第四章柴油机废气净化及后处理

1、4.5 柴油机废气净化及后处理技术v4.5.1 柴油机废气有害排放物的生成机理与影响因素v4.5.2 柴油机废气机内净化措施v4.5.3 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v柴油机HC生成机理与影响因素；v柴油机CO生成机理与影响因素；v柴油机NOx生成机理与影响因素；v柴油机排烟与微粒的生成机理与影响因素。柴油机HC生成机理与影响因素v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。v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

2、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。v柴油机火焰在壁面上的淬熄也是柴油机HC排放的来源。压力室容积对柴油机HC排放的影响v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vCO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。v小负荷时，燃气温度

3、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v影响柴油机NOx生成的主要因素有：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v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v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。v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v进气压力提高，NO减少，并

4、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。v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。柴油机负荷（燃空比）对NOx的影响v柴油机负荷增加，供油量增加即燃空比增加。v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。v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。柴油机转速对NOx的影响v分隔式燃烧室在高速时，NO浓度有所

5、升高，直喷式在中速时达到最大值。v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v柴油机排烟可分为：白烟、蓝烟（青烟）和黑烟三种。v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。v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。v正常的发动机在暖车后，一般就不再形成白烟。改

6、善起动性可减少白烟。柴油机蓝烟生成的机理与影响因素v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。v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

7、烟是矛盾的。 催化转化柴油机蓝烟控制的措施柴油机蓝烟控制的措施102030405060708090020040060080010001200140016001800 进 气 加热 至 水 温 为 60 1000r/min-8Nm 1500r/min-8Nm 2000r/min-6Nm 1000r/min-20Nm 1500r/min-20Nm 2000r/min-30Nm 1000r/min-40Nm 1500r/min-40Nm 2000r/min-40NmHC(ppm)冷却水 温度（）采用进气加热时采用进气加热时HC排放浓度及排放总量比较排放浓度及排放总量比较102030405060708

8、0900123456789 进 气 加热 至 水 温 为 60 1000r/min-8Nm 1500r/min-8Nm 2000r/min-6Nm 1000r/min-20Nm 1500r/min-20Nm 2000r/min-30Nm 1000r/min-40Nm 1500r/min-40Nm 2000r/min-40NmHC排 放 总量 ( g )冷却水 温度（）柴油机蓝烟排放控制的措施柴油机蓝烟排放控制的措施1020304050607080900100200300400500600 2000r/min-6Nm 原 机 进 气 加热 至 水 温 为 60 进 气 加热 至 水 温 为 50

9、 进 气 加热 至 水 温 为 40 HC(ppm)冷却水 温度（）203040506070800.00.51.01.52.02.53.0 2000r/min-6Nm 原 机 进 气 加热 至 水 温 为 60 进 气 加热 至 水 温 为 50 进 气 加热 至 水 温 为 40 HC排 放 总量 ( g )冷却水 温度（）2000r/min6Nm工况，工况，进气加热停止时刻不同时进气加热停止时刻不同时HC排放浓度及排放总量比较排放浓度及排放总量比较柴油机蓝烟排放控制的措施柴油机蓝烟排放控制的措施2000r/min6Nm工况不同喷油量工况不同喷油量情况下柴油机的烟度排放比较情况下柴油机的烟度

10、排放比较10203040506070809001020304050 2000r/min-6Nm 原机 进气加热至水温为5 0 ，喷油量为14m l / m i n 进气加热至水温为5 0 ，喷油量为13m l / m i n 进气加热至水温为5 0 ，喷油量为9.5 m l / m i n 进气加热至水温为5 0 ，喷油量为8.2 5 m l / m i n 进气加热至水温为5 0 ，喷油量为6.2 5 m l / m i n烟 度 (% )冷却水 温度（）1020304050607080900.000.050.100.150.200.250.30 2000r/min-6Nm 进气加热至水温为

11、5 0 ，喷油量为8.2 5 m l / m i n 使用前 使用后CO(%)冷却水 温度（）采用降低柴油机蓝烟排放的控制方案后，使用氧化催化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转化器前后柴油机的CO排放浓度和排放浓度和HC排放浓度比较排放浓度比较102030405060708090050100150200250300350400 2000r/min-6Nm 进气加热至水温为5 0 ，喷油量为8.2 5 m l / m i n 使用前 使用后HC(%)冷却水 温度（）柴油机黑烟（碳烟）生成的机理与影响因素v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）

12、：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。v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。v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。v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v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。v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

13、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。碳烟形成的数量与温度及过量空气系数的关系v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。v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。v柴油机的排气污染物主要是NOx和微

14、粒。柴油机微粒和NOx生成与过量空气系数的关系v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。v若要使燃烧后碳烟和NOx排放都很少，混合气浓度应控制在0.60.9。空气量过大则NOx排放增加；空气量过小则碳烟排放增加。v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）。柴油机不同燃烧阶段对碳烟生成的影响v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0.60.9。v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

15、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。柴油机过后喷射对碳烟生成的影响v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。v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。4.5.2 柴油机废气机内净化措施v燃烧系统;v电子控制；v供油系统v进气系统v废气再循环（EGR）v冷启动蓝烟的消除；v新型燃烧方式进展。注注.柴油机电子控制、供油系统、进气

16、系统、废气再循环、冷起动蓝烟消除以柴油机电子控制、供油系统、进气系统、废气再循环、冷起动蓝烟消除以及新型燃烧方式在前面章节中已讲过，在此故不赘述。及新型燃烧方式在前面章节中已讲过，在此故不赘述。降低柴油机排放的主要措施柴油机不同燃烧系统排放特点v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。v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、炭烟的排放相对较多。间接喷射柴油机燃烧系统的改进间接喷射柴油机燃烧系统的改进v间接喷射柴油机废气排放特点： 涡流室式：强涡流助燃、二次混合、氧浓度分区NO

17、x、PM低 预燃室式：强紊流助燃、二次混合、氧浓度分区NOx、PM低 v间接喷射柴油机的碳烟主要形成在副燃烧室：副燃烧室里形成的碳烟进入主燃烧室以后大部分被氧化，但低负荷时，由于主燃烧室温度较低，碳烟氧化速度慢，导致生成大量碳烟。降低间接喷射柴油机排气污染物的重点也在副燃烧室。v主要考虑因素：燃烧室的形状和主副燃烧室之间的容积比；预热塞的位置。主副燃烧室容积比对柴油机排放的影响及改进方案主副燃烧室容积比对柴油机排放的影响及改进方案v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。v预燃

18、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只有主燃烧室的3540%。改进燃烧室结构减少余隙容积v通过改进燃烧室减少余隙容积，减少燃烧死区对降低柴油机HC以及CO和碳烟排放都会起到积极的作用。v下图是将第一道气环上移的高位活塞环对柴油机微粒排放的影响。预热塞安装位置的优化v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。减小预热塞体积对柴油机排放的影响v减小预热塞体积同样可以减小副燃烧室内的气流死区，降低

19、间接喷射式柴油机的碳烟排放。v减小预热塞加热头的直径（从6mm减到3.5mm），可使燃油消耗率下降510g/kW.h，全负荷烟度下降0.51BSU。降低直喷式柴油机排放的措施v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。v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

20、，以促使碳烟的氧化。无涡流或低涡流降低排放对直喷式柴油机喷油系统的要求v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；v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；v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）；v根据柴油机工况优化喷油定时。柴油机排放与喷射压力的关系v提高燃油喷射压力，有助于着火后喷入气缸的燃油和空气的混合，降低扩散燃烧阶段碳烟的形成。增加喷孔数优化混合气的形成v加速扩散阶段油束与空气的混合，也可以提高增加喷油器喷孔数来实现。v但过多的喷孔由于贯

21、串力不足和油束干扰而影响效果，喷孔的多少应根据具体柴油机而定。提高喷射压力与增加喷孔数的配合v单纯增加喷孔数使油束贯穿度降低，可以提高喷射压力来弥补。此时可降低进气涡流，减少节流损失，在同样NOx排放的条件下，碳烟排放和燃油消耗都进一步降低。v重型车用柴油机的燃烧系统发展趋势：敞口燃烧室；高喷射压力；增加喷孔数；降低进气涡流。改变喷油定时对碳烟排放的影响v直接喷射柴油机，当其他参数不变，加大喷油提前角会造成更高的燃油在着火前喷入气缸，加快燃烧并较早结束燃烧过程，有利于碳烟的减少，但这会引起更高的燃烧噪声，较大的机械和热应力及较高的NO排放。提高燃油喷射速率降低碳烟排放v燃油喷射初速率提高，缩短

22、喷油持续时间，对减小碳烟的排放是有利的。柴油机全工况电控减少有害排放柴油机全工况电控减少有害排放v喷油定时控制：同时使喷油时间随柴油机转速及负荷自动调节在最佳时刻，从而控制HCNOx的排放，达到最佳值。v喷油量控制： 调节柴油机供油速率； 减少炭烟 控制加速的喷油速率及喷油量； 减少炭烟 控制起动加浓燃油量，加快暖车，减少蓝烟；vEGR率控制：减少NOx排放；v增压器控制：减少炭烟排放。措施小惯量增压器、多级增压器、可变喷嘴截面增压器。4.5.3 柴油机废气后处理技术v排气微粒捕集器及再生(CRT、SCRT) 降低微粒排放；v微粒过滤器（DPF）降低微粒；v氧化催化转换器降低微粒中可溶有机物（

23、SOF）以及气态HC和CO；v选择性还原催化转换器降低NOx排放。减少微粒排放的结果降低微粒排放的主要措施v降低柴油机微粒方法主要有高温氧化高温氧化：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。清洗清洗：让平排气通过水或油来清洗微粒，占用体积很大，而且智能降低排放的10%左右。离心分离离心分离：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

24、气缸燃烧，增加了气缸的磨损。可分离50%左右。过滤捕集器过滤捕集器：目前，降低柴油机微粒排放的排气后处理技术主要是使用微粒捕集器。微粒捕集器的工作原理v扩散扩散：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。v沉积沉积：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。v撞击撞击：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。微粒捕集器的类型v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

25、瓷。过滤效果主要是受材料孔隙尺寸的影响。v体积型微粒捕集器：被捕集的微粒聚集在过滤材料体内。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。微粒捕集再生系统v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。v清除微粒捕集器中的微粒，称为微粒捕集器的再生。微粒捕集器再生的方法v再生系统分为：主动再生系统和被

26、动再生系统。v被动再生系统：要求在车辆正常运转条件下，能达到再生条件。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。v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。微粒捕集器主动再生系统的要求v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

27、都带有旁路系统，为防止滤芯过热，在温度达到某一值时，启动旁路系统。日野（HINO）公司微粒捕集器主动再生系统原理图连续再生捕集系统CRTvJohnson 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。v催化剂将NO氧化成NO2 NO+O2NO2； 然后NO2再与微粒反应C+NO2CO2+NO+CO。v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

28、，再150300能有效工作。是极有前途的捕集系统。柴油机排气氧化催化转换器v通过氧化催化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。v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。v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。吸附性催化还原v吸附性催化还原方法用于稀燃和直喷式汽油机。在汽油机排放控制3.4.4中已经详细讲述过，故在此不赘述。柴油机降低NOx的方法v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。

29、v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。v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。柴油机的废气再循环（柴油机的废气再循环（EGR）目的：减少目的：减少NOx排放排放方式：方式： 冷式：废气经过冷却、滤清，消除炭烟之后，通冷式：废气经过冷却、滤清，消除炭烟之后，通过空滤器处进入增压器入口。优点：废气量大，降低过空滤器处进入增压器入口。优点：废气量大，降低NOx多。缺点：机构复杂，过滤装置易堵。多。缺点：机构复杂，过滤装置易堵。 热式：废气直接进入压气机出口的进气系