碳烟氧化,但缺氧环境抑制该过程。
可溶性有机物(SOF)
来自未完全燃烧的燃油高沸点组分(占PM质量的5%~40%)及润滑油窜入燃烧室的裂解产物。
硫酸盐
柴油中含硫成分(如硫醇)氧化生成硫酸盐(如CaSO₄),尤其在硫含量>50 ppm时显著增加PM。
三、一氧化碳(CO)的生成机理
CO是碳氢燃料不完全燃烧的中间产物:
生成条件:缺氧(φₐ<1.0)、低温或反应时间不足时,碳氢燃料氧化停滞在CO阶段。
负荷影响:
大负荷:混合气过浓,局部缺氧导致CO激增。
小负荷:燃烧温度低,氧化反应不充分,CO排放升高。
柴油机因总体富氧燃烧,CO排放量低于汽油机。
四、碳氢化合物(HC)的生成机理
HC主要源于未燃燃油和润滑油:
壁面淬熄效应
冷启动或低负荷时,燃烧室壁面温度低,火焰传播至壁面附近猝灭,留下未燃燃油。
狭隙效应
活塞环间隙、气缸垫缝隙等狭窄区域阻隔火焰进入,残留燃油蒸汽。
润滑油吸附
进气过程中润滑油膜吸附燃油蒸汽,燃烧后期解吸但未完全氧化。
康明斯发电机组排放物特性对比
排放物 |
主要成分 |
主要生成条件 |
对发动机参数的敏感性 |
氮氧化物(NOₓ) |
NO(90%)、NO₂ |
高温(>1800K)、富氧(φₐ>1.0) |
燃烧温度↑、氧浓度↑、喷油提前角↑ |
颗粒物(PM) |
碳烟、SOF、硫酸盐 |
局部缺氧(φₐ>2.0)、含硫燃料、低温燃烧 |
空燃比↓、硫含量↑、燃烧温度↓ |
一氧化碳(CO) |
CO |
缺氧(φₐ<1.0)、低温、反应时间短 |
空燃比↓、负荷↑(大/小负荷) |
碳氢化合物(HC) |
未燃燃油、润滑油裂解产物 |
壁面淬熄、狭隙、润滑油吸附 |
壁温↓、燃烧室设计、转速↓ |
五、康明斯排放控制关键技术
机内净化
高压共轨喷射(100~250 MPa):优化雾化,减少局部缺氧。
废气再循环(EGR):降低燃烧温度与氧浓度,抑制NOₓ(降幅可达60%)。
后处理技术
DPF(颗粒捕集器):壁流式蜂窝陶瓷滤芯捕集95%以上碳烟,通过主动再生(500~1000℃)烧除积碳。
SCR(选择性催化还原):注入尿素(DEF),在催化剂作用下将NOₓ还原为N₂(转化率>90%)。
总结:康明斯通过协同优化燃烧过程(如电控喷油正时、增压中冷)与后处理系统,实现了排放的有效控制,满足EPA及EU Stage V等严苛标准。