柴油发动机废气成份分析

厉洋

(日照公路管理局工程处，山东日照 276826)

前言

柴油发动机车辆排放黑烟的四大原因：一是进气系统问题，包括阻塞、空气导管变形、排气管阻塞、增压机不正常。二是喷油系统问题，包括喷射油量过量、喷油正时不正确、汽门间隙不正确、喷油嘴不良、喷射雾状不良。三是驾驶操作问题，如变速配合不当、发动机温度不良、超载急加、使用不良油品。最后一项是压缩力的问题，如汽门泄气、汽缸床冲损、喷油嘴垫不良、汽缸磨损或活塞环磨损等。

车主除了做好定期保养之外，平时也可自行检查，排放黑烟情形也可改善。如添加机油时，严禁添加超过机油尺满油位；柴油箱须保持清洁，盖紧油箱盖；严禁拆除喷射帮浦铅封；第一次发动发动机，需热车五分钟使发动机达到正常工作温度；起步时使用一档轻踩油门；注意发动机声响，不可使用三、四档慢速行车硬拖发动机；发觉机油不正常消耗或发动机有故障应立即报修；在平路行驶时勿使用排气剎车；上坡行驶应使用低速档，若用高速档及猛加油最易排放黑烟。

柴油车保养的基本条件除了定时换机油、空气滤清器以外，正时器是占很大的功用。正时器的功用是使喷油时间能配合发动机转和负荷的变化，适当地提前或减晚，使柴油在最恰当的时刻完全燃烧，发挥最大效能。而经常检验及调整喷油正时，使其达到最佳雾化完全燃烧，可以减少排冒黑烟。

一、以下是针对柴油发动机排放黑烟原因的分析：

1.喷嘴问题

A.全负荷定位螺丝任意变动；B.喷油量过多；C.正时器或调器不良

2.喷油嘴问题

A.喷油嘴针活门进退不顺；B.针活门磨损；C.针活门积碳；D.喷油嘴阻塞；E.喷油嘴破裂；F.喷油压力不足；G.喷油雾化不良；H.喷油方向不正确；I.喷油角度不正确；J.喷油终了滴油

3.进气排气问题

A.空气滤清器阻塞(干式)；B.进气管路阻塞；C.滤清器机油过多(湿式)；D.鼓风机损坏；E.排气煞车本体卡死；F.排气管路阻塞

4.正时问题

A.喷油正时不正确；B.气门正时不正确；C.气门间隙不正确；D.喷射邦浦传动接头磨损

5.汽缸压缩压力问题

A.活塞.活塞环.汽缸套磨损；B.汽门密合不良；C.汽缸垫片漏气或烧毁；D.喷油嘴垫片漏气或烧毁

6.驾驶操作问题

A.使用不当档位；B.急加不当；C.超载；D.使用不良的燃料；E.未正确的定期保养或调修

二、以下是柴油发动机排放黑烟的解对策：

1.车辆驾驶前﹑行车前﹑收班后，驾驶员应切实施行车辆基本保养。

2.添加机油时，应先检查机油缺油情形，严禁添加超过机油尺缺油情形，严禁添加超过机油尺满油位。

3.柴油箱应保持清洁，盖紧油盖箱。

4.严禁拆除喷射帮浦铅封。

5.每日晨间第一次发动发动机，应慢运转约五分钟，使发动机达成正常温度且目视检查排烟状况。

6.车祸行驶中为减低排放黑烟，驾驶员应切实注意下列作业

A.排气管在左方或是右方之车辆，应由后视镜注意排烟。B..起步时应使用一档，轻踩油门。C.行驶加时应慢慢踩下油门，减时慢慢放松油门，不可猛踩猛放。D.行驶中应注意发动机是否有异声。E.发觉机油不正常消耗或发动机有故障应立即报修。F.于平路驾驶时，勿使用排气煞车。I.上坡行驶，应使用低速档，油门平稳操作。J.上坡行驶，必要时可暂时关毕直接驱动式冷气机，以减轻负荷。

四、柴油废气污染成份分类介绍：

1.二氧化碳(CO2)：虽然不是法定污染，但其所造成的温室效应影响全球气候，所以也算间接公害;事实上，柴油发动机排放的CO2比起其它型式的发动机，在同样状况下为少。

2.黑烟：发动机排出的粒子可分为白烟、蓝烟和黑烟三种。白烟来自凝结水汽及未燃烧之燃油。蓝烟来自不完全燃烧的燃油和机油;这两种烟都是因发动机未达工作温度及负荷太低所造成，当发动机达到工作温度及负荷增加后，就会自然消失。黑烟则来自燃油或机油，受高热分解成碳粒子，大小约0.1微米(m)，这些悬浮微粒，会聚成一长链或绒团状，成为煤灰(Soot)有小至0.2微米以下，大至10微米，这些小粒子很容易被吸入呼吸道内，且不容易被自净作用排出，会导致呼吸道感染症.、慢性支气管炎、肺气肿、气喘等，有些煤灰附有一层重碳氢化合、硫磺等可溶性有机 (SOF-Soluable Organic Fraction)凝结在表面，被称为PM10，在医学上被认为可能致癌。

3.一氧化碳(CO)：2C+O2→ 2CO 柴油发动机的CO发生在空气进气量不足、燃烧不完全时，但因柴油发动机之气、油混合比大，故CO产量小。

4.碳氢化合(HC)：由于燃料燃烧不完全所产生，其发生途径如下：

1.发生在汽缸壁附近之燃油，或在助力行程时受高热燃烧之机油。2.减时，节汽门回到怠速位置，进气歧管真空迅增高，瞬间产生很浓的混合气，因此有大量未燃烧气体排出。3.进、排汽行程重迭时期，进、排汽门都打开，新鲜混合气从排汽门逸出。

5.硫氧化(SOx)：柴油发动机所排出之SOx，多以二氧化硫(SO2)排出，其余约2%~4%以硫磺(S)排出。云和雨滴吸收SO2和NOx，形成酸雨，会使水源酸化、鱼类死亡、泥土养份流失、植物受损;SO2和NO2混合在日光照射下产生光化学作用，而产生能散射光线的硫酸雾气，加金属的腐蚀，唯一可控制技就是降低柴油中的硫含量

6.氮氧化(NOx)：

碳氢化合(HC)是在燃烧温度低时产生，而NOx则是在燃烧温度高时产生，NO2含刺激眼、鼻使肺部不舒服，也是酸雨的主要成份之一。

柴油发动机污染生成原因：

A化学反应：CxHYS2+O2+N2→CO2+H2O+N2+O2+NOx+HC+CO+SOx+C柴油的化学成份中除了碳氢化含外。另有约5%约含硫量，故汽油的0.1%含硫量高50倍，故在讨论柴油发动机排放污染时，多了SOx这项。

柴油发动机的特性是压缩点火，其油、气比(F/A)为 0.1~0.6，相当于气、油比(A/F)100：1~15：l。其混合比率比汽油发动机的混合比为低。柴油发动机分为二行程、四行程;同时区分为自然进气及增压进气两种;因此，进气量的多寡、进气的温度和成份都足以影响汽缸内的燃烧反应。

柴油污染防制技的难题在减少某项污染，而它项污染又增加。

B.喷雾模式(Spray Model);柴油发动机的喷射方式，有直接喷射和间接喷射两种，油、气混合程度的好坏，直接影响发动机性能及污染生成因素，因此研究喷雾的模式，就可以了解油、气混合程度。我们利用海因(Henein)教授的喷雾模式，来探讨污染生成情形，柴油从喷嘴喷出的油雾可区分为以下几个区域：a.稀油火焰区(Lean Flame Region)；b.燃油过稀区 (Lean Flame-out Region)；c.喷雾核心区(Spray Core)；d.喷雾末端区(Spray Tail)；e.二次喷射

C.喷射时间的影响：由于柴油发动机喷射时间，是在压缩行程到达上死点之前;汽缸内空气温度，随压缩而上升;愈早喷射，此时的空气温度愈低，点火时间也相对地延迟，使得气、油混合时间愈长，火焰区就增大了;加上愈多的燃油在上死点或上死点之前一些燃烧，使得汽缸内的最高温度和压力增加，虽然可以降低粒状污染与低负荷时HC的排放量，却又增加了NOx的排放，与喷油末段时导致煤灰，但是如果能使喷出的油在上死点之后仍在燃烧，此时的温度较低，NOx减少，也可以使煤灰在动力行程中氧化。

D.柴油质量的影响：a.芳香族的含量：柴油内含多种化合，对烟度的影响程度各有不同，其顺序依次为芳香族、环烷族、单稀烃族、同分异构烷族、烷族。b.90%蒸馏点温度：实验证明，90%蒸馏点温度，超过640￠F时，烟度将随温度增高而愈多。c.含硫量：柴油发动机排放之SOx，是受柴油中含硫量之影响，唯有降低柴油之含硫量，别无他法改善。美国环保局(EPA)规定之2-D柴油，芳香族占27%，90%蒸馏点为290~320℃，含硫量0.5%。

五、有害柴油废气之防制对策及方法：

柴油发动机之排气中含有各种不同之有害成份，其中尤以NOx为害最大，NOx中大部份均为NO，而NO一旦与HC共存下即转变成CO2、N2、H2O，亦即为光化学烟雾发生之导因。NO之发生原因及对策介绍如下：

1.发生原因：燃烧室内空气中所含氮气(N2)与氧气(O2)因高温而化合成一氧化氮由排气管中排出。

2.对策方法：降低燃烧室内最高温度对减少NO最为有效，较具体之方法如下：延迟喷油正时一仅对直喷式发动机有降低NO之效果，对预燃式发动机则无直接之效果。此项方法可减少NO，却无法避免黑烟增加及马力降低等后果。排气还流一随排气还流百分比之增加，NO便显著减少，唯同时会引起氧气不足，故有黑烟及HC增加之虑水喷射一水喷射对降低NO有极大之功效，而对发动机之马力、黑烟、HC等影响不大，唯水蒸汽之进入，势必使汽缸套发生锈蚀、机油恶化，故对发动机之寿命有不良影响氧化还原法一利用氧化还原方式于废气排放，予以氧化还原成无害的二氧化氮排出。碳氢化合(HC)、一氧化碳(CO)碳氢化合大部份是因为发动机本身吹漏所造成，而一氧化碳是发动机燃烧不完全所造成，故现代车辆在发动机设计上除了考虑压缩比、汽门数、汽门正时、点火正时、空燃比、燃烧室等外，尚加上一些如触媒转化器、二次空气喷射、含氧感知器等装置，做为"后处理"或"回馈控制"，以期减少HC、CO等污染气体之排放，除上述各机件改善方式外，同时做好车辆预防保养勤务工作，是减少车辆HC、CO等排放之重点。

结论。降低柴油发动机的污染已经是全球的共识。我们除了希望新一代的发动机，能有较少的污染外，也要注意目前使用中的发动机，使其能发挥最大经济效用，.并能有效管制污染。虽然“保养重于修护，修护重于购置”但对于车辆发动机之选用，也要顾及经济修证原则，考虑维修成本及污染成本，比较购置新发动机成本，再采取决策。而采购发动机除了性能外，也要考虑污染排放标准，且应以污染排放标准为最高优先，因为污染的成本往往是无法估计的。

[1]古国栋.柴油发动机废气再循环系统(EGR)热交换器仿真模拟与结构设计.材料加工工程.