汽车发动机原理-周西河ppt课件

有害排放物的生成与控制 有害排放物的生成机理排放法规及测试方法汽油机的机内净化技术 9 1有害排放物的生成机理 有害排放物的种类及危害有害排放物的评价指标有害排放物的生成机理有害排放物生成的影响因素 有害排放物的生成机理 有害排放物的种类及危害 1 一氧化碳 co 无色 无味 窒息性强气体 与血红蛋白亲和力比O2强 导致CO中毒 症状 恶心 心痛 昏迷等 甚至致死 2 氮氧化物 NOX NO无色 无臭 轻度刺激 微毒NO2褐色 有毒 强刺激 恶臭 1 10 6 N2O光化学烟雾 酸雨 3 碳氢化合物 HC 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物 4 光化学烟雾NO HC 光化学反应 光化学烟雾 强光照射 5 微粒及炭烟微粒 碳 有机物质 硫酸盐为主 可吸入颗粒物 d 10um PM2 5悬浮地面1 2米2009年欧V排放法规限制 6 硫氧化物 SOx SO2为主 少量SO3 有毒酸雨的主要成分50 变为硫酸盐 形成二次微粒 有害排放物的评价标准 浓度排放量 排放物 总排气量 体积分数 另固态 用质量浓度 mg m3 ug m3比排放量常用 发动机排放测试 排放物质量 做功 g kw h 整车排放测试 排放质量 里程 g km 排放因子 质量排放量 排出质量 时间 g h排放率 排放指数 排放物质量 燃料质量g kg1 有害排放物的生成机理 氮氧化物 NOx NO为主1 高温NON2 O N NO H 75kcal mol 控制反应 N O2 O NO H 31 4kcal molN OH H NO H 40 8kcal molO起着活化链作用 捷尔杜维奇捷氏反应机理 1800k 1800k 激发NO 佛尼莫尔 火焰前锋面上 a 0 6 0 7max烃类燃烧中CH N2 HCN NCH2 N2 HCN NH H 3 3kcal mol燃料NO 含N化合物燃烧 NO现不考虑700 9000C生成速率很高 a降 NO a 1时NO不变实际发动机NO来源与生成条件高温NO 反应条件 温度 氧浓度 反应时间 NO生成随温度升高而呈指数函数剧烈上升 当温度低于1800K时 NO生成速率极低 大致可以认为温度没升高100K NO生成速率几乎翻一番 氧含量提高会使NO的生成量增加 NO生成反应比燃料燃烧反应慢 大部分NO在火焰离开之后的已燃气体中形成 如果反应在高温停留时间不足 则NO达不到平衡 使NO排放减少 NOx生成规律 一氧化碳 CO 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 碳氢化合物 HC 汽油机中生成机理不完全燃烧壁面淬熄效应 狭隙效应壁面油膜和积碳的吸附效应柴油机中生成机理1 混合不均匀2 喷油器压力室容积的影响3 二次喷射或后滴非排气HC的生成机理曲轴箱窜气燃油蒸发 微粒及炭烟的生成机理 汽油机 预混合燃烧 生成少柴油机 扩散燃烧 不可避免 1 柴油机微粒的基本特征 构成 干碳烟 可溶性有机物 硫酸盐碳烟以碳为主体的不完全燃烧产物 2 PM的粒径与排放数量柴油机PM排放粒径分布 大小 纳米 超细 细 PM10四种微粒 核形态 核态 凝聚态 粗糙态 碳烟和微粒的生成机理三阶段 碳烟生成 碳烟氧化 PM形成碳烟生成阶段 烃类燃料高温氧化裂解生成 详细的说 从燃油分子到生成碳烟颗粒整个过程中的化学动力学反应及物理变化过程尚不十分清楚 四种过程 积炭型碳烟主要由积存在燃烧室壁面和喷油器表面的燃油受热气化后剩下的燃料在燃烧中形成 属于不正常现象 雪片型碳烟主要靠吸收排气中的硫酸而形成雪片状大粒颗粒微粒 对燃料含硫很低的内燃机不构成主要途径 剩余型碳烟也称残炭型碳烟 主要由粒径较大的燃油喷射到高温空气中 轻质烃很快蒸发气化 剩余液态重质烃高温缺氧条件下脱氢炭化形成多空状炭粒 气相析出型炭烟是现代柴油机炭烟生成的主要途径 目前主要有多环芳香烃中间体说和乙炔中间体说两种解释多环芳香烃中间体说 3C2H4 C6H6 3H2C6H6 PAH 炭黑乙烯脱氢生成环烷烃 环烷烃脱氢成为芳烃 并进一步聚合成多环芳烃 PAH PAH继续脱氢与缩合 形成高分子炭黑物质 乙炔中间体说 C2H4 C2H2 H2C2H2 2C H2乙烯脱氢生成乙炔 并继续脱氢生成炭黑 炭黑逐渐聚合成炭核 2nm左右 气相烃在炭核表面凝聚和脱氢炭化 使炭核增大至20 30nm的近球形基本炭粒 炭粒相互聚合集形成数十上百nm不等的链状多孔性聚合物 成核长大过程结束上述气相反应过程加上成核长大过程构成了炭烟生成阶段在扩散火焰中 燃烧成分会影响炭烟生成量 一般按烷烃 烯烃 炔烃 和芳香烃的顺序依次增加 碳烟氧化阶段前期燃烧已经生产的炭烟 如果在后期能遇到足够的氧化氛围和高温 也会通过氧化反应而缩小或完全氧化掉 右图给出了一系列在燃烧室内不同位置用直接采样方法得到的炭烟浓度随曲轴转角变化的过程 说明大部分炭烟在排出汽缸之前被氧化掉 炭烟一般在600摄氏度以上的温度就可以氧化 燃烧后期温度足够的 其氧化多少主要取决于是否有足够的氧气和反应时间 三 微粒形成阶段燃烧过程中产生的炭烟在膨胀和排气过程直至排入大气候 随周围气体温度降低 未燃HC化合物 硫酸盐以及水分等在炭烟上吸附凝集 形成排气微粒PM 其中 硫酸盐是由排气中的二氧化硫遇水变成硫酸盐而生成 随工况不同 有1 3 的二氧化硫在排气中转变为硫酸盐 称为PM的一部分 其余的二氧化硫以气体状态排入大气 大量实验表明 柴油机挥发性成分排放高时 旺旺随着PM中SOF的增多 9 1 4有害排放物生成的影响因素 影响汽车有害排放物质生成的因素很多也很复杂 主要是过量空气系数 反应物浓度 和温度 1 过量空气系数影响 一 对汽油机的影响汽油机CO HC和氮氧化物排放以及动力性随过量空气系数或空燃比变化如右图 可以看出空燃比的增加有害气体排放减少 空燃比大于1时到最小 对降低CO和HC来说应避免过量空气系数小于1 二 对柴油机的影响 影响如下图所示 尽管柴油机偏西混合条件下运转 由于柴油机扩散燃烧 混合气分布不均 完全燃烧比预混合气体要多 与汽油机相比下 CO HC和氮氧化物曲线有像西区平移 同时过量空气系数小于等于2以后 微粒急剧上升 还可以看出柴油机的CO排放一般很低 不到汽油机的十分之一 一般是高负荷下 混合不均造成的局部缺氧条件下产生的CO 3 发动机的类型的影响 一 汽油机与柴油机排放特性的对比如图可知柴油机的HC和CO比汽油机少得多 甚至少于安了催化转换器的汽油机 而氮氧化物的排放量 柴油机中小负荷低于汽油机