1、主要内容: 1汽油机有害排放物的生成与影响因素 2汽油机有害排放物的控制 3柴油机有害排放物的生成与影响因素 4柴油机有害排放物的控制 要求： 了解：内燃机有害排放物的危害。 理解：内燃机有害排放物生成机理。 掌握：内燃机有害排放物的组成和影响因素，控制措 施。,第一节内燃机废气排放物的组成与危害,一、内燃机废气排放物的组成 内燃机排气中基本成分是二氧化碳、水蒸气、过剩的氧气、及存下的氮气，它们是燃料与空气完全燃烧的产物，从毒物学的观点看，它们是无毒的。 排气中还含有不完全燃烧及燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化合物NOx、微粒（铅化物、黑烟、油雾等）、二氧化硫SO2
2、、臭气（甲醛、丙烯醛等）等。这些污染物总和，在柴油机中不到废气总量的1%，在汽油机中随不同工况变化较大，有时可达5%左右，大部分有毒，或有强烈的刺激性、臭味和致癌作用，因此列为有害成分。,二、内燃机废气排放物的危害 1. 一氧化碳CO的危害CO是一种无色无味的气体，它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍。CO与血红蛋白结合成羟基血红蛋白，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。一般排气中CO的浓度为34%。美国、日本的大气中CO9599%来自汽车尾气。,2. 氮氧化物NOx的危害 内燃机废气中氮氧化物绝大部分是NO，少量是NO2。NO是无色气体，高浓度NO能引起中枢神经的瘫痪及痉挛
3、，在大气中缓慢氧化成为NO2，成褐色，具有强烈的刺激气味，对肺和心肌有很强的毒害作用。NOx是形成光化学烟雾的主要成分。,排气中NOx的浓度为0.10.4%。美国、日本的大气中NOx的3255%来自汽车尾气。,*光化学烟雾 NOx 和HC在太阳能的作用下进行光化学反应，生成的过氧化物而形成的烟雾称为光化学烟雾。 主要产物：臭氧O3、过氧化酰基硝酸盐等 臭氧O3 是极强的氧化剂，有独特的臭味。,3.碳氢化合物HC的危害 碳氢化合物对人类危害最大的是环芳烃，尤其是3.4苯并芘(C20H12)，是一种很强的致癌物质。 HC也是造成光化学烟雾的主要成分。,4. 微粒PM对人类的危害 排气中微粒是指经过
4、空气稀释、温度降到52后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。 可能是固态的，也可能是液态的；包括原始微粒和二次微粒 汽油机排放的微粒主要有：铅化物、硫酸、硫酸盐和低分子物质。 柴油机微粒排放比汽油机一般高3060倍 柴油机排放的微粒主要有：碳烟及吸附的高分子有机物（未燃燃油、润滑油以及氧化裂解产物等）。,铅进入人体会引起贫血、神经麻痹、牙齿变黑等，铅还会引起催化剂中毒。 2 m以下的碳烟吸入肺部会沉积起来，而0.10.5 m的碳烟对人体的危害更大，除了致癌作用外，这种炭烟吸入肺部，会导致慢性病、肺气肿、皮肤病及变态性疾病。,颗粒越小，悬浮于空气中的时间越长，被人体吸入的可能性越
5、大。,第二节汽油机有害排放物的生成与影响因素,一、一氧化碳CO的生成机理与影响因素 1.一氧化碳CO的生成机理 生成机理：低温缺氧. 2CO22COO2; CO2+H2COH2O CO是碳氢化合物在燃烧过程中生成的中间产物。 控制CO排放的主要因素是可燃混合气的过量空气系数a。在浓混合气中a小于1，随减小而CO不断增加；在稀混合气中，CO很低，在a 1.01.1之间，CO随略微变化。 凡是影响过量空气系数的因素都是影响CO生成的因素,汽油机的主要有害排放物： CO、HC、NOx,2. 一氧化碳CO生成的影响因素过量空气系数对CO 影响： 混合气越浓，CO 的排放量越多,2. 一氧化碳CO生成的
6、影响因素 进气空气温度T0的影响： 进气温度上升，大气密度下降，而汽油密度变化很小，对化油器发动机，随进气温度升高，混合气加浓。 大气压力p的影响： 大气压力下降，空气密度下降，同样大气压力的变化会影响混合气过量空气系数。 进气管真空度的影响： 当汽车急剧减速时，发动机真空度大于负63kPa，停留在进气系统中的燃油迅速蒸发进入燃烧室，组成混合气过浓。CO显著增加到怠速时的浓度。,怠速转速的影响： 提高怠速转速，可有效降低CO排放，但怠转速过高，机械噪声会增加。,一般从净化的观点，希望怠速转速规定的高一点好。,汽油机工况对CO生成的影响 汽油机在部分负荷运转时，混合气的a接近1，CO排放量不高。
7、但多缸机如果a不同，仍会有的气缸a 1，增加CO排放量。全负荷特别是冷起动时，混合气很浓， a可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。,汽油机加速对CO、HC排放的影响,汽油机加速时的突然加浓使CO排放迅速增加。,二、汽油机HC生成机理与影响因素 1. 汽油机HC生成机理 冷激效应：燃烧室壁面对火焰的迅速冷却使火焰产生的活性自由基复合，燃烧反应链中断，使化学反应缓慢或停止。狭隙效应是冷激效应的主要表现。汽油机燃烧室中各种狭窄缝隙如活塞、活塞环与气缸壁之间，火花塞周围等地方，生成的HC占总量的5070%。 油膜和沉积物吸附：在进气和压缩行程，气缸套壁面和活塞顶上的润滑油膜会吸附未燃混合气，在燃烧末
8、期油膜会蒸发，但燃烧不完全，造成HC排放增加。,容积淬熄：在起动和暖机工况，因发动机温度低，使燃油雾化、蒸发以及混合气形成变差，导致燃烧变慢和不稳定，有可能使火焰未达到壁面前因气缸膨胀使气缸内压力温度降低造成混合气大面积淬熄，HC增加。碳氢化合物的后期氧化：错过发动机主要燃烧过程的碳氢化合物，会重新扩散到高温已燃气流中去，部分被氧化。推迟点火，提高排气温度，将有助于HC的后期氧化。,2. 过量空气系数对HC生成的影响,汽油与空气的均匀混合气在过量空气系数等于1时，理论上不产生HC，但实际不是这样的（如右图），在a 1，HC也相当高，并随a减小而迅速增加。 当混合气过稀，由于燃烧恶化，甚至有些循
9、环失火会使HC急剧增加，只有采取特殊措施（如组织快燃）才可能缓和这种趋势。,三、汽油机NOx生成机理与影响因素 1. 汽油机NOx生成机理 NOx生成的化学动力学理论基础： 泽尔多维奇（Zeldovitch）链式反应机理：高温下， N2+O=NO+N, N+O2=NO+O NOx生成的条件： 高温； 富氧； 高温持续时间。,2. 汽油机NOx生成的影响因素空燃比; 缸内未燃混合气中已燃混合气；点火定时等。 空燃比对汽油机NOx的影响：,已燃混合气最高温度对应a0.9左右的略浓混合气。不过这时氧浓度低，抑止了NO的生成。当a提高时，氧增加的效果抵消了燃气温度下降使NO生成的增加趋势。因而，NO排
10、放峰值出现在a 1.1左右的略稀混合气中（如右图）。如果a进一步增加，温度下降的效果占优势，导致NO下降。,已燃气体量对汽油机NOx的影响：,点燃式内燃机在燃烧前，燃烧室中的混合气由空气、已蒸发的燃油蒸汽和已燃气体组成。后者是前一循环留下的残余废气，或加上废气再循环EGR时的回流气组成。 已燃气体的热容比高(CO2的热容比是O2的1.5倍左右)，使发动机燃烧温度降低； 已燃气体降低混合气O2的浓度； 已燃气体降低燃烧速度，增加了燃烧时的散热，使最高燃烧温度降低。 EGR是降低Nx排放的有效措施之一。,点火定时对汽油机NOx的影响：,点火定时强烈影响汽油机NOx排放量。 推迟点火、降低最高燃烧温
11、度并缩短已燃气体停留在高温中的时间，可减少NOx排放。 用欧洲测试排放的标准循环测试时，ig每推迟1(CA)，NOx减少0.3g/kWh。 推迟点火、提高排温，也有利于HC的后期氧化，但有损于发动机燃油耗率和比功率。,第三节 汽油机废气净化措施,发动机废气净化措施：前处理机内净化后处理 一、汽油机废气前处理净化措施 1.燃料的改善 采用无铅汽油：牌号90号以上，含铅量小于0.013g/L的汽油。（现用一些含氧有机化合物，如甲基椒丁醚MTBE等）代用燃料：清洁有效的燃料，如：醇类燃料，可降低NOx和HC。,2.曲轴箱强制通风,当汽油机运转时，燃烧室中高压可燃混合气和已燃气体或多或少会通过活塞组和
12、气缸之间的间隙，进入曲轴箱。为防止曲轴箱压力过高，早期发动机直接将曲轴箱与大气相通。 为控制通风中大量未燃HC进入大气，对曲轴箱进行强制通风。 在C管中装有闭式呼吸口6，它与空气滤清器1中的净气室相通，新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱，和曲轴箱的窜气混合，经气缸盖罩通入A管，通过计量阀3控制后。吸入进气管4，从而实现窜气的再燃烧。,3.活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统,供油系统中由于温度变化，再加上汽油是益挥发性液体，燃油容易蒸发到大气中。 常用活性炭罐作为汽油蒸汽的暂存空间。发动机不运转时，来自燃油系统、油箱等的汽油蒸汽进入活性炭罐被吸附在活性炭上；当发动机运转时，利用进气管真空度将吸附在活
13、性炭上的汽油蒸汽与进入炭罐的新鲜空气一起吸入燃烧室烧掉。,二、汽油机废气机内净化措施 1.精确的混合气制备,化油器：利用流体力学的原理，基本上满足了汽油机各工况对混合气浓度的复杂要求，堪称技术的奇迹。但随着排放法规的逐步严格，需利用三效催化转换器来降低汽油机排放，而三效催化转换器在过量空气系数等于1时，才能有效地降低汽油机中3种有害成分的排放，因此化油器完成了其历史使命，逐步退出历史舞台 进气道汽油喷射（EFI）：根据进气流量喷入响应的燃油，这样控制喷油量比较精确，比较容易根据汽油机运转状态进行过量空气系数的优化，有效控制有害排放物的生成。 缸内汽油喷射（GDI）：将汽油用高压直接喷入气缸，空
14、气计量与燃油喷射量都是电子控制，对过量空气系数的控制也非常精确，因而能有效地控制汽油机有害排放物地生成。,2.精确的点火定时与可靠的点火系统,点火定时与点火能量对火焰传播有决定性影响，因此，对汽油机燃油消耗和排气污染物排放有很大影响。 点火能量的提高可以扩大混合气着火界限，提高汽油机稀混合气运转的能力，同时也可以提高汽油机的废气再循环量，降低NOx排放，提高部分负荷时的发动机功率。 采用电子式无触点系统可以根据汽油机转速与负荷优化控制汽油机的点火定时，进一步提高汽油机性能。与爆震传感器结合，还可以根据环境条件的变化来改变点火定时，壁面爆震的发生。,3.汽油机稀燃与快速燃烧系统,稀薄燃烧是指燃烧
15、空燃比大于18:1的混合气。 稀薄燃烧方式：均质和非均质（分层燃烧为主要方式）。 稀薄燃烧技术是汽油机提高部分负荷经济性与降低排放的有效措施。,4.汽油机结构参数的优化,对汽油机排放影响较大的结构参数：燃烧室；压缩比；行程缸径比；气缸容积。,1) 降低汽油机排放对燃烧室结构的要求 汽油机燃烧室形状影响火焰的传播、爆震和HC的形成。 低排放汽油机对燃烧室的一般要求：,尽可能短的火焰传播距离；如采用火花塞中置（多气 门 汽油机） 结构紧凑，尽可能小的燃烧室表面；如采用小面容比燃烧室 壁面高温部件处于火焰传播的终点； 燃烧室内应具有强烈的气流运动.,2)行程缸径比S/D及气缸容积Vh对降低汽油机排放
16、的影响,研究表明，长行程汽油机燃烧速度快，点火定时可以相对后移。长行程汽油机的最高放热率大，燃烧温度高，这些因素有利于降低汽油机的HC排放和燃油消耗，这些优点在低负荷时更为明显。 由于长行程汽油机的燃烧特点，提高了汽油机的抗爆震能力，使汽油机的压缩比可以进一步提高。在同样压缩比条件下，长行程汽油机优化燃烧室的条件也比较好。 气缸容积越大，面容比越小，气缸相对散热面积越小。 长行程与大气缸汽油机的NOx排放也会增大。,5.汽油机废气再循环技术,废气再循环的主要目的是降低NOx排放。废气再循环同时稀释混合气（但很少改变过量空气系数），减少换气损失，提高汽油机经济性。 在有足够氧气的条件下，内燃机N
17、Ox形成主要取决于发动机的燃烧温度。废气再循环是通过降低发动机燃烧温度，减少NOx排放的主要手段之一。 废气再循环降低发动机燃烧温度的途径： 提高混合气的热容比，CO2的热容比是O2的1.5倍左右，废气成分的增加，使混合气热容比提高。 降低混合气O2的浓度，由于一部分空气被废气取代，混合气中O2的浓度响应减少。 降低燃烧速度，以上两种效应使发动机燃烧温度降低，增加了燃烧时的散热，降低了最高燃烧温度。,1)废气再循环对汽油机NOx排放的影响,2)汽油机废气再循环的种类,内燃机废气再循环分为： 内部废气再循环，进、排气门重叠开启时，部分废气回流到气缸。双凸轮轴四气门或电磁气门控制汽油机可以通过可变
18、进气相位，取得较好的废气再循环效果。 外部废气再循环，把经过冷却的废气引入进气管，与新鲜混合气（汽油机）或空气（柴油机）一起进入气缸。外部废气再循环一般应用于部分负荷，满负荷时应用废气再循环影响功率，怠速时应用废气再循环影响运转稳定性。 外部废气再循环分为： 气电式废气再循环； 电磁式废气再循环。,气电式废气再循环,气电式废气再循环系统中，废气再循环量是由废气再循环阀的开度和进排气管之间压力差共同决定的，它的控制是通过控制废气再循环阀5的位置来实现。该位置主要是由作用在阀顶端的膜片上的真空腔内的负压决定的。负压由节气门后的进气管提供。为精确控制废气再循环阀的开度，在真空腔和进气管之间，有一个电
19、控压力转换器，它根据控制电脑的指令，控制废气再循环阀内真空腔的负压，以此控制废气再循环阀的位置。,电磁式废气再循环,电磁式废气再循环系统中，控制废气再循环阀的位置直接通过电磁阀，因而具有： 动态响应好； 调节精度高； 废气回流量大； 结构简单等优点。,三、汽油机废气后处理净化措施,发动机对废气后处理技术的要求： 发动机机内净化措施往往与提高功率和经济性发生冲突，并且随着排放标准的不断严格，改善工作过程机内净化的余地越来越小。 废气后处理器应满足： 较高的排气污染物转换效率； 较低的气体流通阻力。 车用内燃机废气后处理器还要考虑： 较长的使用寿命；较小的体积； 不产生新的污染物；足够的机械强度；
20、 较高的耐热性；容易维修； 可以接受的成本。,常用后处理措施：二次空气喷射；排气热反应器；再次燃烧法（后燃法）；催化反应器。,1.二次空气喷射,二次空气喷射是将新鲜空气喷射到排气门附近，使高温废气和新鲜空气接触混合，以使未燃HC、CO进一步燃烧。 右图二次空气供给装置中，二次空气由发动机驱动的叶片式空气供给泵2，通过两根软管输送，一路从化油器6下侧经回火防止阀10进入进气管；另一路通过防止废气倒流的单向阀4，经空气分配管5，送到各缸排气门附近。,2.排气热反应器,排气热反应器一般和空气二次喷射共同使用。 在过浓混合气状态下，可以在排气管紧挨排气门的地方加入氧化反应所需的空气，氧化反应热可提高排
21、气温度。 排气在高温中的滞留时间也是决定HC、CO净化效果的重要因素。为了加长这段时间，可以采用加大排气管容积和排气管绝热等措施。,排气热反应器的使用效果,净化效果在汽油机过量空气系数0.80.9最好。加入二次空气总过量空气系数在1.1。 不能降低NOx排放。,3.再次燃烧法（后燃法）,再次燃烧法是在排气管中设置点火源，使排气中的CO、HC燃烧干净。 后燃法类型： 只设置点火塞，用排气中未燃成分作燃料； 另外供给燃料形成火焰，用这种火焰作点火源（直接火焰式）。 在此燃烧法不仅结构复杂而且增加燃料消耗，浪费能源，因此很少用。,4.催化转换器,催化剂可以提高一定类型的化学反应的速度，而不消耗本身。
22、选择合适的催化剂可以使HC和CO的氧化反应在较低的温度下仍能顺利进行。 根据不同类型汽油机，催化转换器大致有： 热转换器（氧化催化转换器） ； 双床催化（氧化还原）催化转换器： 缺氧双床催化转换器； 富氧双床催化转换器。 三效催化转换器； NOx吸附催化转换器。,铅的作用： 1）抑制爆震2）减少气门与座的磨损3）毒害催化剂（60升含铅汽油就使催化剂活性降低70）,1)热转换器（氧化催化转换器）,热转换器是将排出的CO、HC等有害气体借助催化剂进一步氧化，以生成CO2和H2O。 为使反应顺利进行的条件： 引入足够的O2； 转换器必须隔热并保持在600 ； 结构合理，有足够的反应时间； 控制燃烧最
23、高温度，防止转换器烧坏。 热转换器的温度保持在反应所需最低温度600，这样的温度不是所有工况都能达到，为此在Al2O3载体上覆盖一层多孔的活性涂层Al2O3 ，比面积超过100m2/g。再在涂层上用电解方法涂覆催化物质如Pt、Rh（还原剂）、Pd等贵金属（每个转换器消耗约1g贵金属），在催化剂的作用下，CO、HC的最低反应温度可降低到250 。 贵重金属用量为：12g/dm3。 非贵重金属：CuO，NiO。起燃温度350 ,热转换器工作原理,氧化催化转换器对NOx无效，因此需要事先在燃烧室内对NOx进行削减。氧化催化方式有将空燃比设定在过浓区和稀薄区。 将空燃比设定在稀薄区，汽油机功率有所下降
24、，但经济性好，CO和HC较少，二次空气量可减少。,将空燃比设在最大功率附近的过浓区，汽油机性能下降不多，但CO、HC则增加很多。因此用空气泵将空气送入排气中，使CO、HC在氧化催化转换器内进行稳定氧化反应。 一般增加EGR对NOx进行净化。,2)双床催化（氧化还原）催化转换器,双床催化转换器是先利用排气中的还原气体CO、HC来还原NOx，然后在喷入二次空气以氧化CO和HC。 缺氧双床催化转换器必须在浓混合气状态下运行，油耗高，很不经济，目前少用。 富氧双床催化转换器汽油机的最低油耗点在富氧区，为了降低汽油机的燃油消耗率，稀燃汽油机重新兴起。这种汽油机不适合三效催化转换器，而采用富氧双床催化转换
25、器。,3)三效催化转换器,三效催化转换器是一种能同时净化NOx、CO、HC3种有害气体排放的催化转换器，它是汽油机排气废气后处理种最有效的方法。 为了同时处理这3种气体，必须保证NOx还原所需的CO、HC和H2等还原性气体和为保证CO、HC氧化反应所需的O2。所以允许的空燃比范围非常窄。 右图是过量空气系数对三效催化转换器效率的影响曲线。 NO+CO=1/2N2+CO2 NO+H2=1/2N2+H2O NO+HnCm=N2+H2O+CO2 三效催化转化器的主要成分：Pt、Rh，其余为Al2O3，NiO和CeO2,三效催化转换器闭环控制系统,为保证空气过量系数在当量比附近，三效催化转换器必须和传
26、感器（氧传感器）结合构成的闭环控制系统。 传感器测量排气中的氧含量，并将它转换成电信号输入调节器，调节器根据它来对根据进气流量传感器确定的燃油量进行校正，以保证实际过量空气系数变化在1%以内。,三效催化转换器结构,载体材料：蜂窝状陶瓷（MgO2/AL2O3/SiO2） 催化剂：Pt：Rh=5：1 Pt促进HC和CO氧化 Rh促进NOx还原,4)NOx吸附催化转换器,三效催化转换器不能满足稀燃汽油机NOx的净化要求。可以采用NOx吸附催化转换器。 转换器种含有贵金属和碱土金属作为活性成分，在稀混合气状态，NO在贵金属的催化作用下，被氧化成NO2，这样NOx都以NO2的形式出现，并和碱土金属结合，
27、排气中的HC和CO被直接氧化成H2O和CO2。 在达到碱土金属吸附极限前，将汽油机短暂进入浓混合气状态，使排气中产生足够的还原剂（CO、HC、H2等），与碱土金属中析出的NO2反应生成CO2和N2，这个过程叫NOx的吸附催化转换器的再生过程。,第四节柴油机有害排放物的生成与影响因素,柴油机HC生成机理与影响因素； 柴油机CO生成机理与影响因素； 柴油机NOx生成机理与影响因素； 柴油机排烟与微粒的生成机理与影响因素。,一、柴油机HC生成机理与影响因素,由于柴油机的工作原理是喷油压燃，燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短的多，因而受壁面冷激效应、狭隙效应、油膜、沉积物吸附作用很小，这是柴油机HC排
28、放较低的原因。 柴油机未燃HC的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过渡造成的过稀混合气区。 怠速或小负荷时，由于缸内温度较低，HC不能及时氧化，且混合气较稀，使HC排放较高。高负荷时，过量空气系数较小（1.3)，使HC较低。,柴油机火焰在壁面上的淬熄也是柴油机HC排放的来源。,二、柴油机CO生成机理与影响因素,CO的浓度在柴油机排气中中一般都很低。只有在接近冒烟极限时，才急剧增加。尽管在柴油机中有局部的缺氧区，但平均过量空气系数大于1，气缸内有足够的空气对已经形成的CO进行氧化。 小负荷时，燃气温度低而且氧化反应少，造成CO排放高。,三、柴油机NOx生成机理与影响因素,影响柴油机NOx生成的主要因
29、素有： 进气湿度； 进气温度； 进气压力； 发动机负荷； 发动机转速。,1)进气湿度对柴油机NOx的影响,无论在直喷式还是分隔式柴油机，进气湿度对柴油机NOx的影响很大。NOx随湿度的增加而减少，因为水分降低了柴油机的最高燃烧温度，对NOx的生成起到抑止作用。,2)进气温度对柴油机NO的影响,当燃空比一定时，进气温度上升，NO增加，功率有所降低。主要是由于压缩温度升高而引起局部温度升高的缘故。 在高增压发动机中必须采用中冷器，以使进气温度尽可能低，这对净化也是必要的。,3)进气压力对柴油机NOx的影响,进气压力提高，NO减少，并使功率增加。因为进气压力提高，供油量一定，相当于降低了燃空比，限值
30、了NO的生成。 当进气湿度、压力提高，温度降低时，能有效降低NO排放。据此提出进气管喷水，增压中冷等净化措施。,4)柴油机负荷（燃空比）对NOx的影响,柴油机负荷增加，供油量增加即燃空比增加。 随燃空比增加，NOx浓度也增加，到达最大值后，再增加燃空比，NO反而下降。 在燃空比小的稀混合气中，NO主要取决于温度，当燃空比随负荷增加时使温度上升，NO浓度上升。在燃空比小的浓混合气中，即使温度再升高，NO浓度主要取决于氧的浓度，因此当燃空比再增加时，由于氧浓度减小而NO浓度下降。,5)柴油机转速对NOx的影响,分隔式燃烧室在高速时，NO浓度有所升高，直喷式在中速时达到最大值。 右下图为柴油机NO的
31、等排放特性曲线，根据特性曲线可以选择排污少、功率损失较少的工况作为发动机的常用工况。,四、柴油机排烟的生成机理与影响因素,柴油机排烟可分为：白烟、蓝烟（青烟）和黑烟三种。 不同的烟色形成的原因不同，有的研究认为起决定作用的是温度：在250以下形成烟通常是白烟，从250 到着火温度形成的是蓝烟，黑烟只在着火后才出现。,白烟通常在低温起动后不久及怠速工况时发生。此时，气缸温度较低，着火不好，未经燃烧的燃料和润滑油以液滴的状态，直径在1.3m左右，随废气排出形成白烟。当气缸磨损加大，窜气、窜油时，白烟增多。 正常的发动机在暖车后，一般就不再形成白烟。改善起动性可减少白烟。,1.柴油机蓝烟生成的机理与
32、影响因素,柴油机蓝烟通常在柴油机尚未完全预热或低负荷运转时发生。此时，燃烧温度较低，约600以下，燃料着火性能不好，部分燃料和窜入燃烧室的润滑油未能完全燃烧，其中大部分是已经蒸发的油，再凝结呈微粒状态，直径比白烟小，在0.4 m以下，随废气排出而成蓝烟。这种烟的蓝色是此种大小微粒由蓝色光折射而成的。排出蓝烟时，同时有燃烧不完全的中间产物（如甲醛等）排出，因而蓝烟常带有刺激性臭味。 减少蓝烟的方法：提高燃烧室和室内空气温度;减少室内空气运动，以免燃料很快被吹散形成过稀混合气;减小燃油喷注贯穿度，避免与冷壁面相碰；进气加热;(但上述部分措施与减少黑烟是矛盾的)催化转化。,2.柴油机黑烟（碳烟）生成
33、的机理与影响因素,柴油机微粒的新概念（美国环境保护局EPA规定的稀释质量法）： 柴油机排气经过稀释后，在低于51.7时，通过带有聚四氟乙烯树脂过滤纸时，被滤纸所滤下来的物质。 微粒包括： 以碳元素为主的碳烟，未氧化或未完全氧化的的碳氢化合物、硫酸盐以及与硫酸盐结合的水和其他杂质。 高负荷时碳烟是柴油机微粒中的主要成分；低负荷时微粒中以碳氢化合物为主。 炭烟生成历程：燃烧初期大量裂解产生，燃烧后期大部分氧化消除。,1)柴油机碳烟的生成机理,碳烟产生的条件是高温和缺氧。 由于柴油机混合气极不均匀，尽管柴油机总体上是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致了碳烟的生成。 碳烟的生成过程：燃油中的烃分子在高温缺
34、氧的环境下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯；它们在不断脱氢后聚合成以碳为主的，直径2nm左右的碳烟核心；气体中的烃在这个核心表面的凝聚，以及碳烟核心之间的凝聚，使得核心的表面增大，成为直径2030nm左右的碳烟基元。至此碳烟的质量已基本确定，最后碳烟基元堆积成直径1m以下的微粒。,2)碳烟形成的数量与温度及过量空气系数的关系,碳烟形成的数量随着过量空气系数的降低而增加。温度对碳烟形成数量的影响，在16001700K之间达到最大值。压力对碳烟形成的温度和过量空气系数条件影响很小，但对碳烟形成的数量影响很大。随着压力的增加，碳烟形成的数量增加。,柴油机的CO和HC的排放低于带有三效催化转换器和过量空气
35、调节系统（闭环控制）的现代汽油机。 柴油机的排气污染物主要是NOx和微粒。,第五节 柴油机废气净化措施,一、柴油机废气前处理净化措施 1.改变燃料的性质降低十六烷值可降低碳烟，但会引起发动机工作粗暴。 2. 燃料添加剂 消烟添加剂：钡溶在油溶性硷化盐或中性盐中。钡的添加量达1g/L 时，碳烟降低50%70%。但油耗增加1%2%；钡盐有毒；使燃料灰量增加。加水乳化油：乳化油加水30%以上能显著降低碳烟。 代用燃料：如：醇类燃料、二甲醚DME等。,二、柴油机废气机内净化措施,主要包括：燃烧系统；电子控制；供油系统；进气系统；废气再循环（EGR）；冷启动蓝烟的消除；新型燃烧方式进展。,1. 柴油机不
36、同燃烧系统排放特点,分隔式柴油机燃烧系统：混合速度快；温度、燃油浓度、空气浓度分区，总体有害排放较少。炭烟的排放相对较多。,直喷式柴油机燃烧系统：燃烧室紧凑，燃油易撞壁，混合气形成时间短；空气的过量系数高；燃油易于裂解。 NOx、未燃HC的排放相对较多。,2.主副燃烧室容积比对柴油机排放的影响及改进方案,涡流室柴油机副燃烧室容积增大，副燃烧室内空气量增加，可减少碳烟的形成，但NOx增加。综合考虑碳烟和NOx排放，副燃烧室与主燃烧室的容积比选在1.071.15。 预燃室柴油机的预燃室体积过大，会降低预燃室中燃气的能量，影响预燃室中不完全燃烧的燃气和主燃烧室的空气混合，因而预燃室内柴油机预燃室体积
37、只有主燃烧室的3540%。,3.预热塞安装位置的优化,副燃烧室内预热塞或电热塞对气流的干扰应尽量小，尽量消除气流的流动死区。下图B预热塞的位置减少了气流死区，减少 了碳烟生成，使得平均有效压力的提高称为可能。,4.降低直喷式柴油机排放的措施,直喷式柴油机由于流动损失和散热损失较小，具有较高的热效率。近年来，在轿车柴油机得到广泛应用。 对高速直喷式柴油机的混合气形成和燃烧的要求： 滞燃期内，喷入气缸的燃油尽可能少，以免预混燃烧过多，使压力升高率增大，控制噪声。 燃烧前期，喷入的燃油量要适当，以控制碳烟和NOx的生成以及过高的燃烧噪声。 燃烧后期即扩散燃烧阶段，喷入的燃油很好与空气混合以减少碳烟生
38、成，这就需要很高的喷射压力。 燃油喷射结束后，剩余的空气和燃气仍能强烈混合，以促使碳烟的氧化。,5.降低排放对直喷式柴油机喷油系统的要求,提高喷油压力，从100MPa提高到150MPa甚至200MPa，特别是低转速时的喷射压力要保证； 增加喷油器的喷孔数，减小喷孔直径。前者对燃油分布均匀性很关键，而后者则可以减少燃油碰壁的数量； 可控的燃油喷射率变化历程，如靴型喷射（先缓后急）、二次喷射（预喷射加主喷射）； 根据柴油机工况优化喷油定时。,三、柴油机废气后处理净化措施,排气微粒捕集器及再生(CRT、SCRT) 降低微粒排放； 微粒过滤器（DPF）降低微粒； 氧化催化转换器降低微粒中可溶有机物（S
39、OF）以及气态HC和CO； 选择性还原催化转换器降低NOx排放。,降低微粒排放的主要措施,高温氧化：可降低80%微粒，但需要800以上的高温和4s以上的反应时间，在实际应用中不现实。 催化氧化：主要降低微粒中的SOF，但对碳烟几乎不起作用 清洗：让平排气通过水或油来清洗微粒，占用体积很大，而且只能降低排放的10%左右。 离心分离：将排气引入旋风器里，利用微粒的离心力，将微粒从气流中分离开来。由于微粒体积很小，所以只能分离约10%的微粒。 静电分离：首先将微粒进行荷电，然后吸附到极性相反的金属电极板上。分离微粒将随排气回流到气缸燃烧，增加了气缸的磨损。可分离50%左右。 过滤捕集器：目前，降低柴
40、油机微粒排放的排气后处理技术主要是使用微粒捕集器。,1.微粒捕集器,1)工作原理 扩散：布朗运动使得微粒偏离气流运动方向。当它们和过滤材料接触时，就被吸附在过滤材料上。扩散捕集的效果随微粒直径的减小、气流速度的降低和温度的升高而提高。 沉积：当排气流中的微粒和过滤材料接触时，就被拦截在过滤材料上。微粒越大，拦截捕集的效果越好。 撞击：较高速度的气流中的较大的微粒，当气流绕过过滤材料气流方向改变时，离开气流撞上过滤材料被捕集。,2)微粒捕集器的类型,表面型微粒捕集器：被捕集的微粒聚集在过滤材料的表面上。其典型材料是透气陶瓷。过滤效果主要是受材料孔隙尺寸的影响。 体积型微粒捕集器：被捕集的微粒聚集
41、在过滤材料体内。主要由陶瓷或金属纤维材料绕制而成。带有微粒的排气在体积型微粒捕集器中不断改变流动方向，微粒通过扩散、拦截和撞击聚集在纤维材料上。,3)微粒捕集再生系统,柴油机排气微粒捕集器的捕集效果已经不是技术难题。但只能把微粒从排气中过滤出来，收集在捕集器里，本身不能清除微粒。集聚的微粒会增加排气流动阻力，增加排气背压，影响柴油机的换气和正常燃烧，增加柴油机的燃油消耗。因此微粒捕集器的微粒必须及时清除，以免影响柴油机的性能。 清除微粒捕集器中的微粒，称为微粒捕集器的再生。,4)微粒捕集器再生的方法,再生系统分为：主动再生系统和被动再生系统。 被动再生系统：要求在车辆正常运转条件下，能达到再生
42、条件。为此，可运用进气节流，推迟喷油时间，进气管加热等来提高排气温度，但又使经济性恶化。最有希望的是通过催化剂降低微粒的着火温度。使用催化剂的方法：滤芯表面使用催化剂、燃油中添加催化剂。 主动再生系统：就是监视微粒的聚集情况，当需要再生时，就起动再生系统。主动再生系统有额外喷油的燃烧器系统、电加热器系统和催化剂喷射系统等。下图是几种有代表性的再生方法。,5)微粒捕集器主动再生系统的要求,带有主动再生系统的微粒捕集器必须具有的控制功能： 确定辅助再生时间 检测和控制再生时的排气温度，以免损坏过滤器； 在紧急情况下切断再生系统。现在的很多捕集器都带有旁路系统，为防止滤芯过热，在温度达到某一值时，启
43、动旁路系统。,6)连续再生捕集系统CRT,Johnson Matthey 公司开发了一种连续再生捕集系统CRT（Continuous Regeneration Trap），废气在催化器和捕集器中处理。催化器是废气进口通道的一部分，在它表面涂上一层带金属元素的微粒氧化催化剂，以降低微粒的自燃温度。,催化剂将NO氧化成NO2 NO+O2NO2； 然后NO2再与微粒反应C+NO2CO2+NO+CO。 对NOx排放没有影响，CO的生成量很少，所以对CO也没有多达影响，但能大幅度降低微粒排放。这种再生装置简单，再150300能有效工作。是极有前途的捕集系统。,2. 柴油机排气氧化催化转换器,通过氧化催化
44、转换器可以促进柴油机CO和HC的氧化。在柴油机一般排气温度条件下，碳烟不被氧化，但可以通过氧化微粒中的高沸点的HC来降低微粒排放。 采用普通柴油时，由于大量硫被氧化成SO3，它们和水或排气中的杂质结合，增加了微粒的排放量。 柴油机有效利用排气氧化催化转换器的先决条件是降低柴油的含硫量。,3. 柴油机降低NOx的方法,柴油机是富氧燃烧，因此降低汽油机排气中的NOx排放的三效催化转换器技术对柴油机不适用。 采用化学方法降低NOx的方法： NOx的分解：NOx可分解成N2和O2，但该过程进行的非常缓慢，迄今为止该方法在柴油机中没有实际运用。 NOx的氧化：在发电厂中曾使用过，但其产物为固体物质，对车用柴油机不适用。 NOx的还原：在柴油机排气中加入还原剂与NOx进行还原反应。 还原NOx的方法有： 1. 选择非催化还原；2. 非选择催化还原； 3. 选择催化还原； 4. 吸附性催化还原。 废气再循环EGR,柴油机废气后处理 （五十铃系统）,复习思考题 1、汽油机有害排放物主要有哪些，影响因素是什么，如何控制？ 1、柴油机有害排放物主要有哪些，影响因素是什么，如何控制？,
