第八章燃烧与有害物的生成与排放

1、第八章 燃烧与有害物的生成与排放8.1.1 有害排放物的种类与危害法规限制成份：CO、HC、NOx、PM（针对汽油车和柴油车）其他有害成份： 硫化物SOx、铅化合物、醛类、苯类、丁二烯、柴油机排气臭味等8.1 有害排放物的生成机理与影响因素2）Prompt NO3）Fuel NONO生成途径8.1.3 有害排放物的生成机理1、NOx = NO、NO2、N2O燃烧中主要生成NO，少量NO21）Thermal NO影响NOx生成的三要素温度 T，则NO平衡浓度 ，NO生成速率，则NO （其中，生成速率影响最大）氧浓度 温度一定时，氧浓度，则NO 反应时间 如图所示（甲烷CH4火焰），相对CO、H2

2、O等，NO反应较慢，因此在实际发动机燃烧结束时尚达不到平衡浓度反应时间（S）2、CO不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响不完全燃烧 a 1 时：局部缺氧热离解 CO2 CO排气中生成 HC在排气中进一步氧化时生成CO3、未燃HC （THC）（1）HC在汽油机中的生成机理不完全燃烧 a1，混合不均、减速、失火、循环波动壁面淬熄效应 低温、弱流动和弱湍流导致淬熄层（Quenching layer） 窄缝处面容比大，火焰无法传入，也称缝隙效应油膜和积碳吸附 混合气形成过程中，吸附HC;燃烧过程中，“躲过”火焰;排气过程中，脱附释放，形成排放GapsDepositsQuenchingat WallOi

3、l film混合不均匀 过浓或过稀（2）HC在柴油机中的生成机理成分质量分数干碳烟（DS）可溶性有机成分（SOF）硫酸盐(Sulfate)40503545510质量百分比/%4、微粒及碳烟PM Particulate Matter, Soot(Smoke)微粒的成分PM10、PM2.5、汽近年来提出：油机PMPM粒度越来越小，目前可认为绝大部分在0.11m范围（右图）01009080706050403020101.20.280.83Pme /MPaE202.5um某欧2柴油机PM粒度分布PM （ Soot）的生成过程Soot源于烃类燃料在高温缺氧下的裂解，详细机理尚不明确。碳粒氧化（燃烧后期）

4、PM生成（膨胀和排气）碳粒生成（燃烧期间）大的燃油颗粒汽化剩下的重质烃，高温脱氢碳化焦炭状大颗粒碳粒（PM10）气相烃裂解、脱氢乙烯（CH2CH2）乙炔（CH-CH）聚乙炔原子级碳粒聚合生成碳核（约2nm ）遇充分的氧化氛围，碳粒部分氧化小碳粒碰撞、聚合较大碳粒（不规则形状、多孔聚合物），吸附HC和硫酸盐 PM8.1.4 有害排放物生成的影响因素（1）汽油机1、a的影响CO： a ，CO（单调）；a1，逐渐达最低值HC： a ，HC ；a 过大，HC回升（过稀）NO： a1.1后，氧化气氛，但温度下降，NO （2）柴油机NO：与汽油机相似，但注意区间碳烟：与汽油机CO相似，但向稀区平移CO：与

5、汽油机CO相似，过稀时回升HC：a2后，过稀和低温使HC 注意：CO、HC远低于汽油机，一般不超标（注意a范围！与汽油机比较）8.2 排放法规及其测试方法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（如表87）发动机排放限值（如表810）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）（1）轻型车工况法测试美国FTP-75 瞬 态 工 况模拟城市行驶工况分成：冷起动热稳定停车热起动四个阶段，分别采气分析（加权）3、工况法测试轻型车排放测试转鼓试验台稀 释 - 定容（ CVS）转鼓测功机排气分析仪PM

6、 采 样欧洲NEDC（中国）相对稳定工况模拟城市区（city cycle）和郊区（Extra Urban Driving Cycle）行驶工况起动后40s后开始采气分析（欧后取消40s，并加-7起动），全过程采气1袋欧洲工况被我国和世界上大多数国家采用，有可能成为 国际标准。日本10-15工况也是由市区工况和郊区工况组成（2）重型柴油车发动机台架测试循环13工况法（ECE R49）适用于重型车（柴油车）额定转速5工况 +最大转矩转速5工况 +怠速3工况，各点加权作和需要在有反拖功能的电力测功机上试验详见：王建昕等编，汽车排气污染治理及催化转化器，化工出版社，1999年（1）标准排气分析仪 CO

7、、CO2 THC NO、NOx（2）怠速排气分析 CO、CO2 、HC NO、NOxNDIR电化学法（3）气相色普仪（实验室分析）通过更换色普柱，可以测量CO、CO2 、HC、NO、NO2及非常规气体，但时间周期长。3、分析方法和仪器CEB-型排气分析仪总碳氢化合物不分光红外分析仪NDIR氢火焰离子分析仪FID化学发光法CLD碳氢化合物分流稀释/温控滤纸采集干碳DS可溶有机成分SOF硫酸盐0.2-0.5m;0.5-1m;1-2.5m;2.5mParticulate Size Classifier成分分析（研究用）PM总质量（恒温湿，g天平）粒径分析0.2m;（4）微粒分析质量检测（按法规）稀释

8、通道二次稀释通道稀释通道稀释空气CVS 分流稀释通道两种微粒稀释采集系统稀释空气CVS 全流稀释通道（4）微粒分析8.3 排放污染物的机内净化技术机内净化（燃烧）清洁燃料（燃料）柴油机汽油机柴油机污染技术 （后处理） 汽油机气体燃料：CNG、LNG LPG馏分轻，降低排烟液体含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、甲酯（植物油酯化）非排气污染控制技术燃油系统蒸发曲轴箱窜气右图是气体排放控制的基本依据 宏观a应尽量大于1 加强气体扰动（涡流、湍流），避免局部a过浓 抑制壁面/淬熄效应、循环波动及各缸不均匀 汽油机主要靠三效催化剂（见后） 柴油机CO排放 柴/汽 1/10HC排放 柴/汽 1/3 1/5因此

9、，正常工作的柴油机CO和HC不超标（从混合气形成和燃烧机理来考虑为什么？）1、CO、HC排放的控制2、NOx排放的控制（1）推迟喷油（点火）时间主放热避开上止点 燃烧等容度下降温度降低（对汽、柴油机都适用）接近上止点时喷油滞燃期缩短初期dQB/dt 降低燃烧温度降低（柴油）问题：过度推迟会使i、PM等恶化，即Trade off关系（右下图），可调范围有限汽油机柴油机（2）废气再循环EGR（Exhaust Gas Recirculation）机理： CO2不活性气体 、氧浓度下降 燃烧速度下降温度下降（如下图） 混合气的比热容上升温度下降内部EGR？如何实现？3、喷油规律优化燃烧特性控制基本思路前缓后急（1）初期喷油速率高；（2）初期喷油速率低；（3）预喷射（Pilot)）；（4）预喷射低初喷率。喷油规律控制基本思路前缓后急4、降低PM的基本原则高温富氧 （如右图）提高燃烧速度（高温），增压但容易导致与NO的Tradeoff关系混合均匀 柴油机本来不缺氧、但非均质 加强雾化、混合，高压喷射、减小喷孔径同样与NO产生Tradeoff强化后期氧化 （如右下图）无NO的Trade off关系减少润滑油消耗增压EGR中冷降低PM降低NOx降低NOx现代低排放柴油机-实例DPF降低PM喷油后0.14ms柴油机喷雾燃烧高