4第四章內(nèi)燃機(jī)排放污染物ppt課件

1、第四章 內(nèi)燃機(jī)污染物排放機(jī)理汽油機(jī)排放污染物柴油機(jī)排放污染物1第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物曲軸箱HC 的 20%排氣管一切的CO、NOX、Pb和 HC的 60%油箱和化油器蒸發(fā)HC的15%2第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物Carbon Dioxide CO2Water Vapor水蒸汽Carbon Monoxide COHydrocarbons HCOxides of Nitrogen (NOX)Particulates 微粒 Lead鉛Other pollutants其他Ambient AirReal FuelEngine/EmissionTechnology一、汽油機(jī)排放物分類3第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染

2、物二、CO的生成機(jī)理及影響要素1. CO生成機(jī)理詳細(xì)過程尚未完全弄清，普通以為，生成步驟如下R代表烴基：RCO經(jīng)過熱分解生成CO或如下方式：4第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物二、CO的生成機(jī)理及影響要素2. CO最終生成情況：CO繼續(xù)氧化成CO2：5CO排出濃度主要受空燃比影響第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物二、CO的生成機(jī)理及影響要素3. CO是不完全熄滅的產(chǎn)物之一。假設(shè)能組織良好的熄滅過程，即具備充足的氧氣、充分的混合，足夠高的溫度和較長的滯留時間，中間產(chǎn)物CO最終會熄滅終了，生成CO2或H2O。因此控制CO的排放不是企圖抑制它的構(gòu)成，而是努力使之完全熄滅。6第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物二、CO的生成機(jī)理及影

3、響要素4. 當(dāng)a1時，CO生成的其它機(jī)理：2發(fā)動機(jī)前后循環(huán)之間燃料分配不均勻；3各缸之間燃料分配不均勻；4稀混合氣中存在部分過濃混合氣。71CO2、H2O的高溫離解；三、HC的生成機(jī)理及影響要素一未燃HC的組成：未燃烴：各種沒有熄滅和沒有完全熄滅的碳?xì)浠衔锏目偡Q，簡作HC。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物8三、HC的生成機(jī)理及影響要素二未燃HC的生成機(jī)理第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物1. 不完全熄滅氧化9空燃比怠速高負(fù)荷工況加速和減速三、HC的生成機(jī)理及影響要素激冷效應(yīng)：發(fā)動機(jī)的低溫熄滅室壁面對火焰的迅速冷卻效應(yīng)。淬熄層：激冷效應(yīng)使火焰中產(chǎn)生的活性自在基復(fù)合，熄滅反響鏈中斷，反響變緩或停頓?；鹧娌荒軅鞑サ?/p>

4、熄滅室壁外表，在外表留下一薄層未熄滅或不完全熄滅的可燃混合氣，稱為淬熄層。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物10二未燃HC的生成機(jī)理2. 壁面淬熄效應(yīng)三、HC的生成機(jī)理及影響要素活塞頂岸部與氣缸壁之間進(jìn)排氣門頭部周圍火花塞螺栓處氣缸蓋墊接合位置第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物11二未燃HC的生成機(jī)理3. 狹縫效應(yīng)三、HC的生成機(jī)理及影響要素溶解吸收和解吸作用；冷起開工況：光滑油溫度降低使燃油在其中的溶解度上升，提高了光滑油在HC排放中的分擔(dān)率；適當(dāng)設(shè)計(jì)活塞環(huán)以降低光滑油耗費(fèi)，有助于降低HC排放量。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物12二未燃HC的生成機(jī)理4. 壁面油膜和積碳吸附三、HC的生成機(jī)理及影響要素三影響HC生成的

5、要素1空燃比 HC排放濃度和數(shù)量有隨混合氣變稀而下降的趨勢，A/F14.8當(dāng)A/F17時，混合氣過分稀薄，易發(fā)生火焰不完全傳播以致斷火，HC排放迅速添加。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物132熄滅室面容比面容大，單位容積的激冷面積也隨之增大，未燃烴總量必然也增大。降低熄滅室面容比是降低汽油機(jī)HC排放的一項(xiàng)重要措施。3壁面溫度壁面溫度升高，HC排放濃度相應(yīng)降低。提高冷卻介質(zhì)溫度有利于減弱壁面激冷效應(yīng)，降低HC排放。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物三、HC的生成機(jī)理及影響要素三影響HC生成的要素14四、NOx的生成機(jī)理及影響要素一NOx的性質(zhì)來源NOx包括：NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5。大氣

6、中NOx主要以NO、NO2的方式存在。NOx的性質(zhì)N2O：單個分子的溫室效應(yīng)為CO2的200倍，并參與臭氧層的破壞。NO：大氣中NO2的前體物質(zhì)，構(gòu)成光化學(xué)煙霧的活潑組分。NO2: 劇烈刺激性，來源于NO的氧化，酸沉降。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物15四、NOx的生成機(jī)理及影響要素二NOx的構(gòu)成機(jī)理燃料型NO：燃料中的固定氮生成的NO激發(fā)型NO：低溫火焰下由于含碳自在基的存在生成的NO高溫型NO：高溫下N2與O2反響生成的NO第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物16四、NOx的生成機(jī)理及影響要素1. 燃料型NO燃料中氮的熱分解溫度低于熄滅溫度，在600-800oC時就會生成燃料型；汽油根本不含氮，柴油和重油少

7、量含氮。燃料型的構(gòu)成由氣相氮的氧化揮發(fā)份和焦炭中剩余氮的氧化焦炭兩部分組成。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物17四、NOx的生成機(jī)理及影響要素由于燃料揮發(fā)物中碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H、C2、C自在基可以和空氣中氮?dú)夥错懮蒆CN，再進(jìn)一步與O、OH作用以極快的速度生成NO。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物18CH+N2=HCN+NC+N2=CN+NCH2+N2=HCN+NHC2+N2=2CNHCN+OH=CN+H2OHCN+O=HCO+HCN+O2=CO+NN+OH=NO+HN+O2=NO+O2. 激發(fā)型NO四、NOx的生成機(jī)理及影響要素熄滅時，空氣中的氮在高溫下氧化產(chǎn)生，生成過程是不分支連鎖反響。其生成

8、機(jī)理可用 Zeldovitch反響式表示。隨著反響溫度T的升高，其反響速率按指數(shù)規(guī)律添加。當(dāng)T1500oC時，T每添加100oC，反響速率增大6-7倍。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物193. 高溫型NO四、NOx的生成機(jī)理及影響要素高溫型NO構(gòu)成的動力學(xué)Zeldovich模型在高溫下總生成式為第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物203. 高溫型NO四、NOx的生成機(jī)理及影響要素靠大氣中氮生成NO的化學(xué)機(jī)理是擴(kuò)展的Zeldovitch機(jī)理，也稱為“熱NO。有關(guān)NO主要反響生成和消逝為：第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物213. 高溫型NO四、NOx的生成機(jī)理及影響要素三NO的化學(xué)平衡平衡濃度的定義：當(dāng)熄滅產(chǎn)生高溫，在一定溫

9、度和壓力下，當(dāng)反響時間足夠長，反響物的濃度將趨于某個定值。這個值稱為平衡濃度。NO濃度大大依賴于溫度和氧濃度在稀混合氣區(qū)NO的生成主要是溫度起作用；在濃混合氣區(qū)主要是氧濃度起作用。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物以C8H18(正辛烷)為燃料在40個大氣壓時計(jì)算得到的NO平衡濃度與溫度T及當(dāng)量比1/，過量空氣系數(shù)的倒數(shù)關(guān)系曲線。當(dāng)量比=1時，表示實(shí)際混合比。當(dāng)量比1為濃混合氣。22四、NOx的生成機(jī)理及影響要素三NO的非化學(xué)平衡t是從熄滅開場溫度升高)算起。當(dāng)滯留時間t值小的時候，NO生成量比平衡濃度要低得多膨脹過程，缸內(nèi)T平衡濃度逆向反響速率過低 NO凍結(jié)NO濃度 排氣溫度對應(yīng)平衡濃度第一節(jié) 汽油機(jī)排

10、放污染物23四、NOx的生成機(jī)理及影響要素三NO的生成要素溫度：隨著溫度上升，NO平衡濃度提高，生成速度加快。稀混合氣區(qū)氧的濃度：氧濃度上升，NO上升濃混合氣區(qū)。滯留時間：NO的生成反響速度比熄滅反響慢，長滯留時間導(dǎo)致NO的生成量升高。 三條結(jié)論對于汽油機(jī)和柴油機(jī)都適用第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物24四、NOx的生成機(jī)理及影響要素四NO的影響要素過量空氣系數(shù)a =0.9，熄滅溫度較高，氧濃度低，抑制NO生成。a提高，氧添加效果抵消燃?xì)鉁囟认陆担瑢?dǎo)致NO生成增大，NO排放量峰值出如今a =1.1左右的略稀混合氣中。a進(jìn)一步添加，溫度下降的效果占優(yōu)勢，導(dǎo)致NO生成量減少。第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物25四

11、、NOx的生成機(jī)理及影響要素四NO的影響要素已燃?xì)夥至恳讶細(xì)怏w可以減小可燃?xì)獾陌l(fā)熱量，同時增大混合氣的比熱容CO2和H2O三原子氣體的比熱容遠(yuǎn)大于O2和N2雙原子氣體，使最高熄滅溫度下降，NO排放下降。已燃?xì)夥謹(jǐn)?shù)添加還使熄滅速率下降，同樣降低熄滅溫度和NO排放。可燃混合氣中的已燃?xì)夥謹(jǐn)?shù)增大可以降低NOx排放第一節(jié) 汽油機(jī)排放污染物26第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物一、渦流空氣中的噴注分層模型噴孔噴注尾部過后放射噴注中心貧油火焰區(qū)貧油火焰外圍區(qū)噴注前沿著火中心火焰前鋒空氣渦流壁面27第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物一、渦流空氣中的噴注分層模型部分負(fù)荷，完全熄滅產(chǎn)物+NOx近全負(fù)荷，不完全熄滅產(chǎn)物+C完全熄滅產(chǎn)

12、物+NOx不完全氧化產(chǎn)物+HC空氣渦流28不完全熄滅產(chǎn)物HC+C+CO第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物二、HC排放1. 混合氣太稀或太濃1滯燃期內(nèi)，能夠由于油氣混合太快使混合氣過稀。柴油機(jī)未燃HC的排放主要來自柴油噴注的外緣混合過度呵斥的過稀混合氣地域。2在噴油后期的高溫燃?xì)庵?，由于油氣混合不充分使混合氣過濃，產(chǎn)生不完全熄滅產(chǎn)物隨排氣排出，但這時較多的HC多被碳煙微粒吸附。29第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物2. 火焰淬熄： 1火焰壁面淬熄是柴油機(jī)HC排放的一個來源，它取決于柴油噴注與熄滅室壁面的碰撞情況。2對于小型高速柴油機(jī)，由于熄滅室尺寸小，而噴油嘴的噴孔又不能太小影響噴油量，燃油噴注碰壁普通不可防止，但

13、在匹配良好的情況下引起的HC排放不很嚴(yán)重。30二、HC的排放特點(diǎn)第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物三、CO的排放特點(diǎn)柴油機(jī)總是在a11.5-3之間下任務(wù)，CO排放量比較低，只需在負(fù)荷很大接近冒煙界限時1.2-1.3之間才急劇添加。柴油機(jī)噴油量小，溫度低，后期氧化作用不完全，容易生成CO，呵斥a很大負(fù)荷很小時CO排放上升。31第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物四、NOx的排放NO2 的生成機(jī)理： 汽油機(jī)排氣中的NO2濃度與NO的濃度相比可忽略不計(jì)，但在柴油機(jī)中NO2可占到排氣中總NOX的10%30%。NO HO2 NO2 OHNO2O NOO232第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物缸內(nèi)快速取樣技術(shù)和全氣缸取樣技術(shù)的丈量闡明，

14、柴油機(jī)幾乎一切NO都是在熄滅開場的頭20CA以內(nèi)生成的。推遲噴油是降低柴油機(jī)NOx排放的簡便有效的方法，但代價是燃油耗費(fèi)率有所提高，排氣煙度增大。33四、NOx的排放2. 噴油定時的影響： 第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物柴油機(jī)的微粒：除去未化合的水以外一切固態(tài)的碳基顆粒DS、液態(tài)的燃油與光滑油SOF以及無機(jī)物硫酸鹽SO2、NO2、鉛等物質(zhì)的總稱里卡多以為美國環(huán)保局以為：微粒是指經(jīng)過稀釋后的排氣，在低于51.7以下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維濾紙上堆積的除水分以外的物質(zhì)。34五、微粒排放第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物白 煙藍(lán) 煙黑 煙（碳煙）產(chǎn)生工況低溫啟動不久及怠速工況 尚未完全預(yù)熱或低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn) 大、全或

15、加速等負(fù)荷（高壓、高溫、局部缺氧 ）狀態(tài)液態(tài)油滴 液態(tài)油滴 碳煙微粒 直徑大小1.3um左右 0.4um以下 0.11um其它暖車后白煙消失有刺激性氣味 后期氧化35五、微粒排放微粒的理化特性 第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物脫氫裂解在預(yù)混火焰的高溫預(yù)熱區(qū)和分散火焰的低溫氧化區(qū)裂解成為先期產(chǎn)物；外表增長和凝聚2030nm1煙粒生成階段：2煙粒長大階段：成核足夠穩(wěn)定性抵御分解；足夠化學(xué)活性與其他集團(tuán)快速反響極性共軛構(gòu)造2nm集聚球狀或鏈狀多孔聚合物1m361. 微粒的構(gòu)成機(jī)理五、微粒排放第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物氧化作用需求有一定的溫度，至少在700800。3煙粒的氧化：碳煙的生成主要是在熄滅的初期和中期

16、，而碳煙的氧化主要是在熄滅的中期和后期；碳煙濃度先是上升到一最大值，然后濃度下降，這闡明碳煙的氧化反響加快，碳煙濃度急劇降低；碳煙的氧化速率主要和溫度有親密關(guān)系，同時還和剩余氧以及在高溫下的逗留時間有關(guān)。 371. 微粒的構(gòu)成機(jī)理五、微粒排放柴油機(jī)熄滅生成碳煙和NOx的溫度以及a條件柴油機(jī)混合氣在預(yù)混合熄滅中的典型形狀的變化如圖上各箭頭所示在預(yù)混合熄滅中，大部分燃油a大于0.7，主要生成NOx。應(yīng)縮短滯燃期和控制滯燃期內(nèi)噴油量，使盡能夠多的混合氣a控制在0.6-0.9之間。第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物2. 微粒和NOx五、微粒排放38柴油機(jī)熄滅中生成碳煙和NOx的溫度以及a條件柴油機(jī)分散熄滅中混合

17、氣形狀變化如下圖第二階段熄滅過量空氣系數(shù)小于4的燃油都會生成煙粒溫度低于煙粒生成溫度的混合氣生成HC。噴油終了后，燃?xì)馀c空氣進(jìn)一步混合，其形狀變化如圖中虛線箭頭所示。第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物2. 微粒和NOx五、微粒排放39南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物五、微粒排放2. 微粒和NOxPM與NOx表現(xiàn)出很強(qiáng)的折衷 Trade-off關(guān)系(平衡關(guān)系)到達(dá)嚴(yán)厲的排放法規(guī)要求：熄滅優(yōu)化和尾氣后處置方案 實(shí)踐開發(fā)40第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物柴油機(jī)排氣微粒煙粒有機(jī)可溶成分來自燃油：減少未燃HC排放使SOF降低來自光滑油：降低光滑油耗費(fèi)，改善汽缸活塞組和活塞環(huán)的控油性能降低微粒排放問題的中心煙粒生成的重要條件：高溫下燃料嚴(yán)重缺氧降低煙粒排放的根本：改善柴油機(jī)的油氣混合均勻性，使熄滅室內(nèi)任一單元燃油均能找到足以不生成煙粒的空氣。412. 微粒的影響要素五、微粒排放第二節(jié) 柴油機(jī)排放污染物噴油壓力的影響：提高噴油壓力可以減小油霧的平均直徑改善燃油霧化，促進(jìn)燃油與空氣的混合，改善油氣混合的均勻性，從而減少煙粒的生成。同樣的噴油安裝在較高轉(zhuǎn)速下有較高的噴油壓力，在較大負(fù)荷噴油量下也有較高的噴油壓力。4