柴油机中氮氧化合物（NOX）的生成机理及影响因素

刘 朋，张秋霞，汪东明，黄银花（淮安信息职业技术学院汽车工程系，江苏 淮安 223003）

柴油机中氮氧化合物（NOX）的生成机理及影响因素

刘 朋，张秋霞，汪东明，黄银花
（淮安信息职业技术学院汽车工程系，江苏 淮安 223003）

氮氧化合物（NOX）是柴油机主要排放污染物之一，不仅会生成酸雨，危害植物生长，而且也会破坏人体的中枢神经系统，因此NOX是柴油机排放主要控制指标之一。本文详细介绍了NOX的生成机理，重点分析了喷油定时、放热规律、负荷、转速对于NOX生成率的影响。

NOX；生成机理；影响因素

0　引言

柴油机一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的排放比汽油机低很多，但其过量空气系数很高，且燃烧过程中产生高温，导致NOX大量生成。人吸入NOX后出现眩晕、无力等病症，严重时出现窒息；另外，NOX还会与HC一起引起光化学反应，造成更严重的危害。

本文将主要介绍NOX的生成机理及影响因素，以期为NOX的控制提供一定的指导意义。

1　生成机理

NOx是指燃烧过程中氮的各种氧化物，主要包括NO和NO2，其中NO的量相对较多。根据泽尔多维奇理论，在高温、高压和富氧的环境下，NO的化学反应链为：

由于O2的化学反应活性大于N2的化学反应活性，O2的分解相对更加的容易，所以上述链式反应的开始是O2首先在高温下分解为O原子，随后由O原子激发其他链式反应。

由反应2可以看出，NO是O原子切断N2分子的化合键生成的。温度对于化学反应O+N2→NO+N的反应速率影响较大，因此降低柴油机的最高燃烧温度有助于抑制O+N2→NO+N的反应速率，降低NOX的排放。同时，氧浓度对于化学反应O+N2→NO+N的反应速率也由一定影响。此外，由于化学反应需要时间，所以氮和氧在高温中滞留的时间也是影响NOX生成的一个因素。

综上所述，降低柴油机的最高燃烧温度、降低化学反应区域的氧浓度、降低氮和氧在高温中滞留的时间，均可降低柴油机NOX的生成率。

从图1中可以看出：在过量空气系数＞1的稀混合气区，NOX生成率随温度的升高而迅速增大。在过量空气系数＜1的浓混合气区，NOX生成率随氧浓度的减小而急剧降低。

图1　NO的平衡摩尔分数与过量空气系数关系图

分析上图得出结论：对于稀混合气，温度对于NOX的生成影响较大；对于浓混合气，氧浓度对于NOX的生成影响较大。

2　影响柴油机NOX排放的因素

柴油机与汽油机的主要区别之一是，汽油机是预混合燃烧，柴油机是边喷射、边混合、边燃烧。柴油机的喷射、混合、燃烧基本是同时进行的，因此其混合时间极短，燃油分布不均匀，燃烧成分复杂、多变。在柴油机众多的工况中，影响NOX排放的因素有：

（1）喷油提前角。实验表明，当喷油提前角在20°曲轴转角时，NOX生成率最大。减小喷油提前角，推迟燃烧，降低燃烧温度，可以减少NOX的排放量。但是推迟燃烧的方式会造成燃烧不充分，使燃油消耗量增加。

（2）放热模式。柴油机的放热规律包括传统放热模式和低排放放热模式两种。传统放热模式是指在压缩上止点之前便出现一个放热率峰值，使柴油机的最大爆发温度升高，NOX生成率较高。随后出现一个较为平缓的放热率线，此过程会拉长燃烧过程，导致柴油高温裂解，使微粒的排放量增加

低排放放热模式是指在压缩上止点之后开始急剧放热，此时第一放热峰值较低，使柴油机的最大爆发温度较低，NOX生成率较低。随后扩散燃烧速度较快，燃烧很快结束，NOX缺乏足够的生成时间，NOX生成率较低。

（3）负荷。负荷增大使可燃混合气的平均空燃比减小，燃烧压力和温度提高，NOX生成率提高。当负荷超过某一限度时，由于燃烧室内缺乏氧气，导致燃烧恶化，使PM生成率提高，NOX生成率降低。

（4）转速。NOX生成率受转速影响较小。对于非增压柴油机，由于低转速下，NOX有足够的反应时间，故最大转矩转速比标定转速下的NOX生成率高。

3　结语

NOX是柴油机主要排放污染物之一，其生成受到柴油机喷油定时、放热规律、负荷、转速等多种因素的影响。为了控制柴油机中NOX的排放，目前主要的技术是废气再循环（EGR）、选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原法（SNC）等技术。但目前这些技术的成本（经济成本、动力成本）较高，预计以后随着低温燃烧等技术的成熟，会为降低柴油机NOX的排放提供更加完善的技术。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.015

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刘朋（1983-），男，山东济宁人，硕士，工程师，主要研究方向:电控发动机工作原理及检修方法。