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
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排放物 |
主要成分 |
主要生成条件 |
对发动机参数的敏感性 |
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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↑ |
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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↓ |
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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) |
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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。