第四章柴油机废气净化及后处理..

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
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。
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。
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。
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。

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，结果造成柴油机 怠速或小负荷运转时HC排放高 于全负荷工况，如右图。 柴油机火焰在壁面上的淬熄也是 柴油机HC排放的来源。
4.5 柴油机废气净化及后处理技术
4.5.1 柴油机废气有害排放物的生成机理与影响因素 4.5.2 柴油机废气机内净化措施 4.5.3 柴油机废气后处理技术

4.5.1 柴油机废气有害排放物的生成机理与影响 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。


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。
柴油机NOx生成机理与影响因素
影响柴油机NOx生成的主要因素有：
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1600～1700K 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。
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。
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。
柴油机碳烟的生成机理与影响因素


碳烟产生的条件是高温和缺氧见右图。 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。 右下图为碳烟的生成过程：燃油中的 烃分子在高温缺氧的环境下热裂解， 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20～30nm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。
压力室容积对柴油机HC排放的影响

在喷油结束时，压力室容积 中仍充满柴油。在燃烧后期 和膨胀初期，这部分被加热 的柴油部分汽化，并以液态 或气态低速穿过喷嘴孔进入 气缸，缓慢与空气混合，从 而错过了主燃烧期。研究证 明，压力室残余柴油大概有 1/5以未燃HC的形式排出。
柴油机CO生成机理与影响因素
柴油机微粒和NOx生成与过量空气系数的关系


过量空气系数小于0.5的混合气， 经过燃烧以后必定生成碳烟。 若要使燃烧后碳烟和NOx排放都 很少，混合气浓度应控制在0.6～ 0.9。空气量过大则NOx排放增加； 空气量过小则碳烟排放增加。 柴油机排气中，微粒和NOx排放 规律不同，并且具有互相矛盾的 变化趋势（剪刀差）。
0.0 20 30 40 50 60 70 80
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2000r/min－6N· m工况， 进气加热停止时刻不同时HC排放浓度及排放总量比较
柴油机蓝烟排放控制的措施
50
0.30
400
2000r/min-6N¡ ¤m
柴油机过后喷射对碳烟生成的影响


柴油机由于喷油系统尤其是传统 泵管嘴系统中由于燃油压力波的 作用、喷油嘴压力室容积等影响， 在喷油结束出油阀落座后，仍有 一部分燃油流出形成过后喷射， 由于此时的温度仍然很高，由于 喷射压力不高，大多燃油喷到燃 烧区的缺氧处，导致大量碳烟的 生成。 柴油机的过后喷射对CO和HC的 排放也是不利的，因而是竭力避 免的。


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。
柴油机蓝烟生成的机理与影响因素
400
HC(ppm)
2000r/min-6N¡ ¤ m Ô» ú ½ø Æø ¼ÓÈÈÖÁˮΠÂÎ ª60¡ æ ½ø Æø ¼ÓÈÈÖÁˮΠÂÎ ª50¡ æ ½ø Æø ¼ÓÈÈÖÁˮΠÂÎ ª40¡ æ
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2.0
300
1.5
200
1.0
100
0.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
柴油机蓝烟控制的措施
1800 1600 1400 1200
HC(ppm)
9
½ø Æø ¼ÓÈÈÖÁˮΠÂÎ ª60¡ æ 1000r/min-8N¡ ¤ m 1500r/min-8N¡ ¤ m 1000r/min-20N¡ ¤ m 1500r/min-20N¡ ¤ m 1000r/min-40N¡ ¤ m 1500r/min-40N¡ ¤ m 2000r/min-6N¡ ¤ m 2000r/min-30N¡ ¤ m 2000r/min-40N¡ ¤ m
2000r/min-6N¡ ¤ m 2000r/min-30N¡ ¤ m 2000r/min-40N¡ ¤ m
1000 800 600 400 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
10
20
30
40
50
60
70
80
90
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0.20
0.15
20
0.10
10
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
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0.00 10 20 30 40 50 60 70 80 90
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30
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14ml/min 13ml/min 9.5ml/min 8.25ml/min 6.25ml/min
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8 7 6 5 4 3 2 1 0
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采用进气加热时HC排放浓度及排放总量比较
柴油机蓝烟排放控制的措施
600
3.0
2000r/min-6N¡ ¤ m Ô» ú ½ø Æø ¼ÓÈÈÖÁˮΠÂÎ ª60¡ æ ½ø Æø ¼ÓÈÈÖÁˮΠÂÎ ª50¡ æ ½ø Æø ¼ÓÈÈÖÁˮΠÂÎ ª40¡ æ
500
ÜÁ¿(g) Å× HCÅÅ·
2000r/min － 6N· m工况不同喷油 量情况下柴油机的烟度排放比较
采用降低柴油机蓝烟排放的控制方案后，使用氧化催化 转化器前后柴油机的CO排放浓度和HC排放浓度比较
柴油机黑烟（碳烟）生成的机理与影响因素


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：
进气湿度； 进气温度； 进气压力； 发动机负荷；
发动机转速。
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。
进气温度对柴油机NO的影响


柴油机不同燃烧阶段对碳烟生成的影响


柴油机混合气在预混和燃烧阶段 的状态变化见右图a箭头方向。为 降低柴油机污染物排放应缩短滞 燃期和滞燃期内喷入的燃油量， 使尽可能多的混合气a控制在 0.6～0.9。 扩散燃烧阶段混合气状态见右图b 箭头方向。喷入a <4.0的混合气 区的燃油都会生成碳烟。为防止 扩散燃烧中生成碳烟，应避免燃 油与高温缺氧的混合气混合。强 烈的气流运动及高压喷射有助于 燃油与空气的混合。