康明斯动力设备（深圳）有限公司

摘要：柴油发动机广泛应用于柴油发电机和各种非道路工程机械中，由于在使用过程中会产生大量颗粒物和CO、HC、NOₓ等有害气体，因此需要有效地对其加以控制。文章介绍了颗粒物的产生过程及其对人体的危害，综述了通过使用生物柴油、含氧燃料添加剂及其他改性燃料改善燃油品质和通过调整喷油正时、喷油压力等喷油参数降低颗粒物排放的燃烧控制技术研究进展，重点对使用柴油颗粒过滤器的颗粒物常规控制技术及其再生方式和类型进行了比较，并讨论了今后的发展方向。

一、柴油机主要污染物

      柴油发电机排气中含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、颗粒物等排气污染物。美国国家环保局将柴油机排放的40多种化合物列入了“危险空气污染物清单”（HAPs），如：甲醛、乙醛、1,3－丁二烯、苯、多环芳烃类和砷、铅、汞、锰等金属的化合物。

1、一氧化碳（CO）

      一氧化碳是烃燃料燃烧的中间产物（如图1），一氧化碳由呼吸道进入人体的血液后，会和血液里的红血蛋白Hb结合，形成碳氧血红蛋白，导致携氧能力下降，使人体出现反应，如听力会因为耳内的耳蜗神经细胞缺氧而受损害等。吸入过量的一氧化碳会使人发生气急、嘴唇发紫、呼吸困难甚至死亡。虽然对人体无副作用的一氧化碳阈值尚未确定，但长期吸收一氧化碳对城市居民身体健康是一个潜在威胁。

2、氮氧化合物（NOx）

      氮氧化合物是在内燃机气缸内大部分气体中生成的（如图2），氮氧化合物的排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素。从燃烧过程看，排放的氮氧化物95%以上可能是一氧化氮，其余的是二氧化氮。人受一氧化氮毒害的事例尚未发现，但二氧化氮是一种红棕色呼吸道刺激性气体，对人体影响甚大。NOX与有机物起反应形成臭氧，是一种可以损伤呼吸道的氧化物。

3、碳氢化合物（CnH2n+2）

      碳氢化合物（如图3所示）和氮氧化合物在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后，产生复杂的光化学反应，生成一种新的污染物形成光化学烟雾，导致支气管炎、冠心病、肺结核和心脏衰弱者死亡等事件会显著增加。

4、颗粒物（PM）

      颗粒物（如图4所示）对人体健康的危害主要是对心脏和呼吸系统的影响，如：过早死亡、呼吸急促和心血管疾病；肺功能变化和呼吸系统病症增加；肺组织和结构改变；呼吸系统防御机能下降等。细微颗粒物是导致心血管和呼吸疾病的主要原因，会对人体健康产生严重危害。柴油机排出颗粒物（PM）非常小，能够穿透肺泡壁层，含有能够诱导有机体突变的物质和致癌物，根据美国国家毒物学项目报告，柴油发动机排放的颗粒物中，有98％直径小于10微米（PM10），94％小于2.5微米（PM2.5），92％小于1微米（PM1)。

      美国国家环保局的研究结果表明，在职业病研究中，有相当多的证据表明，以往经常使用柴油发动机的各种职业工人的肺癌发病率与和柴油机排放物的接触有显著的相关性。美国对柴油机所排放的细微颗粒的风险评估研究表明，环境空气中每增加10微克/m3，由此所引发的癌症死亡率就可能增加1％。

二、颗粒物的危害性分析

      颗粒物通过呼吸系统进入机体后，不仅能穿透上皮细胞，而且能够进入血液循环，其所包含的多种组分可产生更为严重的健康危害。颗粒物随呼吸进入呼吸道并沉积于气管、支气管及肺泡中，通过机械损伤、氧化反应和引起的免疫炎性反应等方式引起呼吸系统疾病，进而引起心血管系统和全身炎症反应。长期接触高浓度的颗粒物可导致成人和儿童肺功能下降，并增加慢性阻塞性肺病的发病率，表现为慢性阻塞性肺病的住院率和死亡率增加。人群流行病学研究表明颗粒物可能增加儿童哮喘的发病率，并与成人急性哮喘的发作有关。

      除了引起呼吸系统疾病，颗粒物还对心血管系统、神经系统、生殖系统具有一定的危害性，并引起突变和癌症的发生。颗粒物与心血管疾病发病率和死亡率增加有关，研究表明：颗粒物可引发健康个体的副交感神经功能障碍，从而诱导心血管疾病的发生，其对自主神经紊乱的影响呈计量依赖性。颗粒物对心血管疾病的影响存在季节和人群性的差异。谷少华等人通过对7 434例心血管疾病急救病例的统计分析显示：冷季时未见颗粒物对心血管疾病急救人次的影响有统计学意义；暖季时，大气PM10每升高10μg/m3，心血管疾病急救人次增加约2.00%，其中男性和≥65岁年龄组人群心血管疾病急救人次分别增加约2.41%和1.86%，未见PM10对女性和<65岁年龄组人群的影响有统计学意义。

      大气中颗粒物浓度的升高会导致人群中神经系统疾病的增加。其对神经系统造成的损害主要通过系统性氧化应激、炎症反应和细胞内钙稳态失调等病理机制对神经系统产生毒性效应，导致认知功能损伤或衰退，甚至诱发或加重神经退行性疾病。的流行病学研究显示，大气中PM2.5与PM10的浓度每升高10μg/m3，居民因神经系统疾病急救的人次分别增加约0.75%和0.35%。颗粒物对儿童神经心理发育影响的研究表明，大气颗粒物暴露会对儿童神经心理发育产生不良影响，引起包括儿童学习障碍、孤独症谱系障碍和儿童睡眠障碍等问题。

      血睾屏障为生殖细胞精子发生提供必要的微环境，颗粒物长期暴露可引起雄性Sprague Dawley（SD）大鼠的生殖功能障碍，并破坏血睾屏障的完整性。通过建立SD大鼠的颗粒物长期暴露模型，研究了PM2.5长期暴露对SD大鼠生殖功能的影响及其机制，结果表明：高剂量组和低剂量组雌鼠受孕率比对照组分别低50%和30%，精子的数量和质量下降，生精小管结构紊乱，管腔精子数减少，部分次级精母细胞脱落至管腔，睾丸组织中Conneₓin43蛋白表达下降，血睾屏障破坏。采用液相色谱-质谱联用技术研究了PM2.5对大鼠睾丸的代谢破坏作用和生殖毒性机制，颗粒物引起氨基酸和核苷酸代谢紊乱，甾体激素代谢失调和脂质代谢异常等一系列问题，而这些重要通路可能是PM2.5生殖毒性的关键分子事件。

      上皮间质转化是肿瘤发展的重要过程，入肺颗粒物可促进肺癌细胞中Smad1蛋白的介导信号通路，诱发和促进上皮间质转化。通过将柴油机颗粒物作用于正常支气管上皮细胞，从表皮生长耐受体、磷酸肌醇-3激酶、蛋白激酶的变化探讨柴油颗粒潜在致癌机制及对细胞毒性影响，证实柴油颗粒存在确切的细胞毒性，表皮生长耐受体表达增加可能在颗粒物导致肺癌变的过程中起到重要作用。此外，颗粒物通过炎症损伤和氧化损伤等机制诱导肿瘤形成，增加肝脏和女性生殖系统恶性肿瘤，如乳腺癌、子宫颈癌、卵巢癌和子宫内膜癌等疾病的发病率。

总结：