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第七章内燃机污染物的生成与控制 本章主要内容 1 污染物的生成机理和主要影响因素 2 内燃机的排放特性 3 内燃机的排放控制 4 排气后处理 5 低排放燃料 6 排放测量与排放法规 重点内容 1 污染物的生成机理和主要影响因素 2 内燃机的排放特性 3 发动机设计的低排放考虑 4 三元催化转换器 5 柴油机的颗粒捕集器 6 排放的测量 第一节概述 一 污染物对人体及环境的危害 1 内燃机主要有害排放物 CO HC 烯烃 芳香烃 烷烃 对人体不产生直接影响 经代谢转化变成对基因有毒的光化烟雾 NOx 微粒 2 污染物对人体的危害 第一节概述 一 污染物对人体的危害 2 污染物对环境的危害l光化烟雾l酸雨l臭氧浓度变化l温室效应 第一节概述 第一节概述 二 评定内燃机对环境的污染程度的指标 1 排放物体积分数和质量浓度10 6 ppm mg m32 质量排放量g h g km3 比排放量g kw h 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 一 一氧化碳 CO 一氧化碳是碳氢化合物在燃烧过程中生成的重要的中间产物 1 生成机理2 主要影响因素 一氧化碳生成机理 在燃燃烧过程中 存在下述中间反应 氧充足的话 会发生下述反应 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 二 未燃碳氢化合物未燃碳氢化合物 HC 包括 未燃碳氢燃料未燃润滑油热分解生成的低分子量碳氢化合物 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 一 点燃式内燃机未燃HC的生成与排放的渠道 l燃烧过程中生成 气门叠开 没有参与燃烧 l曲轴箱窜气 l蒸发排放物 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 二 内燃机燃烧过程HC排放的生成机理 1 点燃式内燃机HC的生成机理1 冷激效应 使燃烧反应过程中断 化学反应停止 冷起动 暖机 怠速 出现壁面狭隙2 油膜和沉淀物吸附 挥发 3 容积淬熄4 HC的后期氧化 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 二 内燃机燃烧过程HC排放的生成机理 2 柴油机HC的生成机理未燃HC的排放主要来自1 喷油初期过稀混合气区 2 喷油后期 混合气过浓 3 喷油嘴压力室的容积 4 壁面淬熄 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 三 氮氧化物NOx主要包括以下形式 NO 90 95 NO2 少量 NO2被人体吸收后会变为硝酸 硝酸与血红蛋白结合变成变性血红蛋白 使心 肝 肾都有不良影响 N2O3 N2O N2O5 NO3这些可以忽略不计 NO NO2 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 产生来源1 空气中氮氧元素有关 产生氮氧化合物 ThermalNOx 2 燃料中微量氮化物 产生氮氧化合物 FuelNOx 生成条件高温富氧 持续时间 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 1 点燃式内燃机主要影响因素 1 空燃比 NO的排放量峰值在 a 1 1左右的略稀混合气中 2 已燃气体量 EGR ExhaustGasRecirculation 3 点火定时 推迟点火降低最高燃烧温度并缩短已燃气体在高温下的时间 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 NO的生成机理极为复杂 至今尚未完全弄清楚其生成原因 现在一种thermalNOx被广为接受的理论是泽耳多维奇机理 20世纪60年代提出 N2 O NO NN O2 NO O进一步 NO NO2 硝酸NO的生成过程比较缓慢 对温度的依赖性较大 需要吸收较高热量 一般到火焰后期才产生有关反应 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 2 柴油机 1 预混合燃烧比例 2 推迟喷油 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 四 微粒 1 在点燃式内燃机中 铅 硫酸盐为主要成分无铅汽油 可以认为点燃式内燃机基本不排放微粒 2 在柴油机中 微粒排放量高 由含碳粒子 碳烟 及其表面上吸附的多种有机物组成 后者称为有机可溶成分 SOF 碳烟生成的条件是高温缺氧碳烟生成的主要影响因素 温度和空燃比 柴油机微粒的成分 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 排放对比 1 排放的对比柴油机汽油机CO COHC HCNOx NOx 带有催化转化器 CO2 CO2 2 柴油机在整个工作过程中 排放特性比较稳定 第三节内燃机的排放特性 一 点燃式内燃机1 稳定运转状态2 瞬态运转状态1 冷起动 CO排放较高 HC较高 NOx排放很低2 暖机过程CO和HC仍然很高NOx排放增加3 加速CO和HC较高4 减速CO和HC较高 第三节内燃机的排放特性 二 柴油机1 稳定运转状态2 瞬态运转状态 第三节内燃机的排放特性 三 汽油机与柴油机排放及其耐久性的比较 1 汽油机的排放高于柴油机 2 柴油机有较好的排放耐久特性 第三节内燃机的排放特性 第四节内燃机的排放控制 一 点燃式内燃机 一 曲轴箱排放物控制系统曲轴箱通风 二 蒸发排放物控制系统解决HC 三 废气再循环 EGR 有效降低NOx 第四节内燃机的排放控制 对EGR系统的大致要求 1 废气回流量应随负荷而增大 2 暖机过程不进行EGR 3 怠速 中小负荷不进行EGR 4 高负荷不进行EGR 车用汽油机常用的三种EGR系统 汽油机电气式EGR系统简图 1 ECU2 空气滤清器3 节气门位置传感器4 电控压力转换器5 EGR控制阀6 氧传感器7 催化转换器 汽油机电磁式EGR系统简图 1 ECU2 空气滤清器3 节气门位置传感器4 EGR阀5 氧传感器6 催化转换器 第四节内燃机的排放控制 四 发动机设计的低排放考虑1 冷起动和暖机 进气和润滑油的预热 冷起动时 由于温度低 空燃比大 CO和HC2 怠速 设计高怠速CO HC高怠速排放测量3 混合气形成和空燃比 稀燃4 点火系统 第四节内燃机的排放控制 二 柴油机 一 燃烧方式和燃烧室形状1 非直喷式柴油机 碳烟高2 直喷式柴油机HC和NOx增大 第四节内燃机的排放控制 从降低排放出发 完善燃烧室设计对直喷式柴油机混合气形成和燃烧有下述要求1 滞燃期少喷油量 2 高喷油压力 3 喷油结束后 良好混合 第四节内燃机的排放控制 发展趋势 1 提高喷油压力2 增加孔数3 喷射率可控4 优化喷油定时 第四节内燃机的排放控制 一 燃烧室设计1 容积比 提高容积比2 口径比 增大口径比l缩口l凸起加大l方形3 压缩比 第四节内燃机的排放控制 二 喷油系统1 喷油泵泵喷嘴单体泵2 喷油器压力室减小 三 气流组织及多气门技术四气门 四 柴油机的排气再循环 五 增压 六 喷油定时 对直喷柴油机混合气形成和燃烧要求及发展趋势 直喷柴油机控制排放技术的发展趋势 第五节排气后处理 一 三元催化转换器原理原理 结构组成 1 净化化学反应机理及结构材料外壳载体与催化剂 减震密封衬垫性能2 影响净化过程的因素 a和温度 第五节排气后处理 1 三元催化转换器原理 过量空气系数与三元催化器效能 氧传感器的构造 三元催化转换器的转换效率与温度的关系 三元催化转换器的结构组成 三元催化转换器的结构组成 催化器活性表面的构造示意图 二 柴油机排气微粒捕集器体积型和表面型体积型 滤芯用泡沫陶瓷等材料制成 体积型特点 受热均 再生过程不易损坏 捕集效率不高 阻力大表面型微粒捕集器蜂窝陶瓷滤芯再生附加能源陶瓷载体表面 结一层20 50 m的活化层 1 贵金层铂Pt CO HC 2 Rh NOx 第五节排气后处理 柴油机排气微粒捕集器 第六节低排放燃料 一 燃料成分对排放影响1 对CO HC NOx的影响2 对碳烟和微粒排放的影响3 对臭氧形成的影响4 二氧化碳 第六节低排放燃料 一 燃料成分对排放影响 第六节低排放燃料 二 石油燃料的改善1 汽油的改善2 柴油的改善 第六节低排放燃料 三 代用燃料与排放1 天然气2 醇类3 氢4 电 第七节排放测量与排放法规 一 内燃机排气污染物的测量1 取样系统定容取样系统 CVS 第七节排放测量与排放法规 2 气体成分的测量原理1 不分光红外分析仪 NDIR 2 化学发光分析仪 CLD 3 氢火焰离子化分析仪 FID 4 气象色谱仪5 顺磁分析仪 世界各国的排放法规规定 CO和CO2用不分光红外分析仪 NDIR 测量 NOx用化学发光分析仪 CLD 测量 HC用氢火焰离子化分析仪 FID 测量 当需要从总碳氢THC中分出无甲烷碳氢化合物NMHC时 一般用气相色谱仪测量甲烷CH4 此外 内燃机排气中的氧常用顺磁分析仪测量 第七节排放测量与排放法规 第七节排放测量