华科大内燃机讲义第8章 内燃机污染物的生成与控制

第八章内燃机污染物的生成与控制第一节概述一、完全燃烧：水蒸气、二氧化碳二氧化碳（CO2）是温室气体二、有害排放物的产生实际燃烧过程：时间极短燃料与空气混合不可能完全均匀特殊工况：冷起动、怠速、全负荷等三、有害排放物的种类一氧化碳（CO）碳氢化合物（HC）氮氧化物（NOx）微粒PM第二节污染物的生成机理和影响因素一、一氧化碳是HC燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，如果氧浓度、温度足够高，化学反应时间足够长，可氧化为二氧化碳主要因素：可燃混合气的过量空气系数点燃式发动机：各缸空燃比的变动，怠速运转，全负荷，小型单缸点燃机压燃式发动机：燃料和空气混合不均匀接近冒烟极限或负荷很小时，排放上升明显，局部缺氧严重二、碳氢化合物1、点燃式发动机（1）排气：未完全燃烧；二冲程（2）曲轴箱窜气（3）蒸发生成机理（1）壁面淬熄；（2）狭隙效应；（3）润滑油膜的吸附和解吸；（4）燃烧室沉积物2、柴油机燃油喷注与周围空气形成的混合气很不均匀喷注的核心：不会引起很多HC排放喷注的外围：来不及着火形成稀混合气怠速或小负荷运转时HC排放高冷起动时会导致严重的HC排放：喷油与壁面的碰撞三、氮氧化物NOx主要来源：参与燃烧的空气中的氮，Zeldovitch机理；一小部分“燃油NO”NO的生成随温度的升高而呈指数函数急剧增加已燃气中NO2与NO相比可以忽略不计点燃式内燃机：过量空气系数：影响燃烧温度和氧含量点火正时：推迟点火排气再循环负荷压燃式内燃机：气缸内达到的最高燃烧温度是决定NOx的最重要因素NOx排放随柴油机负荷增大而显著增加NOx排放随转速的具体变化与燃烧系统特性有密切关系喷油正时对柴油机燃烧过程有很大影响：推迟喷油降低NOx排放四、微粒柴油机的微粒（ParticulateMatter，PM）排放量比汽油机大几十倍轿车、轻型车：0.1～1.0g/km重型车：0.1～1.0g/(kW·h)柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度超过约5000C时，碳烟（DrySoot）温度较低时，有机可溶成分（SOF）柴油机排气中的碳烟主要是由柴油中含有的碳产生，生成条件是高温和缺氧混合气成分不均匀，总体富氧，局部缺氧由于润滑油造成PM排放：降低润滑油消耗涡轮增压提高空燃比，有利于降低PM排放增加喷油器喷孔数、提高喷油压力，改善柴油雾化：有利于降低PM排放第三节内燃机的排放控制一、点燃式内燃机1、曲轴箱排放物：窜气：通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱曲轴箱强制通风系统（PCV）2、蒸发排放物：源于运转损失、热烤损失、昼夜损失、加油损失活性碳罐：很强的吸附HC能力，易再生3、冷起动、暖机和怠速排放控制（1）冷起动和暖机排放控制大量CO和未燃HC化油器式最差，气道电喷改善，缸内直喷几乎不存在（2）怠速排放控制怠速工况：一般定义为发动机不输出动力以最低转速稳定运转的工况怠速排放测试（在用车、新车）现代高速车用汽油机：800－1000rpm影响因素：空燃比、点火正时4、低排放燃料供给系统：混合气形成的空燃比特性：电喷三效催化转化器：在当量空燃比效果最好稀燃NOx催化器：直喷汽油机、稀燃汽油机5、低排放点火系统点火正时对汽油机的性能和排放影响很大点火正时脉谱、点火能量特性6、低排放燃烧系统紧凑的半球形、帐篷形燃烧室7、排气再循环降低NOx排放EGR使工作混合气的总热容大大增加，最高燃烧温度下降适当控制EGR率，使之在各种不同工况下得到各种性能的最佳折中电控EGR系统的控制脉谱通过发动机的EGR标定试验确定二、压燃式内燃机1、排放生成及控制特点富氧燃烧：CO和HC相对汽油机少得多排放的NOx与汽油机同一数量级微粒和碳烟比汽油机多几十倍以上柴油机排放控制：重点是PM和NOx，其次是HC柴油机污染物排放的根本原因是燃油和空气混合气的不均匀控制内燃机PM排放核心是改善柴油机混合气形成和燃烧过程；柴油机燃烧过程的改善往往引起NOx排放增加均匀混合气压燃式发动机（HCCI）：均匀混合气的制备和自燃的化学动力学控制2、降低柴油机排放设计要点（一）增压增压在柴油机上普遍应用：重型车、中型车、轻型车、甚至轿车主要特征：进气量大，平均φa大，DS和PM排放下降增压一般使NOx排放增加欧I：涡轮增压型；欧II：增压中冷型；欧III：可变喷嘴涡轮增压器（二）低排放燃油喷射系统（1）喷射正时的控制：推迟喷油，但需综合考虑PM排放和燃油消耗率（2）循环喷油量的控制：随负荷增加而增大，根据转速变化进行适当调节；各缸循环喷油量的均匀性；冷起动：逐次递增（3）优化喷油规律：初期缓慢、中期急速、后期快断；预喷射和主喷射组成的二次喷射；有时进行后喷射（适应后处理）（4）低排放喷油器喷油器尺寸越来越小喷油器的偏心量和倾斜角尽可能小小压力室喷嘴（5）提高喷油压力提高喷油压力泵－管－嘴式（100MPa）；泵喷嘴（180MPa）：随柴油机转速和负荷降低而降低；电控共轨喷油系统。（三）气流组织和多气门技术适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合小缸径柴油机：涡流运动，加速油膜蒸发四气门柴油机：变涡流重型车用柴油机：低涡流甚至无涡流（四）低排放燃烧室非直喷式：逐渐淘汰直喷式：尽可能增大燃烧室有效容积比长行程、降转速的柴油机经济性和排放性好适当提高压缩比（五）排气再循环轻型车、轿车用柴油机：中小负荷工况，可采用较大的EGR率重型车用柴油机：EGR率较小排气中含氧量高，可用较大的EGR率，最大EGR率为40～50％。综合考虑NOx与PM排放增压器后的进气压力高于排气压力，EGR驱动措施EGR冷却EGR电子控制第四节内燃机的排气后处理一、必要性机内净化（改进内燃机本身设计和优化运行参数）降低排放物有一定限度内燃机排放法规日益严格，兼顾动力性、经济性、排放性等二、三效催化转化器（一）催化反应机理催化剂：催化作用的核心HC、CO的氧化反应，NO的还原反应（二）催化转化器的构造外壳、催化剂（载体和活性物质）、衬垫铂Pt，钯Pd，铑Rh（三）催化转化器的工作特性性能指标：转化效率、流动阻力、使用寿命空燃比特性起燃特性：起燃温度、起燃时间空速特性：两体积流量之比流动特性：细小孔道耐久特性：热力因素、化学因素三、氧化催化转化器氧化催化剂可以氧化PM中的大部分SOF降低柴油机的CO和HC，醛类和PAH低硫柴油四、富氧降NOx催化转化器吸附还原催化器：稀燃储存NOx，浓燃还原NOx，对柴油机，需电控共轨喷射系统选择性催化还原（SCR）：NH3作为还原剂，尿素溶液开发SCR催化转化器需注意减少N2O的生成四、柴油机排气微粒捕集器（DPT）壁流式蜂窝陶瓷块为滤芯的微粒滤清器DPF相邻的两个孔道：一个进口堵住，一个出口堵住DPF的再生：及时清除PM，降低排气阻力脱机再生方法热再生、催化再生燃烧器电阻加热再生微波选择性加热再生周期的确定连续再生捕集器（CRT）:借助特殊催化剂把排气中的NO氧化成为NO2，再使PM发生氧化反应第五节排放法规一、排放测试规范轻型车：整辆汽车在底盘测功机上测量，测量结果：g/km；瞬态循环：怠速、加速、等速、减速等行驶工况重型车：把内燃机装在发动机测功机上测量排放，结果：g/(kW·h)13个稳态工况组成，加权累积全负荷烟度：全负荷稳定转速二、取样系统排气分析仪：测量成分在排气中的体积分数，根据内燃机的排气总流量算出总排放量对内燃机排气先用干净空气稀释，然后再定容取样柴油机PM排放测量：稀释取样系统三、测量技术简介（一）气体污染物的检测排放法规规定：CO和CO2：不分光红外线吸收型分析仪NOx：化学发光分析仪（CLD）或加热型CLDHC：氢火焰离子化分析仪（FID）或加热型FID分离甲烷：气相色谱仪（GC）（二）微粒的测量和分析内燃机的排气微粒：是指从温度低于52oC的稀释排气中采集的沉积在用聚四氟乙烯处理过的玻璃纤维滤纸上的所有物质用取样系统把PM收