环境管理_内燃机污染物的生成与控制

2019 12 30 内燃机原理 第八章 排气污染与控制 2019 12 30 内燃机原理 8 1概述 2019 12 30 内燃机原理 环保与节能 环境问题能源危机 2019 12 30 内燃机原理 汽车排放占大气污染物比例 2019 12 30 内燃机原理 1 CO 无色无臭无味的气体 破坏造血功能 呈中毒症状 2 NOx 指NO和NO2 NO2是褐色有刺激性的气体 3 HC 包括未燃和未完全燃烧的燃油 润滑油及其裂解产物和部分氧化产物 某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害 光化学烟雾 其中最主要的生成物是臭氧O3 它具有很强的氧化力和特殊的臭味 使橡胶裂开 植物受损 可见度降低 并刺激眼睛及咽喉 汽车的主要排放污染物 2019 12 30 内燃机原理 排气中的微粒是指经空气稀释后的排气 它是在低于52 温度下 在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上沉积的除水以外的物质 如柴油机的碳烟粒子 汽油机的铅及硫酸盐等 微粒排放 2019 12 30 内燃机原理 1 排放物的浓度C在一定排气容积中 有害排放物所占的容积 或质量 比例 称为排放物的浓度 ppm 或mg m3 浓度较大时用 而浓度较小时用ppm 1ppm 0 0001 2 排放物的质量排放量G用单位时间内 或一次试验 有害排放物的质量排放量G来衡量 单位是g h 或g 试验 3 排放物的比排放量g每单位功率小时排出污染物的质量称为比排放量 g kW h 排放指标 2019 12 30 内燃机原理 燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟 减少黑烟的主要措施 1 增加过量空气系数 但与提高柴油机的动力性相矛盾 2 改善混合气的形成 与改善柴油机工作的柔和性相矛盾 排气冒黑烟 主要发生在大负荷工况时 如加速 爬坡时 2019 12 30 内燃机原理 暖机时 一般先冒白烟 后冒蓝烟 然后变为无色 排气冒蓝烟 白烟 冷起动及怠速 低负荷运转时 气缸内温度低 燃烧不良 不同直径的柴油微粒随废气排出受光线的反射呈现出不同的颜色 白烟是由0 6 1 m的颗粒构成 而蓝烟是由0 6 m以下的颗粒构成 2019 12 30 内燃机原理 第二节有害排放物的生成 2019 12 30 内燃机原理 主要是NO NO2排出量较少 NO的产生 可以认为 氮的氧化反应发生在燃料燃烧反应所形成的环境中 其主导反应过程是 一 氮氧化物 O N2 NO NN O2 NO O 2019 12 30 内燃机原理 1 高温 2 富氧 3 充足的反应时间 促使NO生成的因素 2019 12 30 内燃机原理 燃烧过程中生成的重要的中间产物 生成的机理比较复杂 一般经历如下步骤 RH R RO2 RCHO RCO COCO在火焰中及火焰后 以缓慢的速率氧化成CO2 主要影响因素 混合气浓度 二 一氧化碳CO 2019 12 30 内燃机原理 生成与排出有三个渠道 废气 尾气 占6O 以上曲轴箱窜气由排出 占25 燃油蒸气漏泄 占15 20 左右 三 未燃碳氢化合物 HC 2019 12 30 内燃机原理 HC的生成与排出有三个渠道 其中HC总量的60 以上由废气排出 25 由曲轴箱窜气 15 20 左右从油箱 化油器等处漏泄 燃烧过程中HC生成的主要途径 2019 12 30 内燃机原理 1 活塞顶端气环与气缸壁之间形成的夹缝内的可燃混合气因火焰不能及时到达 而不能完全燃烧 2 相对冷态的气缸壁对火焰产生的热与活化基物质起着吸收的作用 促使火焰传播中断 即火焰在气缸壁表面产生激冷与淬熄现象 3 烧机油 润滑油 4 发动机瞬变工况时 点火定时 空燃比以及排气再循环值均不处于最佳状态 燃烧恶化 HC排放量增加 尤其是减速及怠速工况 5 燃烧室中沉积物的影响 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 柴油机微粒的主要成分 碳烟粒子 它是燃料在燃烧过程中经历了一系列物理化学变化后形成的 四 微粒 2019 12 30 内燃机原理 第三节影响汽油机有害排放物生成的主要因素 2019 12 30 内燃机原理 汽油机 预混燃烧 其可燃混合气浓度范围比较窄 在一些工况下 如怠速 满负荷等 经常处于浓混合气工作 因而混合气成分是影响排放的最主要的因素 一 混合气成分 2019 12 30 内燃机原理 CO 空燃比A F增加 CO浓度逐渐下降 NOx 浓度两头低 中间高 NO生成必须兼具高温 富氧两个条件 HC 两头高 中间低 与燃油消耗率的变化趋势基本一致 2019 12 30 内燃机原理 减少点火提前角 降低NO及HC均有利 但以牺牲动力性为代价 二 点火正时 2019 12 30 内燃机原理 废气再循环 NO浓度逐渐下降 但燃烧的有效性降低 动力性变差 三 吸入废气量的影响 2019 12 30 内燃机原理 对于不同的运行工况 各种有害排放物的差异很大 怠速与减速工况 是HC生成的主要工况 四 工况 2019 12 30 内燃机原理 五 负荷 负荷是通过混合气成分对燃烧产物中有害物质产生影响的 怠速与小负荷 混合气偏浓 是HC CO生成的主要工况 中等负荷 供给经济混合气 HC CO含量低 但NOx生成量增多 大负荷 供给浓混合气 HC在排气中燃烧了 CO NOx排放增多 2019 12 30 内燃机原理 六 转速 随着转速的升高 混合气经过进气系统的流速及活塞运动速度升高 CO HC排放减少 NOx与混合气的成分有关 浓混合气时缸内温度较高 NOx含量增加 稀混合气时 缸内温度较低 NOx生成量减少 提高怠速转速使混合气变稀 CO HC排放减少 2019 12 30 内燃机原理 第四节影响柴油机有害排放物生成的主要因素 2019 12 30 内燃机原理 柴油机燃烧 一种多相非均匀混合物的不稳定的燃烧过程 喷雾过程 油束形成 混合气的浓度与分布以及燃烧室形式等 对排放物生成均有复杂的影响 一 柴油机燃烧及排放物生成的特点 2019 12 30 内燃机原理 由于油雾及油蒸气在空间浓度分布不同 可大致分为稀燃火焰熄灭区 稀燃火焰区 油束心部 油束尾部和后喷部以及壁面油膜 从油束边缘到油束核心部分 局部空燃比可从无穷大变到零 根据负荷不同 各区排放物生成的性质也不一样 2019 12 30 内燃机原理 未燃HC 在低负荷时 主要产生在稀燃火焰熄灭区 在高负荷时 主要产生在油束心部 油束尾部和后喷部及壁面油膜处 CO 低负荷时 主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上生成CO 高负荷时 在油束心部 油束尾部及后喷部 因局部缺氧而产生CO NOx 在燃烧完全 供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多 碳烟 高负荷时 在油束心部 油束尾部和后喷部的氧浓度低 气体温度高 燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟 醛类 主要在稀燃火焰熄灭区 由于低温氧化而产生醛类中间产物 2019 12 30 内燃机原理 二 影响因素 1 混合气成分 2019 12 30 内燃机原理 CO 柴油机过量空气系数 1 加上柴油蒸发性比汽油小 因此柴油机的HC及CO排放浓度一般比汽油机低得多 但在接近满负荷时 A F减小 CO浓度骤增 NO 生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷工况 与汽油机不同的是 柴油机NO2的生成浓度较高 NO2浓度随A F增加而减少 碳烟 混合气变浓 排烟浓度增多 2019 12 30 内燃机原理 2 喷油时刻 2019 12 30 内燃机原理 延迟喷油是降低NOx的主要措施之一 为了在延迟喷油以后燃烧不致恶化 加强缸内气流运动 促进混合气形成 提高喷油速率以及改善喷雾质量是很有必要的 延迟喷油的同时提高喷油速率 要比单纯延迟喷油定时的效果好 2019 12 30 内燃机原理 3 燃烧室类型 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 分隔式燃烧室生成的NOx CO HC和碳烟的排放浓度均低于直喷式的 特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50 左右 原因 这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行 2019 12 30 内燃机原理 第五节有害排放物的控制 2019 12 30 内燃机原理 1 以降低排放为目标 通过改进发动机燃烧过程为主的机内处理方法 2 对燃烧排出的有害物 在排气系统等处进行后处理 3 对曲轴箱窜气或油蒸气部分进行处理 2 3 又称为机外处理方法 控制措施分类 2019 12 30 内燃机原理 使少量废气 5 20 再次循环进入气缸 因废气中含有大量的惰性气体不参与燃烧 但能吸收热量 这样就降低了燃烧温度 可抑制NOx排放 过量的废气再循环会影响发动机的正常运行 混合气的燃烧将变得不稳定 着火性变差 发动机的经济性 动力性会随之恶化 HC的排放也会增加 因此 应按发动机工况和工作条件对再循环的废气量进行合理控制 这样 就引入了废气再循环率 EGR率 的概念 一 汽油机机内净化技术 1 废气再循环 2019 12 30 内燃机原理 EGR率的控制方法有不同的结构形式 有进气负压控制式 排气压力控制式 负荷比例式及电子控制式 EGR率在5 20 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 应根据不同工况和运行条件决定是否采用废气再循环 或确定再循环系统的控制要点 1 发动机在起动 怠速 低转速小负荷及处于冷机运行时 燃烧的温度低 NOx排放低 而节气门开度小 气缸内废气稀释现象严重 不应进行废气再循环 2 在高负荷 高速或油门全开时 追求发动机输出最高的动力输出 因此 不希望进行再循环 3 要求随着负荷增加 废气再循环量应增加到允许的极限值 4 接近全负荷时 为使发动机保持足够的动力性能 即使NOX排放很高 也不允许进行EGR 5 为了实现EGR的最佳效果 要保证各缸的EGR率一致 2019 12 30 内燃机原理 使少量废气 5 20 再次循环进入气缸 降低燃烧温度 可抑制NOx生成 应根据不同工况决定是否采用废气再循环 或确定废气再循环量的多少 2019 12 30 内燃机原理 2 改进发动机设计 1 冷起动 暖机 汽油机冷起动时CO和HC排放量显著高于正常运转工况 应增大起动机功率 提高起动转速 增大点火能量 尽量缩短起动时间 在起动前对发动机进行预热 促进起动时缸内完全燃烧 发动机的润滑系和冷却系要保证发动机起动后尽快达到正常的运转温度 冬天和夏天不同 2019 12 30 内燃机原理 2 怠速排放控制 怠速时低转速省油 排放不好 汽油机较高怠速转速可降低排放 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 随着混合气调稀 CO排放不断下降 而HC又不断上升 2019 12 30 内燃机原理 3 压缩比 压缩比增加 使燃烧室内温度增加 使NOx排放增加 2019 12 30 内燃机原理 4 燃烧系统 燃烧室的形状主要影响未燃混合气的HC排放物浓度 5 进气系统 进气系统设计影响发动机动力性和经济性外也影响污染物的生成 特别是HC 理想的燃烧室形状应紧凑 表面积小 并带有一定的进气旋流 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 6 活塞组件 活塞 活塞环与气缸壁之间的间隙 对汽油机的HC排放有很大的影响 主要是HC 7 分层稀薄燃烧 NOx排放增加 2019 12 30 内燃机原理 3 电子控制燃油喷射系统 4 提高燃油的品质 2019 12 30 内燃机原理 二 汽油机机外净化技术 1 曲轴箱通风系统 从空气滤清器引出部分新鲜空气进入曲轴箱 而曲轴箱内由活塞环与气缸壁间隙泄漏下来的燃烧废气和新鲜混合气经流量调节阀 PCV阀 被吸入气缸烧掉 2019 12 30 内燃机原理 PCV阀的作用是用真空操作和可变喷嘴控制的阀 在怠速 低速小负荷时减少送入气缸的抽气量 避免混合气过稀而造成失火 在节气门全开时 气缸窜气量大 PCV阀能提供足够的流量送入气缸 从而显著降低了排气中的CO和HC的浓度 2019 12 30 内燃机原理 怠速或减速或低负荷时 进气管真空度较大 虽然PCV阀升程很高 但由于可变喷嘴截面积的原因 PCV阀开度很小 进入气缸的曲轴箱气体流量很小 大负荷时 即进气管真空度低 虽然PCV阀升程不高 但PCV阀开度很大 进入气缸的曲轴箱气体流量很大 进气管发生回火或停机时 PCV阀关闭 2019 12 30 内燃机原理 2 燃油蒸发控制系统 2019 12 30 内燃机原理 从油箱和化油器浮子室蒸发出来的汽油蒸汽 经储气罐3流入炭罐5被活性炭所吸附 当发动机工作时 由进气负压控制开启净化控制阀2 在炭罐内被吸附的汽油蒸汽与从炭罐下部 带滤网 流入的新鲜空气一起被吸入进气管 降低燃油箱和化油器浮子室向大气的HC排放 2019 12 30 内燃机原理 1 炭罐顶部的净化控制阀2 图中的限流阀8 用来控制进入进气支管的汽油蒸汽和空气的流量 发动机怠速时 传送到限流阀8膜片室的进气管真空度很小 膜片下移 致使孔径为1 40mm的限流小孔关闭 只有少量的汽油蒸汽和空气从0 76mm的限流小孔进入进气支管 以免破坏怠速时混合气的空燃比 可能造成怠速不稳或熄火 大负荷或高转速时 同时经两个限流孔进入进气支管 炭罐底部滤网堵塞会造成混合气过浓现象 2019 12 30 内燃机原理 2 燃油箱顶部的储气罐3 图中的气 液分离器3 的作用是用来分离液态汽油和汽油蒸汽 以防止液态汽油流入炭罐 三根出口朝上的通气管分别接在油箱的中央和两侧 这样 不管汽车如何倾斜 至少有一根通气管高于汽油液面 使汽油蒸汽得以经汽油蒸汽管4进入炭罐 分离出来的液态汽油从回油管2流回燃油箱 2019 12 30 内燃机原理 各类催化转换器均由金属外壳和活性催化材料组成 常见的有两种结构形式 一类是整体陶瓷峰窝结构 它在作为载体的多孔性氧化铝陶瓷表面渗透一层活性催化剂 另一类是颗粒式结构 它将催化材料浸透在大量直径为2 3mm的多孔性陶瓷小球表面 这两类转换器均应保证排气流畅 并使气流与催化剂有较大的接触面积 但催化剂的材料不同 转换器的功能也不一样 3 催化转化器 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 氧化催化转换器的作用是把排气中的CO和HC氧化成CO2和H2O 由于贵金属内在活性高 低温时的活性损失小 同时抗燃料中硫污染的能力强 因此最适合于用作催化材料 目前应用最广泛的氧化催化材料是铂 Pt 和钯 Pd 的混合物 这些氧化催化剂的转换效率随温度而变化 如图所示 在温度足够高时使用新的催化剂 对CO的转换效率可达98 99 对HC的转换效率可达95 但在温度低于25O 300 时 其转换效率急剧下降 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 三元催化剂包含铂 Pt 和铑 Rh Pt Rh在2 17的范围内 此外还含有Al2O3 NIO CeO2 氧化铈 用氧化铝作为载体材料 使用三元催化剂时 应将混合气成分严格控制在理论空燃比附近 1 这样催化剂才能促使CO及HC的氧化反应和NOx的还原反应同时进行 生成CO2 H2O及N2 而且 只有在接近理论空燃比的窄狭范围内 对这三种有害成分才有高的转换效率 这是目前车用汽油机上应用最广泛的机外净化措施 三元催化转换器 2019 12 30 内燃机原理 2019 12 30 内燃机原理 三 柴油机机内净化技术 1 增压中冷技术 采用增压中冷技术可以降低混合气的浓度 降低HC CO和NOx的排放 2019 12 30 内燃机原理 2 改进进气系统 1 进气组织2 多气门 2019 12 30 内燃机原理 3 改进喷油系统 1 高压喷射2 推迟喷油提前角3 减小喷孔直径4 减小喷嘴压力室容积5 高压共轨电控燃油喷射 2019 12 30 内燃机原理 4 改进燃烧系统 1 燃烧室容积比2 燃烧室口径比3 燃烧室形状4 适当提高压缩比 2019 12 30 内燃机原理 5 降低机油消耗 6 废气再循环 7 提高燃油品质 2019 12 30 内燃机原理 四 柴油机机外净化技术 1 微粒捕集器 整体多孔陶瓷催化过滤器 燃烧器再生系统 微粒过滤器由多孔陶瓷材料制成 其过滤效率较高 在过滤器入口前 设置一燃烧器 靠泵及喷油器向燃烧器供给少量燃油 利用排气的氧或另外供给空气 用火花塞或电热塞点燃 由高温燃气再烧掉微粒 一般经过1 2min后 即可完成再生过程 燃烧器停止工作 2019 12 30 内燃机原理 另外还有一类金属丝网过滤器一加浓排气的HC及CO组合系统 排气通过附有催化剂的金属丝网 由废气再循环或者调整喷油正时 促使排气中的HC及CO在催化作用下氧化 从而产生较高的热量将微粒烧掉 2019