内燃机排污净化PPT课件

第八章 燃料与排放,汽车排放是由燃料燃烧引起的，因此污染物种类和数量与燃料性质直接相关。但是，发动机燃料组成及其理化性质复杂，同时污染物生成机理的多元性，使得燃料和污染物的关系复杂，而且，汽车工业与石油工业之间往往缺乏足够的协调，致使相关研究滞后。 本章主要介绍燃料对发动机排放的影响，讨论汽油和柴油的改良方法及常用的代用燃料。主要内容有： 1) 燃料对排放的影响 2) 燃料的改善 3) 代用燃料,第一节 燃料对排放的影响,一、汽油对排放的影响1) 辛烷值的影响 汽油抗爆性的指标，辛烷值越高，抗爆震能力强。辛烷值低可能引起爆震，增加NOX排放，损坏发动机。较低的辛烷值会限制发动机压缩比，增加了燃油消耗率，总污染物排放量增加。烯烃是提高辛烷值的有效成分，但烯烃的热稳定性差，易形成胶质，沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。同时，活泼烯烃是光化学烟雾的前体物，容易引起光化学污染。2) 汽油挥发性的影响 汽油从液态变为气态的性质称为汽油的蒸发性。蒸发性决定了汽油混合气的质量。一般用蒸馏曲线(馏程)和37.8时测得的雷德蒸汽压RVP表示。,汽油馏出温度的范围称作馏程。将100ml试验燃料放在烧瓶中，加热产生燃料蒸气，经冷凝器凝结，滴入量筒内。第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点，随温度升高，依次测出对应油量的馏出温度。为了评价燃料的挥发性，汽油馏程主要由馏出10%、50%、90%的温度表征。 10%馏出温度标志汽油的流动性，温度低说明冷起动性能好，但过低也容易形成气阻，影响汽油机正常运转。 50%馏出温度标志汽油的平均蒸发性，影响汽油机的暖机时间、加速性及工作稳定性。温度低说明汽油的挥发性好。 90%馏出温度标志燃料中含有难于挥发的重质成分的数量。温度低时，重质成分少，有利于燃烧；温度高时，重质成分多，不易挥发，容易形成积炭或进入油底壳稀释润滑油。,汽油的雷德蒸气压RVP按季节和使用地区的气候条件适当控制。高温时严格控制RVP，减少热油产生的问题(气阻和蒸发排放)；低温时，要保证足够的RVP，获得好的起动和暖机性能。 汽油的挥发性对NOX没有影响，对CO排放影响较小。3) 汽油密度的影响 汽油密度与汽油的烃类比例有关，特别是总C/H原子比。由于挥发性不同，夏用和冬用汽油密度不同。汽油密度变化很小，它对根据标准燃料调整的发动机排放的影响小。4) 烃类组成的影响 汽油由烷烃(正构烷烃、异构烷烃和环烷烃)、烯烃和芳烃组成。,烷烃热稳定性好，但正构烷的辛烷值低，异构烷和环烷的辛烷值高，是汽油的理想成分。烯烃具有较高的辛烷值，但热稳定性差，易结胶。减少烯烃可使城市中臭氧下降20%-30%。芳烃的辛烷值高，可作辛烷值提高剂。芳烃结构稳定，燃烧速度慢，会增加HC排放。芳烃燃烧温度高，会增加NOX排放。重芳烃和其他高分子化合物在缸内形成沉积物，增加HC和NOX排放，当前汽油正逐步限制芳烃含量，特别是苯含量。5) 硫含量的影响 可降低三效催化器的转化效率，对氧传感器也有不利影响。高硫汽油还会引起车载诊断系统的混乱和误报。,6) 添加剂的影响 车用汽油的添加剂有：防止汽油爆震的抗爆剂、抑制烯烃聚合的抗氧化剂和清洗进气系统污染表面、防止喷油嘴堵塞的表面活性剂。 抗爆剂四乙基铅会使三效催化器和氧传感器失效，还能造成铅中毒。锰化合物和铁化合物也能提高辛烷值，但它们燃烧生成的氧化物对发动机有不利影响。例如，锰氧化物会使火花塞失火，锰沉积物会降低催化剂的起燃特性和稳态转化效率；铁氧化物会沉积在催化器和氧传感器上，使排放控制功能下降。 抗氧化和表面活性添加剂能改善排放，提高怠速排放的稳定性。,二、柴油对排放的影响,1) 十六烷值的影响 柴油十六烷值对滞燃期影响很大。十六烷值低，滞燃期长，NOX增加；十六烷值高，可推迟喷油，减少NOX排放。高十六烷值柴油易于自燃，可降低CO和HC排放。十六烷值对微粒影响比较复杂，低十六烷值会增加蓝白烟排放。高速柴油机4055，中低速柴油机可低于35，十六烷50后对滞燃期影响不大，65燃烧不完全。2) 黏度、密度和馏程的影响 黏度增加，雾化性差，炭烟、CO排放增加。密度过高，过度供油，微粒排放增加。较重馏分使柴油雾化变差，微粒较多。目前柴油标准未规定密度，粘度限定也较宽松。,3) 芳烃含量的影响 芳烃含量影响柴油的十六烷值。芳烃燃烧冒烟严重，柴油芳烃含量增加，微粒排放增加。HC和CO也随柴油芳烃含量增加，NOX排放受芳烃含量的影响较小，降低芳烃(燃烧温度下降)，NOX减少。4) 硫含量的影响 柴油的含硫量比汽油高，降低含硫量可减少微粒排放，降低催化剂硫中毒的几率。5) 添加剂的影响 柴油中加入碱土金属或过渡金属的环烷酸盐或硬脂酸盐，可显著降低柴油机排气的烟度，这类添加剂被称为消烟剂。微粒则先随消烟剂的增加而降低，然后逐渐上升。,第二节 燃料的改善,一、汽油的改善 使用无铅汽油，降低硫含量。降低烯烃含量，以降低排气臭氧生成活性，减少缸内沉积物。降低芳烃含量，控制汽油密度变动范围。对汽油挥发性作细致规定，保证发动机有良好的起动性，又不会引起气阻、过量蒸发等问题。允许使用含氧添加剂，但对氧含量进行控制。二、柴油的改善 提高十六烷值，缩小柴油密度的变动范围，保证燃油量供给的稳定性。 降低柴油的含硫量，减少柴油芳烃含量，特别是多环芳烃的含量。,GB17930-1999,GB17930-2006 (国2）,GB17930-2006（国3）,GB17930-2011,2013年12月发布汽油国五标准 硫含量指标限值由第四阶段的50ppm降为10ppm； 锰含量指标限值由第四阶段的8mg/L降低为2mg/L； 冬季蒸气压下限由第四阶段的42kpa提高到45kpa，夏季蒸气压上限由第四阶段的68kpa降低为65kpa，并规定广东、广西和海南全年执行夏季蒸气压； 第五阶段车用汽油牌号由90号、93号、97号分别调整为89号、92号、95号，同时在标准附录中增加98号车用汽油的指标要求； 烯烃含量由第四阶段的28%降低到24%； 首次规定了密度指标，其值为 20时 720-775kg/m3。,国2柴油标准GB/T 19147-2003,国3柴油标准 GB19147-2009,GB19147-2012 (国3柴油新标）,国4柴油标准 GB19147-2012,三、我国汽柴油质量与国外汽柴油质量对比,汽油质量存在的问题：烯烃含量高；芳烃含量高；硫含量高。 轻柴油质量存在的问题：硫含量高；十六烷值低；芳烃含量高。,第三节 代用燃料,一、天然气1.资源概况 天然气是地表下岩储集层中自然存在、以轻质碳氢化合物为主体的混合物，在我国的储量丰富。预估我国天然气资源量56万亿m3，可采资源量22万亿m3 。截止到2006年底，我国探明天然气地质储量近5.5万亿m3 ，探明率仅10%。2006年我国天然气产量为584亿m3 ，预计到2010年将达到1000亿m3 。 2. 天然气特点1) 天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，但理论混合气热值要比汽油低，甲烷含量越高，相差越大。纯甲烷的理论混合气热值比汽油低10%左右。,2) 抗爆震性能好。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值为130，具有高抗爆震性能。天然气专用发动机的合理压缩比为12，允许压缩比最高可达到15，具有采用提高压缩比来提高发动机动力性、经济性的潜力。3) 混合气发火界限宽。天然气混合气具有很宽的发火界限，过量空气系数的变化范围为0.61.8，可采用稀薄燃烧技术来提高汽车的经济性和环保效益。4) 天然气的着火温度高，火焰传播速度慢，因此需要更高的点火能量。5) 天然气是清洁燃料。由于燃烧温度低，NOX生成少，天然气为气态，混合均匀，燃烧较完全，微粒排放极低。6) 天然气发动机的CO和HC排放少。,天然气与汽油主要理化性能,二、液化石油气1.资源概况 我国陆上油田和海上油田只能生产少量液化石油气，液化石油气的生产几乎全部依靠炼油厂，主要成分是丙烷和丁烷。上世纪90年代以后，我国液化石油气消费量的年均增长幅度为14.9%。我国是世界第二大液化石油气消费大国。同时，我国液化石油气产量位居世界第三。我国炼油厂大都建于油田附近，74.25的液化石油气生产和供应都集中在东北、华北、华东地区，造成运输和销售的成本增加。近年来，受液化石油气居高不下的价格和管道天然气、液化天然气及煤层气、沼气等替代燃料的影响，我国液化石油气市场遭受部分挤占。,2.LPG特点 1) LPG主要成分丙烷和丁烷的单位质量低热值高于汽油，理论混合气的热值要比汽油低6%左右，与天然气相当。 2) LPG的抗爆性能好于汽油，LPG的研究法辛烷值在100-110之间，可通过提高压缩比来改善发动机的动力性和经济性。 3) LPG的着火界限与汽油相当，比天然气的略宽，适合采用稀薄燃烧技术。 4) LPG的着火温度比汽油高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点火能量和较大的点火提前角。 5) LPG最高燃烧温度比汽油低200，有利于减少NOX。,三、 醇类燃料1.资源概况 醇类燃料包括甲醇和乙醇。甲醇可从天然气、煤、石脑油、重质燃料、木材和垃圾等物质中提炼。乙醇的原料主要是从含糖、含淀粉的农作物中提取。2.醇类特点 1) 辛烷值比汽油高，可采用高压缩比提高热效率。 2) 蒸发潜热大，发动机低温起动和低温运行性能差。 3) 常温下为液态，操作容易，储带方便。 4) 可燃界限宽，燃烧速度快，可以实现稀薄燃烧。 5) 与传统发动机技术有继承性，发动机结构变化不大。,6) 热值低，甲醇热值只有汽油的48%，乙醇只有64%。 7) 沸点低，蒸气压高，容易产生气阻。 8) 甲醇有毒，对人体有害。腐蚀性大，醇-汽油混合燃料对橡胶、塑料的溶胀作用大。 9)醇的吸水性强，混醇燃料容易发生分层。3. 醇类燃料的应用 醇类燃料在汽车上应用有三种：掺烧、纯燃料和改质。 掺烧主要是醇以不同比例掺入汽油中，甲醇、乙醇与汽油的混合燃料分别用M和E表示，其后的数字表示甲醇或乙醇的体积混合百分率。 纯燃料是指单纯燃烧甲醇或乙醇燃料。可根据燃料特点改造发动机，使得纯烧类型汽车的动力性和经济性较汽油机有较大的提高。,改质主要指甲醇改质，它利用发动机余热将甲醇改质为CO和H2，再输入缸内燃烧。4.醇类燃料的排放特性 醇类燃料排放的HC、CO和NOX比汽油低，但乙醇燃料在大幅度提高压缩比后，NOX排放增加。四、植物油 植物油一般作柴油机的替代燃料，与柴油相比，植物油热值略低，但因密度大，体积热值较接近；植物油馏分比柴油重，黏度和表面张力比柴油大，雾化困难；自燃点高，十六烷值低，发火性差，着火延迟期长；残炭高，燃烧室易生成沉积物。容易生成胶状物，堵塞油路。,几种植物油的主要性质表,未经处理的植物油含有大量的脂肪酸, 它会在发动机喷油器中凝结变硬, 最终导致严重的发动机故障。而且植物油的粘度高、挥发性差, 因此对植物油的处理就显得更重要了。植物油经简单的酯化、稀释或乳化处理后, 即可得到生物柴油。这些处理方法改善了植物油的粘度和挥发性, 因此生物柴油发动机的性能和排放要比植物油好。在这些处理方法中, 酯化是最有效最简单的方法（存在产物回收问题），目前正在研究多种处理方法。,五、氢气1.概况 氢能是公认的清洁能源，来源广，资源极其丰富，最有希望在未来替代化石能源。氢能是一种二次能源，通过一定的方法利用其它能源制取。因此，实现廉价制氢是氢能利用的根本。我国是世界氢气大国，2006年我国氢气年产量达800多万吨，是仅次于美国的世界第二大氢气生产大国。目前，我国氢气生产和消费的主要领域是合成氨。2.氢的特点 1)氢气点火能量小，是汽油最低点火能量的十分之一，使用时能可靠着火。,2)氢气火焰传播速度比汽油快5倍。3)氢气的熄火间隙只有0.06，仅为汽油的三分之一，能使火焰传播到接近气缸壁，产生更完全的燃烧；4)氢气燃烧后只产生H2O和NOX，不产生HC、CO、CO2和碳烟排放。5)氢气的可燃范围宽，稀燃极限低，即使在稀混合气，氢气也可完全燃烧。2.氢的应用 氢作为汽车燃料有两种方法：一是通过氢的燃烧从化学能转化成机械能，一是通过氢的离子化转化为电能。前者通过内燃机实现，后者则是通过燃料电池实现。氢在内燃机上的应用主要有两种途径：一种是作单一燃料；另外一种是作添加燃料。,1) 单一燃料 氢燃料供给方式有缸外预混合和缸内直接喷射两类。缸外预混合可采用化油器、进气歧管喷射和进气口喷射等方法形成混合气。 化油器输送氢燃料的氢发动机，燃料供给方法简单，但氢气点火能量小，容易产生早燃和回火等不正常燃烧。可采用低温火花塞、降低冷却液温度、进气冷却和可变气门定时等技术可以降低其早燃风险，但效果不是很好。 进气歧管喷射或进气口喷射的氢发动机，可通过控制喷射定时、点火定时或进气道喷水来解决早燃和回火问题，抑制氢发动机的非正常燃烧；会影响氢发动机的充气效率，降低发动机功率，缸内直接喷射技术可弥补这一缺点。,氢发动机主要存在两个问题：NOX排放和功率恢复。对于NOX排放，采用进气喷水、废气再循环、进气掺烧N2和C