第5章_发动机排放污染与控制

1、第第5章章 发动机排放污染与控制发动机排放污染与控制 5.1 大气污染及发动机排放大气污染及发动机排放v5.1.1 大气污染 ISO对大气污染的定义：空气污染通常指人类活动及自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，在大气中保留了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。 自然过程: 森林火灾、岩石风化、火山活动等福利: 自然资源、生物、建筑物等。 污染物分类一次污染物二次污染物第一类硫化物SO2 、 H2SSO2 、 H2SO4 、 MSO4第二类氧化物CO 、CO2O3 第三类氮化物NO 、NH3 NO2、 HNO3、 MNO3第四类碳氢化合物 未然烃、醛醛、酮

2、、过氧酰基硝酸脂（PAN）第五类卤化物HF、HCl无v5.1.2发动机排放的污染物及其危害发动机排放的污染物及其危害 内燃机排放污染物：COCO、HCHC、NONOX X（NONO、NN2 2OO、NONO2 2等等）COCO2 2、CHCH4 4PM(PM(碳烟微粒碳烟微粒) SOSOX X、醇类、醛类、醇类、醛类(RCHO)(RCHO)多环芳香烃多环芳香烃(PAH)其他未知污染物其他未知污染物. .CO对人体的毒害COHb/O2Hb症状0.1无症状0.10.2头痛、注意力下降、心慌0.20.3剧烈头痛、头晕、无力0.30.45呕吐、虚脱5.1.2发动机排放的污染物及其危害发动机排放的污染物

3、及其危害 危害：v5.1.2发动机排放的污染物及其危害发动机排放的污染物及其危害 危害：vHC:HC: 破坏造血机能，引起贫血、神经衰弱，并降低破坏造血机能，引起贫血、神经衰弱，并降低肺对病菌的抵抗能力肺对病菌的抵抗能力 光化烟雾的主要产生源 PAH PAH 致癌致癌 醛类对眼、呼吸道、血液有毒害醛类对眼、呼吸道、血液有毒害 v5.1.2发动机排放的污染物及其危害发动机排放的污染物及其危害 危害：vNOX:NOX: 吸入较多的吸入较多的NO会造成中枢神经障碍，破坏造血机能会造成中枢神经障碍，破坏造血机能，引起贫血、神经衰弱，并降低肺对病菌的抵抗能力，引起贫血、神经衰弱，并降低肺对病菌的抵抗能力

4、 NO2被人体吸收后变为硝酸，硝酸与血红蛋白结合生成变性血红蛋白，对心、肝、肾都有不良影响。浓度在5ppm，能被感知，1020ppm，有强烈的刺鼻味，50300ppm，头痛出汗，300500ppm，气管发炎，大于500ppm，肺浮肿而死亡。 参与光化学反应会形成臭氧、醛和参与光化学反应会形成臭氧、醛和PAN。 v5.1.2发动机排放的污染物及其危害发动机排放的污染物及其危害 危害：v微粒微粒: :危害与粒径大小有关危害与粒径大小有关大气中小于大气中小于510m微粒可直接深入呼吸道及肺微粒可直接深入呼吸道及肺叶组织并在其中沉积，造成机械性超负荷，从叶组织并在其中沉积，造成机械性超负荷，从而引起肺

5、部组织病变。发动机排出微粒粒径一而引起肺部组织病变。发动机排出微粒粒径一般都在般都在1m以下，汽油机排除的微粒粒径一般以下，汽油机排除的微粒粒径一般在在0.02m左右；柴油机排除微粒粒径一般在左右；柴油机排除微粒粒径一般在0.1m左右。这些微粒都处于在大气中能长期左右。这些微粒都处于在大气中能长期悬浮的范围内，在其表面上通常还附有多种有悬浮的范围内，在其表面上通常还附有多种有机物质，其中包含机物质，其中包含PAH,具有不同程度的诱变和具有不同程度的诱变和致癌作用，因而对人体有直接威胁。致癌作用，因而对人体有直接威胁。 v5.1.2发动机排放的污染物及其危害发动机排放的污染物及其危害 危害：v其

6、他排放物其他排放物二氧化碳：温室效应二氧化碳：温室效应醛类醛类(RCHO)：排气产生臭味、具有刺激性，长时间受浓度：排气产生臭味、具有刺激性，长时间受浓度较大甲醛影响，眼睛、上呼吸道和中枢神经会受到危害。较大甲醛影响，眼睛、上呼吸道和中枢神经会受到危害。SO2：具有刺激性，浓度达到：具有刺激性，浓度达到8ppm时，刺激鼻喉，引起咳时，刺激鼻喉，引起咳嗽。若浓度进一步增大，引起呼吸困难，形成支气管炎、嗽。若浓度进一步增大，引起呼吸困难，形成支气管炎、哮喘，甚至肺肿，直至死亡。哮喘，甚至肺肿，直至死亡。SO2变成硫酸烟雾后，对人和环境有极大危害变成硫酸烟雾后，对人和环境有极大危害含铅微粒，对血液、

7、骨骼和神经细胞有损害作用，对生长发含铅微粒，对血液、骨骼和神经细胞有损害作用，对生长发育的儿童影响尤其严重。不同金属对人类的损伤是不一样育的儿童影响尤其严重。不同金属对人类的损伤是不一样的，的， v5.1.3 发动机的排放指标发动机的排放指标 排放物浓度排放物浓度C质量排放量质量排放量G排放物的比排放量排放物的比排放量g及排放率及排放率gT浓度指数浓度指数Kp定额容积和比定额容积定额容积和比定额容积行驶里程排放量行驶里程排放量Qvv5.1.4主要有害物的物理化学变化主要有害物的物理化学变化 CO的化学变化的化学变化2222COOCO2221COOOCOHCHHOC2423HCOOHOC2v5.

8、1.4主要有害物的物理化学变化主要有害物的物理化学变化 NOx的化学变化的化学变化自由基如自由基如OH、HO2等也能使等也能使NO转化为转化为NO2：NO2经若干反应生成硝酸经若干反应生成硝酸 硝酸与氨作用生成硝酸氨 223ONOONOHCOCOOH2HCOCOOH2OHNONOHO2232HNONOOH2332ONOONO5223ONNONO32522HNOOHON3433NONHNHHNOv5.1.4主要有害物的物理化学变化主要有害物的物理化学变化 SO2的化学变化的化学变化 太阳光照射下，吸收波长200400nm的紫外线光能hr，发生光氧化作用而产生SO3，然后与水蒸汽化合形成硫酸 32

9、222SOhrOSO4223SOHOHSOv5.1.4主要有害物的物理化学变化主要有害物的物理化学变化 温室效应温室效应 v温室效应：通过吸收地球反射的一部分红外线能量，再发射到地面的这些气体，使地球表面变暖。vCO2可以吸收波长为15微米左右的红外线，故CO2也称为温室气体。v5.1.4主要有害物的物理化学变化主要有害物的物理化学变化 光化学烟雾生成光化学烟雾生成 vHC和氮氧化合物，在阳光作用下，经一系列化学反应，生成以臭氧、醛、过氧酰基硝酸脂为主的光化烟雾，烟雾是浅蓝色的刺激性烟雾。v光化学烟雾生成的基本原理v5.1.5发动机排气净化技术的发展发动机排气净化技术的发展 从研究污染物的现象

10、到研究生成机理从研究污染物的现象到研究生成机理 从调整部分参数到发动机性能的全面优化 从稳态常用工况控制到全工况范围的微机控制 从常规燃料的排放研究到燃用代用燃料的排放研究 从预测排放的简单模型到更为全面准确的预测模型的研究 第第5章章 发动机排放污染与控制发动机排放污染与控制 5.2 污染物生成机理及影响因素污染物生成机理及影响因素 v5.2.1 CO生成机理 理论上，理论上，HCHC燃料完全燃烧时生成燃料完全燃烧时生成COCO2 2和和H H2 2OO。HCHC的氧化过程：的氧化过程： R-H R- R-O2RCHORCOCO+R- CO+OHCO2+H因此，因此，COCO是烃燃料燃烧的中

11、间产物。是烃燃料燃烧的中间产物。aaa实际的燃烧过程在于：实际的燃烧过程在于： 1 1）燃料浓度分布不均匀。）燃料浓度分布不均匀。 2 2）温度分布不均匀（冻结温度）温度分布不均匀（冻结温度1100K1100K）。）。 3 3）燃烧过程时间短，达不到化学平衡状态。）燃烧过程时间短，达不到化学平衡状态。因此因此COCO的排放是不可避免的。的排放是不可避免的。当反应着的气体突然缺乏氧化剂、温度过低或反应当反应着的气体突然缺乏氧化剂、温度过低或反应时间过短时，时间过短时，COCO就以中间产物的形式生成了。就以中间产物的形式生成了。 汽油机汽油机COCO排放特点排放特点由于要控制空燃比在化学计量比附近

12、，由于要控制空燃比在化学计量比附近，COCO排放浓排放浓度高。度高。v全负荷混合气加浓，全负荷混合气加浓，COCO排放增加。排放增加。v怠速运转废气稀释大，怠速运转废气稀释大，COCO排放量大。排放量大。v起动暖机、急加速和急减速时起动暖机、急加速和急减速时COCO排放较多。排放较多。v多缸机中各缸间燃比的变动使多缸机中各缸间燃比的变动使COCO排放量增加。排放量增加。 （各缸单独匹配）（各缸单独匹配）三、柴油机的三、柴油机的COCO排放排放 柴油机柴油机COCO排放分析排放分析 柴油机柴油机COCO排放特点排放特点 柴油机的柴油机的COCO排放总体比较低排放总体比较低。 燃烧接近或超过冒烟极

13、限后，由于燃烧过程局部燃烧接近或超过冒烟极限后，由于燃烧过程局部混合气过浓，缺氧造成混合气过浓，缺氧造成COCO排放迅速增加。排放迅速增加。 柴油机小负荷时，稀混合气区体积增加，燃气温柴油机小负荷时，稀混合气区体积增加，燃气温度降低，度降低，COCO排放略微增加。排放略微增加。 一、汽油机一、汽油机HCHC排放的来源排放的来源 HC SourcesHC Sources1) 1) 排气排气 55 5565%65%（机内排放）（机内排放）2) 2) 曲轴箱曲轴箱 20 2025%25%3) 3) 燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发 151520%20%1.HC1.HC排放

14、的来源排放的来源5.2.2未然烃生成机理 2.UHC2.UHC排放的生成机理排放的生成机理 1 1）冷激效应影响冷激效应影响 2 2）润滑油膜的吸附和解吸）润滑油膜的吸附和解吸 3 3）燃烧室表面沉积物）燃烧室表面沉积物 4 4）体积淬熄体积淬熄 5 5）碳氢化合物后期氧化碳氢化合物后期氧化 3.UHC3.UHC排放的特点排放的特点 1. 1.未燃未燃HCHC排放的来源排放的来源 1 1）完全由缸内燃烧过程产生。完全由缸内燃烧过程产生。 2 2）没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。 二、压燃式发动机二、压燃式发动机HCHC的排放的排放 2.2.生成机理和影响因素生成机理

15、和影响因素 1 1）混合气不均匀。混合气不均匀。 2 2）喷油器嘴部的压力室容积喷油器嘴部的压力室容积 。 3 3）冷起动冷起动 。 4 4）气）气缸壁温度影响缸壁温度影响HCHC排放，因为壁面激冷使排放，因为壁面激冷使HCHC 排放增加。排放增加。一、一、 NONO生成途径生成途径 MechanismMechanism1 1）高温途径：）高温途径：空气中的氮分子在高温下氧化生成空气中的氮分子在高温下氧化生成 NONO，通常发生在已燃高温区，称，通常发生在已燃高温区，称热力型热力型NONO（Thermal NOThermal NO）。2 2）瞬发途径：）瞬发途径：在火焰面或火焰面附件生成在火焰

16、面或火焰面附件生成NONO，称称瞬发型瞬发型NONO（Prompt NOPrompt NO）。3 3）燃料途径：）燃料途径：燃料中的氮元素燃烧直接转化为燃料中的氮元素燃烧直接转化为NO NO 排放排放, ,（Fuel NOFuel NO）。4) N4) N2 2O mechanism O mechanism 低温低温NN2 2OO机理。机理。5.2.3氮氧化合物的生成机理 OO2 2 = 2O= 2O O+N O+N2 2 = NO+N= NO+N N+O N+O2 2 = NO+O= NO+O N+OH = NO+H N+OH = NO+H (Lavoie)(Lavoie) Extended

17、 Zeldovitch MechanismExtended Zeldovitch MechanismZeldovitchZeldovitch热力型热力型NONO生成机理生成机理 Thermal NOThermal NO与与NONO生成生成密切相关的因素：密切相关的因素： 1 1） 燃烧温度燃烧温度 2 2） 氧气浓度氧气浓度 3) 3) 高温时间高温时间 二、汽油机二、汽油机NONOX X排放的影响因素排放的影响因素 1.过量空气系数过量空气系数 Air Excessive RatioAir Excessive Ratio 2.2.点火正时点火正时 Ignition TimingIgnitio

18、n Timing0.5c 3.EGR Ratio3.EGR Ratio 4.4.负荷负荷 Engine Load Engine Load 三、柴油机三、柴油机NONOX X排放的影响因素排放的影响因素 （自然吸气直喷柴油机，（自然吸气直喷柴油机，6 6102mm102mm118mm118mm， ）16.5c1. 1.负荷与转速负荷与转速 Engine Load and SpeedEngine Load and Speed2.2.喷油定时喷油定时 Injection TimingInjection Timing 3.EGR Ratio3.EGR RatioEGR率率NOx ppm5.2.4碳烟粒

19、子生成机理燃料热裂解氧化裂解成核表面增长凝聚氧化集聚碳烟排放燃烧系统中碳烟粒子的生成过程v裂解裂解: 生成碳烟前，燃料分子大量分解及反应物原子重新排列。热裂解反应按自由基链反应机理进行，少量O、OH自由基或O2通过支链反应加速裂解。 预混火焰预热区，温度较高，并有较大温度氧，燃料在那儿很快就氧化裂解为乙炔。乙炔是中间产物。 扩散火焰中，燃料，特别是芳香族燃料，裂解产物有所变化。大于1800K时，裂解产物为乙炔，小于1800K时，裂解为联二苯。说明燃料结构对碳烟生成影响较大。 v成核成核 : 碳烟粒子胚芽的物质，其成长应比分解或氧化反应快。具有足够稳定性以抵御高温下分解，同时又应具有足够化学活性

20、，以便能以一定速率与其它基因和离子快速反应。 具备上述要求胚芽物质具有极性共轭结构。共轭结构物质的共轭稳定性能抗御高温分解，而其极性特征又能使其与其它基团和离子快速反应。 裂解反应生成乙炔不具有共轭结构，稳定性来自化学键能。某些反应生成丁二烯、乙烯基乙炔、联乙炔等极性共轭物。 非共轭脂肪族燃料经热裂解或氧化裂解生成乙炔，如这时有大量O或OH自由基存在，大部分乙炔可氧化为活性产物。剩下乙炔通过反应生成丁二烯、乙烯基乙炔、联乙炔等极性共轭脂肪族化合物，这些正是碳烟粒子核心先兆物。碳烟先兆物在高温下，环化、脱氢、聚合，最后成为多环结构碳烟核心。 芳香族燃料通过环断裂生成乙炔，或在较低温度下形成苯基，

21、苯基与乙炔或乙烯基乙炔反应，易生成碳烟核心。因此燃料中芳香族成分含量高，燃烧时碳烟生成量明显增加。v表面增长和凝聚表面增长和凝聚 : 碳烟粒子通过与气相物质做表面反应使粒子质量增加的过程称为表面增长。 凝聚是指两个小的球状碳烟粒子经碰撞形成一个大的球状碳烟粒子的过程。 球状形成的原因有三种观点。 观点一：初期碳烟粒子由于氢成分多而粘性较低，类似于半流体，因而粒子相撞后能融合一体并通过变成球形使表面能最低； 观点二：碳烟形成初期，粒子直径小，相撞时原子力会起作用，造成能量的重新调整，使粒子形状趋于球形； 观点三：碰撞发生在表面高速度增长的较小粒子之间，因此，粘合在一起的颗粒尽管当时未马上形成球形

22、，也会很快的因表面增长重新获得原有个的球体形状。v集聚集聚 : 凝聚使碳烟核心的数密度下降，当碳烟核心数下降到一个程度后，随着基本碳烟粒子的形成，球形粒子相互碰撞将不再融合成球形，而是粘结为链状，这称之为集聚。 柴油机燃烧进行到膨胀冲程时，随缸内温度下降，低分子量未完全燃烧碳氢化合物会凝结在碳烟微粒粒子上。v碳烟氧化碳烟氧化 : 碳烟生成开始，伴随着成核先兆物、碳烟核心、碳烟粒子的氧化反应。扩散火焰碳烟生成区，碳烟生成率相当高，而氧化剂缺乏，碳烟氧化率相对于生成率很小。随着碳烟粒子向空气区扩散，碳烟粒子的数密度基本上不再增加，且粒子尺寸和增长也渐渐由表面增长转为凝聚或集聚。这时，碳烟的质量生成

23、率已降得很低，氧化剂却很充足，碳烟氧化的作用突出了。 汽油机缸内混合比处于理论混合比附近，因而碳烟排放很少。混合气过浓时，虽然排烟量有所增加，但在一般工况下，也只有柴油机的几十分之一。汽油机排烟粒子主要是由于抗爆添加剂四基乙铅造成的，在燃烧过程中，抗爆添加剂生成的含铅化合物往往沉积在燃烧室壁上，然后在发动机高速运转下，这些沉积的碎片被卷起，破碎成小的颗粒随废气排出。碳烟的生长过程碳烟的生长过程 Particle GrowthParticle Growth碳烟颗粒的分布特性碳烟颗粒的分布特性 PM DistributionPM Distribution第第5章章 发动机排放污染与控制发动机排放污

24、染与控制 5.3 污染物排放控制v5.3.1排放特性 1. 点燃式发动机 1) 稳态排放特性 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）NOx排放特性第第5章章 发动机排放污染与控制发动机排放污染与控制 5.3.1排放特性 1. 点燃式发动机 2) 瞬态排放特性 冷起动 暖机过程 加速 减速 2.压燃时发动机 1)稳定运转状态 一台1.9L排量2气门涡轮增压中冷直喷式车用柴油机的排放特性a) CO排放率 b）HC排放率 c）NOx排放率 d) 滤纸烟度第第5章章 发动机排放污染与控制发动机排放污染与控制 5.3.2排放控制1. 点燃式发动机1) 曲轴箱排放物

25、控制 曲轴箱强制通风计量阀（PCV）阀a) 进气管真空度大时b）进气管真空度小时1-阀座； 2-回位弹簧； 3-阀芯； 4-阀体； 5-缓冲弹簧第第5章章 发动机排放污染与控制发动机排放污染与控制 5.3.2排放控制1. 点燃式发动机2) 蒸发排放物控制 图5.13车用汽油机电控燃油蒸发排放物控制系统方框图1-电控单元；2-清除空气滤清器；3-发动机进气歧管；4-电磁式清除阀； 5-泄露检测泵； 6-活性炭罐； 7-燃油箱曲轴箱强制通风计量阀（PCV）阀 第第5章章 发动机排放污染与控制发动机排放污染与控制 5.3.2排放控制1. 点燃式发动机3) 排气再循环 车用汽油机的EGR控制系统框图

26、a) 真空控制EGR系统 b）电控真空驱动EGR系统 c）闭环电控EGR系统1-真空驱动EGR阀；2-排气管；3-发动机；4进气管；5-温度控制阀；6-电控真空调节器；7电控单元；8-EGR阀位置传感器；9-电磁阀EGR阀EGREGR系统的大致控制要求是系统的大致控制要求是: :(1) (1) 由于由于NOxNOx排放量随负荷增大而增大排放量随负荷增大而增大(2) (2) 暖机过程中，冷却水温度和进气温度较低，暖机过程中，冷却水温度和进气温度较低，NOxNOx排放不高。为防止废气回流破坏燃烧的稳定排放不高。为防止废气回流破坏燃烧的稳定性，一般在发动机冷却水温度低于性，一般在发动机冷却水温度低于

27、5050时，不时，不进行进行EGREGR。(3) (3) 怠速和小负荷时，怠速和小负荷时，NOxNOx排放也不高，也不进排放也不高，也不进行行EGREGR。(4) (4) 接近全负荷时，为使发动机保持足够的动力接近全负荷时，为使发动机保持足够的动力性，即使性，即使NOxNOx排放很高，也不允许进行排放很高，也不允许进行EGREGR。5.3.2排放控制1. 点燃式发动机4) 发动机设计的低排放考虑 (1） 冷起动、暖机和怠速排放控制 (2）混合气形成和空燃比 (3）燃烧系统 (4) 配气机构 5.3.2排放控制2.压燃式发动机 1) 燃烧方式和燃烧室形状 （1）非直喷式柴油机 改善排放重点在副燃

28、烧室。副燃烧室相对容积增大，碳烟生成减少，NOx生成量增加。 (2)直喷式柴油机直喷式柴油机混合气形成和燃烧有下列要求:va 在滞燃期和燃烧前期，喷入燃烧室的燃油量应尽可能少。vb 在燃烧后期即扩散燃烧期，需要有很高的喷油压力。vc 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发展趋势:va提高喷油压力vb增加喷油器的喷孔数，减小孔径。vc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)。 直喷式柴油机设计要点 v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. 力求提高此容积比，降低柴油机碳烟和微粒排放。避免采用短行程柴油机。v

29、燃烧室口径比 燃烧室口径比是指燃烧室直径dc与深度h或缸径D的比值.尽量用口径比较大的浅平燃烧室 v 燃烧室形状 直边不缩口形燃烧室 5.3.2排放控制2.压燃式发动机 2) 供油系统 (1) 延迟喷油时间 (2) 提高喷油速率 (3) 喷油器 (4)提高喷油压力 (5)电控在喷油系统的应用5.3.2排放控制2.压燃式发动机 3) 气流组织和多气门技术 4) 柴油机的排气再循环 5) 增压 6) 排气后处理 5.3.2排放控制2.压燃式发动机 7) 三效催化转化器 主要活性材料:Pt Rh, Pt/Rh比为5:1左右。 是一种需要使用氧气探测器、反馈控制机构、电子控制的燃料喷射装置，并将可燃混

30、合气的空燃比始终控制在理论空燃比附近，以一级催化方式同时净化汽油机排气中的三种主要污染物CO、HC和NOx的方法。5.3.2排放控制2.压燃式发动机 7) 三效催化转化器 (1) CO催化氧化机理 (2) 碳氢化合物氧化机理 (3)NO还原机理5.3.2排放控制2.压燃式发动机 7) 三效催化转化器 车用三效催化剂要求为: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。5.3.2排放控制2.压燃式发动机 7) 三效催化转化器 三效催化转化器的构造1-外壳；2-减振密封衬垫；3-催化剂5.3.2排放控制2.压燃式发动机 8) 柴油机排气微粒过滤器对微粒过滤器的要求:v(1）高的过滤效率v(2）低的流动阻力v(3) 耐高温的滤芯材料v(4) 外形尺寸小、通用性好v(5)可靠性好、寿命长 5.4 排放法规5.4.1国外排放法规发展排放标准实施年份汽油车柴油机COCH+NOHCNOxPMCOCH+NOxHCNOxPM欧洲I欧洲II欧洲III欧洲IV欧洲V欧洲VI1992199520002005200820142.722.22.31.01.01.00.970.50.200.100.100.100.150.080.060.0052.722.21.00.6