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康明斯发电机组主要排放物的生成机理

文章来源:康明斯柴油发电机厂家 人气: 发表时间:2025-07-04

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。


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