内燃机原理7_有害排放物的生成与控制
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详见：王建昕等编，汽车排气污染治理及催化转化器，化工出版社，1999年
（4）微粒分析 分流—稀释/温控—滤纸采集
质量检测 （ 按法规）
PM总质量 （恒温湿，µg天平）
粒径分析
＜ 0.2µm; 0.2-0.5µm; 0.5-1µm; 1-2.5µm; ＞ 2.5µm
成分分析
（研究用）
干碳 DS 可溶有机成分SOF 硫酸盐
1、NOx = NO、NO2、N2O
燃烧中主要生成NO，少量NO2
1）Thermal NO
NO生Biblioteka Baidu途径
2）Prompt NO 3）Fuel NO
影响NOx生成的三要素
温度 —— T↑，则NO平衡浓度↑ ，NO生成速率↑，
则 NO ↑（其中，生成速率影响最大）
氧浓度 —— 温度一定时，氧浓度↑，则NO ↑ 反应时间 ——
日本10-15工况—
也是由市区工况和郊区工况组成
（ 2 ）重型柴油车
发动机台架测试循环——13工况法（ECE R49） 适用于重型车（柴油车） 额定转速 5工况 +最大转矩转 速 5工况 +怠速 3工况，各点加 权作和 需要在有反拖功能的电力测 功机上试验
3、分析方法和仪器
总碳氢化合物 （ 1）标准排气分析仪 CO、 CO2 ——不分光红外分析仪 NDIR THC ——氢火焰离子分析仪 FID NO、 NOx ——化学发光法CLD （ 2）怠速排气分析 碳氢化合物 CO、 CO2 、 HC ——NDIR NO、 NOx ——电化学法 （ 3）气相色普仪（实验室分析） 通过更换色普柱，可以测量CO、 CO2 、 HC、 NO、 NO2及非常规气体，但时间周期长。 CEB-Ⅱ型排气分析仪
（ 1 ）轻型车工况法测试
美国FTP-75 ——瞬态工况
模拟城市行驶工况 分成：冷起动－热稳定－停车－ 热起动四个阶段，分别采气分析（ 加权）
轻型车排放测试—转鼓试验台
稀释 - 定容 （ CVS）
转鼓 测功机
排气 分析仪
PM 采样
欧洲NEDC（中国）—
相对稳定工况 模拟城市区（city cycle）和郊区 （ Extra Urban Driving Cycle）行 驶工况 起动后 40s后开始采气分析（欧Ⅲ 后取消 40s，并加-7℃起动），全过 程采气 1袋 欧洲工况被我国和世界上大多数国 家采用，有可能成为 国际标准。
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 E20 <0.2um 0.2-0.5um 0.5-1um 1-2.5um >2.5um
质量百分比 /%
近年来提出： 油机 PM
PM10、 PM2.5、汽
PM粒度越来越小，目前可认为绝大 部分在0.1～1μm范围（右图）
0.28
0.83 Pme /MPa
第7章 有害排放物的生成与控制
7.1 有害排放物的生成机理与影响因素
7.1.1 有害排放物的种类与危害 7.1.1
法规限制成份： CO、HC、NOx、PM （针对汽油车和柴油车） 其他有害成份： 硫化物 SOx、铅化合物、醛类、 苯类、丁二烯、柴油机排气臭味·····等
7.1.2 有害排放物的生成机理
3、未燃HC （THC）
（ 1） HC在汽油机中的生成机理
不完全燃烧 —— φa<1，例如：怠速、高负荷、加速 φa>1，混合不均、减速、失火、循 环波动 壁面淬熄效应 —— 低温、弱流动和弱湍流导致淬熄层 （Quenching layer） 窄缝处面容比大，火焰无法传入， 也称缝隙效应 • 油膜和积碳吸附 —— 混合气形成过程中，吸附HC; 燃烧过程中，“躲过”火焰; 排气过程中，脱附释放，形成排放
（ 2）废气再循环EGR
（ Exhaust Gas Recirculation）
机理 ：
、氧浓度下降→→ 燃烧 速度下降→→温度下降（如下图） • 混合气的比热容上升→→温度下降 内部 EGR？如何实现？
• CO2不活性气体
3、喷油规律优化
燃烧特性控制基本思路
喷油规律控制基本思路
－前缓后急
－前缓后急
1.2
某欧 2柴油机PM粒度分布
PM （ Soot）的生成过程
Soot 源于烃类燃料在高温缺氧下的裂解，详细机理尚不明确。 碳粒生成 （燃烧期间）
大的燃油颗粒汽化剩下的重质烃，高温脱氢碳化→焦炭 状大颗粒碳粒（PM10）
气相烃裂解、脱氢→乙烯（CH2＝CH2）乙炔（CH-CH） →聚乙炔→原子级碳粒→聚合生成碳核（约2nm ）
喷油后0.14ms 0.42ms 0.69ms 0.97ms
提高喷油压力后，混合气形成加快，燃烧加快； 油气混合均匀程度提高，燃烧温度提高，碳烟和PM下降。
？？ 会有什么负面影响
高压喷射降低排放的效果
高压喷射, Soot降低，NOx升高； 并用 EGR NOx与 PM同时降低（AVL例）
（ 2 ）柴油机
NO ：与汽油机相似，但 注意区间 碳烟：与汽油机CO相似 ，但向稀区平移 CO ：与汽油机CO相似， 过稀时回升 HC ：φa>2后，过稀和 低温使HC ↑ 注意： CO、HC远低于汽 油机，一般不超标
（注意φa范围！与汽油机比较）
7.2 排放法规及其测试方法
1、排放法规体系
（ 1 ）初期喷油速率－高； （ 2 ）初期喷油速率－低； （ 3 ）预喷射（Pilot)）； （ 4 ）预喷射＋低初喷率。
4、降低PM的基本原则
高温富氧 ——（如右图） 提高燃烧速度（高温），增压 但容易导致与NO的Trade－off关系 混合均匀 —— 柴油机本来不缺氧、但非均质
加强雾化、混合，
高压喷射、减小喷孔径 同样与 NO产生Trade－off 强化后期氧化 ——（如右下图） 无 NO的 Trade － off关系 减少润滑油消耗
增压＋EGR＋中冷
降低 PM 降低 NOx 降低 NOx
现代低排放柴油机-实例
降低 PM
DPF
柴油机喷雾燃烧高速摄影
普通喷射压力 （60MPa）
高压喷射 （120MPa）
排放限值 排放法规 检测方法 怠速法（自由加速烟度） 循环工况法 整车排放限值（如表8－7） 发动机排放限值（如表 8－ 10）
2、检测方法
怠速法（自由加速烟度）：环保检测、汽车修理 轻型车（总重<3.5T）——整车测试（转鼓） 工况法 重型车（总重>3.5T）——发动机测试（台架）
3、工况法测试
2、NOx排放的控制
（ 1）推迟喷油（点火）时间
主放热避开上止点 →→燃烧等容度下降 →→温度降低（对汽、柴油机都适用） 接近上止点时喷油→→滞燃期缩短→→初 期 dQB/dt 降低 →→燃烧温度降低（柴油） Trade off关系（右下图），可调范围有限 汽油机 柴油机
问题：过度推迟会使ηi、PM等恶化，即
气体燃料：CNG、LNG LPG 馏分轻，降低排烟 液体含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、 甲酯（植物油酯化）
非排气污染 控制技术
燃油系统蒸发 曲轴箱窜气
1、CO、HC排放的控制
右图是气体排放控制的基本依据 宏观 φa应尽量大于1 加强气体扰动（涡流、湍流），避 免局部φa过浓 抑制壁面 /淬熄效应、循环波动及各 缸不均匀 汽油机主要靠三效催化剂（见后） 柴油机 CO排放 柴 /汽 < 1/10 HC排放 柴 /汽 < 1/3 ~ 1/5 因此，正常工作的柴油机CO和HC不超标（从混 合气形成和燃烧机理来考虑为什么？）
如图所示（甲烷CH4火焰）， 相对 CO、 H2O等， NO 反应较慢，因此在实际 发动机燃烧结束时尚达 不到平衡浓度
反应时间（S）
2、CO
不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响 不完全燃烧 ——
φ a < 1 时：例如：起动、怠速、加速、功率混合气 φ a > 1 时：局部缺氧
热离解 —— CO2 CO 排气中生成 —— HC在排气中进一步氧化时生成CO
Particulate Size Classifier
（4）微粒分析
两种微粒稀释采集系统
稀释空气 稀释通道
CVS 全流稀释通道
二次稀释通道
稀释通道 稀释空气
CVS 分流稀释通道
7.3 排放污染物的机内净化技术
机内净化 （燃烧） 柴油机 汽油机
降低排气 污染技术
机外净化 柴油机 （后处理） 汽油机 清洁燃料 （燃料）
碳粒氧化 （燃烧后期）
遇充分的氧化氛 围，碳粒部分氧化
PM生成 （膨胀和排气）
小碳粒碰撞、聚合→较大碳粒（不规则形状、多 孔聚合物），吸附HC和硫酸盐→ PM
7.1.3 有害排放物生成的影响因素
1 、φa的影响
（1）汽油机
CO： φa ↑， CO↓（单调）； φa>1，逐渐达最低值 HC： φa ↑， HC ↓ ； φa 过大， HC回升（过稀） NO： φa<1时，还原气氛，NO ↓； φa＝ 1.1左右，高温富氧同时具备，NO达峰值； Φa>1.1后，氧化气氛，但温度下降，NO ↓
Quenching at Wall Deposits Oil film
Gaps
（ 2） HC在柴油机中的生成机理
混合不均匀 过浓或过稀
4、微粒及碳烟
PM – Particulate Matter, Soot(Smoke)
微粒的成分
成分 干碳烟（DS） 可溶性有机成分（SOF） 硫酸盐(Sulfate) 质量分数 40％～50％ 35％～45％ 5％～10％
（4）微粒分析 分流—稀释/温控—滤纸采集
质量检测 （ 按法规）
PM总质量 （恒温湿，µg天平）
粒径分析
＜ 0.2µm; 0.2-0.5µm; 0.5-1µm; 1-2.5µm; ＞ 2.5µm
成分分析
（研究用）
干碳 DS 可溶有机成分SOF 硫酸盐
1、NOx = NO、NO2、N2O
燃烧中主要生成NO，少量NO2
1）Thermal NO
NO生Biblioteka Baidu途径
2）Prompt NO 3）Fuel NO
影响NOx生成的三要素
温度 —— T↑，则NO平衡浓度↑ ，NO生成速率↑，
则 NO ↑（其中，生成速率影响最大）
氧浓度 —— 温度一定时，氧浓度↑，则NO ↑ 反应时间 ——
日本10-15工况—
也是由市区工况和郊区工况组成
（ 2 ）重型柴油车
发动机台架测试循环——13工况法（ECE R49） 适用于重型车（柴油车） 额定转速 5工况 +最大转矩转 速 5工况 +怠速 3工况，各点加 权作和 需要在有反拖功能的电力测 功机上试验
3、分析方法和仪器
总碳氢化合物 （ 1）标准排气分析仪 CO、 CO2 ——不分光红外分析仪 NDIR THC ——氢火焰离子分析仪 FID NO、 NOx ——化学发光法CLD （ 2）怠速排气分析 碳氢化合物 CO、 CO2 、 HC ——NDIR NO、 NOx ——电化学法 （ 3）气相色普仪（实验室分析） 通过更换色普柱，可以测量CO、 CO2 、 HC、 NO、 NO2及非常规气体，但时间周期长。 CEB-Ⅱ型排气分析仪
（ 1 ）轻型车工况法测试
美国FTP-75 ——瞬态工况
模拟城市行驶工况 分成：冷起动－热稳定－停车－ 热起动四个阶段，分别采气分析（ 加权）
轻型车排放测试—转鼓试验台
稀释 - 定容 （ CVS）
转鼓 测功机
排气 分析仪
PM 采样
欧洲NEDC（中国）—
相对稳定工况 模拟城市区（city cycle）和郊区 （ Extra Urban Driving Cycle）行 驶工况 起动后 40s后开始采气分析（欧Ⅲ 后取消 40s，并加-7℃起动），全过 程采气 1袋 欧洲工况被我国和世界上大多数国 家采用，有可能成为 国际标准。
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 E20 <0.2um 0.2-0.5um 0.5-1um 1-2.5um >2.5um
质量百分比 /%
近年来提出： 油机 PM
PM10、 PM2.5、汽
PM粒度越来越小，目前可认为绝大 部分在0.1～1μm范围（右图）
0.28
0.83 Pme /MPa
第7章 有害排放物的生成与控制
7.1 有害排放物的生成机理与影响因素
7.1.1 有害排放物的种类与危害 7.1.1
法规限制成份： CO、HC、NOx、PM （针对汽油车和柴油车） 其他有害成份： 硫化物 SOx、铅化合物、醛类、 苯类、丁二烯、柴油机排气臭味·····等
7.1.2 有害排放物的生成机理
3、未燃HC （THC）
（ 1） HC在汽油机中的生成机理
不完全燃烧 —— φa<1，例如：怠速、高负荷、加速 φa>1，混合不均、减速、失火、循 环波动 壁面淬熄效应 —— 低温、弱流动和弱湍流导致淬熄层 （Quenching layer） 窄缝处面容比大，火焰无法传入， 也称缝隙效应 • 油膜和积碳吸附 —— 混合气形成过程中，吸附HC; 燃烧过程中，“躲过”火焰; 排气过程中，脱附释放，形成排放
（ 2）废气再循环EGR
（ Exhaust Gas Recirculation）
机理 ：
、氧浓度下降→→ 燃烧 速度下降→→温度下降（如下图） • 混合气的比热容上升→→温度下降 内部 EGR？如何实现？
• CO2不活性气体
3、喷油规律优化
燃烧特性控制基本思路
喷油规律控制基本思路
－前缓后急
－前缓后急
1.2
某欧 2柴油机PM粒度分布
PM （ Soot）的生成过程
Soot 源于烃类燃料在高温缺氧下的裂解，详细机理尚不明确。 碳粒生成 （燃烧期间）
大的燃油颗粒汽化剩下的重质烃，高温脱氢碳化→焦炭 状大颗粒碳粒（PM10）
气相烃裂解、脱氢→乙烯（CH2＝CH2）乙炔（CH-CH） →聚乙炔→原子级碳粒→聚合生成碳核（约2nm ）
喷油后0.14ms 0.42ms 0.69ms 0.97ms
提高喷油压力后，混合气形成加快，燃烧加快； 油气混合均匀程度提高，燃烧温度提高，碳烟和PM下降。
？？ 会有什么负面影响
高压喷射降低排放的效果
高压喷射, Soot降低，NOx升高； 并用 EGR NOx与 PM同时降低（AVL例）
（ 2 ）柴油机
NO ：与汽油机相似，但 注意区间 碳烟：与汽油机CO相似 ，但向稀区平移 CO ：与汽油机CO相似， 过稀时回升 HC ：φa>2后，过稀和 低温使HC ↑ 注意： CO、HC远低于汽 油机，一般不超标
（注意φa范围！与汽油机比较）
7.2 排放法规及其测试方法
1、排放法规体系
（ 1 ）初期喷油速率－高； （ 2 ）初期喷油速率－低； （ 3 ）预喷射（Pilot)）； （ 4 ）预喷射＋低初喷率。
4、降低PM的基本原则
高温富氧 ——（如右图） 提高燃烧速度（高温），增压 但容易导致与NO的Trade－off关系 混合均匀 —— 柴油机本来不缺氧、但非均质
加强雾化、混合，
高压喷射、减小喷孔径 同样与 NO产生Trade－off 强化后期氧化 ——（如右下图） 无 NO的 Trade － off关系 减少润滑油消耗
增压＋EGR＋中冷
降低 PM 降低 NOx 降低 NOx
现代低排放柴油机-实例
降低 PM
DPF
柴油机喷雾燃烧高速摄影
普通喷射压力 （60MPa）
高压喷射 （120MPa）
排放限值 排放法规 检测方法 怠速法（自由加速烟度） 循环工况法 整车排放限值（如表8－7） 发动机排放限值（如表 8－ 10）
2、检测方法
怠速法（自由加速烟度）：环保检测、汽车修理 轻型车（总重<3.5T）——整车测试（转鼓） 工况法 重型车（总重>3.5T）——发动机测试（台架）
3、工况法测试
2、NOx排放的控制
（ 1）推迟喷油（点火）时间
主放热避开上止点 →→燃烧等容度下降 →→温度降低（对汽、柴油机都适用） 接近上止点时喷油→→滞燃期缩短→→初 期 dQB/dt 降低 →→燃烧温度降低（柴油） Trade off关系（右下图），可调范围有限 汽油机 柴油机
问题：过度推迟会使ηi、PM等恶化，即
气体燃料：CNG、LNG LPG 馏分轻，降低排烟 液体含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、 甲酯（植物油酯化）
非排气污染 控制技术
燃油系统蒸发 曲轴箱窜气
1、CO、HC排放的控制
右图是气体排放控制的基本依据 宏观 φa应尽量大于1 加强气体扰动（涡流、湍流），避 免局部φa过浓 抑制壁面 /淬熄效应、循环波动及各 缸不均匀 汽油机主要靠三效催化剂（见后） 柴油机 CO排放 柴 /汽 < 1/10 HC排放 柴 /汽 < 1/3 ~ 1/5 因此，正常工作的柴油机CO和HC不超标（从混 合气形成和燃烧机理来考虑为什么？）
如图所示（甲烷CH4火焰）， 相对 CO、 H2O等， NO 反应较慢，因此在实际 发动机燃烧结束时尚达 不到平衡浓度
反应时间（S）
2、CO
不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响 不完全燃烧 ——
φ a < 1 时：例如：起动、怠速、加速、功率混合气 φ a > 1 时：局部缺氧
热离解 —— CO2 CO 排气中生成 —— HC在排气中进一步氧化时生成CO
Particulate Size Classifier
（4）微粒分析
两种微粒稀释采集系统
稀释空气 稀释通道
CVS 全流稀释通道
二次稀释通道
稀释通道 稀释空气
CVS 分流稀释通道
7.3 排放污染物的机内净化技术
机内净化 （燃烧） 柴油机 汽油机
降低排气 污染技术
机外净化 柴油机 （后处理） 汽油机 清洁燃料 （燃料）
碳粒氧化 （燃烧后期）
遇充分的氧化氛 围，碳粒部分氧化
PM生成 （膨胀和排气）
小碳粒碰撞、聚合→较大碳粒（不规则形状、多 孔聚合物），吸附HC和硫酸盐→ PM
7.1.3 有害排放物生成的影响因素
1 、φa的影响
（1）汽油机
CO： φa ↑， CO↓（单调）； φa>1，逐渐达最低值 HC： φa ↑， HC ↓ ； φa 过大， HC回升（过稀） NO： φa<1时，还原气氛，NO ↓； φa＝ 1.1左右，高温富氧同时具备，NO达峰值； Φa>1.1后，氧化气氛，但温度下降，NO ↓
Quenching at Wall Deposits Oil film
Gaps
（ 2） HC在柴油机中的生成机理
混合不均匀 过浓或过稀
4、微粒及碳烟
PM – Particulate Matter, Soot(Smoke)
微粒的成分
成分 干碳烟（DS） 可溶性有机成分（SOF） 硫酸盐(Sulfate) 质量分数 40％～50％ 35％～45％ 5％～10％