內(nèi)燃機(jī)排污凈化8

1、第八章 燃料與排放 汽車排放是由燃料燃燒引起的，因此污染物種類和數(shù)量與燃料性質(zhì)直接相關(guān)。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料組成及其理化性質(zhì)復(fù)雜，同時(shí)污染物生成機(jī)理的多元性，使得燃料和污染物的關(guān)系復(fù)雜，而且，汽車工業(yè)與石油工業(yè)之間往往缺乏足夠的協(xié)調(diào)，致使相關(guān)研究滯后。 本章主要介紹燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，討論汽油和柴油的改良方法及常用的代用燃料。主要內(nèi)容有： 1) 燃料對(duì)排放的影響 2) 燃料的改善 3) 代用燃料第一節(jié) 燃料對(duì)排放的影響一、汽油對(duì)排放的影響1) 辛烷值的影響 汽油抗爆性的指標(biāo)，辛烷值越高，抗爆震能力強(qiáng)。辛烷值低可能引起爆震，增加NOX排放，損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。較低的辛烷值會(huì)限制發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，增加了燃油消

2、耗率，總污染物排放量增加。烯烴是提高辛烷值的有效成分，但烯烴的熱穩(wěn)定性差，易形成膠質(zhì)，沉積在進(jìn)氣系統(tǒng)中，影響燃燒效果，增加排放。同時(shí)，活潑烯烴是光化學(xué)煙霧的前體物，容易引起光化學(xué)污染。2) 汽油揮發(fā)性的影響 汽油從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的性質(zhì)稱為汽油的蒸發(fā)性。蒸發(fā)性決定了汽油混合氣的質(zhì)量。一般用蒸餾曲線(餾程)和37.8時(shí)測(cè)得的雷德蒸汽壓RVP表示。 汽油餾出溫度的范圍稱作餾程。將100ml試驗(yàn)燃料放在燒瓶中，加熱產(chǎn)生燃料蒸氣，經(jīng)冷凝器凝結(jié)，滴入量筒內(nèi)。第一滴凝結(jié)的燃料流入量筒時(shí)的溫度稱為初餾點(diǎn)，隨溫度升高，依次測(cè)出對(duì)應(yīng)油量的餾出溫度。為了評(píng)價(jià)燃料的揮發(fā)性，汽油餾程主要由餾出10%、50%、90%的溫度

3、表征。 10%餾出溫度標(biāo)志汽油的流動(dòng)性，溫度低說明冷起動(dòng)性能好，但過低也容易形成氣阻，影響汽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 50%餾出溫度標(biāo)志汽油的平均蒸發(fā)性，影響汽油機(jī)的暖機(jī)時(shí)間、加速性及工作穩(wěn)定性。溫度低說明汽油的揮發(fā)性好。 90%餾出溫度標(biāo)志燃料中含有難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量。溫度低時(shí)，重質(zhì)成分少，有利于燃燒；溫度高時(shí)，重質(zhì)成分多，不易揮發(fā)，容易形成積炭或進(jìn)入油底殼稀釋潤滑油。 汽油的雷德蒸氣壓RVP按季節(jié)和使用地區(qū)的氣候條件適當(dāng)控制。高溫時(shí)嚴(yán)格控制RVP，減少熱油產(chǎn)生的問題(氣阻和蒸發(fā)排放)；低溫時(shí)，要保證足夠的RVP，獲得好的起動(dòng)和暖機(jī)性能。 汽油的揮發(fā)性對(duì)NOX沒有影響，對(duì)CO排放影響較小。3)

4、汽油密度的影響 汽油密度與汽油的烴類比例有關(guān)，特別是總C/H原子比。由于揮發(fā)性不同，夏用和冬用汽油密度不同。汽油密度變化很小，它對(duì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燃料調(diào)整的發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響小。4) 烴類組成的影響 汽油由烷烴(正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴)、烯烴和芳烴組成。 烷烴熱穩(wěn)定性好，但正構(gòu)烷的辛烷值低，異構(gòu)烷和環(huán)烷的辛烷值高，是汽油的理想成分。烯烴具有較高的辛烷值，但熱穩(wěn)定性差，易結(jié)膠。減少烯烴可使城市中臭氧下降20%-30%。芳烴的辛烷值高，可作辛烷值提高劑。芳烴結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，燃燒速度慢，會(huì)增加HC排放。芳烴燃燒溫度高，會(huì)增加NOX排放。重芳烴和其他高分子化合物在缸內(nèi)形成沉積物，增加HC和NOX排放，當(dāng)前汽油正逐

5、步限制芳烴含量，特別是苯含量。5) 硫含量的影響 可降低三效催化器的轉(zhuǎn)化效率，對(duì)氧傳感器也有不利影響。高硫汽油還會(huì)引起車載診斷系統(tǒng)的混亂和誤報(bào)。6) 添加劑的影響 車用汽油的添加劑有：防止汽油爆震的抗爆劑、抑制烯烴聚合的抗氧化劑和清洗進(jìn)氣系統(tǒng)污染表面、防止噴油嘴堵塞的表面活性劑。 抗爆劑四乙基鉛會(huì)使三效催化器和氧傳感器失效，還能造成鉛中毒。錳化合物和鐵化合物也能提高辛烷值，但它們?nèi)紵傻难趸飳?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有不利影響。例如，錳氧化物會(huì)使火花塞失火，錳沉積物會(huì)降低催化劑的起燃特性和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化效率；鐵氧化物會(huì)沉積在催化器和氧傳感器上，使排放控制功能下降。 抗氧化和表面活性添加劑能改善排放，提高怠速排放的

6、穩(wěn)定性。二、柴油對(duì)排放的影響1) 十六烷值的影響 柴油十六烷值對(duì)滯燃期影響很大。十六烷值低，滯燃期長，NOX增加；十六烷值高，可推遲噴油，減少NOX排放。高十六烷值柴油易于自燃，可降低CO和HC排放。十六烷值對(duì)微粒影響比較復(fù)雜，低十六烷值會(huì)增加藍(lán)白煙排放。高速柴油機(jī)4055，中低速柴油機(jī)可低于35，十六烷50后對(duì)滯燃期影響不大，65燃燒不完全。2) 黏度、密度和餾程的影響 黏度增加，霧化性差，炭煙、CO排放增加。密度過高，過度供油，微粒排放增加。較重餾分使柴油霧化變差，微粒較多。目前柴油標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定密度，粘度限定也較寬松。3) 芳烴含量的影響 芳烴含量影響柴油的十六烷值。芳烴燃燒冒煙嚴(yán)重，柴油芳

7、烴含量增加，微粒排放增加。HC和CO也隨柴油芳烴含量增加，NOX排放受芳烴含量的影響較小，降低芳烴(燃燒溫度下降)，NOX減少。4) 硫含量的影響 柴油的含硫量比汽油高，降低含硫量可減少微粒排放，降低催化劑硫中毒的幾率。5) 添加劑的影響 柴油中加入堿土金屬或過渡金屬的環(huán)烷酸鹽或硬脂酸鹽，可顯著降低柴油機(jī)排氣的煙度，這類添加劑被稱為消煙劑。微粒則先隨消煙劑的增加而降低，然后逐漸上升。第二節(jié) 燃料的改善一、汽油的改善 使用無鉛汽油，降低硫含量。降低烯烴含量，以降低排氣臭氧生成活性，減少缸內(nèi)沉積物。降低芳烴含量，控制汽油密度變動(dòng)范圍。對(duì)汽油揮發(fā)性作細(xì)致規(guī)定，保證發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的起動(dòng)性，又不會(huì)引起氣阻

8、、過量蒸發(fā)等問題。允許使用含氧添加劑，但對(duì)氧含量進(jìn)行控制。二、柴油的改善 提高十六烷值，縮小柴油密度的變動(dòng)范圍，保證燃油量供給的穩(wěn)定性。 降低柴油的含硫量，減少柴油芳烴含量，特別是多環(huán)芳烴的含量。GB17930-1999GB17930-2006 (國2）GB17930-2006（國3）GB17930-2011 2013年12月發(fā)布汽油國五標(biāo)準(zhǔn) 硫含量指標(biāo)限值由第四階段的50ppm降為10ppm； 錳含量指標(biāo)限值由第四階段的8mg/L降低為2mg/L； 冬季蒸氣壓下限由第四階段的42kpa提高到45kpa，夏季蒸氣壓上限由第四階段的68kpa降低為65kpa，并規(guī)定廣東、廣西和海南全年執(zhí)行夏季蒸

9、氣壓； 第五階段車用汽油牌號(hào)由90號(hào)、93號(hào)、97號(hào)分別調(diào)整為89號(hào)、92號(hào)、95號(hào)，同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)附錄中增加98號(hào)車用汽油的指標(biāo)要求； 烯烴含量由第四階段的28%降低到24%； 首次規(guī)定了密度指標(biāo)，其值為 20時(shí) 720-775kg/m3。國2柴油標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19147-2003國3柴油標(biāo)準(zhǔn) GB19147-2009GB19147-2012 (國3柴油新標(biāo)）國4柴油標(biāo)準(zhǔn) GB19147-2012三、我國汽柴油質(zhì)量與國外汽柴油質(zhì)量對(duì)比 汽油質(zhì)量存在的問題：烯烴含量高；芳烴含量高；硫含量高。 輕柴油質(zhì)量存在的問題：硫含量高；十六烷值低；芳烴含量高。第三節(jié) 代用燃料一、天然氣1.資源概況 天然氣是地

10、表下巖儲(chǔ)集層中自然存在、以輕質(zhì)碳?xì)浠衔餅橹黧w的混合物，在我國的儲(chǔ)量豐富。預(yù)估我國天然氣資源量56萬億m3，可采資源量22萬億m3 。截止到2006年底，我國探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量近5.5萬億m3 ，探明率僅10%。2006年我國天然氣產(chǎn)量為584億m3 ，預(yù)計(jì)到2010年將達(dá)到1000億m3 。 2. 天然氣特點(diǎn)1) 天然氣的體積低熱值和質(zhì)量低熱值略高于汽油，但理論混合氣熱值要比汽油低，甲烷含量越高，相差越大。純甲烷的理論混合氣熱值比汽油低10%左右。2) 抗爆震性能好。天然氣的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值為130，具有高抗爆震性能。天然氣專用發(fā)動(dòng)機(jī)的合理壓縮比為12，允許壓縮比最高可達(dá)到15，

11、具有采用提高壓縮比來提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的潛力。3) 混合氣發(fā)火界限寬。天然氣混合氣具有很寬的發(fā)火界限，過量空氣系數(shù)的變化范圍為0.61.8，可采用稀薄燃燒技術(shù)來提高汽車的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益。4) 天然氣的著火溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷虼诵枰叩狞c(diǎn)火能量。5) 天然氣是清潔燃料。由于燃燒溫度低，NOX生成少，天然氣為氣態(tài)，混合均勻，燃燒較完全，微粒排放極低。6) 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的CO和HC排放少。天然氣與汽油主要理化性能項(xiàng)目項(xiàng)目天然氣（甲烷）天然氣（甲烷）汽油（汽油（90#）密度（液相kg/m3）424700780分子量M16.04396沸點(diǎn)（）-161.53090低熱值（MJ/kg）50.

12、0543.9辛烷值（RON）13092著火極限（%）537390420火焰?zhèn)鞑ニ俣龋╟m/s）33.83947火焰溫度（）19182197二、液化石油氣1.資源概況 我國陸上油田和海上油田只能生產(chǎn)少量液化石油氣，液化石油氣的生產(chǎn)幾乎全部依靠煉油廠，主要成分是丙烷和丁烷。上世紀(jì)90年代以后，我國液化石油氣消費(fèi)量的年均增長幅度為14.9%。我國是世界第二大液化石油氣消費(fèi)大國。同時(shí)，我國液化石油氣產(chǎn)量位居世界第三。我國煉油廠大都建于油田附近，74.25的液化石油氣生產(chǎn)和供應(yīng)都集中在東北、華北、華東地區(qū)，造成運(yùn)輸和銷售的成本增加。近年來，受液化石油氣居高不下的價(jià)格和管道天然氣、液化天然氣及煤層氣、沼氣

13、等替代燃料的影響，我國液化石油氣市場(chǎng)遭受部分?jǐn)D占。 2.LPG特點(diǎn) 1) LPG主要成分丙烷和丁烷的單位質(zhì)量低熱值高于汽油，理論混合氣的熱值要比汽油低6%左右，與天然氣相當(dāng)。 2) LPG的抗爆性能好于汽油，LPG的研究法辛烷值在100-110之間，可通過提高壓縮比來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 3) LPG的著火界限與汽油相當(dāng)，比天然氣的略寬，適合采用稀薄燃燒技術(shù)。 4) LPG的著火溫度比汽油高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，因此需要較高的點(diǎn)火能量和較大的點(diǎn)火提前角。 5) LPG最高燃燒溫度比汽油低200，有利于減少NOX。三、 醇類燃料1.資源概況 醇類燃料包括甲醇和乙醇。甲醇可從天然氣、煤、石腦油

14、、重質(zhì)燃料、木材和垃圾等物質(zhì)中提煉。乙醇的原料主要是從含糖、含淀粉的農(nóng)作物中提取。2.醇類特點(diǎn) 1) 辛烷值比汽油高，可采用高壓縮比提高熱效率。 2) 蒸發(fā)潛熱大，發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)和低溫運(yùn)行性能差。 3) 常溫下為液態(tài)，操作容易，儲(chǔ)帶方便。 4) 可燃界限寬，燃燒速度快，可以實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。 5) 與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有繼承性，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)變化不大。 6) 熱值低，甲醇熱值只有汽油的48%，乙醇只有64%。 7) 沸點(diǎn)低，蒸氣壓高，容易產(chǎn)生氣阻。 8) 甲醇有毒，對(duì)人體有害。腐蝕性大，醇-汽油混合燃料對(duì)橡膠、塑料的溶脹作用大。 9)醇的吸水性強(qiáng)，混醇燃料容易發(fā)生分層。3. 醇類燃料的應(yīng)用 醇類燃料在汽車

15、上應(yīng)用有三種：摻燒、純?nèi)剂虾透馁|(zhì)。 摻燒主要是醇以不同比例摻入汽油中，甲醇、乙醇與汽油的混合燃料分別用M和E表示，其后的數(shù)字表示甲醇或乙醇的體積混合百分率。 純?nèi)剂鲜侵竼渭內(nèi)紵状蓟蛞掖既剂稀？筛鶕?jù)燃料特點(diǎn)改造發(fā)動(dòng)機(jī)，使得純燒類型汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性較汽油機(jī)有較大的提高。 改質(zhì)主要指甲醇改質(zhì)，它利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱將甲醇改質(zhì)為CO和H2，再輸入缸內(nèi)燃燒。4.醇類燃料的排放特性 醇類燃料排放的HC、CO和NOX比汽油低，但乙醇燃料在大幅度提高壓縮比后，NOX排放增加。四、植物油 植物油一般作柴油機(jī)的替代燃料，與柴油相比，植物油熱值略低，但因密度大，體積熱值較接近；植物油餾分比柴油重，黏度和表面張力比柴

16、油大，霧化困難；自燃點(diǎn)高，十六烷值低，發(fā)火性差，著火延遲期長；殘?zhí)扛?，燃燒室易生成沉積物。容易生成膠狀物，堵塞油路。幾種植物油的主要性質(zhì)表相對(duì)相對(duì)密度密度運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度(38)/mm2/s殘?zhí)繗執(zhí)?熱值熱值MJ/kg自燃點(diǎn)自燃點(diǎn)十六十六烷值烷值豆油0.9340.200.5838.936327芝麻油0.9236.890.5637.2320 玉米油0.9234.740.4237.2357 菜籽油0.9234.710.5238.935032米糠油0.9239.530.3537.2340 花生油0.9239.300.3637.6360 向日葵油0.9231.00.3436.236033柴油0.845

17、.030.00342.522050 未經(jīng)處理的植物油含有大量的脂肪酸, 它會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器中凝結(jié)變硬, 最終導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。而且植物油的粘度高、揮發(fā)性差, 因此對(duì)植物油的處理就顯得更重要了。植物油經(jīng)簡(jiǎn)單的酯化、稀釋或乳化處理后, 即可得到生物柴油。這些處理方法改善了植物油的粘度和揮發(fā)性, 因此生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放要比植物油好。在這些處理方法中, 酯化是最有效最簡(jiǎn)單的方法（存在產(chǎn)物回收問題），目前正在研究多種處理方法。五、氫氣1.概況 氫能是公認(rèn)的清潔能源，來源廣，資源極其豐富，最有希望在未來替代化石能源。氫能是一種二次能源，通過一定的方法利用其它能源制取。因此，實(shí)現(xiàn)廉價(jià)制氫是氫能利

18、用的根本。我國是世界氫氣大國，2006年我國氫氣年產(chǎn)量達(dá)800多萬噸，是僅次于美國的世界第二大氫氣生產(chǎn)大國。目前，我國氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)的主要領(lǐng)域是合成氨。2.氫的特點(diǎn) 1)氫氣點(diǎn)火能量小，是汽油最低點(diǎn)火能量的十分之一，使用時(shí)能可靠著火。 2)氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣缺绕涂?倍。3)氫氣的熄火間隙只有0.06，僅為汽油的三分之一，能使火焰?zhèn)鞑サ浇咏鼩飧妆?，產(chǎn)生更完全的燃燒；4)氫氣燃燒后只產(chǎn)生H2O和NOX，不產(chǎn)生HC、CO、CO2和碳煙排放。5)氫氣的可燃范圍寬，稀燃極限低，即使在稀混合氣，氫氣也可完全燃燒。2.氫的應(yīng)用 氫作為汽車燃料有兩種方法：一是通過氫的燃燒從化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，一是通過氫的離子

19、化轉(zhuǎn)化為電能。前者通過內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)，后者則是通過燃料電池實(shí)現(xiàn)。氫在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用主要有兩種途徑：一種是作單一燃料；另外一種是作添加燃料。 1) 單一燃料 氫燃料供給方式有缸外預(yù)混合和缸內(nèi)直接噴射兩類。缸外預(yù)混合可采用化油器、進(jìn)氣歧管噴射和進(jìn)氣口噴射等方法形成混合氣。 化油器輸送氫燃料的氫發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料供給方法簡(jiǎn)單，但氫氣點(diǎn)火能量小，容易產(chǎn)生早燃和回火等不正常燃燒?？刹捎玫蜏鼗鸹ㄈ?、降低冷卻液溫度、進(jìn)氣冷卻和可變氣門定時(shí)等技術(shù)可以降低其早燃風(fēng)險(xiǎn)，但效果不是很好。 進(jìn)氣歧管噴射或進(jìn)氣口噴射的氫發(fā)動(dòng)機(jī)，可通過控制噴射定時(shí)、點(diǎn)火定時(shí)或進(jìn)氣道噴水來解決早燃和回火問題，抑制氫發(fā)動(dòng)機(jī)的非正常燃燒；會(huì)影響氫發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率，缸內(nèi)直接噴射技術(shù)可彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。 氫發(fā)動(dòng)機(jī)主要存在兩個(gè)問題：