有害排放物生成机理与排放控制

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燃烧机理后处理排放法规三元催化

有害排放物生成机理与排放控制

看清 CO、HC、NOx、PM 每一份子从哪里冒出来，又被什么手段拦回去

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燃烧机理后处理排放法规三元催化

有害排放物生成机理与排放控制

看清 CO、HC、NOx、PM 每一份子从哪里冒出来，又被什么手段拦回去

1第 1 页 · 有害排放物生成机理与排放控制

什么是有害排放物

尾气管排出的刺鼻气味、城市上空的灰白色雾霾——这些都是发动机燃烧留下的'副产物'。不是所有燃烧产物都无害，其中明确对人体和环境有害的一类，就是'有害排放物'。

CO 一氧化碳
缺氧燃烧产物，无色无味，与血红蛋白亲和力是 O₂ 的 200 倍以上
HC 碳氢化合物
未燃或未完全燃烧的燃油，含苯、甲醛等强致癌物
NOx 氮氧化物
高温下 N₂+O₂ 直接化合，主成分 NO 在大气中氧化为 NO₂
PM 颗粒物
柴油机碳烟为主，按粒径分核模态与积聚模态，可深入肺泡
厨房炒菜对应 →发动机燃烧

要的是热与动力，但配比不对就冒油烟、糊锅——废料成分由燃烧条件决定

2第 2 页 · 什么是有害排放物

有害排放物分类与危害

NOx、CO、HC、PM四大类排放物及其危害一览

有害排放物分类与危害
NOx、CO、HC、PM四大类排放物及其危害一览
3第 3 页 · 有害排放物分类与危害
燃烧化学NOx机理排放控制高温反应

NO的生成机理

从分子层面看清NOx如何在火焰中诞生，又如何被工程手段精准抑制

4第 4 页 · NO的生成机理

热力型NO的生成

热力型NO按Zeldovich链式机理生成：先高温点火，再链传递自维持。

1
高温裂解O₂
温度超过1300K，O₂断开双键变成两个高活性氧原子
2
O进攻N₂
活性O撞N₂，打断N≡N三键，生成NO和自由N原子
3
N进攻O₂
自由N撞O₂，再生成一个NO，同时释放新的O原子
4
链式自维持
新O继续撞N₂，循环往复直到降温或反应物耗尽
5第 5 页 · 热力型NO的生成

快速型NO的生成

快速型 NO 在火焰前沿的烃基富集区即时生成，不依赖高温，反应路径分四步推进。

1
烃基生成
CH、CH2 等烃自由基在火焰锋面从燃料中裂解出来
2
击破N₂
烃自由基攻击 N₂ 的三键，破坏其高稳定结构
3
形成中间体
生成 HCN、NH 等含氮中间产物
4
氧化为NO
中间体在富燃条件下快速被氧化成 NO
6第 6 页 · 快速型NO的生成

前驱体型NO（Prompt NO）

上页说「快速型NO」生成很快，但快在哪儿？答案藏在燃料分子裂解出的中间产物里——它们叫做「前驱体」，是连接 N₂ 和 NO 的关键桥梁。

燃料裂解产生烃自由基
火焰前沿燃料分子受热裂解，生成 CH、CH₂、CH₃ 等活泼小碎片
CH 打开 N₂ 三键
CH + N₂ → HCN + N 是关键起步步，比热力型NO所需温度低得多
前驱体 HCN、NH 等
这些含氮中间产物比 N₂ 活泼得多，是后续反应的预备原料
前驱体被氧化成 NO
HCN、N、NH 遇到 O、OH、O₂，迅速被氧化为 NO
冲击钻凿开水泥墙对应 →CH 凿开 N₂ 三键

CH 像冲击钻凿穿 N≡N 厚墙，碎砖块（HCN、NH）再被氧化成 NO

CH+N2→HCN+NCH + N_2 \rightarrow HCN + N
7第 7 页 · 前驱体型NO（Prompt NO）

温度对NO生成的影响

按温度区间读取热力型NO的生成规律，关注指数拐点与关键阈值。

图解渲染中…
a2：温度分支节点，决定NO生成速率走向b3：指数增长区，工程上最关注的高排放区c2：温度阈值约1800K，是控制NO的临界参考
8第 8 页 · 温度对NO生成的影响
燃烧化学排放控制NO机理工程实践

CO和HC的生成机理

看懂CO、NOx如何在火焰中诞生，掌握源头减排与后处理的核心原理

9第 9 页 · CO和HC的生成机理

CO的生成机理

燃烧不充分导致的碳单体的形成

CO的生成机理
燃烧不充分导致的碳单体的形成
10第 10 页 · CO的生成机理

HC的生成机理

未燃燃料和部分氧化产物的多重来源

HC的生成机理
未燃燃料和部分氧化产物的多重来源
11第 11 页 · HC的生成机理
碳烟成核颗粒物演化SOF形成PM排放

PM和Soot的生成机理

看清碳烟核如何经成核、长大、氧化，最终裹挟可溶性有机物变成PM

12第 12 页 · PM和Soot的生成机理

碳烟生成的经典两步机理

经典两步机理：先颗粒从气相成核并长大，再颗粒间碰撞聚集成团，展开为四个子过程。

1
成核
多环芳烃（PAH）分子相互碰撞，凝聚成第一批纳米级微核
2
表面生长
气相烃类物质持续附着表面，使颗粒从纳米级长到几十纳米
3
凝聚
小颗粒频繁碰撞熔并成球，数密度下降，单颗粒质量倍增
4
聚集
颗粒相互粘连但不熔并，形成链状或葡萄串状团聚体
13第 13 页 · 碳烟生成的经典两步机理

可溶性有机物（SOF）的来源

未燃燃油、润滑油及不完全燃烧产物的贡献

可溶性有机物（SOF）的来
未燃燃油、润滑油及不完全燃烧产物的贡献
14第 14 页 · 可溶性有机物（SOF）的来源
空燃比点火时刻温度场排放生成

排放物生成的影响因素

看懂空燃比、点火时刻与温度场如何共同决定NO、CO、HC与PM的生成

15第 15 页 · 排放物生成的影响因素

空燃比与排放物生成的关系

从空燃比变化看三种排放物的此消彼长，越稀越干净的直觉并不完全对

图解渲染中…
λ：过量空气系数：实际空气量除以理论完全燃烧所需空气量S1：当量比混合气，理论上氧气刚好烧完所有燃料
16第 16 页 · 空燃比与排放物生成的关系

点火时刻与喷油时刻的影响

从左到右看：调时刻→改燃烧相位→经温度与浓度两条机制→影响NO与Soot等排放。

图解渲染中…
P：燃烧相位——燃烧始点与持续期的综合刻画M1：温度机制：峰值与高温驻留时间M2：浓度机制：当量比与扩散/预混比例N-S边：此消彼长——NO与Soot的工程折衷
17第 17 页 · 点火时刻与喷油时刻的影响
燃烧优化排放控制内燃机NOx与PM

汽油机机内净化技术

掌握温度、空燃比与时刻三大杠杆，把CO、HC、NOx和PM生成压到最小

18第 18 页 · 汽油机机内净化技术

废气再循环（EGR）技术

EGR通过把废气送回气缸，把火焰温度压下来，从源头抑制热力型NOx生成。

1
导出废气
从排气管前段引出一股高温废气作为再循环气源
2
冷却废气
经EGR冷却器把温度降到100~200℃左右
3
混入进气
与新鲜空气在进气管中段混合进入气缸
4
稀释充量
惰性气体挤占氧气空间，降低氧浓度
5
拉低火焰温度
高比热容气体吸热多，峰值温度显著下降
6
抑制热力型NOx
热力型NOx对温度高度敏感，温度降则NOx骤减
19第 19 页 · 废气再循环（EGR）技术

电控燃油喷射与点火优化

上页我们看到空燃比和点火时刻稍稍偏离最优窗口，排放就迅速恶化。问题来了：发动机工况每秒都在变，工程师怎么让燃烧时刻贴着最优值？答案是电控+闭环反馈。

电控喷油
ECU 根据进气量、转速、温度算出每缸每循环喷油脉宽，取代化油器
λ 闭环控制
氧传感器测排气氧浓度，ECU 毫秒级修正喷油量，把过量空气系数锁在 1
点火闭环控制
曲轴位置查 MAP 得最优提前角；爆震传感器检测到爆震，逐周回退提前角
多次喷射策略
把一次喷油拆成多次，改善雾化、控制冷启动 HC 与颗粒生成
汽车定速巡航对应 →λ 闭环反馈控制

设目标→传感器测实际→控制器微调油门，对应「λ=1→氧传感→ECU 修正脉宽」

λ=(A/F)实际(A/F)理论→闭环1\lambda = \frac{(A/F)_{实际}}{(A/F)_{理论}} \xrightarrow{\text{闭环}} 1
20第 20 页 · 电控燃油喷射与点火优化

燃烧室设计优化

前面讲了 EGR、喷油时刻等控制策略，再聪明也要靠燃烧室硬件来执行。挤气涡流让活塞「挤气」搅动混合气，分层燃烧让腔内贫富分区——两个经典设计。

挤气涡流
活塞上行至接近上止点时，挤气区气体被径向挤出，形成有组织湍流涡旋。
强化混合
涡流加速燃油与空气混合，火焰传播更快，燃烧持续期缩短。
分层燃烧
火花塞周围浓混合气可靠点火，主燃区稀混合气降低燃烧温度。
双重收益
整体稀燃降低热力型 NOₓ；局部浓区保证点火可靠，避免失火与 HC 升高。
篝火点燃对应 →分层燃烧

先点着小木屑（浓区）引火，再蔓延到大木头（稀区）燃烧

21第 21 页 · 燃烧室设计优化
柴油机高压共轨后喷策略协同控制

柴油机机内净化技术

看图弄懂共轨压力与后喷策略如何联手压低NOₓ和PM

22第 22 页 · 柴油机机内净化技术

高压共轨燃油喷射系统

高压共轨系统通过五个关键环节，实现对喷油量、时刻和压力的精确控制。

1
高压油泵升压
把燃油压力提升到1600-2000 bar，建立喷射所需的高压基础
2
共轨蓄压稳压
高压油储存于共轨管中，波动控制在±20 bar以内
3
ECU计算参数
根据转速、负荷、温度实时计算喷油量、时刻和次数
4
喷油器响应
电磁阀毫秒级开闭，按ECU指令精准控制每次喷射的起止
5
多段喷射执行
预喷+主喷+后喷分次进行，精细调控燃烧过程以降低排放
23第 23 页 · 高压共轨燃油喷射系统

废气再循环与冷却EGR

前面讲到热力型NO对温度极敏感，温度每降100°C左右，NOx生成速率就能下降数倍。问题来了：怎么主动把燃烧峰值温度压下来？EGR的思路就是「往混合气里掺点废气」。

EGR核心机理
把部分废气引回进气，与新鲜混合气混合后再进缸，废气中CO₂、H₂O、N₂等惰性组分稀释了氧浓度
三原子气体吸热效应
CO₂和H₂O的比热容比空气高，振动模式多，吸热能力强，使燃烧峰值温度显著下降
热力型NO被抑制
温度每下降约100°C，热力型NOx生成速率按指数关系急剧降低，可减少50%以上
冷却EGR的额外收益
废气经中冷器冷却后再回送，降低进气温度的同时提高充量密度，让更多新鲜空气进入气缸
EGR率的取舍
EGR率过高会导致燃烧滞燃、HC和CO上升、动力性下降，存在最优区间（柴油机常在5%~25%）
沸水里兑凉水降温对应 →EGR降低燃烧峰值温度

凉水吸收热量降低水温；废气中三原子气体热容大、吸热多，把燃烧峰值温度压低

d[NO]dt∝e−Ea/RT\frac{d[NO]}{dt} \propto e^{-E_a/RT}
24第 24 页 · 废气再循环与冷却EGR

可变几何截面增压器

上一页讲完 EGR 通过废气回流降温和降低氧浓度来抑制 NO 生成。但 EGR 引入废气也让换气变差——这时候谁来保证发动机还能「喘得过气」？答案之一就是可变几何截面增压器。

传统增压器的两难
定截面涡轮在低速排气能量不足时难以快速建压，高速又容易过增
可调喷嘴叶片
在涡轮前设置一圈可绕轴转动的导叶，旋转改变流通面积
低工况收小截面
废气流速加快，迅速带动涡轮，更早建立增压压力
高工况放大截面
降低排气背压，减少泵气损失，避免过增压
改善各工况换气
新鲜空气充量增加，残余废气减少，燃烧更充分
吹气球时嘴巴开合对应 →VGT 喷嘴环开度

嘴张小→气流快、压力大，适合低速建压；嘴张大→流量大、阻力小，适合高速大负荷

25第 25 页 · 可变几何截面增压器
尾气处理后处理三元催化贵金属催化

汽油机后处理技术

看清一台催化器如何同步把CO、HC、NOx变无害

26第 26 页 · 汽油机后处理技术

三元催化转化器（TWC）原理

三个反应在同一个催化器内并行——一个进、三个出，但前提是空燃比必须逼近理论当量。

图解渲染中…
OX：氧化反应区，贵金属 Pt/Pd 把 CO、HC 烧成 CO2、H2ORED：还原反应区，贵金属 Rh 把 NOx 还原为 N2LAM：λ≈1 是 TWC 工作的窄窗口，偏离则净化效率骤降OS：铈基储氧材料，吸收/释放 O2 以缓冲瞬时空燃比波动
27第 27 页 · 三元催化转化器（TWC）原理

TWC的工作窗口与失效机理

上一页讲了TWC三种反应同时进行。但有个前提——这些反应只在很窄的空燃比内才同时高效。偏出窗口，三效就变"单效"甚至失效。本页讲窗口在哪、怎么稳住、又是怎么被破坏的。

三效窗口极窄
TWC只在λ≈0.97~1.03（约A/F=14.4~14.9）同时高效转化CO、HC、NOx
闭环控制锁窗口
前氧传感器反馈ECU，喷油量在λ=1附近±1%震荡维持窗口
热老化失效
排温过高时Pt/Pd/Rh颗粒烧结长大，比表面积下降，效率永久衰减
硫中毒
燃油中硫在贵金属表面形成硫酸盐覆盖活性位，可热再生但累积
其他元素中毒
Pb、P、Zn、Mn等与贵金属强结合，造成不可逆失活
走钢丝对应 →三效窗口

偏浓NOx转化率骤降，偏稀CO/HC转化率骤降；偏离窗口就是掉下来

28第 28 页 · TWC的工作窗口与失效机理
柴油机后处理DPFSCR国六达标

柴油机后处理技术

搞懂DPF捕碳烟、SCR脱NOx的完整净化链路

29第 29 页 · 柴油机后处理技术

柴油机氧化催化器（DOC）

DOC 把 CO、HC、SOF 在催化剂上氧化成 CO₂ 与 H₂O，整个过程分四步。

1
尾气进入载体
高温尾气流经蜂窝陶瓷载体，污染物分子随之进入
2
吸附到活性位
CO、HC、SOF 附着在 Pt、Pd 等贵金属表面
3
与 O₂ 氧化反应
200–400°C 窗口内催化燃烧，生成 CO₂ 与 H₂O
4
净化后排出
CO 降 70–90%、HC 降 60–90%，尾气变干净
30第 30 页 · 柴油机氧化催化器（DOC）

颗粒捕捉器（DPF）再生机理

DPF碳烟累积与再生闭环：被动再生借NO2低温氧化，主动再生靠后喷提温至600°C燃烧。

图解渲染中…
A3：排温>350°C才走被动再生A4：DOC上一级提供NO2A7：主喷后额外喷少量燃油A9：压差降回正常，循环继续
31第 31 页 · 颗粒捕捉器（DPF）再生机理

选择性催化还原（SCR）

SCR通过喷射尿素溶液产生氨气，在催化剂表面将NOx还原为无害的N2和H2O。

1
尿素喷射
32.5%尿素水溶液经计量喷嘴精确喷入高温排气流
2
热解水解
尿素先热解为NH3与HNCO，HNCO水解再生成NH3
3
氨气吸附
NH3在V2O5/TiO2催化剂表面吸附形成活性中间体
4
催化还原
NH3与NO/NO2在催化剂表面反应生成N2与H2O
5
氨逃逸控制
过量NH3经氨逃逸催化器氧化为N2，防止二次污染
32第 32 页 · 选择性催化还原（SCR）

汽油机与柴油机后处理对比

汽油机后处理以三元催化为核心，柴油机以DOC+DPF+SCR组合为骨架，看似两套体系，实则在互相靠拢。

汽油机后处理
  • 三元催化器（TWC），CO/HC/NOx一站处理
  • 依赖精确空燃比，偏离窗口即失效
  • 排放以气体污染物为主，几乎无可见颗粒
  • 趋势：向稀燃探索，加装GPF处理微粒
柴油机后处理
  • DOC+DPF+SCR组合，按污染物分工处理
  • DPF再生控制与尿素精确喷射是难点
  • 排放以颗粒物（PM）和NOx为治理重点
  • 趋势：与汽油机技术融合，优化热效率
两条路线正趋于融合：汽油机加GPF捕微粒，柴油机也在精控空燃比，向对方靠拢是确定趋势。
33第 33 页 · 汽油机与柴油机后处理对比

知识总结

构建完整的有害排放物认知体系

知识总结
构建完整的有害排放物认知体系
34第 34 页 · 知识总结

课后思考

三个开放性问题深化理解

课后思考
三个开放性问题深化理解
35第 35 页 · 课后思考