汽车排放与噪声控制（第二版）课件：车用柴油机排放污染物的生成机理及影响因素

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音控制概述直喷式柴油机分区燃烧模型及有害排放物的生成影响柴油机气态排放物生成的主要因素第一节第二节第三节柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素第四节第一节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。直喷式柴油机分区燃烧模型及有害排放物的生成第二节1喷注中燃油-空气的分布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。2涡流空气中的喷注分层模型

图4-3为喷入涡流空气中的喷注的油雾分层模型。由上述喷注中燃油-空气的分布知，喷注核心与前缘之间，燃油密度是不均匀的，其燃空比可从无穷大变化到零。于是可以根据不同区域的燃油-空气分布和燃烧机理，把喷注划分成几个区域；3涡流空气中喷注燃烧和排放物生成模型喷注燃烧过程以及缸内压力和温度的增长可用图4-4表示.影响柴油机气态排放物生成的主要因素第三节1混合气质量１.混合气的燃空比内燃机混合气的含量通常用空燃比、燃空比或燃空当量比、过量空气系数等表示，此处用燃空比表示。(１)对ＣＯ的影响燃油在燃烧时，其中的碳首先生成CO，在有足够的氧、温度及充足反应时间的条件下，CO可被氧化成CO2。无论是直接喷射式还是间接喷射式柴油机，在小负荷时，由于喷油量少，缸内气体温度低，氧化作用弱，因此CO排放浓度高。随着燃空比增加，气体温度升高，氧化作用增强，可使CO排放减少。(２)对NOx的影响NOx的生成主要受到氧气含量、燃烧温度以及燃烧产物在高温中的停留时间的影响。温度越高，氧浓度越高，反应时间越长，NO的生成量越多，对柴油机而言，燃空比较小时，即小负荷时，混合气中有较充足的氧，但燃烧室内温度较低，可以抑制NO2向NO的再转化而使NO2的浓度增加。(３)对未燃HC的影响汽油机未燃HC的生成机理也适用于柴油机，但由于两者的燃烧方式和所用燃料的不同，所以柴油机的碳氢排放物有其自身的特点:柴油中的碳氢化合物比汽油中的碳氢化合物沸点要高、分子量大、柴油机的燃烧方式使油束中燃油的热解作用难以避免，故柴油机排气中未燃或部分氧化的HC成分比汽油机的复杂。２.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。供油系统的参数及结构因素2１.喷油提前角喷油提前角对柴油机NOx、HC排放的影响较大，如果喷油提前角过大，则燃油在较低的温度和压力下喷入汽缸，结果使滞燃期延长，喷注中贫油火焰区的混合气变浓，从而增加了NOx排放量。２.喷油速率喷油速率的变化对NOx、HC及CO的排放有一定的影响，喷油器在单位时间内(或１°喷油泵凸轮轴转角内)喷入燃烧室内的燃油量称为喷油速率，提高喷油速率，缩短喷油持续时间，并且在固定喷油终点时可推迟喷油，从而能降低NOx的含量，又不致使动力性、燃油经济性恶化。３.喷油器的结构参数图4-12为试验结果，当喷孔直径由0.14ｍｍ加大至0.165ｍｍ时，NO可以降低20％~40％，而经济性只损失３％，然而，增加喷孔的直径或者减少喷孔数目，会使HC和颗粒物排放增加，喷孔大小、数目及喷油方向对排放的影响。柴油机运转参数4１.进气状态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。２.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，不过，转速变化对直喷式柴油机NO及HC排放的影响不很明显。３.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。同时燃烧室内局部区域混合气过浓或过稀的现象减少。柴油十六烷值4柴油的十六烷值对滞燃期有较大的影响。如果十六烷值低，则滞燃期较长，这使缸内在燃烧初期积聚的燃油较多，初期放热率峰值及燃烧时温度较高，因而NOx排放量较多。增加十六烷值可以改善冷起动性能、降低油耗并减少排放。图4-19是NOx排放量随柴油的十六烷值增加而降低的例子，应当指出，燃油的十六烷值较高时，具有较大的冒烟倾向。燃烧系统4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，如图4-20所示。柴油机的微粒、炭烟生成机理及其影响因素第四节1微粒的组成与特征柴油机微粒(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。微粒的生成机理2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