汽车排放与噪声控制（第3版）课件：车用柴油机排放污染物的生成机理及影响因素

汽车排放与噪声控制（第3版）

车用柴油机排放污染物的生成机理及影响因素第一节概述第二节直喷式柴油机分区燃烧模型及有害排放物的生成第三节影响柴油机气态排放物生成的主要因素第四节柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素概述

柴油机排气的有害成分主要有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO2)、硫化物、颗粒物等。由于柴油机使用的混合气的平均空燃比较理论空燃比大，混合气形成与燃烧方式与汽油机不同，由此造成了柴油机与汽油机排放特性的不同。第二节

直喷式柴油机分区燃烧模型及有害排放物的生成

柴油机在压缩过程中，当活塞接近上止点前，燃料在高压下以高速喷入高温、高压空气中。喷入汽缸内的油束，又称喷注，是由数以百万计的不同尺寸的细微油滴组成的，油滴直径约为5~150μｍ。1.喷注中燃油-空气的分布图4-1油束焰体状简图１、油束横断面上油粒速度

２、油束横断面燃油分布图4-2喷入旋转气流的燃油喷注示意图根据不同区域的燃油￣空气分布和燃烧机理，把喷注划分成如下几个区域：贫油火焰区贫油火焰外围区喷注核心喷注尾部过后喷射喷在壁面上的燃油

第二节

直喷式柴油机分区燃烧模型及有害排放物的生成2.涡流空气中的喷注分层模型图4-2涡流空气中的喷注分层模型第二节

直喷式柴油机分区燃烧模型及有害排放物的生成3.涡流空气中喷注燃烧和排放物生成模型图4-4喷注燃烧过程及缸内压力和温度变化图4-5涡流空气中喷注燃烧和排放物生成第二节

直喷式柴油机分区燃烧模型及有害排放物的生成3.涡流空气中喷注燃烧和排放物生成模型图4-6多区燃烧模型中的混合物形成与燃烧

建立柴油机的燃烧模型就是为了对其动力性、经济性和排放性进行预测，并进行后续的性能优化研究。

以主流的广安博之模型为例，燃油以轴向切片在喷入汽缸后，喷注将周围的空气不断卷吸进自身内部，与此同时，油滴不断蒸发形成可燃混合气。第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素1.混合气质量图4-8

HC排放浓度随燃空比的变化１,直喷

２,直喷(增压)

３,非直喷

４,非直喷(增压)混合气的燃空比：

对CO的影响：一般地，过量空气系数和燃烧过程对CO氧化反应有很大的影响对NOX的影响:主要受到氧气含量、燃烧温度以及燃烧产物在高温中的停留时间的影响对未燃HC的影响:排放出的ＨＣ分子的结构随燃空比而变化。图4-7

混合气燃空比对CO和NOX排放的影响第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素1.混合气质量缸内空气运动与油束的配合：

提高缸内空气利用率,能改善柴油机的动力性、燃油经济性及排放性,提高空气利用率的措施可归纳为两种:一是在进气无涡流或只有微弱的涡流的条件下,提高燃油喷射压力和采用较高的初始喷射速度,使油粒细微化,并与空气较好地混合.二是采用螺旋进气道提高进气涡流强度,并适当提高喷油速度,使喷油时间、喷油速度与缸内空气涡流有较好的配合第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素2.供油系统的参数及结构因素

影响柴油机排放的供油系统参数主要有喷油提前角、喷油速率、喷油压力等，而结构因素是指喷油器的结构及尺寸，其中某些参数的变动，可能只降低某种排放物的量，却使另一种增加，或者虽能降低有害排放物的量，但会使燃油经济性及动力性恶化，因此为了净化排气而变动某些参数时需全面考虑。

喷油提前角对柴油机NOX、HC排放的影响较大.第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素喷油提前角图4-9

NO生成与喷油提前角的关系图4-10

直喷式柴油机喷油时间对排放和油耗的影响图4-10

喷油提前角对HC排放的影响

在直喷式柴油机上的试验表明,当喷油速率、喷油压力等因素不变时,增加喷孔的直径,或者减少喷孔数目,都可以使NOｘ排放量有所降低。第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素喷油器的结构参数图4-12

喷油速率对NOｘ排放的影响图4-13不同喷孔直径对NO的影响图4-14

喷油器压力室容积对HC排放的影响

进气状态通常用进气的温度、压力和湿度表示，进气温度的升高，将引起柴油机压缩温度及局部反应温度升高，这有利于ＮＯｘ的生成。第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素进气状态图4-15

进气温度对ＮＯ排放的影响图4-16进气温度对HC排放的影响图4-17进气湿度对NO排放物的影响1.预燃室式

２.直喷式3.柴油机运转参数转速：

柴油机转速的变化，会使与燃烧有关的气体流动、燃油雾化与混合气质量发生变化，而这些变化对ＮＯｘ及ＨＣ的排放都会产生影响。进气涡流：适当增加燃烧室内空气涡流的强度，可改善燃油与空气的混合，促进混合气的形成，提高混合气的均匀性，减少不完全燃烧。第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素3.柴油机运转参数图4-19涡流强度对HC浓度和油耗率的影响图4-18柴油机转速对排放物的影响负荷：对于CO排放量而言，柴油机有一个最佳负荷区第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素3.柴油机运转参数图4-20负荷对CO排放浓度的影响(S195柴油机,０号柴油)图4-21柴油机不同负荷下的ＮＯｘ排放(直喷式自然吸气车用柴油机,6×102ｍｍ×118ｍｍ,ξｃ＝１６.５)柴油十六烷值：

柴油的十六烷值对滞燃期有较大的影响.增加十六烷值可以改善冷起动性能、降低油耗并减少排放。芳香烃与多环芳香烃：

燃料中芳香烃成分是导致炭烟生成量增加的主要原因,因为芳香烃在较高温度下不易发生环破裂,相反更容易直接发生缩聚,生成多环芳香烃的炭烟前体,因此造成更多的炭烟生成,同时它也是致癌物质,因此必须控制燃料中的多环芳香烃。第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素4.燃料性质蒸馏特性T90/T95：

总体来看,随着T90/T95降低,NOX排放整体稍有降低但变化趋势随发动机不同而存在差异。密度：

随着密度增加,ＮＯｘ排放整体上升但增加幅度很小,ＨＣ排放下降.

间接式(分隔式)燃烧系统比直喷式燃烧系统的有害排放物低得多第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素5.燃烧系统图4-23世界各种型号柴油机排放物统计

图4-24~图4-26是汽油机、涡流室柴油机和增压中冷直接喷射式柴油机的CO、HC和NO的排放与平均有效压力ｐｍｅ的关系.第三节

影响柴油机气态排放物生成的主要因素5.燃烧系统图4-24汽油机与柴油机的CO排放特性比较图4-25汽油机与柴油机的HC排放特性比较图4-26汽油机与柴油机的NOX排放特性比较

柴油机微粒(又称颗粒或颗粒物)可表示为PM或PT，可定义为柴油机排气经过稀释后，在低于52℃时，通过规定滤纸，过滤在滤纸上的，除水以外的包括炭烟、可溶性有机物、硫酸盐等物质。第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素1、微粒的组成与特征

柴油机微粒的生成过程：裂解与成核表面生长和凝聚炭粒的氧化SOF的吸附与凝结第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素1、微粒的组成与特征

在以下几种情况下都会生成白烟或蓝烟。(１)因混合气浓度在燃烧界限之外，不能达到着火状态。(２)某些燃料还未达到着火温度。(３)喷油后形成的混合气虽然达到了可能着火的条件，但相对于喷油期来说，时间太短，来不及燃烧就被排出。(４)在已着火的区域内，快速产生部分燃烧产物后，火焰就熄灭了。(５)局部有未达到燃烧界限的混合气存在。第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素1、微粒的组成与特征

碳烟对于以炭烟为主的微粒的生成机理，概括地说是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的。第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素1、微粒的组成与特征图4-27炭烟的生成途径图4-28炭烟的生成与温度和过量空气系数的关系图4-29炭烟与ＮＯｘ排放之间的关系

碳烟:炭烟的生成条件是高温缺氧,这样就在炭烟和NOX排放之间相反的变化趋势第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素1、微粒的组成与特征图4-28炭烟的生成与温度和过量空气系数的关系图4-29炭烟与NOX排放之间的关系

碳烟所示为柴油机中炭烟形成的温度和过量空气系数条件,以及上止点附近时,柴

油机中各种过量空气系数的混合气在燃烧前以及燃烧后的温度.第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素1、微粒的组成与特征图4-30柴油机燃烧中炭烟与ＮＯｘ形成的温度和过量空气系数条件

碳烟在着火前(滞燃期)喷入汽缸的燃油,先和空气混合,然后才燃烧,这部分燃油的燃烧是预混合燃烧.第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素1、微粒的组成与特征图4-31柴油机着火时油束中过量空气系数分布和各截面的燃油流量图4-32预混合燃烧过程的混合气状态变化

碳烟着火以后喷入汽缸的燃油，将扩散到空气或燃气中燃烧，这个阶段的燃烧属于扩散燃烧.第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素1、微粒的组成与特征图4-33扩散燃烧过程的混合气状态变化第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素2、影响颗粒物生成的主要因素喷油压力喷油压力对柴油机颗粒物排放有很大影响。转速与负荷在整个速度范围内，涡流室燃烧室柴油机的烟度要比直喷式燃烧室柴油机的烟度低一些，而且随着转速的提高，直喷式柴油机的混合气形成与燃烧变差，从而使排烟有所增加。喷油提前角与喷油速率在直喷式柴油机中，当其他参数保持不变时，提前喷油可以降低炭烟排放。图4-34柴油机全负荷工作时，烟度随转速的变化关系图4-35柴油机烟度随负荷的变化关系第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素2、影响颗粒物生成的主要因素喷油压力喷油压力对柴油机颗粒物排放有很大影响。转速与负荷在整个速度范围内，涡流室燃烧室柴油机的烟度要比直喷式燃烧室柴油机的烟度低一些，而且随着转速的提高，直喷式柴油机的混合气形成与燃烧变差，从而使排烟有所增加。喷油提前角与喷油速率在直喷式柴油机中，当其他参数保持不变时，提前喷油可以降低炭烟排放。图4-38喷油提前角对涡流室式柴油机的排放和油耗的影响１,较低的部分负荷;２,全负荷图4-39高压喷射降低炭烟的效果第四节

柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素2、影响颗粒物生成的主要因素柴油品质柴油的十六烷值对排气烟度有明显影响。燃油中的碳氢成分，特别是芳香烃含量以及馏程，对颗粒物排放量有明显的影响。燃油中的硫含量能明显增加颗粒物排放。喷油器结构与性能