07第七章内燃机污染物的生成与控制

1、第七章内燃机污染物的生成与控制第一节 概CO2 和 H2O ，没有其他有害产物。不 燃料的氧化反应不可能完全。 排 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，为了获得最大功率而不得不用浓混合气，导致 CO 排放大大 2000 C以上，又使空气中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 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， 气中会出现不完全燃烧产物，例如 机中，在某些工况(例如全负荷运转时) 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 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

2、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 种各样的末燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物，称为排气微粒。SO2 和 SO3 ，用含铅汽油的汽油机会排出此外， 燃油中含有的硫使内燃机排放构成酸雨因素之一的 对神经系统有严重毒性的铅化物。碳氢化合物、 氮氧化物和微粒。 这些对大气环境和人类健康影响最大的内燃机排放物是一氧化碳、 污染物对人体的危害简述如下：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

3、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。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。

4、 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。一般用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。 微粒 排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到52 C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卩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。为了评定内燃机对环境的污染程度或排放特性，常用下列指标：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

5、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。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。 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氮化碳co是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要的

6、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 co体积分数0 co随a的减小不断增加；在稀混合气中 之间，CO随a略微变化。0 a（图71）。在浓混合气中，（0 a 1） , 0 co很低，只是在 a= 1.0 1.1765412O u121314 IS i6 17(Fa) 40 56*7B4 9IQH】”0 1,1 12b)图7-J点燃式内燃机用U种不同H/C比燃料时的CO排放量与空燃出a及过量空气系数九的关S点燃式内燃机部分负荷运转时，混合气的 a接近I , CO排放量不高。但多缸机如各缸 a 不同.仍会有的气缸 av 1，增加CO排放量。 全负荷运转特别是冷起动时，混合

7、气是浓的，a可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。 加速时如果加浓过多， 或者减速时不断油， 瞬态运转工况下供油量控制不精确，会导致 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72）。发动机即在CO1500low0.10500%图匸2直喷式柴油机污染物排 放S与过量空气系数申的关系二、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

8、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。 下面简述内燃机燃烧排放 HC的机理。（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, 0 Hc也有相当大的数值，并随HC,如果排入大气也构成a的减

9、小而（如迅速增加。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 组织快燃）才可能缓和这种趋势。均匀混合气生成未燃 HC有下述多种机理。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 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。结果，火焰不能一直传播到缸壁表 面，在表面上留下一薄层未燃烧的或不完全燃烧的混合 气。冷激效应造成的火焰淬熄层厚度在0.050.4mm变动，小负荷时较厚。不过在正常运转工况下，冷激层 中的未燃HC在火焰掠过后会扩散到已燃气体主流中， 在缸内已基本被氧化，只有极少一部分成为未燃HC放。但在冷起动、暖机和怠

10、速工况时因燃烧室壁温较 低，形成淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及较浓的 混合气使后期氧化作用较弱，因此壁面冷激是此类工况 未燃HC的重要来源。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，例如活塞、活塞环与气缸壁之间的间 隙，火花塞中心电极周围、进排气门头部周围以及气缸 盖衬垫气缸扎边缘等地方，由于面容比很大，壁面的冷 激作用特别强烈，火焰根本不能在其中传播，从而使在 压力升高的压缩、燃烧过程中被挤入狭隙内的未燃混合气错过主要燃烧过程，在压力降低的膨胀、排气过程又返回气缸内温度已较低的已燃气体中，部分被氧化，其余以未燃HC形式排出。虽然缝隙容积较小，仅因其中气体压力高，温度低

11、，密度大，流回气缸时温度已下降，氧化比例小，所以能生成相当多 的HC排放，据研究可占总量的 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， 这部分油气只有少部分被氧化。据研究，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，30003000100004000宀v图7-3汽油机的排气污染物与过量空气系九的关S（发动机排量L6L,压堀比转速3000r/min,平均有效压力（LAMP并通过后

12、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，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。这种情况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HC排放量大增。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，是部分被氧化。所以，会重新扩散到高温的已燃气体主流中，很快被氧化，至少排放的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。40%。

13、发动机产生最高排）和最长停留时间（低转速）的运转工况，使 HC排放降 后期氧化。促进这种后期氧化的另一途径是降低排气歧（例如用陶瓷涂层）等。碳氢化合物也在排气管路中被氧化，占离开气缸的碳氢化合物的万分之几到气温度（a=1的混合气，高转速，迟点火，大负荷 低最多。推迟点火提高排气温度，将有利于HC 管处的热损失，如增大横断面积，对壁面进行绝热（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小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

14、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。因此，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（参见图7 2）。这里还要专门讨论一下喷油器的残油腔容积对的压力室容积，加上各喷油孔道的容积HC排放的影响，该容积是指喷油器嘴部针阀座下游 （详见图7 31）。在喷油结束时，这个容积仍充满柴油。并以液态或气态低速穿过喷嘴

15、孔进入气缸， 1/5左右以未燃（后燃）。后期和膨胀初期，这部分被加热的柴油部分汽化，空气混合，从而错过主要燃烧期。研究证明，残油腔容积中的柴油大概有排出。这是因为一部分较重的 HC仍留在喷嘴中，而有些离开的柴油发生了氧化最后应该指出，与点燃式内燃机一样，在燃烧缓慢地与HC的形式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， 但在冷起动时，大且未燃 HC以微粒状排出，排气冒“白烟”火焰在壁面上淬熄也是柴油机HC排放的一个来源，它取决尽管在特定工况下有较好的性能，因此已基本被淘汰。、氮氯化物内燃机排故的氯氧化物NOx主要是一氧化氮 NO。NO油和轻柴油本身含氯很少，不足以产生显著的

16、的氯。可能在排气中排放一小部分 机理。在化学当量混合比（a = 1）附近，的主要来源是参与燃烧的串气中的氮。汽NOx排放。只有重质燃料可能台有千分之几（质量分数）“燃油NO ”。从大气氮生成NO的化学机理是泽耳多维奇 （Zeldovitch） 导致生成和消失NO的主要反应为：O22ON2 +0?NO +NO2 中 N *?NO +0OH +N -、NO +H所以只有很NO的生的生成速率上面最后一个反应主要发生在非常浓的混合气中。由于NO的生成反应比燃烧反应慢，少一部分NO产生于很薄（ 0.1mm）的火焰反应带中，大部分 NO在离开火炽的燃气中生成。 成强烈地依赖温度。化学动力学研究表明，当反应

17、物温度从2500K提高到2600K时，NO几乎翻一番。氧浓度提高也使NO生成量增加。化学平行计算表明，在一般火焰温度下，已燃气中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，比值NO2/NOx不超过2%。柴油机在大部分工况下， 这个比值在0. 1 以下，但在小负荷下此比值最高可达0. 3左右c事实上火焰中生成的 NO可以通过反应NO +H2O鼻 NO2 +OH迅速转变为NO2,但NOx又会通过反应N02 +0、NO +O2重新变为NO,除非在火焰中生成的 NO2通过与较冷的气体混合而冻结。因此，汽油机长期怠速运转产 生相对较多的NO2，小负荷的柴油机也是

18、这样。（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。空燃比的影响a的变化对NO排放星的影响。已燃气体的最高温度对应 a 0.9 抑制厂 NO的生成。当a提高时，氧增加的效果抵消燃气温度下NO排放量峰值出现在 a 1.1左右的略稀混合气中。如果 a进一 NO下降。图7-3已表示了过星空气系数 的略浓混合气。不过这时氧浓度低. 降使NO生成减少而有余。因此， 步增加，温度下降的效果占优势，导致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（E

19、xhaust Gas Recalculation简称EGR）时回流的废气。图7-J 汽油机的负荷和EGK率对NQ,排放的彰响（转速对应汽车以48kni/h斑度行驻1图T4排弐中WND随EGR率的变牝 （点懒式内燃机，三种空燃比，转1600r/min, A量系数0.5*点火定时对应得到J8大扭拒的*小点火提前角MBT）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a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0 NO的图Td E

20、GR率对HC排放和燃烧品质 的ftj晌（削a机* 转iil40CirAmm 空卿I比a=Wd+点火定时lBT）影响。图75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 % 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。图7-7排气中护5点火提前他血涉立化 （点燃式内燃坝，JGOOimin,过ft空礼岳数 %-0.5各线左端点对应点火定时

21、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77表示不同空燃比下的 0 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（0 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，0 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NOx生成在燃烧过程中。与点燃式内燃机的情况一样，柴油机气缸内达到的最高燃烧温度也控制 最先燃烧的混

22、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 0 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、微粒在点燃式内燃机中，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.会排放微粒 100 一 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

23、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。 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1600 1700K之间达到最大值。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

24、心增大，成为直径2030nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1卩m以下的球团状或链状的聚集物。图78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 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。图7-9表示了柴油机碳烟生成的温度和a条件，以及柴油机上止点附近各种a的混合气在燃烧前后的温度。可见， a要 使燃烧后碳 烟和NOx很少，混合气的a应在0. 6 0. 9之 间。空气过多则

25、NOx增加，空气过少则碳烟增加。柴油机混合气在预混合燃烧中的状态变化见图79a上的箭头方向。在预混合燃烧中，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. 60. 9,不 产生碳烟和NOx。所以，为降低柴油机污染物排故， 应缩短滞 燃期和控制滞燃期内的喷油量， 使尽可能多的混合气的 a控 制在0. 6 一 0. 9之间。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 a7 9b上的虚线箭头所示。3000250(f2D1UOU50003总I颠LC 叽 ft)1,52.09300

26、0 O 独-i9-30002500LCMO5W03152.0I.Q%b)Q.4暨结束后，燃气和空气进一步混合，其状态变化如图图7-9柴油机罐烧中生成碳烟和Wh的温度以忑过量空境垂数条杵a）預1ft合嶽能的混合吒然态变fe b）扩敵燃熾药?合状态变化在燃烧过程中，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卩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T可见，这种碳烟在 0. 4 1. 0ms之间被氧化的条件与图79a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

27、重控制碳烟的生成。第三节内燃机的排放特性.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 称为发动机的排放特性。图7 10是一台具有代表性的 2L排量排放特性图。该机在常用的部分负荷区，为了满足三效催化剂的要求n和平均有效压力 Pme的变化4气门车用汽油机的 CO、HC和NO2 (参见后面第五节)，将0 a控制在0 a V1，因此在这个区域 CO排电mm )a)一台2L排ft 4气门车用汽油机的排放特性7-10a) CO排故特性b) HC排放W性C)汎(X荊乍故特性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。

28、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。冷起动 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0 a V 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I置很低。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

29、一个暖机过程。这时仍需要 0 a V1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，NO x的排放随着温度的提 高逐渐增大。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711表示这两种汽油机在加速过程中排气中0 co的变化历程。NO x排放10ffi 7-11图7J2汽油机减速反掩时排气中P和刊菟的变化曲程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， 放高，NOx排放较低。(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

30、，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)。汽油喷射式发动机在减速时不再供油，且进气管中液态油膜少。因此排放污染物较少。化油器在减速时不再供油，情况也有改善。二、柴油机稳定运转状态CO、HC、图7 13是一台具有代表性的1. 9L排量2气门涡轮增压中冷直接喷射式车用柴油机的 NO x和烟度的排放特性图。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l.tl龙认!t出eXZtyKkWh-H1).61).

31、4OJD000 15M 2000 2,3 旳00 35PO斗500厅/( mitiT)a)HC表现为白烟。生2丿(r- min-l)b)nf(i- min 】)町燃油就会以未燃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IH 0 o 0 o Q C d 卓 柴油机020406080100 J2P运行里程图工车用汽油机与荣油机排放耐久性的比校(V,、V,分别表示汽，油机和柴油机运行8万km后排放層增加創的倍)实线一带空燃比调廿和催化精换器的ft油机 虚践一柴油拭第四节 内燃机的排放控制、点燃式内燃机（ ） 曲轴箱

32、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。为了防止曲轴箱排放物的危害， 世界各国的车用汽油机从 1963 年起先后采用曲轴箱强制通风装置， 图716表示一个实例。在管中装有闭式呼吸口6,它与空气滤清器1的净气室连通，新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱，和箱内的窜气混合， 经气缸盖罩通入管，通过计量阀3控制后，吸入进气管4,从而实现窜气的再燃烧。（图

33、曲轴箱强制通风计量阀 （又称 PCV 阀）实际上是一个流通断面随阀两端压差变化而变化的单向阀 7-17）。它根据弹簧力和进气管真空度的平衡情况开闭气体通路。进气管真空度大时就把阀芯吸向右 方（图7 17a），气体流通断面变小，反之则变大，不过到阀芯接近全闭时， 由于左侧阀座的作用又变小。 个典型的 PCV 阀的流量随进气管真空度变化的特性如图7-18 所示。为特定发动机选配 PCV 阀时,可改变阀芯的弹簧特性来适应发动机的窜气量。曲轴箱强制通风系统现已成为排放法规规定的汽油机必须采用的系统，该系统应保证曲轴箱中的 压力永远不超过大气压力。（二 ） 蒸发排放物控制系统 车用汽油机化油器在发动机工

34、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720）。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

35、油蒸气与进入碳罐的新鲜空气（清除空气 ）起吸入发动机燃烧室烧掉。图 721 表示一种典型的活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统。系统中化油器控制阀4 的作用是控制化油器浮子室和平衡孔的通道在适当的时候开闭， 保证化油器在运转时能正常工作， 浮子室内的汽 油蒸气不进入大气。停机时此阀使浮子室蒸气不通平衡孔，而经开启的膜片阀5 进入碳罐。膜片阀 5防止发动机运转时浮子室与大气相通，破坏化油器的工作性能。活性炭罐 9 是整个系统的核心。 必须选择适当的活性炭， 使它既有很好的吸附能力， 又容易释放进 行清除（再生）。一般用木材或坚果壳热解炭，并通过在500C左右用磷酸化学处理活性化。活性炭的容积密度为0

36、. 67g/mL左右，BET比表面为1600 1900m2/g,孔度在I 一 4nm之间均匀分布。一般认 为， 1L 活性炭能吸附 100g 碳氢化合物。在现代的电控车用汽油机中开始应用电控蒸发排放物控制系统，其框图如图722 所示。系统中电磁式清除阀4的开启时间和开度由电控单元I通过脉宽调制电流控制。耐蚀橡胶阀具有柔性密封唇，消除工作中的噪声 （图 723）。泄漏检测泵 5 用来进行系统密封性的车载诊断。它是个由电控单元 驱动的膜片泵。 如果蒸发控制系统不泄漏，检测泵工作将引起系统压力提高，使膜片脉动周期延长， 至超过某一规定值。如果系统有泄漏，脉动周期将不会超过此规定值，借此进行泄漏诊断。

37、（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。对 EGR 系统的大致控制要求是：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，一般在发动机冷却水温度低于50 C时，不进行EGR

38、。3）怠速和小负荷时，NOx排放也不高，也不进行 EGR。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，也不允许进行此外，要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀。车用汽油机常用三种 EGR控制系统，如图7 24所示。图7 24a所示的真空控制系统中，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EGREGR 阀关闭。当使主膜片室内的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

39、设计上想了很多 办法，如图 725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 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， 真空度流失， EGR 阀开度减小。7 24b 所示的电控若全靠真空按制，即使 EGR 阀设计巧妙，也不可能得出理想的控制规律。图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。图724c所示的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726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冷起动和暖机发动机冷起动时，由于温度

40、低，空燃比大，CO和HC排放很高。应尽量缩短起动时间，为此要提高点火能量，增大起动机的功率。暖机期间要使可燃混合气、冷却水温度和机油温度尽快热起来。例如，采用进气自动加热系统， 有助于改善暖机和寒冷天气运转时的混合气形成。 发动机润滑系和冷却系的设计要保证起动后尽快达到 正常运转温度， 例如机油冷却器应有自动控制温度的装置， 既保证大负荷下机油得到足够的冷却， 又保 证暖机时使机油很快热起来。 冷却系统除了用节温器控制冷却液的循环外， 还广泛应用温控硅油离合器 风扇或温控电动风扇，改善冷却系对温度的适应性（详见第十章 ），以减少发动机在暖机和小负荷冷天运转时的污染物排放。2怠速 车用内燃机在实

41、际使用中怠速工况占很大比例点燃式内燃机在怠速工况下由于残余废气量大， 混合气不得不加浓，导致 CO 和 HC 排放很高。世界各国的排放法规都是首先限制怠速排放。我国首先 颁布并且贯彻实施比较好的也是怠速排放法规。降低怠速时的 CO 和 HC 排放， 首先要精确调整怠速的混合比。 一般当混合气很浓时， 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 一 l000rmin 之

42、间，使怠速排放大大下降。对于化油器式发动机，为降低怠速排放， 要进一步改进化油器怠速系设计，提高其制造精度， 改善 其调整的致性和耐久性。3混合气形成和空燃比混合气形成的空燃比特性是决定点燃式内燃机性能和排放的关键因素。传统的化油器小负荷时， 根据燃烧稳定性要求提供浓混合气； 在常用的中等负荷时， 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。 但化油器是根据流体动力学原理配剂的， 精度不高， 影响因素 很多，根本不能满足现代低排放的要求。随着排放法规的逐步严格，需要使用三效催化转化器来降低汽油机的排放，而这种转化器只有在a1时才能有效地同时转化 CO、HC

43、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，预计将很快淘汰车用汽油机中的化油器。但是带氧传感器的汽油喷射发动机仍有均匀混合气点燃机的固有缺点：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。因此，最近对分层充量的稀燃发动机的研究越来越重视。据报 导，进气道喷射的稀燃机已可能以a1.7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排放将

44、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 点火定时和点火能量对汽油机的燃烧有重要影响。为使汽油机高效节能、动力大、排放低， 要求点火可靠、定时优化。为此，无触点的高能电子点火系统已广泛应用，它不仅有稳定而较高的点火能量， 而且可以耐久地保持优化的点火定时特性。图7 27是点火定时对汽油机燃油消耗率be和NOx、HC排放影响的一个例子。发动机油耗最低的点火提前角0 ig = 50CABTDC。减小0 ig将降低最高燃烧温度和循环效率，提高排气温度。NOx和HC的排放则随0 ig的减小而下降。5燃烧系统 不论是从改善动力性、经济性出发，还是从降低排放出发，对汽油机燃烧

45、系统的要求都是一致的， 即应尽可能使燃烧系统紧凑。燃烧室形状 汽油机燃烧室形状越紧凑，燃烧过程就完成得越快，CO和HC排放下降。但另一方面，燃烧快导致燃烧温度升高，可能使 NOx 生成量增加。但是，快速燃烧又是采取用 EGR 和推迟 点火等降低 NOx 措施获得成功的必要前提。 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 排放之间的最佳折中。因此，圆盘形、浴盆形、楔形燃烧室越来越让位于半球形、帐篷形等面容比小的紧凑烧烧室。采用每缸 3、 4、或 5 气门、用涡轮增压代替自然吸气，不仅可以通过增加气缸充量密度、减小泵 气损失和机械损失、增大发动机

46、功率密度来改善动力性和经济性，而且也降低CO2 和污染物的比排放量。S/D 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（av 1）时，CO和HC则不能被完全氧化。三效催化剂对 CO、HC和NOx的转化效率与汽油机 a的关系如图733所示。因此，三效 催化转换器只能与用排气管中的a传感器反馈控制的汽油喷射发动机相配才能很好起作用。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 270C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

47、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。三效催化转换器由外壳和芯子构成（图 734）。芯子是浸渍催化剂的载体。现在几乎全部应用整体式陶瓷载体。它用膨胀系数很小的堇青石陶瓷（2MgO2 2AI2O3 5SiO2）挤压烧结而成。外形可根据需要做成圆形、椭圆形或跑道形。为了在较小的体积内有较大的表面，载体中做出很多方形细孔（故称为蜂QQQQ窝陶瓷），

48、孔密度为62孔/ cm（400孔/ in ）左右，孔壁厚为0. 10 0. 15mm，几何表面积为28cm /m 左右。堇青石陶瓷载体微观BET比表面很小（-0. 2m2/ g）。为了提高实际催化面积，在蜂窝孔道的壁画上，还用浸渍法烧结一层厚 2050 pm的厂Al 2o3活性层，使比表面扩大到100 200m2/ g。轿车用 蜂窝陶瓷载体体积是发动机排量的50一 100。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I 一 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

49、 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。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，一层带工作可靠；缺点是质量大， 用来改善冷起动净化性能，转化效率下降。 老化的原因为过热 晶粒长大，导致活性表面损失。 一般 CO和HC .就可能使催化转换器 或覆盖堵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

50、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， 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， 或用于振动较大的场合，如摩托车。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， 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、 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催化转换器的应用也迅速老化甚至烧坏。 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， 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。 对润滑油添加剂成分提出了新的要求。三

51、效催化剂中还可能含有各种各样的添加剂Fe和硅Si等。它们起多种多样的作用，如加为了改善三效催化剂的性能， 除了氧化铝和贵金属外， 或助催化剂，如镍 Ni、铈Ce、镧La、钡Ba、锆Zr、铁 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前者被捕集的微粒沉积在过滤材料体内， 后目前正在开发的微粒捕集器有体积型和表面型两大类， 者则大部分沉积在表面上。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 这种滤芯与催化剂载体的主要差别有：1）载体的蜂窝孔道是贯通的，其设置孔道的唯一目的是增加结构的几何表面积，

52、因而流动阻力很 而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，这样，柴油机排气 结果排气中的微粒就被沉积在流入孔道的壁面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-HR芯。降；小； 从一个孔道流入后， 必须穿过陶瓷壁面从另一孔道流出， 上，实现表面过滤作用 （图 7 35）。2） 催化剂载体为了获得尽可能大的几何表面积，蜂窝孔道密度较大（平均62孔/ cm2）;而微粒滤芯为保证孔壁的机械强度和耐热强度，孔道密度较小，平均15.5孔/ cm

53、2（ioo孔/ m2），即孔道断面尺寸为 2mmx 2mm 左右，壁厚为 0.4mm 左右。3）催化剂载体的陶瓷材料当然也是多孔性的，但为保证在很薄的壁厚下有足够的强度，平均孔径较小，为0.7 1.0 E;而滤芯为保证较大的透气性，以减小气流阻力，陶瓷材料有较大的多孔度（平均50%左右），平均孔径在10 15 E的范围内。虽然陶瓷材料平均孔径远大于柴油机微粒直径（绝大多数在0.3呵 以下），但由于微孔分布很曲折，捕集机理除了机械拦截（粘附沉积）外，还有撞击和扩散，所以这种滤芯具有很高的捕集效率，从干净时的 85%一 90%到满载微粒时的 90%一 95%。蜂窝陶瓷微粒捕集器捕集的微粒中也包括有

54、机可溶成分SOF,但这种主要由高沸点 HC组成的SOF在排气温度升高时会重新挥发出来， 向环境排放。 如果在透气陶瓷壁面上加上氧化催化剂， 则可以促使 SOF 氧化，降低柴油机的 HC 排放。目前，柴油机微粒捕集器的捕集效果已通过蜂窝陶瓷滤芯的应用而解决。但捕集器中积累的微粒会逐渐增加柴油机排气背压，影响柴油机的换气和燃烧，降低功率输出，增加燃油消耗， 因而必须及时清除以恢复其低阻力特性， 这个过程称为再生。 由于柴油机微粒很大部分为可燃物， 故定期将其烧掉是最 简单可行的再生办法。不过尽管微粒是可燃物，但在含氧5%以上的气氛中，在 650C 温度下，也要2min 以上的时间才能完成燃烧。这样

55、的条件在柴油机排气中很难实现。因此，可靠地再生已经成为微 粒捕集器开发的关键。微粒捕集器最可靠的再生方法是定期 （一般为每工作10h左右）从柴油机排气管上拆下来， 放在通风 的控温电炉里将沉积的微粒烧掉。 其缺点是使用麻烦， 增加了操作人员的劳动强度， 且捕集器要有备份 以供轮流工作。般需要附加能源， 例如用燃烧器加热、 电阻加热或微波加要在柴油机上实现微粒捕集器的再生，热。微粒捕集器目前尚不很成熟， 看来用于柴油轿车和轻型车为时尚远， 但对于货车、 公共汽车和工程 矿山用车来说，会有一定的应用前景。第六节 低排放燃料、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

56、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。CO 而不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 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 玄1 . 3，但局

57、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

58、 烧产生的CO2为75g/MJ左右；甲烷 C /H=0.25，产生CO?约为55g/MJ ;氢燃烧则不产生 CO?。在燃料的制造和运输过程中需要消耗能源，也会产生C02。例如，用电时不产生 C02,但如用煤发电的电动汽车的 C02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C02排放，但对整个环境的压力并没有降低。当然，如果用水力、核能或太阳能发电，则另当别论。又如，氢燃烧虽不 产生C02，则如从天然气或煤中提炼氢，则需消耗很多能源，产生大量CO2O二、石油燃料的改善1汽油的改善汽油辛烷值不足就个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

59、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。20，而且都是其中辛烷值相对较高的部（异构化和脱氢 ） 。重整产物含有较多异构烷由于铅对人体神经系统和三效催化剂的毒害作用而已经或正 如醇类和醚类， 持别是 15，而不影响汽油的其他特性，是无铅汽油最重 HC 和 CO 的氧化，降低其排放。，其主要目标是降低污染物排放和减少形成臭氧现代汽油小，辛烷值较低的以烷烃为主的直馏成分不到 分，如丁烷和异戊烷等。大部分直馏汽油都要进行催化重整 烃和芳香烃，辛烷值高，是无铅汽油的主要成分四乙铅作为提高汽油辛烷值的添加

60、剂， 在被禁用。 取代铅有机化合物来提高辛烷值的添加物是一些含氧的有机化合物， 甲基叔丁基醚 （MTBE） ，它在汽油中的体积分数可达 要的添加物。燃油含氧能促进燃油不完全燃烧产物现在开始推广所谓“改制汽油”或“新配方汽油” 活性高的成分 （非甲烷有机气体 NMOG 、CO、NOx） 。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。40 一 50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 之间，今后低排放柴油要求十六烷值在 55 以上。CO、柴油的芳香烃含量与十六烷值有逆变关系。芳香烃由