环境管理_内燃机污染物的生成与控制概述

第七章内燃机污染物的生成与控制 第一节概述第二节污染物的生成机理第三节内燃机的排放特性第四节内燃机的排放控制第五节排气后处理第六节低排放燃料第七节排放测量和排放法规 第一节概述 内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时 将只产生CO2和H2O 没有其他有害产物 不过 高速内燃机燃烧过程占有的时间极短 可燃混合气不是完全均匀 燃料的氧化反应不可能完全 排气中会出现不完全燃烧产物 例如CO和未完全燃烧甚至完全未燃烧的碳氢化合物HC 在点燃式内燃机中 在某些工况 例如全负荷运转时 为了获得最大功率而不得不用浓混合气 导致CO排放大大增加 为了提高冷起动的可靠性 也得加浓混合气 内燃机最高燃烧温度达2000 以上 又使空气中的氮在高温下氧化生成各种氮的氧化物 压燃式内燃机中 由于可燃混合气是在燃烧前和燃烧中的极短时间内形成的 混合不均匀程度比较严重 在高温高压环境下缺氧的燃油会发生裂解 脱氢 最后生成碳烟粒子 这些碳烟粒子又吸附了各种各样的未燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物 称为排气微粒 燃油中含有的硫使内燃机排放构成酸雨因素之一的SO2和SO3 用含铅汽油的汽油机会排出对神经系统有严重毒性的铅化物 排气污染物的危害 1 一氧化碳CO 2 碳氢化合物HC 3 氮氧化物 4 微粒 1 一氧化碳CO CO是 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与血红蛋白结合生成碳基血红蛋白 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 时 就会导致人体中毒 超过0 3 时 则可在30min内使人致命 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 如烷烃 烯烃 芳香烃 醛 酮 酸等数百种成分 烷烃基本上无味 对人体健康不产生直接影响 烯烃略带甜味 有麻醉作用 对粘膜有刺激 经代谢转化会变成对基因有毒的氧化衍生物 烯烃是与氮氧化物一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的 光化烟雾 的罪魁祸首之一 芳香烃对血液和神经系统有害 特别是多环芳香烃 PAH 及其衍生物有致癌作用 醛类是刺激性物质 对眼 呼吸道 血液有毒害 3 氮氧化物 内燃机排放的氮氧化物绝大部分是一氧化氮NO 少量是二氧化氮NO2 般用NOx表示 NO是无色气体 本身毒性不大 但在大气中缓慢氧化成NO2 NO2呈褐色 具有强烈的刺激味 对肺和心肌有很强的毒害作用 NOx是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一 4 微粒 排气中的微粒是指经空气稀释 温度降到52 后用涂有聚四氖乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质 柴油机排出的微粒大多小于0 3 m 其主要成分是碳及其吸附的有机物质 吸附物中有多种PAH 具有不同程度的致癌作用 污染物的评定指标 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 称为排放物的体积分数 通常以 和10 6 百万分比 表示 质量浓度常用mg m3等计量 2 质量排放量在环境保护实践中 要求对污染物进行总量控制 因此 作为污染源的内燃机或装内燃机的车辆 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 质量排放量用g h g 测试或g km等单位表示 3 比排放量内燃机每作单位功所排放的污染物质量 用g kW h 作单位表示 当然可以更客观地评价内燃机的排放性能 这个指标与燃油消耗率类似 也可以称为污染物排放率 第二节污染物的生成机理和主要影响因素 一 一氮化碳二 未燃碳氢化合物三 氮氧化物四 微粒 一 一氮化碳 CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物 控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数 a 图7 1 在浓混合气中 a 1 CO体积分数 co随 a的减小不断增加 在稀混合气中 a 1 co很低 只是在 a 1 0 1 1之间 CO随 a略微变化 点燃式内燃机部分负荷运转时 混合气的 a接近1 CO排放量不高 但多缸机如各缸 a不同 仍会有的气缸 a 1 增加CO排放量 全负荷运转特别是冷起动时 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 柴油机总是在稀混合气下运转 指平均过量空气系数大于1 CO排放量要比点燃机低得多 只有在负荷很大接近冒烟界限时才急剧增加 图7 2 二 未燃碳氢化合物 点燃式内燃机未燃HC的生成与排放有三个渠道 1 在气缸内的燃烧过程中生成并随排气排出 在二冲程汽油机中 由于用汽油空气混合气对气缸扫气 部分混合气通过气缸直接进入排气 导致未燃HC排放量比四冲程汽油机大好几倍 增压四冲程汽油机的HC排放量中有一部分也来源于气门叠开时的扫气 2 从燃烧室通过活塞与气缸之间的各间隙漏人曲轴箱的窜气 含有大量HC 如果排入大气也构成HC排放物 称为曲轴箱排放物 3 从发动机和汽车的燃油系统 即汽油箱 化油器等处蒸发的汽油蒸气 如果排入大气同样构成HC排放物 称为蒸发排放物 柴油机排故的未燃HC则完全由燃烧过程产生 一 点燃式内燃机 汽油与空气的均匀混合气在过量空气系数 a 1时燃烧时 根据化学反应动力学 基本上不产生未燃HC 但实际发动机中不是这样 图7 3 即使 a 1 HC也有相当大的数值 并随 a的减小而迅速增加 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 只有采取特殊措施 如组织快燃 才可能缓和这种趋势 HC生成机理 1 冷激效应燃烧室壁面对火焰的迅速冷却 称为冷激或淬冷 使火焰中产生的活性自由基复合 燃烧链反应中断 使化学反应缓慢或停止 狭隙效应是冷激效应的主要表现 汽油机燃烧室中各种狭窄的缝隙2 油膜和沉积物吸附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 有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 4 碳氢化合物的后期氧化错过发动机主要燃烧过程的碳氢化合物 会重新扩散到高温的已燃气体主流中 很快被氧化 至少是部分被氧化 所以 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 二 柴油机 由于柴油机的工作原理是喷油压燃 燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短很多 因而受壁面冷激效应 狭隙效应 油膜吸附 沉积物吸附作用很小 这是柴油机HC排放较低的原因 柴油机燃烧室中由喷油器喷入的柴油与空气形成的混合气可能太稀或太浓 使柴油不能自燃 或火焰不能传播 如在喷油初期的滞燃期内 可能因为油气混合太快使混合气过稀 造成未燃HC 在喷油后期的高温燃气气氛中 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 构成微粒的一部分 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 结果造成柴油机怠速或小负荷运转时的HC排放高于全负荷工况 喷油器的残油腔容积对HC排放的影响 残油腔容积中的柴油大概有1 5左右以未燃HC的形式排出 与点燃式内燃机一样 火焰在壁面上淬熄也是柴油机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 尽管在特定工况下有较好的性能 但在冷起动时 大且未燃HC以微粒状排出 排气冒 白烟 因此已基本被淘汰 三 氮氧化物next 内燃机排故的氯氧化物NOx主要是一氧化氮NO NO的主要来源是参与燃烧的串气中的氮 汽油和轻柴油本身含氮很少 不足以产生显著的NOx排放 从大气氮生成NO的化学机理是泽耳多维奇 Zeldovitch 机理 在化学当量混合比 a 1 附近 导致生成和消失NO的主要反应为 O22ON2 ONO NO2 NNO OOH NNO O 一 点燃式内燃机 控制点燃式内燃机NO排放量的主要因素是空燃比 缸内未燃混合气中已燃气的分量以及点火定时 1 空燃比的影响 2 已燃气体量的影响点燃式内燃机燃烧前 燃烧室中的混合气由空气 已蒸发的燃油蒸气和已燃气组成 后者是前一循环留下的残余废气 或加上采用排气再循环 ExhaustGasRecalculation简称EGR 时回流的废气 引人进气管的废气可大大增加新鲜混合气中的已燃气比例 当已燃气比例增大时 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NO2排放下降 图7 4表示三种空燃比 下再循环废气量与气缸总充量的质量比率 EGR率 对排气中NO体积分数 NO的影响 图7 5表示发动机负荷和EGR率对NOx排放的影响 可见 当EGR率达到发动机部分负荷下的最大允许值15 一20 时 NOx排放显著下降 不过 过分稀释新鲜可燃气使燃烧恶化 导致缓慢燃烧 不完全燃烧甚至缺火 图7 6 循环变动增加和HC排放增加 为了保证油耗低 应在过量空气系数 a 1的条件下用燃烧品质允许的最大EGR率获得尽可能低的NOx排放 返回 返回 3 点火定时的影响点火定时强烈影响点燃式内燃机的NOx排放量 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 图7 7表示不同空燃比下的 NO随点火提前角的变化情况 试验表明 在常用转速和负荷工况下 减小点火提前角 ig 1 CA 可以在输出功率不变的条件下削减NOx排放量2 一3 用欧洲测试排放的标准循环测试时 ig每变动1 CA NOx变化0 3g 测试 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 与点燃式内燃机的情况 样 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 最先燃烧的混合气比例 预混合燃烧比例 对NOx的生成有很大影响 研究表明 柴油机几乎所有NOx都是在燃烧开始后20 CA 内生成的 喷油较迟时 NO较低 因为最高燃烧温度较低 推迟喷油是降低柴油机NOx排放的简便有效的办法 但代价是燃油消耗率有所提高 排气烟度增大 与点燃式内燃机一样 燃烧的稀释剂 例如再循环的废气 也能降低柴油机已燃气体的温度 从而减小NO的排放量 四 微粒 点燃式内燃机中 含铅汽油的铅和汽油中硫造成的硫酸盐 是排气微粒的主要成分 用含铅0 15g L的汽油时 排放微粒100 150mg km 其中一半左右是铅 如果用无铅汽油 加上汽油含硫量一般都很低 可以认为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 SolubleOrganicFraction 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 一般认为碳烟形成的过程如下 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 乙烯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表示一些碳氢化合物如乙烯 丙烷 甲苯等在实验室燃烧器条件下预混合火焰中生成碳烟的温度和过量空气系数条件 组成柴油的各种烃生成碳烟的条件基本上也都在这个范围内 由图可见 碳烟生成数量随 a降低而增加 温度对碳烟生成数量的影响 则在1600一1700K之间达到最大值 压力对碳烟生成条件影响很小 但碳烟生成数量随压力提高而增加 返回 扩散燃烧中混合气的状态变化见图7 9b上的箭头方向 曲线上的数字表示燃油进入气缸时所直接接触的缸内混合气的 a 从图上可以看出 喷入 a 4 0的混合气区的燃油都会生成碳烟 在温度低于碳烟生成温度的过浓混合气中 将生成不完全燃烧的浓态HC 为减少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 喷油结束后 燃气和空气进一步混合 其状态变化如图7 9b上的虚线箭头所示在燃烧过程中 已生成的碳烟也同时被氧化 图7 9b的右上角表示了直径0 04 m的碳烟粒子在各种温度和 a条件下被完全氧化所需要的时间 可见 这种碳烟在0 4一1 0ms之间被氧化的条件与图7 9a右上角表示的大量生成NOx的条件基本相向 可见 加速碳烟氧化的措施 往往同时带来NOx的增加 因此 为了同时降低NOx的排放 控制碳烟排放应着重控制碳烟的生成 第三节内燃机的排放特性 一 点燃式内燃机二 柴油机三 汽油机与柴油机排放及其耐久特性的比较 一 点燃式内燃机 1 稳定运转状态2 瞬态运转状态 1 稳定运转状态 在常用的部分负荷区 为了满足三效催化剂的要求 参见后面第五节 将 a控制在1 0左右 所以CO排放较低 在大负荷工况 为了达到较高的转矩 a 1 因此在这个区域CO排放高 NOx排放较低 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 转速和负荷不断变化 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 冷启动 汽油机冷起动时 由于进气系统和气缸温度很低 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上蒸发 没有完全燃烧就被排出气缸 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排放置很低 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 这时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 加速工况下 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 图7 11表示这两种汽油机在加速过程中排气中 co的变化历程 4 减速 车用汽油机减速工况就是节气门关闭处于怠速状态 发动机由汽车反拖 在较高转速下空转 化油器式发动机如果没有特殊措施 将由于进气管中突然的高真空状态 使进气管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 图7 12 二 柴油机 1 稳定运转状态2 瞬态运转状态 1 稳定运转状态 2 瞬态运转状态 柴油机冷起动时 燃油喷注中有部分燃油以液态分布在燃烧室壁上 在燃油自燃之前 喷入缸内的燃油就会以未燃HC形式直接排出气缸 喷入燃油开始燃烧以后 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 加速过程对柴油机工作过程的影响小于汽油机 非增压柴油机的正常加速几乎是各稳定工况点的连续 涡轮增压柴油机突加负荷时 涡轮增压器需要一段时间 才能达到高负荷所对应的增压器转速和增压压力 如果未采取专门措施 增压柴油机常会加速冒黑烟 柴油机减速时不喷油或只喷怠速所需的油量 排放问题不大 三 汽油机与柴油机排放及其耐久特性的比较 排放特性对比 排放耐久性比较 第四节内燃机的排放控制 一 点燃式内燃机二 柴油机 一 点燃式内燃机 一 曲轴箱排放物控制系统 二 燃油蒸发物控制系统 三 排气再循环 四 发动机设计的低排放考虑 一 曲轴箱排放物控制系统 汽油机运转时 燃烧室中的高压可燃混合气和已燃气体 或多或少会通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱 为防止曲轴箱压力过高 早期内燃机一般都通过机油加油口让曲轴箱与大气相通而进行 呼吸 但因为曲轴箱的窜气中含有大量未燃碳氢化合物及其不完全燃烧产物 排入大气会引起污染 二 燃油蒸发物控制系统 车用汽油机化油器在发动机工作对受热严重 温度较高 如在这样的情况下停车 化油器浮子室中的汽油大量蒸发 流入进气管并通过空气滤清器流入大气 这部分HC排放称为热浸损失 汽油箱中的汽油由于昼夜温度变化造成油箱呼吸 换气 现象 使油箱内汽油蒸气流出箱外 这部分HC排放称为昼夜损失 这种热浸损失与昼夜损失数量不小 图7 19 占汽油机HC总排放量的20 左右 图7 20 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NO2排放 但全负荷用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 使之在各种不同工况下 得到各种性能的最佳折中 实现NOx的控制目标 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 般在发动机冷却水温度低于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 此外 要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀 真空控制系统中 除低温切断EGR用温度控制阀5实现外 其余控制规律全靠进气管节气门后的真空度和真空驱动EGR阀的构造保证 如果EGR阀l是个简单的膜片阀 而节气门后的真空度将随着负荷的减小而加大 因而EGR阀的开度将随负荷减小而加大 这显然不符合EGR控制要求 为此 在EGR阀的具体设计上想了很多办法 如图7 25表示的双膜片阀就是一例 主膜片保证最大负荷下驱动真空度小时EGR阀关闭 当发动机负荷和转速降低时 排气背压降低 副膜片在小弹簧作用下下移 打开控制阀 使主膜片室内的真空度流失 EGR阀开度减小 电控系统用预先标定的脉谱通过电控真空调节器6控制EGR阀1的开度 显然大大提高了控制的自由度 闭环全电控系统应用了带阀位传感器8的线性位移电磁式EGR阀9 进一步提高了控制精度 图7 26表示这种EGR阀的一个结构实例 四 发动机设计的低排放考虑 1 冷启动和暖机2 怠速3 混合气形成和空燃比4 点火系统5 燃烧系统 4 点火系统 5 燃烧系统 燃烧室形状压缩比火花塞位置活塞组设计 二 柴油机 柴油机的CO和HC排放量相对汽油机来说要少得多 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 因此 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完全一致的 不过NOx排放往往与之矛盾 这就为柴油机的排放控制造成特殊的因难 考虑到汽油机排放的NOx可以通过三效催化剂或稀燃来解决 而柴油机排气中富氧条件下的NOx催化剂尚在研究开发中 目前尚无成功的催化剂可用 如何在保持柴油机良好性能的同时减少NOx的生成 是目前面临的重大技术挑战 柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好 柴油机运转时 平均过量空气系数 a一般都在1 3以上 如果达到理想的混合 碳烟是不可能生成的 NOx的生成也不会很多 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 0一1 1的高NOx生成区 所以 柴油机的排放控制要围绕改善油气混合这一中心任务 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 主要考虑 一 燃烧方式与燃烧室 二 喷油系统 三 气流组织与多气门技术 四 柴油机的排气再循环 五 增压 六 喷油定时 一 燃烧方式与燃烧室 重型车用柴油机和其他大型柴油机大多采取直接喷射燃烧方式 而轿车和轻型车要求转速高以及小型农业机械为使用方便多用非直喷式燃烧方式 由于直喷技术的进步 喷油系统的小型化 高压化和高速化 以及降低油耗和CO2排放的要求 高速的轿车柴油机也开始使用直喷式 并有逐步增长的趋势 现代车用增压柴油机排放物的负荷特性见图7 28 非直喷机碳烟排放大于轻型高速直喷机 而轻型高速直喷机的碳烟排放又大于重型车用直喷机 这是因为副燃烧室混合气很浓 易生成碳烟 主燃烧室中温度较低 已生成的碳烟后期氧化较差 但是直喷式柴油机的HC排放量大于非直喷机 这样 就包括碳烟和SOF在内的微粒排放量来说 直喷式柴油机与非直喷式相差不大 柴油机的HC排放置远低于汽油机 由于燃油组成和混合气形成方式的不同 柴油机的HC成分与汽油机不同 前者多为较高分子质量的HC 气味较大 直喷式柴油机的NOx排放量大于非直喷机 因为非直喷机初期燃烧发生在混合气极浓的副燃烧室里 由于缺氧 NOx不易生成 而主燃烧室中燃烧在较低温度下进行 已开始膨胀 NOx也不易生成 1 非直喷式柴油机 碳烟主要在副燃烧室里生成 它们进入主燃烧室以后大部分被氧化 在小负荷时 由于主燃烧室温度较低 碳烟氧化慢 所以非直喷机在部分负荷时的碳烟排放大于直喷机 改善非直喷式柴油机排气污染的重点也在副燃烧室 副燃烧室容积增大 减少了碳烟形成 但NOx增加 研究表明 涡流室的相对容积在52 左右得出最佳的碳烟与NOx折中 预燃室如容积过大 会降低其中燃气的能量 影响预燃室中不完全燃烧的燃气与主燃烧室中空气的混合 所以 预燃室的相对容积在25 一30 之间 涡流室中应避免流动死区 电热塞对气流的干扰应尽量小 所以 消除喷油器安装孔部位的流动死区 例如从占涡流室容积的10 降到5 可使冒烟界限的pme上升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上升5 减小电热塞加热头的直径 从 6mm减到 3 5mm 可使燃油消耗率be下降5一10g kW h 全负荷烟度下降0 5 1BSU 2 直喷式柴油机 对高速直喷式柴油机的混合气形成和燃烧有下列要求 在滞燃期和燃烧前期 喷入燃烧室的燃油量应尽可能少 以免预混合燃烧过多 使压力上升太剧烈 引起强烈的噪声 并控制NOx的生成量 在燃烧后期即扩散燃烧期 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 直喷式柴油机喷油系统的发展趋势 1 提高喷油压力 从一般的不到100MPa提高到150MPa甚至200MPa 特别是低转速时的喷油压力要保证 2 增加喷油器的喷孔数 减小孔径 前者对改善宏观燃油分布均匀性很关键 而后者在小缸径柴油机中为避免过多燃油碰壁是十分必要的 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 3 可控的燃油喷射率变化历程 如靴形喷射 详见后 二次喷射 预喷射加主喷射 4 根据柴油机工况优化喷油定时 二 喷油系统 1 喷油泵2 喷油器 三 气流组织与多气门技术 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 压力 损失 配合多孔数 小孔径喷油器来获得良好的混合气 每缸4气门的结构过去常用于缸径130一150mm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 它的主要优点是扩大进 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 不仅改善了喷油器的冷却情况和活塞热应力 2气门机燃烧室在活塞头上偏置使热应力不均匀 而且解决了由于2气门机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 四 柴油机的排气再循环 与汽油机类似 柴油机也可以通过排气再循环 EGR 来降低NOx排放 由于柴油机排气中氧含量比汽油机高 所以柴油机允许并需要较大的EGR率来降低NOx的排放 直喷式柴油机的EGR率可以超过40 非直喷式可达到25 为了防止产生较多的微粒 一般在中 抵负荷时用较大的EGR率 在全负荷时不用 以保证性能 当转速提高时也降低EGR率 以保证较多的新鲜空气充量 最佳EGR脉谱用试验标定法制取 柴油机所用EGR系统与汽油机类似 在增压柴油机中 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 这时 为防止增压压力大于排气压力时再循环废气的倒流 要在EGR阀前加一个单向阀 以便利用排气脉冲进行EGR 试验证明 把再循环的废气加以冷却 采用所谓冷EGR 可以提高降低NOx排放效果 五 增压 近年来 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 提高涡轮增压器的效率可增大空气供给量 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 控制喷油定时是控制柴油机排放的重要手段 一般来说 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 所以 现代车用柴油机常采用推迟喷油的措施 以改善噪声和NOx排放 但这时往往导致碳烟和微粒排放增加 这里关键是要尽可能加快柴油的燃烧 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值得研究的 利用简单的方式 例如直列泵的离心调节器和分配泵的液压调节器 达到喷油定时的优化控制是不可能的 电控则为灵活控制喷油定时提供了可能 最佳喷油定时控制脉谱 要考虑各方面的要求通过标定试验制取 第五节排气后处理 通过改进内燃机本身的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 来降低污染物的排放 现在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 一90 已成为发达国家汽油车的必备装置 车用柴油机的微粒捕集器正在开发之中 已研制的样品可降低柴油机微粒排放50 一80 仅由于技术上和经济上尚存在 系列问题 目前尚未大量推广 一 汽油机三效催化转化器二 柴油机排气微粒捕集器 一 汽油机三效催化转化器 工作原理 HCCONOx H2OCO2N2 起反应的条件 1 空燃比条件2 温度条件 1 空燃比条件 三效催化转换器同时净化三种排放物的效果 只有在化学当量燃烧 也就是过量空气系数 a 1时才能实现 因为NOx在催化剂上还原需要H2 CO和HC等作为还原剂 当空气过量 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 当空气不足 a 1 时 CO和HC则不能被完全氧化 2 温度条件 除了 a外 温度对催化剂的转化效率也有很大影响 一般称转化效率为50 所对应的温度为催化剂的起燃温度 一般三效催化剂对各种污染物的起燃温度在220一270 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 为缓解这个问题 正在研究用电加热催化剂加速它在冷起动后的起燃 对车用三效催化剂的要求 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 催化转化器的结构 催化转化器的结构 催化剂的活性材料 三效催化剂的主要活性材料是贵金属铂Pt和铑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1g 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 为进一步降低成本 正在大力研究用钙钛矿型稀土催化剂 或加上过渡金属氧化物催化剂 代替贵金属的可能性 但尚未大量用于汽车发动机 催化器的寿命 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 催化器新型载体 目前 也有用金属作为催化剂的载体材料 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 它一般做成小的 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 催化转化器主要失效形式 催化器的老化 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 C 因此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 因此 配三效催化转换器的汽油机必须使用无铅汽油 催化转换器的应用也对润滑油添加剂成分提出了新的要求 助催化剂 为了改善三效催化剂的性能 除了氧化铝和贵金属外 三效催化剂中还可能含有各种各样的添加剂或助催化剂 如镍Ni 铈Ce 镧La 钡Ba 锆Zr 铁Fe和硅Si等 它们起多种多样的作用 如加强催化活性 稳定载体以及防止贵金属烧结等 二 柴油机排气微粒捕集器 目前正在开发的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 在热再生过程中不易损坏 但捕集效率不高 一般在50 一70 之间 特别在气流速度较高时效率下降 另一个缺点是阻力大 因而紧凑性不好 表面型微粒捕集器主要用与汽油机三效催化剂整体蜂窝陶瓷载体类似的堇青石蜂窝陶瓷块作为滤芯 陶瓷纤维缠绕微粒捕集及催化再生过程 再生前 再生开始 再生中 再生结束 壁流式微粒捕集原理 典型的微粒捕集装置 OutletSection FilterSection CatalystSection InletSection V Clamps 微粒捕集系统车载安装图 CRTbehindheatshield InlettoCRT TemperatureandBackpressureportfordatacollection DDECTemperaturePort OutletofCRT 试验后的微粒捕集器 进口 出口 试验后微粒捕集器外壳 进口部分 出口部分 urea NH2 2CO ExhaustGas SCRCatalyst S 4NH3 4NO O2 4N2 6H2O2NH3 NO NO2 2N2 3H2O8NH3 6NO2 7N2 12H2O OxidationCatalyst O 4NH3 3O2 2N2 6H2O OxidationCatalyst V 2NO O2 2NO24HC 3O2 2CO2 2H2O2CO O2 2CO2 尿素 urea 用于选择还原 SCR 柴油机排气四效净化技术 第六节低排放燃料 一 燃料成分对内燃机排放的影响二 石油燃料的改善三 代用燃料与排放 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2 对碳烟和微粒排放的影响3 对臭氧形成的影响4 燃料产生的二氧化碳 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的排放量 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 在均匀可燃混合气中 缺氧不多则生成CO而不生成碳烟 只有当过量空气系数 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 石油燃料成分中 烷烃生成碳烟倾向最小 芳香烃 炔烃最大 烯烃居中 醇类 醚类燃料由于含氧量大 生成碳烟可能性小 柴油在均匀混合气中生成碳烟的临界 a约为0 34 但柴油机是非均匀混合气燃烧 尽管总过量空气系数 a 1 3 但局部地区的 a仍会低于上述临界值 不可避免会生成碳烟 分子结构紧密的烃 如芳香烃 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 测量结果显示 烷烃和醇类的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原子比越大 释放单位热量的CO2排放量越大 汽油与柴油C H原子比 0 5 完全燃烧产生的CO2为75g MJ左右 甲烷C H 0 25 产生CO2约为55g MJ 氢燃烧则不产生CO2 二 石油燃料的改善 1 汽油的改善2 柴油的改善 1 汽油的改善 汽油辛烷值不足就不得不降低汽油机的压缩比 以避免爆燃 这就降低了汽油机的热效率 增加了CO2的排放 汽油的挥发性 雷德蒸气压 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 因此 目前对汽油中各种成分的比例规定得越来越严格 四乙铅问题 2 柴油的改善 柴油十六烷值不足即着火性差 使滞燃期加长 预混合燃烧量过多 导致运转粗暴 噪声加大 NOx排放增加 柴油机各种污染物的排放 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 柴油的芳香烃含量与十六烷值有逆变关系 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 低排放的改制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 降低柴油含硫量就相应地降低了微粒的排放量 曾在柴油中加入少量碱土金属或过渡金属 Ba Ca Fe等 的有机酸盐 可显著降低柴油机排气烟度 这类添加剂称为消烟剂 但进一步的研究表明 虽然可见的烟度通过添加消烟剂而下降 但微粒的质量排放量往往反而增加 加上大多数这类金属对人体有害 所以现在不推荐使用消烟剂 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 到下个世纪中期 石油的代用能源将在能源结构中扮演重要角色 应用代用燃料的另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 在大城市中 使用排放CO HC和NOx较低 产生臭氧较少的代用燃科和电动汽车可改善局部环境 较有前途的内燃机代用燃料有植物油 天然气 醇类燃料 氢 电等 除了天然气直接取自一次能源外 其余都取自植物 煤炭 太阳能 水能 风能 核能等 第七节排放测量与排放法规 一 内燃机排气污染物的测量二 内燃机的排放法规 一 内燃机排气污染物的测量 取样 分析 一般排气成分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 这在内燃机稳定运转状态下比较容易实现 在非稳定状态下 理论上可以把所测得的浓度曲线和排气流量曲线对时间积分计算总量 但实际上由于排气管压力随工况而变 取样系统和测量仪器动态响应滞后的不同以及样气的混合使浓度曲线不能再现发动机排放的时间特性等原因 造成误差很大 于是采用了测量平均值的方法来解决这个问题 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