內(nèi)燃機排污凈化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。但是，發(fā)動機燃料組成及其理化性質(zhì)復雜，同時污染物生成機理的多元性，使得燃料和污染物的關系復雜，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)，致使相關研究滯后。 本章主要介紹燃料對發(fā)動機排放的影響，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) 燃料對排放的影響 2) 燃料的改善 3) 代用燃料第一節(jié) 燃料對排放的影響汽油對排放的影響 辛烷汽油值的影響 汽油揮發(fā)性的影響 汽油密度的影響 烴類組成的影響 硫含量的影響 添加劑的影響一、汽油對排放的影響1) 辛烷值的影響 汽油抗爆性的指標，辛烷值越

2、高，抗爆震能力強。辛烷值低可能引起爆震，增加NOX排放，損壞發(fā)動機。較低的辛烷值會限制發(fā)動機壓縮比，增加了燃油消耗率，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)，沉積在進氣系統(tǒng)中，影響燃燒效果，增加排放。同時，活潑烯烴是光化學煙霧的前體物，容易引起光化學污染。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時測得的雷德蒸汽壓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)的燃料流入量筒時的溫度稱為初餾

3、點，隨溫度升高，依次測出對應油量的餾出溫度。為了評價燃料的揮發(fā)性，汽油餾程主要由餾出10%、50%、90%的溫度表征。 10%餾出溫度標志汽油的流動性，溫度低說明冷起動性能好，但過低也容易形成氣阻，影響汽油機正常運轉(zhuǎn)。 50%餾出溫度標志汽油的平均蒸發(fā)性，影響汽油機的暖機時間、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，重質(zhì)成分少，有利于燃燒；溫度高時，重質(zhì)成分多，不易揮發(fā)，容易形成積炭或進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)的氣候條件適當控制。高溫時嚴格控制RVP，減少熱油產(chǎn)生的問題(氣阻和蒸發(fā)排放)

4、；低溫時，要保證足夠的RVP，獲得好的起動和暖機性能。 汽油的揮發(fā)性對NOX沒有影響，對CO排放影響較小。3) 汽油密度的影響 汽油密度與汽油的烴類比例有關，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，它對根據(jù)標準燃料調(diào)整的發(fā)動機排放的影響小。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，會增加HC排放

5、。芳烴燃燒溫度高，會增加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，當前汽油正逐步限制芳烴含量，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，對氧傳感器也有不利影響。高硫汽油還會引起車載診斷系統(tǒng)的混亂和誤報。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Πl(fā)動機有不利影響。例如，錳氧化物會使火花塞失火，錳沉積物會降低催化劑的起燃特性和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化

6、效率；鐵氧化物會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，提高怠速排放的穩(wěn)定性。二、柴油對排放的影響柴油對排放的影響十六烷值的影響粘度密度和餾程的影響芳烴含量的影響硫含量的影響添加劑的影響1) 十六烷值的影響 柴油十六烷值對滯燃期影響很大。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。十六烷值對微粒影響比較復雜，低十六烷值會增加藍白煙排放。高速柴油機4055，中低速柴油機可低于35，十六烷50后對滯燃期影響不大，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

7、、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。目前柴油標準未規(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。芳烴燃燒冒煙嚴重，柴油芳烴含量增加，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

8、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，控制汽油密度變動范圍。對汽油揮發(fā)性作細致規(guī)定，保證發(fā)動機有良好的起動性，又不會引起氣阻、過量蒸發(fā)等問題。允許使用含氧添加劑，但對氧含量進行控制。二、柴油的改善 提高十六烷值，縮小柴油密度的變動范圍，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)布汽油國五標準 硫含量指標限值由第四階段的50ppm降為10ppm；

9、錳含量指標限值由第四階段的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)行夏季蒸氣壓； 第五階段車用汽油牌號由90號、93號、97號分別調(diào)整為89號、92號、95號，同時在標準附錄中增加98號車用汽油的指標要求； 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，其值為 20時 720-775kg/m3。國2柴油標準GB/T 19147-2003國3柴油標準 GB19147-2009GB19147-2012 (國3柴油新標）國4柴油標準 GB19147-2012三

10、、我國汽柴油質(zhì)量與國外汽柴油質(zhì)量對比 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 天然氣是地表下巖儲集層中自然存在、以輕質(zhì)碳氫化合物為主體的混合物，在我國的儲量豐富。預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 ，預計到2010年將達到1000億m3 。 2. 天然氣特點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

11、，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)動機的合理壓縮比為12，允許壓縮比最高可達到15，具有采用提高壓縮比來提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性的潛力。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)濟性和環(huán)保效益。4) 天然氣的著火溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，因此需要更高的點火能量。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)動機的CO和HC排放少

12、。天然氣與汽油主要理化性能項目項目天然氣（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（）-161.53090低熱值（MJ/kg）50.0543.9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90年代以后，我國液化石油氣消費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大國。同時，我國液化石油氣產(chǎn)量位

13、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)和供應都集中在東北、華北、華東地區(qū)，造成運輸和銷售的成本增加。近年來，受液化石油氣居高不下的價格和管道天然氣、液化天然氣及煤層氣、沼氣等替代燃料的影響，我國液化石油氣市場遭受部分擠占。 2.LPG特點 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。 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)動機的動力性和經(jīng)濟性。 3) LPG的著火界限與汽油相當，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

14、高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷虼诵枰^高的點火能量和較大的點火提前角。 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、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 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)動機低溫起動和低溫運行性能差。 3) 常溫下為液態(tài)，操作容易，儲帶方便。 4) 可燃界限寬，燃燒速度快，可以實現(xiàn)稀薄燃燒。 5) 與傳統(tǒng)發(fā)動機技術(shù)有繼承性，發(fā)動機結(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%。

15、 7) 沸點低，蒸氣壓高，容易產(chǎn)生氣阻。 8) 甲醇有毒，對人體有害。腐蝕性大，醇-汽油混合燃料對橡膠、塑料的溶脹作用大。 9)醇的吸水性強，混醇燃料容易發(fā)生分層。3. 醇類燃料的應用 醇類燃料在汽車上應用有三種：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??？筛鶕?jù)燃料特點改造發(fā)動機，使得純燒類型汽車的動力性和經(jīng)濟性較汽油機有較大的提高。 改質(zhì)主要指甲醇改質(zhì)，它利用發(fā)動機余熱將甲醇改質(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

16、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油大，霧化困難；自燃點高，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)表相對相對密度密度運動粘度運動粘度(38)/mm2/s殘?zhí)繗執(zhí)?熱值熱值MJ/kg自燃點自燃點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.

17、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0.845.030.00342.522050 未經(jīng)處理的植物油含有大量的脂肪酸, 它會在發(fā)動機噴油器中凝結(jié)變硬, 最終導致嚴重的發(fā)動機故障。而且植物油的粘度高、揮發(fā)性差, 因此對植物油的處理就顯得更重要了。植物油經(jīng)簡單的酯化、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)動機的性能和排放要比植物油好。在這些處理方法中, 酯化是最有效最簡單的方法（存在產(chǎn)物回收問

18、題），目前正在研究多種處理方法。五、氫氣1.概況 氫能是公認的清潔能源，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，實現(xiàn)廉價制氫是氫能利用的根本。我國是世界氫氣大國，2006年我國氫氣年產(chǎn)量達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)和消費的主要領域是合成氨。2.氫的特點 1)氫氣點火能量小，是汽油最低點火能量的十分之一，使用時能可靠著火。 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

19、，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.氫的應用 氫作為汽車燃料有兩種方法：一是通過氫的燃燒從化學能轉(zhuǎn)化成機械能，一是通過氫的離子化轉(zhuǎn)化為電能。前者通過內(nèi)燃機實現(xiàn)，后者則是通過燃料電池實現(xiàn)。氫在內(nèi)燃機上的應用主要有兩種途徑：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混合和缸內(nèi)直接噴射兩類。缸外預混合可采用化油器、進氣歧管噴射和進氣口噴射等方法形成混合氣。 化油器輸送氫燃料的氫發(fā)動機，燃料供給方法簡單，但氫氣點火能量小，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、進氣冷卻和可變氣門定時等技術(shù)可以降低其早燃風險，但效果不是很好。 進氣歧管噴射或進氣口噴射的氫發(fā)動機，可通過控制噴射定時、點火定時或進氣道噴水來解決早燃和回火問題，抑制氫發(fā)動機的非正常燃燒；會影響氫發(fā)動機的充氣效率，降低發(fā)動機功率，缸內(nèi)直接噴射技術(shù)可彌補這一缺點。 氫發(fā)動