內(nèi)燃機(jī)原理內(nèi)燃機(jī)的排放與控制..課件

1、內(nèi)燃機(jī)的排放與控制1內(nèi)燃機(jī)排放與環(huán)境污染2內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化技術(shù)1內(nèi)燃機(jī)排放與環(huán)境污染 內(nèi)燃機(jī)排放主要是指內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒后的產(chǎn)物向大氣環(huán)境的擴(kuò)散。完全燃燒產(chǎn)物的基本成分是：（1）二氧化碳（2）水蒸汽（3）剩余的氧氣（4）殘留的氮?dú)鈱?duì)人類(lèi)無(wú)直接危害，是無(wú)害排放物。不完全燃燒產(chǎn)物和燃燒中間產(chǎn)物的基本成分是：1、CO2、HC3、NOx5、顆粒物6、醛類(lèi)4、SO2對(duì)人類(lèi)有直接或間接危害，是有害排放物。一、內(nèi)燃機(jī)排氣中有毒成分的危害1、CO2、HC3、NOx4、微粒5、臭氣6、硫的氧化物1、CO CO是無(wú)色、無(wú)味的易燃有毒氣體，也是空氣中最主要的污染物。 CO在氧氣不足的情況下產(chǎn)生，其濃度主要受到過(guò)量空氣

2、系數(shù)的影響。2、HC 城市中HC對(duì)人體健康無(wú)害，但能導(dǎo)致生成有害的光化學(xué)煙霧。（1）在燃燒過(guò)程中生成并隨排氣排出；（2）曲軸箱竄氣；（3）燃油蒸發(fā)。3、NOx NOx種類(lèi)繁多，內(nèi)燃機(jī)排氣中最重要的是NO和NO2，兩者都具有毒性，對(duì)環(huán)境會(huì)造成危害，是值得重視的有害排放物。 NO2是一種褐色氣體，有特殊刺激性臭味，是構(gòu)成內(nèi)燃機(jī)排氣臭味的物質(zhì)成分之一。 在燃燒高溫期，燃燒室空氣中的氧和氮化合形成。 NO和血紅素的結(jié)合比CO還要強(qiáng)烈，高濃度的NO能引起中樞神經(jīng)痙攣及癱瘓。4、微粒 微粒是指空氣中分散的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，其粒度在分子級(jí)，包括氣溶膠、煙、塵、霧和炭煙等。 炭煙是在高溫和缺氧的條件下生成的。

3、一般肉眼可分辨的微粒直徑在100m以上。 氣溶膠是懸浮于空氣中的固態(tài)微粒，其直徑一般小于1m； 煙是指小于1 m的固體微粒； 塵是指大于10 m的固體微粒迅速沉降而形成； 霧是液體微粒，其直徑可達(dá)100 m； 炭煙是指極細(xì)的可集成一串的微粒，粒徑0.110 m（2.5） 。5、臭氣構(gòu)成排氣中臭氣的成分： 一是，O3、NO2； 二是，燃料的不完全燃燒產(chǎn)物，如甲醛、丙烯醛等。 刺激人的眼粘膜，產(chǎn)生不舒服感。6、硫的氧化物 主要是SO2，其數(shù)量由燃料的含硫量決定。 一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)比汽油機(jī)排氣中的SO2多。二、光化學(xué)煙霧 上述排氣中所含的有毒物質(zhì)都是內(nèi)燃機(jī)直接排出的污染物，稱(chēng)為一次污染物。 當(dāng)其中的

4、HC和NOx排入大氣后，在太陽(yáng)光作用下經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)而生成的刺激性產(chǎn)物，成為二次污染物，即光化學(xué)煙霧。 光化學(xué)煙霧一般發(fā)生在逆溫層和低風(fēng)速、空氣接近停滯狀態(tài)、陽(yáng)光充足的氣象條件下。三、各種污染物危害比較 最新的研究結(jié)果證實(shí)，對(duì)人體健康的影響以空氣中細(xì)小顆粒物PM2.5污染最為嚴(yán)重，其次是SO2污染，NOx污染的影響相對(duì)較弱。四、大氣質(zhì)量和內(nèi)燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn) 世界衛(wèi)生組織將大氣質(zhì)量劃分為四個(gè)等級(jí)，各國(guó)均以此為依據(jù)，按照本國(guó)的實(shí)際情況制定大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)于1996年頒布了大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB309596，規(guī)定環(huán)境空氣中主要污染物為：SO2、總懸浮微粒TSP、可吸入顆粒物IP、 NOx、 CO2、CO

5、、O3、鉛、苯并芘和氟化物。 大氣環(huán)境質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)GB309596把大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分為三級(jí)： 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指為保護(hù)自然生態(tài)和人群健康，在長(zhǎng)期接觸情況下，不發(fā)生任何危害及影響的空氣質(zhì)量要求； 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指為保護(hù)人群健康和城市、鄉(xiāng)村動(dòng)植物在長(zhǎng)期和短期接觸情況下，不發(fā)生傷害的空氣質(zhì)量要求； 三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指為保護(hù)人群不發(fā)生急、慢性中毒和城市一般動(dòng)植物（敏感者除外）能正常生長(zhǎng)的空氣質(zhì)量要求。目前，國(guó)際上主要有三種內(nèi)燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)：1、美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)2、日本標(biāo)準(zhǔn)3、歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)8.2內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化技術(shù)一、排氣凈化凈化的基本思路二、機(jī)內(nèi)凈化的主要途徑三、機(jī)后凈化的技術(shù)措施一、排氣凈化的基本思路（1）燃料燃燒狀況是

6、影響內(nèi)燃機(jī)排氣成分的決定性因素難點(diǎn)一：改善燃燒過(guò)程 CO、HC和顆粒物排放量減少； NOx排放量增加。（2）燃料燃燒狀況也是影響內(nèi)燃機(jī)性能的決定性因素難點(diǎn)二：降低燃燒溫度 NOx排放量降低 熱效率下降，燃油消耗率增加（3）柴油機(jī)和汽油機(jī)在排氣凈化的側(cè)重點(diǎn)上不同柴油機(jī)的排氣凈化主要針對(duì)NOx和顆粒物；汽油機(jī)的排氣凈化主要針對(duì)CO、HC和NOx。（4）凈化方式 機(jī)前處理對(duì)進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的燃料或空氣作有利于減少有害排放物生成的預(yù)處理。 機(jī)后處理對(duì)內(nèi)燃機(jī)有害排放物在進(jìn)入大氣前所作的處理，以進(jìn)一步降低排氣中有害成分的含量。 機(jī)內(nèi)凈化從有害排放物的源頭著手，采取降低排氣有害成分的有效措施。二、機(jī)內(nèi)凈化的主

7、要途徑 內(nèi)燃機(jī)自身性能的改善對(duì)排放的控制十分重要。 機(jī)內(nèi)凈化涉及內(nèi)容較多，這里，只能介紹一些機(jī)內(nèi)凈化的要點(diǎn)，更全面的內(nèi)容可參閱有關(guān)文獻(xiàn)和書(shū)籍。1、汽油機(jī) 汽油機(jī)的排氣凈化主要針對(duì)CO、HC和NOx，其主要凈化途徑有：（1）改進(jìn)燃燒系統(tǒng)（2）減小點(diǎn)火提前角（3）廢氣再循環(huán)（4）電控燃油噴射系統(tǒng)（1）改進(jìn)燃燒系統(tǒng)1）燃燒室形狀 緊湊形燃燒室、快速燃燒加上優(yōu)化的EGR率和點(diǎn)火定時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、 排放性能之間獲得最佳折中。 采用多氣門(mén)技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)，可以改善動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，也可以降低CO2和污染物的比排放量。2）壓縮比3）火花塞位置 較高的壓縮比帶來(lái)與緊湊形燃燒室類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)。 把火花

8、塞布置在氣缸中央，縮短火焰?zhèn)鞑ヂ窂?，加速燃燒過(guò)程，帶來(lái)與緊湊形燃燒室同樣的優(yōu)點(diǎn)。4）采用稀薄燃燒系統(tǒng) 必須采用分層燃燒技術(shù)和提高點(diǎn)火能量。 燃燒溫度降低，抑制了NOx的生成；燃燒較完全，減少了HC和CO的產(chǎn)生。（2）減小點(diǎn)火提前角點(diǎn)火推遲，HC、CO和NOx的排放量均可減少。注意：在怠速工況時(shí)，可有效減少排污，也有利于怠速的穩(wěn)定。正常工作時(shí)，不能有過(guò)多的推遲。（3）排氣再循環(huán) 排氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）就是將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的部分廢氣引入進(jìn)氣管，與新鮮混合氣混合后進(jìn)入氣缸，利用廢氣中所含有大量的化學(xué)惰性氣體（CO2、N2、H2O等）不參與燃燒卻能吸收熱量

9、的特點(diǎn)，稀釋混合氣的氧濃度并降低燃燒溫度，從而減少NOx的排放量。 1、排氣再循環(huán)系統(tǒng)的分類(lèi) （1）內(nèi)部廢氣再循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)改變配氣正時(shí)實(shí)現(xiàn)，即在進(jìn)排氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，使一部分廢氣回流入氣缸內(nèi)。 （2）外部廢氣再循環(huán)系統(tǒng)利用專(zhuān)用管道將廢氣引入進(jìn)氣歧管，使廢氣與新鮮充量在進(jìn)入氣缸前充分混合。2、排氣再循環(huán)系統(tǒng)的控制策略 通常用排氣再循環(huán)率來(lái)衡量廢氣的引入量，即： 為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好的同時(shí)達(dá)到最佳的NOx凈化效果，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的排氣再循環(huán)量進(jìn)行控制。 EGR系統(tǒng)要隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況、排放性能和經(jīng)濟(jì)性的要求、控制系統(tǒng)的精度和可靠性等來(lái)調(diào)節(jié)EGR率，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能獲得最佳折中，如：1）EGR率隨

10、汽油機(jī)負(fù)荷增加而增加，一般不超過(guò)20；2）在起動(dòng)、怠速、暖機(jī)、小負(fù)荷和大負(fù)荷時(shí)，不進(jìn)行EGR過(guò)程；3）采用電子控制EGR閥系統(tǒng)精確地控制EGR率。（4）電控燃油噴射系統(tǒng) 采用電子控制汽油噴射系統(tǒng)，可以精確控制汽油機(jī)在各種工況下的混合氣濃度，是減少車(chē)用汽油機(jī)排放的最有效措施，還可以改善經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。2、柴油機(jī) 柴油機(jī)的排放控制，重點(diǎn)是NOx和微粒，其次是HC，難度較大： 一是，降低微粒和HC排放與改善燃燒過(guò)程完全一致，而NOx排放卻與之矛盾； 二是，排氣后處理技術(shù)還未達(dá)到實(shí)用階段，主要依靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)來(lái)降低排放污染。柴油機(jī)的燃燒過(guò)程可分為： 預(yù)混合燃燒 NOx排放量 擴(kuò)散燃燒 微粒排放量 柴油

11、機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是提高噴油壓力，降低進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，以減小進(jìn)氣損失，配合多孔數(shù)、小孔徑噴油器來(lái)獲得良好的混合氣。（1）燃燒方式和燃燒室形狀如圖所示，現(xiàn)代車(chē)用增壓柴油機(jī)排放物的負(fù)荷特性：（2）噴油器 在噴油嘴設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小或取消壓力室容積。（3）氣流組織和多氣門(mén)技術(shù) 多氣門(mén)技術(shù)擴(kuò)大了進(jìn)、排氣門(mén)的總流通截面積，噴油器垂直布置在氣缸軸線上，有利于燃油在燃燒室空間中均勻分布，改善了噴油器的冷卻情況和活塞熱應(yīng)力。 如圖所示，是一臺(tái)6缸、10L、4氣門(mén)增壓重型車(chē)用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)低排放和高經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)措施：（4）廢氣再循環(huán)柴油機(jī)也可以通過(guò)廢氣再循環(huán)來(lái)降低NOx排放：柴油機(jī)所用EGR系統(tǒng)與汽油機(jī)類(lèi)似。柴油機(jī)允許并

12、需要較大的EGR率來(lái)降低NOx排放，如 直噴式柴油機(jī)的EGR率可以超過(guò)40； 非直噴式柴油機(jī)的EGR率可達(dá)20。注意：1）為了防止產(chǎn)生較多的微粒，一般在中、低負(fù)荷時(shí)用較大的EGR率；3）為了保證較多的新鮮空氣充量，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)要降低EGR率；4）采用冷廢氣再循環(huán)，可以提高降低NOx排放的效果。2）為了保證性能，在全負(fù)荷時(shí)不進(jìn)行EGR過(guò)程；（5）增壓 采用增壓可以提高柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)和進(jìn)氣溫度，因而CO、HC及炭煙的排放均可降低，但NOx有所增加。 增壓中冷技術(shù)，既能全面降低排污，又能提高性能指標(biāo)。（6）改善噴油特性1）減小噴油提前角 降低NOx生成量的主要措施就是推遲噴油。 缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性下

13、降，全負(fù)荷時(shí)炭煙排放量增加；分隔式燃燒室，低負(fù)荷時(shí)不易著火，導(dǎo)致HC排放量增加。2）合理的噴油規(guī)律 為促使理想的燃燒過(guò)程，噴油應(yīng)該“先緩后急”，即 為了實(shí)現(xiàn)“先緩后急”的噴油規(guī)律，以降低柴油機(jī)NOx排放和燃燒噪聲，可以采用雙彈簧噴油器:3）提高噴油壓力 高壓噴射使混合氣濃度分布更均勻，從而改善了炭煙排放和熱效率。但是，高壓噴射也會(huì)使NOx有所增加。4）電控燃油噴射系統(tǒng)電控燃油噴射系統(tǒng) 可進(jìn)行噴射系統(tǒng)各參數(shù)的調(diào)節(jié)，選定最佳的噴射定時(shí)和噴油量； 可控制噴射特性，實(shí)現(xiàn)更為合理的噴油規(guī)律； 可優(yōu)化燃燒過(guò)程，使柴油機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能上達(dá)到最佳的折中； 能實(shí)現(xiàn)高壓噴射等，表現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。三

14、、機(jī)后凈化的技術(shù)措施 燃?xì)鈴母變?nèi)排出后，機(jī)后處理可進(jìn)一步減少排氣中的有害成分，其中包括：1、排氣熱反應(yīng)器2、排氣催化反應(yīng)器3、微粒過(guò)濾器4、防止汽油蒸發(fā)裝置1、排氣熱反應(yīng)器 熱反應(yīng)器裝在內(nèi)燃機(jī)排氣道的出口處，它可以進(jìn)一步氧化排氣中的HC和CO，常與外源空氣噴射連用。2、排氣催化反應(yīng)器 一般內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)后2min內(nèi)反應(yīng)不會(huì)起作用，大致預(yù)熱45min后才起作用。1）氧化催化反應(yīng)器 在歐洲的應(yīng)用較為普遍，技術(shù)上比較成熟，主要用來(lái)消除微粒中可溶性物質(zhì)（SOF）及HC、CO，一般用貴金屬鉑、鈀作催化劑，浸漬在載體上。 應(yīng)用氧化催化反應(yīng)器后，HC、CO的氧化率可達(dá)到50左右，微粒物減少40左右。2）還原催化反應(yīng)器 利用排氣中的CO、HC和H2等作為還原劑，使NOx完全還原。 催化劑有：金屬氧化物、貴金屬。 3）三效催化反應(yīng)器 目前，常采用雙床催化反應(yīng)器同時(shí)對(duì)HC、CO和NOx三種有害排放物進(jìn)行處理： 需要提高空燃比的控制精度，使其盡可能地維持在理論空燃比為中心的非常狹窄的范圍內(nèi)。 為了獲得三元催化轉(zhuǎn)化器所要求的空燃比，必須借助氧傳感器送來(lái)的反饋信號(hào)，對(duì)空燃比進(jìn)行反饋控制。3、微粒過(guò)濾器 工作原理：先用收集器過(guò)濾廢氣中的微粒物質(zhì)，然后，通過(guò)對(duì)收集的微粒的氧化來(lái)清潔捕集器。微粒過(guò)濾器的應(yīng)用難點(diǎn)： 第一，過(guò)濾器的安裝使排氣背壓增大，