论文部分内容阅读
广州地铁 广州 510380
摘要：广州地铁早期一、八号线的工程车配置机械喷油式发动机，目前使用时间已超过16年。因当时设计排放标准、柴油品质较低及经过长时间运行后自身产生老化、磨损等原因，导致工程车发动机尾气排放与现状需求之间出现了一定的差异。因地铁工程车大部分时间在隧道内工作，其密闭的环境使得废气更加容易积聚，进而对隧道电气设备和作业人员人身健康造成了一定的影响。本文通过对比两种后处理方案，给发动机加装DOC+POC系统排放后处理装置，有效的降低了尾气中排放至空气中PM颗粒物和NOx的排放量。
关键词：发动机；尾气；后处理
引言
地铁工程车柴油发动机排放的有害成分主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、碳烟颗粒物（PM）、硫氧化物（SOx）和二氧化碳（C02）等。为了降低正线隧道内发动机尾气排放物的污染，向乘客提供舒适的乘坐环境，向工程车司机和作业人员提供良好的作业环境，减少发动机尾气排放物吸入后对人体造成的影响，同时降低尾气排放物对正线相关设备使用可能存在的影响，目前急需考虑如何改善发动机尾气排放问题。以达到工程车尾气排中PM、碳氢化合物、氮氧化合物和碳氧化合物的减排需要，为司机和作业人员提供较好的作业环境，同时便于在既有工程车上实施和降低后期维护成本等。
一 必要性分析
广州地铁早期一号线的工程车G121配置机械喷油式发动机（上柴135型柴油发动机），八号线的工程车G221配置电喷式发动机（卡特彼勒3126B型柴油发动机）。对上述发动机进行相关尾气排放技术改造，需增加发动机机外净化系统。
（1）柴油机设计排放标准
柴油内燃机车尾气排放质量相对较差的基本集中在一、八号线：一号线使用的为国产机械喷油式柴油发动机，八号线使用了卡特彼勒送外早期电喷柴油机，排放标准较低。
（2）柴油发动机所使用的油品质量
柴油的密度、黏度、蒸馏特性等物理性质和十六烷值、HC结构、含硫量等化学性质影响燃烧特性，对柴油机排放有很大影响。
（3）柴油机的状态
柴油机的状态也是影响尾气排放的原因之一，须定期调整气门间隙、喷油提前角，清洗校验喷油阀等以使柴油机达到最佳的运行状态。
（4）工程车的作业环境
地铁隧道基本是密闭环境，如果不开启隧道区间通风设备，柴油机排出的废气将在隧道内积聚，不但使有害气体和颗粒物越积越多，还会让内燃机工作所需的氧气越来越少，氧气不足的情况下内燃机的燃烧是不充分的，更容易排出一氧化碳和颗粒物（黑烟）等。
二 改进方案
综上并结合广州地铁工程车使用等实际情况，除后期需使用优质的车用柴油、作业时开启区间通风设备，以及对部分使用一定年限或技术状态不佳的柴油机进行深度保养外，还需对部分排放相对较差的工程车进行加装机外净化系统的技术改造。
1 加装柴油机排放后处理装置
排放后处理装置主要可以有效降低尾气中CH、CO、NOX、PM等污染物的排放，对于柴油机来说主要是为了减少NOx和PM等方面的排放值，在柴油机产生的颗粒物中有大约30%是可溶性有机馏分（SOF），其余的是固态颗粒物（碳粒）。柴油车排气后处理装置是通过对尾气的一系列化学反应和物理反应，过滤或转化尾气的有害成分，从而达到优化柴油机排放的目的。
1.1 方案一（DOC+POC系统，其中DOC为三元催化装置，类似于汽油发动机的三元催化器，POC为细小颗粒捕捉器）
采用该组合净化系统后，发动机在工作过程中，尾气中的CO、HC、和NOx三种气体在通过三元催化反应器中的净化剂时（图1），增强了三种气体的活性，可分别进行氧化还原化学反应：其中CO在高温下氧化成无色、无毒的二氧化碳（CO2）气体，HC化合物在高温下氧化成水（H2O）和CO2，NOx还原成氮气，三种有害气体大部分变成无害气体，使排气得以净化。另颗粒采集器POC是为了降低排放中的颗粒物，减少PM的排放。
1.2 方案二（SCR+POC系统）
SCR（Selective Catalytic Reduction）选择性还原反应系统是一种在车用柴油机尾气中喷射液体尿素溶液，并使其在高温尾气中蒸发成氨气与柴油机排出的氮氧化物NOx，在催化器中的催化剂作用下，发生还原反应，从而极大降低NOx值直至满足排放法规要求的一种装置。
SCR催化转化系统包括尿素罐、传感器、控制部件、喷射系统等。其中，尿素罐中存放一定量国际通用的32.5%浓度的车用尿素溶液和一个由直流电机带动的尿素泵，工作时尿素泵在尿素管路中建立需求的压力，传感器在采集尾气中NOx含量后，由控制部件下达尿素喷嘴的开闭脉冲信号，此时尿素溶液由喷嘴的细小喷孔雾化后喷入发动机的排气管内，在排气高温下，迅速气化成氨气并与排气混合，混合气在到达催化器时，在催化剂的催化下，尾气中的氮氧化物NOx与氨气NH3发生还原反应，生成氮气和水，完成尾气中有害物质NOx的减排作用。
1.3 方案对比
综上，同时考虑随着DOC催化装置技术的发展，目前其对氮氧化物NOx的处理能力已有明显提高，可满足国家标准对各类机动车尾气排放的处理要求，故考虑采用第一种方案。
1.4 应用效果
经过广州地铁一、八号线工程车发动机采用第一种DOC+DPF系统处
理方案尾气排放技术改造的实践。现场效果图4、5；数据对比如表2示。
图4 工程车催化消音器安装后 图5尾气检测仪器设备
表2 尾气改善效果情况
序号 检测指标 改善情况（低速） 改善情况（高速） 最小改善百分比
1 烟度（平均值K） 38.3℅ 38.3℅ 38.3℅
2 一氧化碳（CO） 81.8℅ 99.9℅ 81.8℅
3 碳氢化物（HC） 87.5℅ 54.5℅ 54.5℅
4 氮氧化物（NO） 42℅ 38℅ 38℅
三 结论
根据实验结果数据分析，在加装催化净化消音器后，一号线3126B柴油发动机的主要尾气排放物CH、CO和PM等污染物含量指标可以有效改善38.3℅以上，最高可以达到99.9℅，氮氧化物（NO）可至少改善30℅以上，可明显的减少柴油机尾气中有毒气体的排放。该装置安装简单，维护方便，可有效改善设备运行和人员工作环境，具有一定的推广应用价值。
参考文献：
[1]车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值与测量方法 中华人民共和国国家标准 GB17691-2005
[2]环境保护产品技术要求 柴油车排气后处理装置 中华人民共和国国家环境保护标准 HJ451-2008
[3]车用柴油 中华人民共和国国家标准 GB19147-2013
[4]《后处理技术降低柴油机NOx排放的研究进展》 2010 同济大学机车学院 楼狄明 马滨 谭丕强等
[5]唐大学.柴油机废气排放控制技术新进展[J].内燃机，2012（5）：1-4，10.
摘要：广州地铁早期一、八号线的工程车配置机械喷油式发动机，目前使用时间已超过16年。因当时设计排放标准、柴油品质较低及经过长时间运行后自身产生老化、磨损等原因，导致工程车发动机尾气排放与现状需求之间出现了一定的差异。因地铁工程车大部分时间在隧道内工作，其密闭的环境使得废气更加容易积聚，进而对隧道电气设备和作业人员人身健康造成了一定的影响。本文通过对比两种后处理方案，给发动机加装DOC+POC系统排放后处理装置，有效的降低了尾气中排放至空气中PM颗粒物和NOx的排放量。
关键词：发动机；尾气；后处理
引言
地铁工程车柴油发动机排放的有害成分主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、碳烟颗粒物（PM）、硫氧化物（SOx）和二氧化碳（C02）等。为了降低正线隧道内发动机尾气排放物的污染，向乘客提供舒适的乘坐环境，向工程车司机和作业人员提供良好的作业环境，减少发动机尾气排放物吸入后对人体造成的影响，同时降低尾气排放物对正线相关设备使用可能存在的影响，目前急需考虑如何改善发动机尾气排放问题。以达到工程车尾气排中PM、碳氢化合物、氮氧化合物和碳氧化合物的减排需要，为司机和作业人员提供较好的作业环境，同时便于在既有工程车上实施和降低后期维护成本等。
一 必要性分析
广州地铁早期一号线的工程车G121配置机械喷油式发动机（上柴135型柴油发动机），八号线的工程车G221配置电喷式发动机（卡特彼勒3126B型柴油发动机）。对上述发动机进行相关尾气排放技术改造，需增加发动机机外净化系统。
（1）柴油机设计排放标准
柴油内燃机车尾气排放质量相对较差的基本集中在一、八号线：一号线使用的为国产机械喷油式柴油发动机，八号线使用了卡特彼勒送外早期电喷柴油机，排放标准较低。
（2）柴油发动机所使用的油品质量
柴油的密度、黏度、蒸馏特性等物理性质和十六烷值、HC结构、含硫量等化学性质影响燃烧特性，对柴油机排放有很大影响。
（3）柴油机的状态
柴油机的状态也是影响尾气排放的原因之一，须定期调整气门间隙、喷油提前角，清洗校验喷油阀等以使柴油机达到最佳的运行状态。
（4）工程车的作业环境
地铁隧道基本是密闭环境，如果不开启隧道区间通风设备，柴油机排出的废气将在隧道内积聚，不但使有害气体和颗粒物越积越多，还会让内燃机工作所需的氧气越来越少，氧气不足的情况下内燃机的燃烧是不充分的，更容易排出一氧化碳和颗粒物（黑烟）等。
二 改进方案
综上并结合广州地铁工程车使用等实际情况，除后期需使用优质的车用柴油、作业时开启区间通风设备，以及对部分使用一定年限或技术状态不佳的柴油机进行深度保养外，还需对部分排放相对较差的工程车进行加装机外净化系统的技术改造。
1 加装柴油机排放后处理装置
排放后处理装置主要可以有效降低尾气中CH、CO、NOX、PM等污染物的排放，对于柴油机来说主要是为了减少NOx和PM等方面的排放值，在柴油机产生的颗粒物中有大约30%是可溶性有机馏分（SOF），其余的是固态颗粒物（碳粒）。柴油车排气后处理装置是通过对尾气的一系列化学反应和物理反应，过滤或转化尾气的有害成分，从而达到优化柴油机排放的目的。
1.1 方案一（DOC+POC系统，其中DOC为三元催化装置，类似于汽油发动机的三元催化器，POC为细小颗粒捕捉器）
采用该组合净化系统后，发动机在工作过程中，尾气中的CO、HC、和NOx三种气体在通过三元催化反应器中的净化剂时（图1），增强了三种气体的活性，可分别进行氧化还原化学反应：其中CO在高温下氧化成无色、无毒的二氧化碳（CO2）气体，HC化合物在高温下氧化成水（H2O）和CO2，NOx还原成氮气，三种有害气体大部分变成无害气体，使排气得以净化。另颗粒采集器POC是为了降低排放中的颗粒物，减少PM的排放。
1.2 方案二（SCR+POC系统）
SCR（Selective Catalytic Reduction）选择性还原反应系统是一种在车用柴油机尾气中喷射液体尿素溶液，并使其在高温尾气中蒸发成氨气与柴油机排出的氮氧化物NOx，在催化器中的催化剂作用下，发生还原反应，从而极大降低NOx值直至满足排放法规要求的一种装置。
SCR催化转化系统包括尿素罐、传感器、控制部件、喷射系统等。其中，尿素罐中存放一定量国际通用的32.5%浓度的车用尿素溶液和一个由直流电机带动的尿素泵，工作时尿素泵在尿素管路中建立需求的压力，传感器在采集尾气中NOx含量后，由控制部件下达尿素喷嘴的开闭脉冲信号，此时尿素溶液由喷嘴的细小喷孔雾化后喷入发动机的排气管内，在排气高温下，迅速气化成氨气并与排气混合，混合气在到达催化器时，在催化剂的催化下，尾气中的氮氧化物NOx与氨气NH3发生还原反应，生成氮气和水，完成尾气中有害物质NOx的减排作用。
1.3 方案对比
综上，同时考虑随着DOC催化装置技术的发展，目前其对氮氧化物NOx的处理能力已有明显提高，可满足国家标准对各类机动车尾气排放的处理要求，故考虑采用第一种方案。
1.4 应用效果
经过广州地铁一、八号线工程车发动机采用第一种DOC+DPF系统处
理方案尾气排放技术改造的实践。现场效果图4、5；数据对比如表2示。
图4 工程车催化消音器安装后 图5尾气检测仪器设备
表2 尾气改善效果情况
序号 检测指标 改善情况（低速） 改善情况（高速） 最小改善百分比
1 烟度（平均值K） 38.3℅ 38.3℅ 38.3℅
2 一氧化碳（CO） 81.8℅ 99.9℅ 81.8℅
3 碳氢化物（HC） 87.5℅ 54.5℅ 54.5℅
4 氮氧化物（NO） 42℅ 38℅ 38℅
三 结论
根据实验结果数据分析，在加装催化净化消音器后，一号线3126B柴油发动机的主要尾气排放物CH、CO和PM等污染物含量指标可以有效改善38.3℅以上，最高可以达到99.9℅，氮氧化物（NO）可至少改善30℅以上，可明显的减少柴油机尾气中有毒气体的排放。该装置安装简单，维护方便，可有效改善设备运行和人员工作环境，具有一定的推广应用价值。
参考文献：
[1]车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值与测量方法 中华人民共和国国家标准 GB17691-2005
[2]环境保护产品技术要求 柴油车排气后处理装置 中华人民共和国国家环境保护标准 HJ451-2008
[3]车用柴油 中华人民共和国国家标准 GB19147-2013
[4]《后处理技术降低柴油机NOx排放的研究进展》 2010 同济大学机车学院 楼狄明 马滨 谭丕强等
[5]唐大学.柴油机废气排放控制技术新进展[J].内燃机，2012（5）：1-4，10.