第七章内燃机污染物的生成与控制.ppt

内燃机学第七章内燃机污染物的生成与控制 第一节Emissionsofcombustionengines 第一节概述 燃烧时间极短 可燃混合气不是完全均匀 燃烧不完全 排气中会出现CO和HC 汽油机中 为获得最大功率使用浓混合气 导致CO增加 为提高冷起动性能 也需浓混合气 内燃机最高燃烧温度达2000 以上 又使空中的氮在高温下氧化生成各种氮氧化物 柴油机中 可燃混合气在极短的时间内形成 混合气不均匀程度比较严重 在高温高压下缺氧的燃油会发生裂解 脱氢 生成碳烟粒子 碳烟粒子吸附末燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物 称为排气微粒 1 一氧化碳CO CO是一种无色无味的气体 它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍 CO与血红蛋白结合成成碳基血红蛋白 就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力 空气中CO的体积分数超过0 1 就会导致人体中毒 超过0 3 可在30min内使人致命 CO的毒性与时间和浓度的关系 2 碳氢化合物HC HC包括未燃和未完全燃烧的燃油 润滑油及其裂解和部分氧化产物 烷烃无味 对人体健康无直接影响 烯烃略带甜昧 有麻醉作用 对粘膜有刺激 与氮氧化物在阳光紫外线作用下形成有毒的 光化烟雾 芳香烃对血液和神经系统有害 多环芳香烃及其衍生物有致癌作用 一般认为光化学烟雾形成是参加反应的物质在日光照射下产生以臭氧为主的过氧化物 这种光化学烟雾刺激眼睛并影响神经系统 3 氮氧化物NOx NOx中绝大部分是NO 少量是NO2 NO是无色气体 本身毒性不大 在大气中缓慢氧化成NO2 NO2呈褐色 有强烈的刺激味和一氧化碳相似 氮的氧化物也趋向于存在血液中 与肺中的水气结合而形成稀硝酸 经过长时间后其后果将日趋严重 NOx是形成光化烟雾的主要因素之一 从热力学观点来看 一氧化氮是一种高焓物质 所以它的出现是因为高温造成的结果 4 微粒 微粒指经空气稀释 温度降到52 后 用涂有聚四氯乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质 微粒大多小于0 3 m 主要成分是碳及其吸附的有机物质 微粒可是固体的或液体的 液体微粒在轻负荷时可以找到 很稀的混合气不能点燃 部分氧化并裂解的燃料凝聚后由排气带出 固体微粒由碳和碳氢化合物的分子聚集而成 微粒物质在空气中飘浮容易为人们吸入身体内部 由于微粒来自碳氢化合物 这些微粒物质对于人类健康的影响还应该进一步的研究 我国汽车排放现状 一些大城市 机动车尾气排放对大气污染物的分担率已达到或超过西方国家所占的比例 1995年5月成都 6月在上海 2002年3月28日 在南宁市分别发生了光化学烟雾事件 北京市环保局对2015年的北京市大气质量进行了预测 假定2000年前机动车保有量按10 递增 2000 2001年按7 递增 2010 2015年按5 递增 2015年北京市机动车总量将达到323万辆 如果不采取进一步的控制措施 那时CO HC NOx排放总量将分别达到1992年排放总量的6 87倍 6 63倍和5 03倍 内燃机排放评价指标 1 排放物体积分数和质量浓度 单位排气体积中排放污染物的体积 称为排故物的体积分数 通常以 和10 6 百万分比 表示 质量浓度常用mg m3等计量 2 质量排放量 在要求对污染物进行总量控制时 要确定运转单位时间 按某标准进行一次测试或车辆按规定的工况组合行驶后折算到单位里程的污染物排放置 质量排故量用g h g 试验或g km等单位表示 3 比排放量 内燃机单位功所排放的污染物质量 用g kW h表示 也可以称为污染的排放率 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 一 一氮化碳 a1 co很低 只是在 a 1 0 1 1之间 co随 a略微变化 汽油机部分负荷 a接近l CO排放量不高 但多缸机如各缸 a不同 有的气缸 a 1 CO排放量增加 全负荷 冷起动时 混合气是浓的 a可小到0 8甚至更低 CO排放量很大 发动机加速时如果加浓过多 或者减速时不断油 即在瞬态运转工况下供油量控制不精确 会导致CO排放量剧增 图7 1点燃式内燃机用11种不同H C比燃料时的CO排放量与空燃比及过量空气系数的关系 图7 2直喷式柴油机污染物排放量与 a的关系 柴油机总是在 a 1下工作 CO排放量比较低 只有在负荷很大接近冒烟界限时才急剧增加 二 末燃碳氢化合物 汽油机未燃HC的生成与排放有三个渠道 1 在燃烧过程中生成并随排气排出 组织气缸扫气时 部分混合气直接进入排气 2 通过活塞与气缸之间的各间隙漏人曲轴箱的窜气 如果排入大气也构成HC排放物 3 从汽油箱 化油器等处蒸发的汽油蒸气 如果排人大气同样构成HC排放物 柴油机排出的未燃HC全由燃烧过程产生 一 汽油机 实际发动机中 即使 a 1 未然HC也有相当大的数值 并随 a的减小迅速增加 当混合气过稀 由于燃烧恶化 甚至有些循环缺火会使HC急剧增加 图7 3汽油机的排气污染物与 a的关系 1 冷激效应 壁面对火焰的冷却使火焰不能传播到缸壁表面 留下厚0 05 0 4mm的末燃或不完全燃烧的混合气 未燃HC在火焰掠过后会扩散到已燃气体中氧化 极少一部分成为未燃HC 冷起动 暖机和怠速工况时 壁温较低 淬熄层较厚 已燃气体温度较低及混合气较浓使后期氧化作用减弱 HC排放增加 在压缩 燃烧过程中被挤入狭隙内的未燃混合气在膨胀 排气过程又返回缸内温度已较低的已燃气体中 部分被氧化 其余以末燃HC形式排出 这部分HC可占总量的50 70 2 油膜和沉积物吸附 在进气和压缩过程中 气缸套壁面和活塞顶面上的润滑油膜会吸附未燃混合气的燃油蒸气 随后当混合气中燃油浓度由于燃烧而降到零时 油膜就释放出油气 由于释放时刻较迟 油气只有少部分被氧化 这种机理产生的HC占总量的25 30 在燃烧室壁面和进 排气门上生成的多孔性含碳沉积物也会吸附燃料及其蒸气 在后期释放造成HC排放 这部分约占总量的10 左右 3 容积淬熄 在冷起动和暖机工况下 因发动机温度较低致使燃油雾化 蒸发和混合气形成变差 从而导致燃烧变慢或不稳定 可能使火焰在到达壁面前因膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄 使HC排放激增 这种现象易在混合气过稀或过浓时 或排气再循环率大时 或怠速和小负荷工况下发生 加 减速瞬态工况更易发生容积淬熄 使比排放量大增 4 碳氢化合物的后期氧化 错过主燃期的HC 会重新扩散到高温已燃气体中被氧化 或部分被氧化 排放的HC是未燃的燃油及其部分氧化产物的混合物 前者大约要占40 左右 HC也在排气管路中氧化 占离开气缸的HC的万分之几到40 发动机产生最高排气温度和最长停留时间的运转工况 HC排放降低 推迟点火提高排气温度 有利于HC后期氧化 降低排气歧管处的热损失可促进后期氧化 4 在排气歧管中补入空气后排气空燃比和温度的变化 二 柴油机 柴油机是喷油压燃 燃油停留在燃烧室中的时间短 冷激效应 狭隙效应 油膜吸附 沉积物吸附作用很小 HC排放较低 混合气太稀或太浓 不能自燃或火焰不能传播造成HC 如滞燃期内 可能因为油气混合太快使混合气过稀 在喷油后期的高温燃气中 可能因为油气混合不足使混合气过浓 或者由于燃烧淬熄产生不完全燃烧产物随排气排出 但这时较重的HC多被碳烟微粒吸附 柴油机未燃HC的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气地区 柴油机 喷油器压力室容积内的柴油 在燃烧后期和膨胀初期被加热部分汽化 以液态或气态低速穿过喷嘴孔进入气缸 错过主燃期 残油腔容积中的柴油约有1 5以未燃HC的形式排出 火焰在壁面上淬熄是柴油机HC排放的一个来源 它取决于柴油喷注与燃烧室壁面的碰撞情况 采用油膜蒸发混合的柴油机 在冷起动时 大量未燃HC以微粒状排出 排气冒 白烟 因此已基本被淘汰 喷器油压力室容积 三 氮氧化物 内燃机排出的NOx主要是NO NO的主要来源是参与燃烧的空气中的氮 在 a 1附近 有关NO的主要反应为 O2 2ON2 O NO NO2 N NO OOH N O HNO的生成反应比燃烧反应慢 只有很少一部分NO产生于很薄的火焰反应带中 大部分NO在离开火焰的燃气中生成 化学动力学研究表明 当反应物温度从2500K提高到2600K时 NO的生成速率几乎翻一番 氧浓度提高也使NO生成量增加 NO2 一般火焰温度下 已燃气体中NO2的体积分数与NO相比应可忽略不计 在点燃式内燃机中 当 a 1 15时 NO2 NO 2 柴油机在大部分工况下 NO2 NO 0 1 在小负荷下NO2 NO 0 3 火焰中生成的NO可以通过反应NO十HO2 NO2 OH迅速转变为NO2 但NO2又会通过反应NO2 O NO O2重新变为NO 一 点燃式内燃机 1 空燃比的影响 a 0 9的略浓混合气 燃烧温度最高 不过这时氧浓度低 抑制了NO的生成 a提高时 氧增加的效果抵消燃气温度下降 NO排放量峰值出现在 a 1 1左右的略稀混合气中 如果 a进 步增加 温度下降的效果占优势 导致NO下降 2 已燃气体量的影响 燃烧前 混合气由空气 已蒸发的燃油蒸气和已燃气组成 已燃气体或者是前一循环留下的残余废气 或者是采用排气再循环时回流的废气 已燃气体一方面减少可燃气的发热量 另一方面增大了混合气的热容 均使最高燃烧温度下降 从而使NO排放下降 图7 4排气中 NO明随EGR率的变化 当EGR率达到发动机部分负荷下的最大允许值15 20 时 NOx排放显著下降 过分稀释新鲜可燃混合气使燃烧恶化 导致缓慢燃烧 不完全燃烧甚至缺火 循环变动增加和HC排放增加 图7 5汽油机的负荷和EGR率对NOx排放的影响 图7 6EGR率对HC排放和燃烧品质的影响 3 点火定时的影响 ig对NOx排放量影响很大 推迟点火 降低最高燃烧温度并缩短己燃气停留在高温下的时间 可减少NOx排放 在常用转速和负荷工况下 ig减小1 CA 在输出功率不变的条件下可削减NOx排放量2 3 推迟点火 提高排气温度 也有利于HC的后氧化 但有损发动机的燃油消耗率和比功率 二 柴油机 柴油机气缸内达到的最高燃烧温度也控制NOx生成 在燃烧过程中 预混合燃烧比例对NOx的生成有很大影响 柴油机几乎所有NOx都是在燃烧开始后20 以内生成的 喷油较迟时 因为最高燃烧温度较低 NOx排放低 推迟喷油是降低柴油机NOx排放的简便有效的力法 但代价是燃油消耗率有所提高 排气烟度增大 废气再循环也能降低柴油机已燃气体的温度 从而减小NOx的排放量 四 微粒 汽油含硫量一般都很低 如果用无铅汽油 点燃式内燃机基本上不排放微粒 柴油机的微粒排放量要比汽油机大几十倍 这种微粒由在燃烧时生成的含碳粒子 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和缺氧 由于柴油机混合气极不均匀 尽管总体是富氧燃烧 但局部的缺氧还是导致碳烟的生成 ElectronmicroscopephotographofaparticleinDieselexhaustgas ElectronmicroscopephotographofaparticleinDieselexhaustgas 可以清晰的识别出单个碳黑小球颗粒 碳烟形成过程 燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解 生成各种不饱和烃类 如乙烯 乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃 它们不断脱氢 聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心 气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚 以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚 使碳烟核心增大 成为直径20 30nm的碳烟基元 最后 碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1 m以下的球团状或链状的聚集物 图7 8碳烟生成的温度和 a条件 碳烟生成数量随 a降低而增加 在1600 1700K之间达到最大值 压力对碳烟生成条件影响很小 但碳姻生成数量随压力提高而增加 图7 9柴油机燃烧中生成碳烟和NOx的温度以及 a条件 图7 9柴油机燃烧中生成碳烟和NOx的温度以及 a条件 b 扩散燃烧混合气状态变化 图7 9柴油机燃烧中生成碳烟和NOx的温度以及 a条件 Secondphaseofcombustion 2 已燃气体量的影响 a 0 5 燃烧以后必定产生碳烟 要 碳烟和NO a应在0 6 0 9之间 空气 NOx 空气 碳烟 柴油机预混合燃烧中 由于燃油分布不均匀 既生成碳烟 也生成NOx 只有很少部分燃油 a 0 6 0 9 为 污染物排放 应使尽可能多的混合气的 a控制在0 6 0 9之间 扩散燃烧中 喷入 a 4 0的混合气区的燃油都会生成碳烟 温度低时 生成不完全燃烧的液态HC 为 扩散燃烧中生成的碳烟 应避免燃油与高温缺氧的燃气混合 强烈的气流运动及燃油的高压喷射都有助于燃油与空气的混合 PM与NOx的Tradeoff关系 第三节内燃机的排放特性 一 点燃式内燃机1 稳定运转状态在稳定运转状态下 各种污染物排放量随发动机主要运转参数即转速n和平均有效压力pm的变化称为发动机的排放特性 电喷汽油机在部分负荷区 为了满足三效催化剂的要求 将 a控制在1 0左右 所以CO排放较低 在大负荷工况 为达到较高的转矩 a 1 因此区域CO排放高 NOx排放较低 图7 10一台2L排量4气门车用汽油机的排放特性 a CO排放特性b HC排放特性c NO2排放特性 汽油机在不同工况下排气成分的体积分数 2 瞬态运转状态 车用内燃机在实际使用中常出现瞬态运转状态 例如起动 加速 减速等工况 转速 负荷不断变化 零部件的温度以及工作循环参数不断变化 所以 这时内燃机排放量与稳定工况往往有很大不同 1 冷起动 汽油机冷起动时 由于进气系统和气缸温度低 汽油蒸发不好 较多的汽油沉积在进气管壁上 流速低造成油气混合不好 因此需要增加供油量 以使使汽油机能正常起动 汽油机冷起动时混合气的 a 1 混合气中的汽油以部分蒸气状态 部分液体状态进入气缸 很浓的混合气导致较高的CO排放 部分液态汽油在燃烧结束后从壁面蒸发 未燃烧就被排出气缸 造成HC的大量排放 由于温度低及混合气过浓 冷起动时的NOx排放量很低 2 暖机过程 汽油机起动以后 冷却系和润滑系以及主要零部件仍未达到正常的温度水平 需要一个暖机过程 这时仍需要 a 1的浓混合气 以弥补燃油在气缸壁和进气管壁上的冷凝 暖机过程CO和HC的排放仍然很高 NOx的排放随着温度的提高逐渐增大 3 加速 用化油器的汽油机这时往往供给很浓的混合气 造成较高的CO和HC排放 汽油喷射的汽油机不产生过浓的混合气 其排放值与相应的各稳定工况点相似 4 减速 节气门关闭 发动机反拖高速运转 化油器式发动机如果没有特殊措施 由于进气管中突然的高真空状态 使壁上的液态燃油蒸发 形成过浓混合气而造成较高的HC和CO排放 汽油喷射式发动机在减速时不再供油 气管内液态油膜少 二 柴油机 1 稳定运转状态2 瞬态运转状态冷起动时 部分燃油以液态分布在燃烧室壁上 着火之前 喷入缸内的燃油会以末燃HC形式直接排出气缸 着火以后 吸附在壁面上的燃油也不能完全燃烧 有一部分在蒸发后被排出 柴油冷起动时排放的高浓度HC表现为白烟 非增压机的正常加速几乎是各稳定工况点的连续 增压机突加负荷时 增压器需要一段时间 才能达到高负荷所对应的转速和增压压力 若未采取专门措施 增压柴油机常会加速冒黑烟 车用柴油机的排放特性 a COb HCc NOxd 烟度 图7 14车用汽油机与车用柴油机排放特性的比较 图7 15车用汽油机与柴油机排放耐久性的比较 第四节内燃机的排放控制 一 点燃式内燃机 曲轴箱排放物控制系统燃烧室中的高压可燃混合气和已燃气体 会通过活塞组与气缸之间的间隙漏人曲轴箱 曲轴箱与大气相通 则窜气中的大量未燃碳氢化合物及其不完全燃烧产物 会排入大气形成污染 车用汽油机采用曲轴箱强制通风装置 新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱 和箱内的窜气混合 经气缸盖罩 计量阀吸人进气管 实现窜气的再燃烧 曲轴箱强制通风计量阀PCV阀 流通断面随阀两端压差变化而变化的单向阀 据弹簧力和进气管真空度的平衡情况开闭气体通路 真空度大时 就把侧阀座的作用力变小 系统保证曲轴箱中的压力永远不超过大气压力 图7 18PCV阀流量特性 二 蒸发排放物控制系统 化油器工作时温度较高 停车时浮子室中的汽油蒸发 流人进气管并通过空气滤清器流人大气 这部分HC排放称为热浸损失 油箱中的汽油由于昼夜温度变化造成油箱呼吸现象 使箱内汽油蒸气流出 这部分HC排放称昼夜损失 热浸损失与昼应损失占汽油机HC总排放量的20 左右 图7 20不同来源对HC排放量的贡献 活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统 为了防止汽油机排放的燃油蒸气扩散到空气中 常用活性炭罐作为汽油蒸气的暂存空间 实现对汽油蒸发排放物的控制 当发动机不运转时 来自化油器 燃油箱的汽油蒸气进入活性炭罐中被吸附在活性炭上 当发动机运转时 利用进气管真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸气与进入炭罐的新鲜空气一起吸入发动机燃烧室烧掉 化油器在运转时 浮子室内的汽油蒸气不进入大气 停机时经开启的膜片阀进入炭罐 图7 21活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统 图7 23活性炭罐清除电磁阀构造 三 排气再循环 采用排气再循环 EGR 能有效地降低点燃式内燃机NOx排放 但是 全负荷用EGR使最大功率降低 中等负荷用较大的EGR率使燃油消耗率增大 HC排放上升 小负荷特别是怠速用EGR使燃烧不稳定 甚至导致缺火 所以应用EGR控制NOx排放技术的关键是控制EGR率 使之在各种工况下 得到性能的最佳折衷 实现NOx的控制目标 三 排气再循环 对EGR系统的控制要求 1 由于NOx排放量随负荷增大而增大 因此废气回流量应随负荷而增大 2 暖机过程中 冷却水温度和进气温度均较低 NOx排放不高 为防止废气回流破坏燃烧的稳定性 一般在冷却水温低于50 时 不进行EGR 3 怠速和小负荷时 NOx排放也不高 也不进行EGR 4 接近全负荷时 为保持足够的动力性能 不进行EGR 对EGR系统的控制要求 过多使用EGR 会导致异常磨损 随EGR率 PM等恶化 Tradeoff关系 为此要随负荷调节EGR率 同时采取混合均匀和稳定燃烧的措施或中冷EGR 图7 24车用汽油机的EGR控制系统框图 图7 25双膜片式EGR阀 图7 26带阀位传感器的线性位移电磁式EGR阀构造 四 发动机设计的低排放考虑 1 冷起动和暖机冷起动时 要提高点火能量 增大起动机的功率 尽量缩短起动时间 暖机期间要尽快使冷却水和机油热起来 采用进气自动加热系统 机油冷却器应有自动控制温度的装置 在大负荷下使机油得到足够的冷却 又保证暖机时机油很快热起来 用节温器控制冷却液的循环 用温控硅油离合器风扇或温控电动风扇 2 怠速 怠速工况残余废气量大 混合气不得不加浓 导致CO和HC排放很高 降低怠速时的排放 要精确调整怠速混合比 当混合气很浓时 CO排放高 HC相对较低 反之调稀时 CO大幅度下降 但HC上升 怠速转速对怠速排放有很大影响 传统的观点是怠速转速应尽可能低 以节约燃油消耗 怠运转速多在400 500r min之间 在这样的转速下 降低排放很困难 现代高速车用汽油机怠速转速多在800 1000r min之间 使怠速排放大大下降 3 混合气形成和空燃比 化油器小负荷时 根据燃烧稳定性要求提供浓混合气 中等负荷时 根据燃料经济性要求提供略稀混合气 在大负荷时 根据动力性的要求提供浓混合气 但化油器控制精度不高 不能满足现代低排放的要求 三效催化转化器只有在 a 1时才能有效地同时转化CO HC和NOx三种污染物 化油器很难满足这样的要求 用排气管中的氧传感器监测 a并进行反馈控制的电控汽油喷射系统能达到 a的控制要求 因此获得广泛的应用 电喷汽油机仍有以下缺点 进气节流损失大 影响经济性 压缩比受限制 NOx排放高 必须使用三效催化转化器 在冷起功及暖机时期 因为催化剂温度不够高 净化效率很低 造成大量排放 进气道喷射的稀燃机已可能以 a 1 7的稀混合气稳定运转 而缸内直接喷射的汽油机 稳定工作的稀限已达到 a 4 0 这时CO和NOx排放大大下降 而HC排放在解决燃烧稳定性后也会低于常规汽油机 4 点火系统 发动机油耗最低的点火提前角 ig 50 CABTDC 减小 ig将降低最高燃烧温度和循环效率 提高排气温度 降低NOx和HC的排放 4 点火系统 4 点火系统 不同提前角时实测结果 适当推迟点火提前角 缸内产生不完全燃烧 促使排气岐管内的继续燃烧 有利于催化器入口处HC排放降低 减小达到起燃温度的时间 5 燃烧系统 对燃饶系统的要求是尽可能使燃烧系统紧凑 1 燃烧室形状燃烧室形状越紧凑 燃烧过程就完成得越快 CO和HC排放下降 但燃烧温度升高 NOx生成量增加 快速燃烧是采用EGR和推迟点火等降低NOx措施的前提 紧凑燃烧室 快速燃烧加上优化的EGR率和点火定时 可能给出动力性 经济性 NOx排放之间的最佳折衷 因此 圆盘形 浴盆形 楔形燃烧室让位于半球形 帐篷形等面容比小的紧凑烧烧室 2 压缩比 在辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比 以提高热效率 较高的压缩比带来与较紧凑的燃烧室类似的优点 传统的汽油机 根据最易发生爆燃的工况 如最大转矩工况 选择压缩比 现代的汽油机选择更高的压缩比 大部分工况下能正常燃烧 发生爆燃时 通过爆燃传感器 用电控单元适当推迟点火消除爆燃 3 火花塞位置 2气门汽油机火花塞布置在燃烧室的一侧 使燃烧过程拖得较长 4 5气门的汽油机可把火花塞布置在气缸中央 缩短火焰传播路程 带来与紧凑燃烧室同样的优点 4 活塞组设计 活塞 活塞环与气缸壁之间形成的间隙 对汽油的HC排放有很大影响 因此要在工作可靠的前提下尽量缩小活塞头部 火力岸 与气缸的间隙 尽量缩小顶环到活塞顶的距离 即减小火力岸高度 为此 要寻找热膨胀更小的活塞材料 例如碳纤维复合材料 和耐热性更好的活塞环材料以及合理的结构 二 柴油机 柴油机的CO和HC排放量较汽油机少得多 但NOx与汽油机在同一数量级 而微粒和碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多 柴油机的排放控制 重点是NOx与微粒 其次是HC 降低微粒和碳烟排放与改善柴油机燃烧过程是一致的 不过NOx排放往往与之矛盾 柴油机平均 a一般都在1 3以上 但混合不好导致局部缺氧 使碳烟大量生成 同时存在很多 a 1 0 1 1的高NOx生成区 柴油机的排放控制 要防止局部 a超过0 9 这有利于NOx生成 和低于0 6 这有利于碳烟生成 二 柴油机 一 燃烧方式和燃烧室形状 非直喷机碳烟排放 轻型高速直喷机 重型车用直喷机 因副室混合气很浓 易生成碳烟 主室中温度较低 已生成的碳烟后期氧化较差 直喷机的HC排放量大于非直喷机 直喷机与非直喷机微粒排放量相差不大 直喷机的NOx排放量大于非直喷机 后者的初期燃烧发生在混合气极浓的副室里 由于缺氧 NOx不易生成 而主室中燃烧在较低温度下进行 已开始膨胀 NOx也不易生成 一 燃烧方式和燃烧室形状 图7 28车用增压柴油机不同燃烧方式排放的负荷特性 1 非直喷式柴油机 碳烟主要在副室生成 进入主室后大部分被氧化 小负荷时 由于主燃烧室温度较低 碳烟氧化慢 碳烟排放会大于直喷机 副燃烧室容积 碳烟 但NOx 涡流室的相对容积在52 左右得出最佳的碳烟与NOx折衷 预燃室的相对容积在25 30 之间 预燃室容积 影响主燃烧室中的混合 1 非直喷式柴油机 涡流室中应避免流动死区 电热塞对气流的干扰应尽量小 喷油器安装孔部位的流动死区从占涡流室容积的10 5 可使冒烟界限的pme 10 用顺气流安装电热塞代替垂直气流安装 可使冒烟界限的pme 5 减小电热塞加热头的直径 从 6mm 到 3 5mm 可使用油消耗率 5 10g kW h 全负荷烟度 0 5 1BSU 2 直喷式柴油机 直喷机燃烧室形状与喷油系统的配合 喷油油雾与空气的混合 对于高性能 低排放具有决定性的意义 减少预混燃烧量 降低压升率 控制NOx的生成量 在扩散燃烧期 喷入燃油很好与空气混合以减少碳烟的生成 这就需要有很高的喷油压力 在喷油结束后 剩余空气仍能与燃气强烈混合 促进碳烟的氧化 直喷机喷油系统的发展趋势 提高喷油压力 从一般的不到100MPa提高到150MPa甚至200MPa 增加喷油器的喷孔数 减小孔径 前者利于改善宏观燃油分布 后者避免在小缸径柴油机中过多燃油碰壁 目前 小型柴油机的喷孔直径已减小到0 2mm左右 重型车用柴油机的喷孔数已增加到8 9 可控的燃油喷射率变化历程 如靴形喷射 二次喷射 预喷射加主喷射 根据柴油机工况优化喷油定时 直喷式柴油机的燃烧室设计 1 燃烧室容积比燃烧室容积对气缸余隙容积之比称为燃烧室容积比 提高容积比 可以提高柴油机的冒烟界限 降低柴油机的碳烟和微粒排放 现已证明 长行程 低转速 高增压度的柴油机 综合性能比短行程 高转速的柴油机好 直喷式柴油机的燃烧室设计 2 燃烧室口径比口径比dk h或dk D小的深燃烧室可在室中产生较强的涡流 因而可采用孔数较少的喷嘴 但涡流要造成能量损失 且低转速时往往显得涡流不足 同时 燃烧室口径小增加喷雾碰壁量 造成HC排放增加 现在的趋势是除了缸径很小的柴油机用较小口径比的燃烧室外 尽量用口径比较大的浅平燃烧空 dk D 0 6 0 8 配合小孔径的多孔喷嘴 由于不需要强烈的涡流辅助混合 燃烧过程对转速敏感性较低 图7 29直喷式柴油机燃烧室容积比 3 燃烧空形状 现在应用最广的仍是直边不缩口的 形燃烧室 用缩口燃烧室加强燃烧室口部的气体湍流 促进扩散混合和燃烧 燃烧室底部中央的凸起适当加大 以进一步提高空气的利用率 这是因为底部中央气流运动较弱 燃料喷注也不能到达 空气不易被利用 用带圆角的方形或五瓣梅花形 分别配4孔和5孔喷嘴 燃烧室 加强燃烧室中的微观湍流 加速燃烧 减少碳烟生成 4 压缩比 传统的观点是根据冷起动条件选择压缩比 压缩比过高导致机械负荷过高 最近的研究表明 适当提高柴油机压缩比可降低HC和CO排放 并结合推迟喷油获得动力经济性能与NOx排放之间较好的折衷 二 喷油系统 油泵 油管 喷嘴系统 喷油压力 100MPa 喷油泵和喷油器做成一体的泵喷嘴 取消了高压油管 最高喷油压力可达180MPa 泵喷嘴使缸盖承受很大的应力 油泵凸轮离曲轴距离较远 对传动系统的刚度要求也很高 电控泵喷嘴对电磁阀要求很高 它所承受的压力比汽油喷射的电磁阀高300 500倍 开闭速度高10 20倍 此外 泵喷嘴占用气缸盖上的空间较大 增加了气缸盖及整机的高度 并给气门布置带来一定困难 使用短油管的单体泵是直列柱塞泵与泵喷嘴之间的良好折衷 2 喷油器 标准结构压力室容积为0 6 1 0mm3 油孔容积约0 3mm3 小压力室可缩减到0 3mm3左右 无压力室喷油器的压力室容积可缩到极限尺寸 约0 1mm3 HC排放可下降一半 而CO与NOx排放几乎不变 可采用双弹簧喷油器 实现先缓后急的喷油规律 油压上升克服较软的一级弹簧压力 针阀升起预升程0 03 0 06mm 将少量燃油喷入气缸 当油压继续上升克服二级弹簧的压力 针阀再上升约0 2mm 实现主喷射 喷油率有点像靴形 所以有些文献称为 靴形喷射 2 喷油器 图7 31压力室结构不同的喷油器 a 标淮压力室喷油器b 小压力室喷油器c VCO喷油器 三 气流组织和多气门技术 柴油机技术的发展趋势是提高喷油压力 降低进气涡流强度 以减小进气损失 配合多孔数 小孔径喷油器来获得良好的混合气 4气门的结构过去常用于缸径130 150mm以上的柴油机 现在连缸径80mm左右的4气门直喷柴油机也已研制成功 4气门扩大了进 排气门的总流通截面积 且喷油器可垂直布置在气缸轴线上 解决了喷油器斜置造成的各喷油孔流动条件不同的后果 有利于燃油在燃烧室空间中均匀分布 图7 32重型车用柴油机各种燃烧系统的比较 四 柴油机的排气再循环 柴油机排气中氧含量比汽油机高 允许并需要较大的EGR率来降低NOx排放 直喷柴油机的EGR率可以超过40 非直喷式可达到25 增压机中 再循环废气一般流到增压器后的进气管中 以免沾污增压器叶轮 同时要在EGR阀前加一个单向阀 利用排气脉冲进行EGR 试验证明 把再循环的废气加以冷却 采用所谓冷EGR 可以降低NOx排放 为防止采用EGR后磨损加剧 应选用高质量润滑油和低硫柴油 五 增压 为了降低运转噪声和减小磨损 柴油机的转速有下降趋势 而通过增压来弥补功率损失 可增大空气供给量 用比较大的过量空气系数组织燃烧 使尽可能少的燃料缺氧裂解 降低碳烟排放 同时使最高燃烧温度不致过高 抑制NOx的增加 广泛应用空 空中冷器把增压空气温度降到50 左右 可以有效地抑制NOx排放 六 喷油定时 保证最佳动力性和经济件的喷油定时 除了造成较大燃烧噪声外 还导致较高的NOx排放 采用推迟喷油的措施 可改善噪声和NOx排放 但往往会导致碳烟和微粒排放增加 问题关键是要加快柴油的燃烧 尤其是扩散燃烧阶段 所有加快油滴蒸发 油气相互扩散混合的措施都是有利的 第五节排气后处理 改进内燃机设计和优化工作过程来降低污染物的排放有一定的限度 世界各国都先后开发排气后处理技术 在不影响或少影响其他性能的同时 降低污染物的排放 最成功的排气后处理装置是汽油机用的三效催化转换器 它使车用汽油机的CO HC和NOx排放量削减了80 90 已成为发达国家汽油车的必备装置 车用柴油机微粒捕集器正在开发之中 已研制的样品可降低微粒排放50 80 机外净化技术的分类及应用 三效催化转化器的净化效果 催化剂的分类及工作原理 氧化型催化剂 还原型催化剂 三效催化剂和稀燃催化剂 氧化型催化剂 OC OxidationCatalyst 2CO O2 2CO24HC 5O2 4CO2 2H2O2H2 O2 2H2O 三效催化剂 TWC ThreeWayCatalyst 2CO 2NO 2CO2 N24HC 10NO 4CO2 2H2O 5N22H2 2NO 2H2O N2 一 三效催化转换器 一 三效催化转换器 一 三效催化转换器 三效催化转换器的主要化学反应如下 2CO O2 2CO2CO H2O CO2 H22CxHy 2x 0 5y O2 yH2O 2xCO22NO 2CO 2CO2 N22NO 2H2 2H2O N2CxHy 2x 0 5y NO 0 5yH2O xCO2 x 0 25y N2NO 2 5H2 NH3 H2O最后一个反应生成氨是不希望的 应通过催化剂材料的合理选择加以避免 三效催化转换器 三效催化转换器 三效催化转换器要求 a 1 因为NOx在催化剂上还原需要H2 CO和HC等作为还原剂 当 a 1时 这些还原剂首先与氧反应 NOx的还原反应就不能进行 当 a 1时 CO和HC则不能被完全氧化 温度对催化剂的转化效率也有很大影响 转化效率为50 所对应的温度为催化剂的起燃温度 起燃温度一般在220 270 之间 在发动机冷起动与暖机时 催化剂温度很低 净化效能很差 用美国FTP 75测试循环进行测试时 CO和HC的50 80 是在冷起动后1min内排放的 三效催化转换器 空燃比对三效催化转换器效能的影响 图7 34三效催化转换器的构造 1外壳2载体与催化剂3减振密封衬垫 催化器结构 对车用三效催化剂的要求为 起燃温度低 有较高的储氧能力 以补偿 a的波动 耐高温 不易热老化 对杂质不敏感 不易中毒 尽量不产生H2S NH3等物质 成本合理 催化器的芯子是浸渍催化剂的载体 通常为整体式陶瓷 用膨胀系数很小的堇青石陶瓷挤压烧结而成 外形可根据需要做成圆形 椭圆形或跑道形 为了提高表面积 载体中做出很多方形细孔 密度为62孔 cm2左右 孔壁厚为0 10 0 15mm 几何表面积为28cm2 cm3左右 载体体积是发动机排量的50 100 三效催化剂的主要活性材料 三效催化剂的主要活性材料是铂Pt和姥Rh Pt主要催化CO和HC的氧化反应 Rh催化NOx的还原反应 一般贵金属的用量为每升载体1 2g Pt Rh比为5 1左右 由于Pt很贵 也有研究用钯Pd部分或全部代替Pt Pd的氧化活性不错 但其晶体结构容易容纳杂质 易受杂质中毒 催化转换器一般要求寿命在10万km以上 贵金属催化剂报废后 贵金属可以回收再用 三效催化剂的主要活性材料 金属载体材料 一般用厚度不超过0 1mm的极薄不锈钢带 一层带波纹一层不带波纹地交替叠合 卷成螺线形或S形 焊装在金属圆筒内 这种载体的优点是结构紧凑 热容量小 有利于提高内燃机冷起动时的净化效果 机械强度和热强度高 工作可靠 缺点是质量大 成本高 涂敷活性层困难 它一般安装在陶瓷主催化转化器前 用来改善冷起动净化性能 或用于振动较大的场合 如摩托车 催化转化器老化 催化转化器在使用中会逐渐老化 表现在催化剂起燃温度提高 转化效率下降 老化的原因为过热和中毒 热老化是由于温度过高造成活性涂层和催化剂表面烧结 晶粒长大 导致活性表面损失 一般催化转化器的温度不宜超过900 如汽油机工作不好排放过多CO和HC 就可能使催化转换器迅速老化甚至烧坏 化学中毒是燃油和润滑油中的铅 磷 硫等元素与催化剂活性成分反应 或覆盖堵塞催化剂 使其活性下降 催化器的性能指标和评价方法 转化效率空燃比特性 转化效率Vs空燃比 窗口 起燃温度特性 转化效率Vs入口温度 T50空速特性 转化效率Vs空间速度流动特性 阻力 均匀性 影响动力经济性和寿命耐久性 新车8 16万Km 在用车4 5万Km 劣化原因 高温 化学中毒 结焦堵塞 机械损伤 柴油车排气后处理技术 氧化催化转化器 用于降低SOF HC和CO 微粒捕集器 用于过滤和除去排气微粒 NOx还原催化转化器 用于降低NOx排放 四效催化剂 器 CO HC NOx PM 柴油车氧化催化剂使用效果 二 柴油机排气微粒捕集器 微粒捕集器有体积型和表面型两大类 前者被捕集的微粒沉积在过滤材料体内 后者则大部分沉积在表面上 体积型微粒捕集器的滤芯用泡沫陶瓷 钢丝棉或陶瓷纤维筒等较疏松的材料制成 它们受热均匀 再生时不易损坏 但捕集效率不高 一般在50 70 之间 阻力大 紧凑性不好 表面型微粒捕集器滤芯 用堇青石蜂窝陶瓷块滤芯与催化剂载体差别 1 载体的蜂窝孔道是贯通的 流动阻力很小 蜂窝滤芯各相邻的两个孔道 一个在进口处被堵住 另一个在出口处被堵住 柴油机排气从一个孔道流入后 必须穿过陶瓷壁面从另一孔道流出 2 载体为了大的几何表面积 孔道密度较大 而滤芯为保证孔壁的机械强度和耐热强度 孔道密度较小 15 5孔 cm2 壁厚0 4mm左右 表面型微粒捕集器滤芯 3 载体材料是多孔性的 为在很薄的壁厚下有足够的强度 平均孔径约0 7 1 0 m 而滤芯为保证透气性 减小气流阻力 有较大的多孔度 50 左右 平均孔径10 15 m 此孔径远大于微粒直径 0 3 m以下 但微孔分布曲折 捕集机理除粘附沉积外 还有撞击和扩散 所以滤芯具有很高的捕集效率 从干净时的85 90 到满载微粒时的90 95 Sootparticulatefilter 微粒捕集器的再生 捕集的微粒中包括有机可溶成分SOF 如在透气陶瓷壁面上加上氧化催化剂 则可以促使其氧化 降低HC排放 捕集器中积累的微粒会增加柴油机排气背压 必须及时清除 这个过程称为再生 微粒大部分为可燃物 定期将其烧掉是最简单的再生办法 含氧5 以上的气氛中 在650 下 要2min以上的时间才能完成燃烧 要在柴油机上实现再生 需要附加能源 例如用燃烧器加热 电阻加热或微波加热 微粒捕集器的再生 微粒捕集器的再生 带有连续再生 催化 功能的DPF 第六节低排放燃料 一 燃料成分对内燃机排放的影响1 对CO HC和NOx排放的影响燃油中的氧有助于燃油的完全氧化 降低CO和HC排放量 所以含氧燃料是低排放燃料 燃油中的氮则容易生成NOx 但只有重油中含有相对较多的含氮衍生物 2 对碳烟和微粒排放的影响 作为微粒核心的碳烟 其生成条件是高温和缺氧 缺氧不多则生成CO而不生成碳烟 只有 a小于某一临界值时 才生成碳烟 燃料中C H和C O比越大 越容易生成碳烟 石油燃料中 烷烃生成碳烟倾向最小 芳香烃 炔烃最大 烯烃居中 醉类 醚类燃料由于含氧量大 生成碳烟可能性小 柴油机是非均匀混合气燃烧 尽管总 a 1 3 但局部地区的 a仍会偏浓生成碳烟 分子结构紧密的烃 比较容易产生碳烟 3 对臭氧形成的影响 近地面臭氧是毒性很大的空气污染物 是光化学烟雾的主要成分之一 不同有机化合物有不同的生成臭氧活性MIR 单位质量有机物生成臭氧的质量 烷经和醇类的MIR较低 因此 以烷烃为主的天然气和醇类燃料都属于低排放的 清洁 燃料 不饱和链烃和芳香烃的MIR较高 它们在燃油中的含量应加以限制 作为排放物的醛类也有与烯烃类似的较高MIR值 4 燃料产生的二氧化碳 燃料的C H比越大 释放单位热量的CO2排放量越大 汽 柴油C H 0 5 完全燃烧产生的CO2为75g MJ左右 甲烷C H约0 25 产生CO2约55g MJ 氢燃烧不产生CO2 在燃料的制造和运输过程中需要消耗能源 也会产生CO2 例如 用电时不产生CO2 但如用煤发电的电动汽车的CO2总排放量很高 所以 电动汽车可以缓解局部地区的环境污染和CO2排放 但对整个环境的压力并没有降低 二 石油燃料的改善 1 汽油的改善辛烷值不足就需降低压缩比 增加CO2排放 汽油挥发性会影响蒸发排放 不完全燃烧的芳香烃对臭氧形成影响很大 现代汽油中 辛烷值较低的以烷烃为主的直馏成分不到20 且都是其中辛烷值相对较高的部分 如丁烷和异戊烷等 大部分直馏汽油都要进行催化重整 异构化和脱氢 重整产物含有较多异构烷烃和芳香烃 辛烷值高 是无铅汽油的主要成分 2 柴油的改善 柴油十六烷值不足则着火性差 滞燃期加长 预混燃烧量过多 NOx排放增加 污染物的排放 一般均随燃料十六烷值的提高而下降 常规柴油的十六烷值在40 50之间 今后低排放柴油要求十六烷值在55以上 芳香烃由于C H比高 着火性差 使柴油机的CO HC和微粒排放增加 低排放柴油要求芳香烃体积分数在10 以下 低排放柴油要求降低含硫量 降低柴油台硫量就相应地降低了微粒的排放量 三 代用燃料与排放 根据已探明的世界石油蕴藏量和今天的石油消耗量 估计最多可满足人类对石油50 100年的需求 应用代用燃料的一个重要原因是减少环境污染 特别是降低造成大气温室效应的CO2排放 因此 在太阳能作用下获得的二次能源 如植物能源以及氢和电就很有发展前景 较有前途的内燃机代用燃料有植物油 天然气 醉类燃料 氢 电等 第七节排放测量与排放法规 1 排放法规体系 排放法规 排放限值检测方法 整车排放限值发动机排放限值 怠速法 自由加速烟度 循环工况法 2 检测方法 怠速法 自由加速烟度 环保检测 汽车修理工况法 轻型车 总重3 5T 发动机测试 台架 第七节排放测量与排放法规 1943年 美国洛杉矶市出现光化学烟雾 photo chemicalsmog 1952年 加州工大A H Smit博士提出Smog生成机理HC NO2 O3 PAN 过氧酰基硝酸盐 1966年 加州实施世界上第一个 汽车排放法规 7工况 1968年 日本实施 大气污染防止法 怠速测CO 1970年 欧洲开始实施排放法规 怠速测CO HC 1984年 中国实施排放法规 汽油车怠速 柴油车自由加速烟度 1999年 北京实施欧 法规2000年 全国实施欧 法规 第七节排放测量与排放法规 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 取样系统一般分析仪器都是测量该成分在排气中的浓度 然后根据排气流量算出该成分的总排放量 在稳定工况下容易实现 非稳定工况下 最直观的办法就是把一个标准测试循环中的所有排气收集到气袋里 然后测量浓度和气量 算出循环的总排放量 这种方法需要很大的气袋来收失排气 很不方便 图7 36采用临界流文杜里管的定容取样系统 CFV CVS系统 现在 世界各国的排放法规都规定用定容取样 CVS 系统取样 CVS取样系统 排气排入稀释风道经空气稀释 形成恒定容积流量的稀释排气 流入取样袋中的气样中含有的污染物量与排气污染物总量的比例保持不变 气袋中各污染物的浓度 乘上CV5系统中流过的稀释排气总量 就是内燃机在测量过程中各污染物的总排放量 总流量确定 一是利用容积式泵计量 二是让稀释排气流过一个处于临界流动状态的文杜里管 前者流量可无级变化 但结构庞大 且质量流量受温度影响较大 后者质量流量受温度影响较小 且结构相对简单 改变总流量需更换或切换文杜里管 只能有级地改变 CVS取样系统 柴油机中较重的HC有可能在样