關于-內燃機污染物的生成與控制JIANGKEppt課件

1、第七章 內燃機污染物的生成與控制第一節(jié) 概述第二節(jié) 污染物的生成機理第三節(jié) 內燃機的排放特性第四節(jié) 內燃機的排放控制第五節(jié) 排氣后處置第六節(jié) 低排放燃料第七節(jié) 排放丈量和排放法規(guī)第一節(jié) 概 述內燃機用碳氫化合物燃料在熄滅室內完全熄滅時，將只產生CO2和H2O，沒有其他有害產物。不過，高速內燃機熄滅過程占有的時間極短，可燃混合氣不是完全均勻，燃料的氧化反響不能夠完全。排氣中會出現不完全熄滅產物，例如CO和未完全熄滅甚至完全未熄滅的碳氫化合物HC。在點燃式內燃機中，在某些工況例如全負荷運轉時，為了獲得最大功率而不得不用濃混合氣，導致CO排放大大添加；為了提高冷起動的可靠性，也得加濃混合氣。內燃機最

2、高熄滅溫度達2000以上，又使空氣中的氮在高溫下氧化生成各種氮的氧化物。 壓燃式內燃機中，由于可燃混合氣是在熄滅前和熄滅中的極短時間內構成的，混合不均勻程度比較嚴重，在高溫高壓環(huán)境下缺氧的燃油會發(fā)生裂解、脫氫，最后生成碳煙粒子。這些碳煙粒子又吸附了各種各樣的未熄滅或不完全熄滅的重質碳氫化合物，稱為排氣微粒。燃油中含有的硫使內燃機排放構成酸雨要素之一的SO2和SO3，用含鉛汽油的汽油時機排出對神經系統有嚴重毒性的鉛化物。排氣污染物的危害1一氧化碳CO2碳氫化合物HC3 氮氧化物4 微 粒1 一氧化碳COCO是種無色無味的氣體，它和血液中保送氧的載體血紅蛋白的親和力是氧的240倍。CO與血紅蛋白結

3、合生成碳基血紅蛋白，就剝奪了血紅蛋白對人體組織的供氧才干。空氣中CO的體積分數超越01時就會導致人體中毒；超越03時，那么可在30min內使人致命。2碳氫化合物HC HC包括未燃和未完全熄滅的燃油、光滑油及其裂解和部分氧化產物。如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數百種成分。烷烴根本上無味，對人體安康不產生直接影響。烯烴略帶甜味，有麻醉作用，對粘膜有刺激，經代謝轉化會變成對基因有毒的氧化衍生物。烯烴是與氮氧化物一同在太陽光的紫外線作用下構成有毒的“光化煙霧的罪魁禍首之一。芳香烴對血液和神經系統有害，特別是多環(huán)芳香烴PAH及其衍生物有致癌作用。醛類是刺激性物質，對眼、呼吸道、血液有毒害。3 氮氧化

4、物 內燃機排放的氮氧化物絕大部分是一氧化氮NO，少量是二氧化氮NO2。般用NOx表示。NO是無色氣體，本身毒性不大，但在大氣中緩慢氧化成NO2。NO2呈褐色，具有劇烈的刺激味。對肺和心肌有很強的毒害作用。NOx是在地面附近構成光化煙霧的主要要素之一。4 微粒排氣中的微粒是指經空氣稀釋、溫度降到52后用涂有聚四氖乙烯的玻璃纖維濾紙搜集的除水以外的物質。柴油機排出的微粒大多小于0.3m，其主要成分是碳及其吸附的有機物質。吸附物中有多種PAH，具有不同程度的致癌作用。污染物的評定目的1排放物體積分數和質量濃度 單位排氣體積中排放污染物的體積，稱為排放物的體積分數，通常以和10-6百萬分比表示，質量濃

5、度常用mgm3等計量。2質量排放量 在環(huán)境維護實際中，要求對污染物進展總量控制。因此，作為污染源的內燃機或裝內燃機的車輛，要確定運轉單位時間、按某規(guī)范進展一次測試或車輛按規(guī)定的工況組合行駛后折算到單位里程的污染物排放置。質量排放量用g/h、g測試或g/km等單位表示。3比排放量 內燃機每作單位功所排放的污染物質量，用gkWh作單位表示，當然可以更客觀地評價內燃機的排放性能。這個目的與燃油耗費率類似，也可以稱為污染物排放率。第二節(jié) 污染物的生成機理和主要影響要素 一、一氮化碳二、未燃碳氫化合物三、氮氧化物四、微粒一、一氮化碳CO是碳氫化合物燃料在熄滅過程中生成的重要的中間產物。控制CO排放量的主

6、要要素是可燃混合氣的過量空氣系數a(圖71)。在濃混合氣中，a1，CO體積分數co隨a的減小不斷添加；在稀混合氣中(a1)，co很低，只是在a1.01.1之間，CO隨a略微變化。 點燃式內燃機部分負荷運轉時，混合氣的a接近1，CO排放量不高。但多缸機如各缸a不同仍會有的氣缸a1，添加CO排放量。全負荷運轉特別是冷起動時，混合氣是濃的，a可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。發(fā)動機加速時假設加濃過多，或者減速時不斷油，即在瞬態(tài)運轉工況下供油量控制不準確，會導致CO排放量劇增。柴油機總是在稀混合氣下運轉(指平均過量空氣系數大于1)，CO排放量要比點燃機低得多，只需在負荷很大接近冒煙界限時才急劇添加

7、(圖72)。二、未燃碳氫化合物點燃式內燃機未燃HC的生成與排放有三個渠道： 1)在氣缸內的熄滅過程中生成并隨排氣排出。在二沖程汽油機中，由于用汽油空氣混合氣對氣缸掃氣，部分混合氣經過氣缸直接進入排氣，導致未燃HC排放量比四沖程汽油機大好幾倍。增壓四沖程汽油機的HC排放量中有一部分也來源于氣門疊開時的掃氣。 2)從熄滅室經過活塞與氣缸之間的各間隙漏人曲軸箱的竄氣，含有大量HC，假設排入大氣也構成HC排放物(稱為曲軸箱排放物)。 3)從發(fā)動機和汽車的燃油系統，即汽油箱、化油器等處蒸發(fā)的汽油蒸氣，假設排入大氣同樣構成HC排放物(稱為蒸發(fā)排放物)。 柴油機排故的未燃HC那么完全由熄滅過程產生。(一)點

8、燃式內燃機汽油與空氣的均勻混合氣在過量空氣系數a=1時熄滅時，根據化學反響動力學，根本上不產生未燃HC，但實踐發(fā)動機中不是這樣(圖73)。即使a=1，HC也有相當大的數值，并隨a的減小而迅速添加。當混合氣過稀，由于熄滅惡化，甚至有些循環(huán)缺火會使HC急劇添加，只需采取特殊措施(如組織快燃)才能夠緩和這種趨勢。HC生成機理1冷激效應 熄滅室壁面對火焰的迅速冷卻(稱為冷激或淬冷)使火焰中產生的活性自在基復合，熄滅鏈反響中斷，使化學反響緩慢或停頓。 狹隙效應是冷激效應的主要表現。汽油機熄滅室中各種狹窄的縫隙2油膜和堆積物吸附3容積淬熄 在冷起動和暖機工況下，因發(fā)動機溫度較低致使燃油霧化、蒸發(fā)和混合氣構

9、成變差。從而導致熄滅變慢或不穩(wěn)定，有能夠使火焰在到達壁面前因膨脹使缸內氣體溫度和壓力下降呵斥可燃混合氣大容積淬熄，使HC排放激增。4碳氫化合物的后期氧化 錯過發(fā)動機主要熄滅過程的碳氫化合物，會重新分散到高溫的已燃氣體主流中，很快被氧化，至少是部分被氧化。所以，排放的HC是未燃的燃油及其部分氧化產物的混合物。前者大約要占 40左右。(二) 柴油機由于柴油機的任務原理是噴油壓燃，燃油停留在熄滅室中的時間比汽油機短很多因此受壁面冷激效應、狹隙效應、油膜吸附、堆積物吸附作用很小。這是柴油機HC排放較低的緣由。 柴油機熄滅室中由噴油器噴入的柴油與空氣構成的混合氣能夠太稀或太濃，使柴油不能自燃，或火焰不能

10、傳播。如在噴油初期的滯燃期內，能夠由于油氣混合太快使混合氣過稀，呵斥未燃HC。在噴油后期的高溫燃氣氣氛中，能夠由于油氣混合缺乏使混合氣過濃，或者由于熄滅淬熄產生不完全熄滅產物隨排氣排出，但這時較重的HC多被碳煙微粒吸附，構成微粒的一部分。柴油機未燃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，結果呵斥柴油機怠速或小負荷運轉時的HC排放高于全負荷工況。 噴油器的殘油腔容積對HC排放的影響：殘油腔容積中的柴油大約有15左右以未燃HC的方式排出。與點燃式內燃機一樣，火焰在壁面上淬熄也是柴油機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。采用油膜蒸發(fā)混合的柴油機，雖然在特

11、定工況下有較好的性能，但在冷起動時，大且未燃HC以微粒狀排出，排氣冒“白煙，因此已根本被淘汰。 三、氮氧化物next內燃機排故的氯氧化物NOx主要是一氧化氮NO。NO的主要來源是參與熄滅的串氣中的氮。汽油和輕柴油本身含氮很少，缺乏以產生顯著的NOx排放。從大氣氮生成NO的化學機理是澤耳多維奇(Zeldovitch)機理。在化學當量混合比(a1)附近，導致生成和消逝NO的主要反響為：O2 2O N2+O NO+NO2+N NO+OOH+ N NO+O (一)點燃式內燃機控制點燃式內燃機NO排放量的主要要素是空燃比、缸內未燃混合氣中已燃氣的分量以及點火定時。 1空燃比的影響2已燃氣體量的影響 點燃

12、式內燃機熄滅前，熄滅室中的混合氣由空氣、已蒸發(fā)的燃油蒸氣和已燃氣組成。后者是前一循環(huán)留下的剩余廢氣，或加上采用排氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recalculation簡稱EGR)時回流的廢氣。 引人進氣管的廢氣可大大添加新穎混合氣中的已燃氣比例。當已燃氣比例增大時，一方面減少可燃氣的發(fā)熱量，另一方面增大了混合氣的熱容，均使最高熄滅溫度下降，從而使NO2排放下降。圖74表示三種空燃比下再循環(huán)廢氣量與氣缸總充量的質量比率EGR率對排氣中NO體積分數NO的影響。圖75表示發(fā)動機負荷和EGR率對NOx排放的影響?？梢姡擡GR率到達發(fā)動機部分負荷下的最大允許值15一20時，NOx排放顯著下降。不

13、過，過分稀釋新穎可燃氣使熄滅惡化，導致緩慢熄滅、不完全熄滅甚至缺火(圖76)、循環(huán)變動添加和HC排放添加。為了保證油耗低，應在過量空氣系數a1的條件下用熄滅質量允許的最大EGR率獲得盡能夠低的NOx排放。 前往前往3點火定時的影響 點火定時劇烈影響點燃式內燃機的NOx排放量。推遲點火、降低最高熄滅溫度并縮短己燃氣停留在高溫下的時間，可減少NOx排放。圖77表示不同空燃比下的NO隨點火提早角的變化情況。實驗闡明，在常用轉速和負荷工況下，減小點火提早角(ig)1(CA)，可以在輸出功率不變的條件下削減NOx排放量2一3。用歐洲測試排放的規(guī)范循環(huán)測試時，ig每變動1(CA)，NOx變化03g測試。推

14、遲點火、提高排氣溫度，也有利于HC的后氧化，但有損發(fā)動機的燃油耗費率和比功率。 (二) 柴油機與點燃式內燃機的情況樣，柴油機氣缸內到達的最高熄滅溫度也控制NOx生成在熄滅過程中。最先熄滅的混合氣比例(預混合熄滅比例)對NOx的生成有很大影響。 研討闡明，柴油機幾乎一切NOx都是在熄滅開場后20(CA)內生成的。噴油較遲時NO較低，由于最高熄滅溫度較低。推遲噴油是降低柴油機NOx排放的簡便有效的方法，但代價是燃油耗費率有所提高，排氣煙度增大。 與點燃式內燃機一樣，熄滅的稀釋劑(例如再循環(huán)的廢氣)也能降低柴油機已燃氣體的溫度 。從而減小NO的排放量。 四、微粒 點燃式內燃機中，含鉛汽油的鉛和汽油中

15、硫呵斥的硫酸鹽，是排氣微粒的主要成分。用含鉛015g/L的汽油時，排放微粒100150mgkm，其中一半左右是鉛。假設用無鉛汽油，加上汽油含硫量普通都很低，可以以為點燃式內燃機根本上不排放微粒。柴油機的微粒排放量要比汽油機大幾十倍。這種微粒由在熄滅時生成的含碳粒子(碳煙)及其外表上吸附的多種有機物組成，后者稱為有機可溶成分(SOF-Soluble Organic Fraction)碳煙生成的條件是高溫暖缺氧。由于柴油機混合氣極不均勻，雖然總體是富氧熄滅，但部分的缺氧還是導致碳煙的生成。普通以為碳煙構成的過程如下：燃油中烴分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，如乙烯、乙

16、烯及其較高的同系物和多環(huán)芳香烴。它們不斷脫氫、聚合成以碳為主的直徑2nm左右的碳煙中心。氣相的烴和其他物質在這個碳煙中心外表的凝聚，以及碳煙中心相互碰撞發(fā)生凝聚，使碳煙中心增大，成為直徑2030nm的碳煙基元。最后，碳煙基元經過聚集作用堆積成直徑1m以下的球團狀或鏈狀的聚集物。圖78表示一些碳氫化合物如乙烯、丙烷、甲苯等在實驗室熄滅器條件下預混合火焰中生成碳煙的溫度和過量空氣系數條件。組成柴油的各種烴生成碳煙的條件根本上也都在這個范圍內。由圖可見，碳煙生成數量隨a降低而添加。溫度對碳煙生成數量的影響，那么在1600一1700K之間到達最大值。壓力對碳煙生成條件影響很小，但碳煙生成數量隨壓力提高

17、而添加。圖7-9表示了柴油機碳煙生成的溫度和a條件，以及柴油機上止點附近各種a的混合氣在熄滅前后的溫度?？梢?，a05的混合氣，熄滅以后必定產生碳煙。在圖7-9a右上角上也標出了在各種溫度和a下熄滅05ms后的NOx。要使熄滅后碳 煙和NOx很少，混合氣的a應在0609之間?？諝膺^多那么NOx添加，空氣過少那么碳煙添加柴油機混合氣在預混合熄滅中的形狀變化見圖79a上的箭頭方向。在預混合熄滅中，由于燃油分布不均勻，既生成碳煙，也生成NOx，只需很少部分燃油a =0609，不產生碳煙和NOx。所以，為降低柴油機污染物排故，應縮短滯燃期和控制滯燃期內的噴油量，使盡能夠多的混合氣的a控制在06一09之間

18、。前往分散熄滅中混合氣的形狀變化見圖7-9b上的箭頭方向。曲線上的數字表示燃油進入氣缸時所直接接觸的缸內混合氣的a。從圖上可以看出，噴入a40的混合氣區(qū)的燃油都會生成碳煙。在溫度低于碳煙生成溫度的過濃混合氣中，將生成不完全熄滅的濃態(tài)HC。為減少分散熄滅中生成的碳煙，應防止燃油與高溫缺氧的燃氣混合。劇烈的氣流運動及燃油的高壓放射都有助于燃油與空氣的混合。噴油終了后，燃氣和空氣進一步混合，其形狀變化如圖79b上的虛線箭頭所示 在熄滅過程中，已生成的碳煙也同時被氧化。圖79b的右上角表示了直徑004m的碳煙粒子在各種溫度和a條件下被完全氧化所需求的時間。可見，這種碳煙在04一10ms之間被氧化的條件

19、與圖79a右上角表示的大量生成NOx的條件根本相向。可見，加速碳煙氧化的措施，往往同時帶來NOx的添加。因此，為了同時降低NOx的排放?？刂铺紵熍欧艖乜刂铺紵煹纳?。 第三節(jié) 內燃機的排放特性一、點燃式內燃機二、柴油機三、汽油機與柴油機排放 及其耐久特性的比較一、點燃式內燃機1、穩(wěn)定運轉形狀2、瞬態(tài)運轉形狀1、穩(wěn)定運轉形狀在常用的部分負荷區(qū)，為了滿足三效催化劑的要求(參見后面第五節(jié))，將a控制在10左右，所以CO排放較低。在大負荷工況，為了到達較高的轉矩，a1，因此在這個區(qū)域CO排放高，NOx排放較低。 2、瞬態(tài)運轉形狀車用內燃機在實踐運用中常出現瞬態(tài)運轉形狀，例如起動、加速、減速等工況。

20、轉速和負荷不斷變化，零部件的溫度以及任務循環(huán)參數不斷變化。所以，這時內燃機排放量與穩(wěn)定工況往往有很大不同。 1冷啟動汽油機冷起動時，由于進氣系統和氣缸溫度很低，汽油蒸發(fā)不好，較多的汽油堆積在進氣管壁上，流速低呵斥油氣混合不好，因此需求添加供油量，以使使汽油機能正常起動。汽油機冷起動時混合氣的a1。混合氣中的汽油以部分蒸氣形狀、部分液體形狀進入氣缸。很濃的混合氣導致較高的CO排放。部分液態(tài)汽油在熄滅終了后從壁面上蒸發(fā)，沒有完全熄滅就被排出氣缸，呵斥HC的大量排放。由于溫度低及混合氣過濃冷起動時的NO x排放置很低。 2暖機過程 汽油機起動以后，冷卻系和光滑系以及主要零部件仍未到達正常的溫度程度需

21、求一個暖機過程。這時仍需求a1的濃混合氣，以彌補燃油在氣缸壁和進氣管壁上的冷凝。這時CO和HC的排放依然很高，NO x的排放隨著溫度的提高逐漸增大。3加速加速工況下，用化油器的汽油機這時往往供應很濃的混合氣，呵斥較高的CO和HC排放。汽油放射的汽油機不產生過濃的混合氣，其排放值與相應的各穩(wěn)定工況點類似。圖711表示這兩種汽油機在加速過程中排氣中co的變化歷程。 4減速車用汽油機減速工況就是節(jié)氣門封鎖處于怠速形狀，發(fā)動機由汽車反拖，在較高轉速下空轉?；推魇桨l(fā)動機假設沒有特殊措施，將由于進氣管中忽然的高真空形狀，使進氣管壁上的液態(tài)燃油蒸發(fā)，構成過濃混合氣而呵斥較高的HC和CO排放(圖712)。

22、二、柴油機1、穩(wěn)定運轉形狀2、瞬態(tài)運轉形狀1、穩(wěn)定運轉形狀2、瞬態(tài)運轉形狀柴油機冷起動時，燃油噴注中有部分燃油以液態(tài)分布在熄滅室壁上。在燃油自燃之前，噴入缸內的燃油就會以未燃HC方式直接排出氣缸。噴入燃油開場熄滅以后，吸附在壁面上的燃油也不能完全熄滅，有一部分在蒸發(fā)后被排出。柴油冷起動時排放的高濃度HC表現為白煙。加速過程對柴油機任務過程的影響小于汽油機，非增壓柴油機的正常加速幾乎是各穩(wěn)定工況點的延續(xù)。渦輪增壓柴油機突加負荷時，渦輪增壓器需求一段時間，才干到達高負荷所對應的增壓器轉速和增壓壓力。假設未采取專門措施，增壓柴油機常會加速冒黑煙。柴油機減速時不噴油或只噴怠速所需的油量，排放問題不大。

23、三、汽油機與柴油機排放 及其耐久特性的比較排放特性對比排放耐久性比較第四節(jié) 內燃機的排放控制一、點燃式內燃機二、柴油機一、點燃式內燃機一曲軸箱排放物控制系統二燃油蒸發(fā)物控制系統三排氣再循環(huán)四發(fā)動機設計的低排放思索一曲軸箱排放物控制系統 汽油機運轉時，熄滅室中的高壓可燃混合氣和已燃氣體，或多或少會經過活塞組與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱。為防止曲軸箱壓力過高，早期內燃機普通都經過機油加油口讓曲軸箱與大氣相通而進展“呼吸。但由于曲軸箱的竄氣中含有大量未燃碳氫化合物及其不完全熄滅產物，排入大氣會引起污染。二燃油蒸發(fā)物控制系統車用汽油機化油器在發(fā)動機任務對受熱嚴重，溫度較高，如在這樣的情況下停車，化油器浮

24、子室中的汽油大量蒸發(fā)，流入進氣管并經過空氣濾清器流入大氣，這部分HC排放稱為熱浸損失。汽油箱中的汽油由于晝夜溫度變化呵斥油箱呼吸(換氣)景象，使油箱內汽油蒸氣流出箱外，這部分HC排放稱為晝夜損失。這種熱浸損失與晝夜損失數量不小(圖719)，占汽油機HC總排放量的20左右(圖720)。三排氣再循環(huán)采用排氣再循環(huán)(EGR)能有效地降低點燃式內燃機NO2排放，但全負荷用EGR使最大功率降低；中等負荷用較大的EGR率使燃油耗費率增大，HC排放上升；小負荷特別是怠速用EGR使熄滅不穩(wěn)定，甚至導致缺火。所以運用EGR控制NOx排放技術的關鍵是控制EGR率，使之在各種不同工況下，得到各種性能的最正確折中，實

25、現NOx的控制目的。 EGR系統的控制要求 1) 由于NOx排放量隨負荷增大而增大，因此廢氣回流量應隨負荷而增大。2) 暖機過程中，冷卻水溫度和進氣溫度均較低，NOx排放不高。為防止廢氣回流破壞熄滅的穩(wěn)定性，般在發(fā)動機冷卻水溫度低于50時，不進展EGR。 3) 怠速和小負荷時，NOx排放也不高，也不進展EGR。4) 接近全負荷時，為使發(fā)動機堅持足夠的動力性能，即使NOx排放很高，也不允許進展EGR。此外，要保證再循環(huán)的廢氣在各缸之間分配均勻。真空控制系統中，除低溫切斷EGR用溫度控制閥5實現外，其他控制規(guī)律全靠進氣管節(jié)氣門后的真空度和真空驅動EGR閥的構造保證。假設EGR閥l是個簡單的膜片閥，

26、而節(jié)氣門后的真空度將隨著負荷的減小而加大，因此EGR閥的開度將隨負荷減小而加大，這顯然不符合EGR控制要求。為此，在EGR閥的詳細設計上想了很多方法，如圖725表示的雙膜片閥就是一例。主膜片保證最大負荷下驅動真空度小時EGR閥封鎖。當發(fā)動機負荷和轉速降低時，排氣背壓降低，副膜片在小彈簧作用下下移，翻開控制閥，使主膜片室內的真空度流失，EGR閥開度減小。 電控系統用預先標定的脈譜經過電控真空調理器6控制EGR閥1的開度，顯然大大提高了控制的自在度。 閉環(huán)全電控系統運用了帶閥位傳感器8的線性位移電磁式EGR閥9，進一步提高了控制精度。圖726表示這種EGR閥的一個構造實例。 四發(fā)動機設計的低排放思

27、索1、冷啟動和暖機2、怠速3、混合氣構成和空燃比4、點火系統5、熄滅系統4、點火系統5、熄滅系統熄滅室外形緊縮比火花塞位置活塞組設計二、柴油機柴油機的CO和HC排放量相對汽油機來說要少得多，但NOx與汽油機在同一數量級，而微粒和碳煙的排放要比汽油機大幾十倍甚至更多。因此，柴油機的排放控制，重點是NOx與微粒，其次是HC。降低微粒和碳煙排放與改善柴油機熄滅過程是完全一致的，不過NOx排放往往與之矛盾，這就為柴油機的排放控制呵斥特殊的因難。思索到汽油機排放的NOx可以經過三效催化劑或稀燃來處理，而柴油機排氣中富氧條件下的NOx催化劑尚在研討開發(fā)中，目前尚無勝利的催化劑可用，如何在堅持柴油機良好性能

28、的同時減少NOx的生成，是目前面臨的艱苦技術挑戰(zhàn)。柴油機呵斥污染物排放的根本緣由在于油氣混合不好。柴油機運轉時，平均過量空氣系數a普通都在13以上，假設到達理想的混合，碳煙是不能夠生成的，NOx的生成也不會很多。但混合不好導致部分缺氧，使碳煙大量生成。同時存在很多a=10一11的高NOx生成區(qū)。所以，柴油機的排放控制要圍繞改善油氣混合這一中心義務，防止部分a超越0.9(這有利于NOx生成)和低于06(這有利于碳煙生成)。 主要思索一 熄滅方式與熄滅室二 噴油系統三 氣流組織與多氣門技術四 柴油機的排氣再循環(huán)五 增壓六 噴油定時一 熄滅方式與熄滅室重型車用柴油機和其他大型柴油機大多采取直接放射熄

29、滅方式，而轎車和輕型車要求轉速高以及小型農業(yè)機械為運用方便多用非直噴式熄滅方式。由于直噴技術的提高(噴油系統的小型化、高壓化和高速化)以及降低油耗和CO2排放的要求，高速的轎車柴油機也開場運用直噴式，并有逐漸增長的趨勢?，F代車用增壓柴油機排放物的負荷特性見圖728。非直噴機碳煙排放大于輕型高速直噴機，而輕型高速直噴機的碳煙排放又大于重型車用直噴機。這是由于副熄滅室混合氣很濃，易生成碳煙，主熄滅室中溫度較低，已生成的碳煙后期氧化較差。但是直噴式柴油機的HC排放量大于非直噴機。這樣，就包括碳煙和SOF在內的微粒排放量來說，直噴式柴油機與非直噴式相差不大。柴油機的HC排放置遠低于汽油機。由于燃油組成

30、和混合氣構成方式的不同，柴油機的HC成分與汽油機不同，前者多為較高分子質量的HC，氣味較大。直噴式柴油機的NOx排放量大于非直噴機，由于非直噴機初期熄滅發(fā)生在混合氣極濃的副熄滅室里，由于缺氧，NOx不易生成，而主熄滅室中熄滅在較低溫度下進展(已開場膨脹)，NOx也不易生成。1非直噴式柴油機碳煙主要在副熄滅室里生成，它們進入主熄滅室以后大部分被氧化。在小負荷時，由于主熄滅室溫度較低，碳煙氧化慢，所以非直噴機在部分負荷時的碳煙排放大于直噴機。改善非直噴式柴油機排氣污染的重點也在副熄滅室。副熄滅室容積增大，減少了碳煙構成，但NOx添加。研討闡明，渦流室的相對容積在52左右得出最正確的碳煙與NOx折中

31、。預燃室如容積過大，會降低其中燃氣的能量，影響預燃室中不完全熄滅的燃氣與主熄滅室中空氣的混合。所以，預燃室的相對容積在25一30之間。渦流室中應防止流動死區(qū)，電熱塞對氣流的干擾應盡量小。所以，消除噴油器安裝孔部位的流動死區(qū)，例如從占渦流室容積的10降到5，可使冒煙界限的pme上升10；用順氣流安裝電熱塞替代垂直氣流安裝，可使冒煙界限的pme上升5。減小電熱塞加熱頭的直徑(從6mm減到3.5mm)，可使燃油耗費率be下降5一10g(kWh)，全負荷煙度下降051BSU。2直噴式柴油機對高速直噴式柴油機的混合氣構成和熄滅有以下要求：在滯燃期和熄滅前期，噴入熄滅室的燃油量應盡能夠少，以免預混合熄滅過

32、多，使壓力上升太猛烈，引起劇烈的噪聲，并控制NOx的生成量。在熄滅后期即分散熄滅期，噴入燃油很好與空氣混合以減少碳煙的生成，這就需求有很高的噴油壓力。在噴油終了后，剩余空氣仍能與燃氣劇烈混合，促進碳煙的氧化。直噴式柴油機噴油系統的開展趨勢 1) 提高噴油壓力，從普通的不到100MPa提高到150MPa甚至200MPa，特別是低轉速時的噴油壓力要保證。2) 添加噴油器的噴孔數，減小孔徑。前者對改善宏觀燃油分布均勻性很關鍵，而后者在小缸徑柴油機中為防止過多燃油碰壁是非常必要的。目前，小型柴油機的噴孔直徑已減小到02mm左右，重型車用柴油機的噴孔數已添加到89。3)可控的燃油放射率變化歷程，如靴形放

33、射(詳見后)、二次放射(預放射加主放射)。4)根據柴油機工況優(yōu)化噴油定時。二噴油系統1、噴油泵2、噴油器三 氣流組織與多氣門技術柴油機技術的開展趨勢是提高噴油壓力，降低進氣渦流強度，以減小進氣壓力損失，配合多孔數、小孔徑噴油器來獲得良好的混合氣。每缸4氣門的構造過去常用于缸徑130一150mm以上的柴油機，如今連缸徑80mm左右的4氣門直噴柴油機也已研制勝利。它的主要優(yōu)點是擴展進、排氣門的總流通截面積，且噴油器可垂直布置在氣缸軸線上，不僅改善了噴油器的冷卻情況和活塞熱應力(2氣門機熄滅室在活塞頭上偏置使熱應力不均勻)，而且處理了由于2氣門機噴油器斜置呵斥的各噴油孔流動條件不同的后果，有利于燃油

34、在熄滅室空間中均勻分布。四 柴油機的排氣再循環(huán)與汽油機類似，柴油機也可以經過排氣再循環(huán)(EGR)來降低NOx排放。由于柴油機排氣中氧含量比汽油機高，所以柴油機允許并需求較大的EGR率來降低NOx的排放。直噴式柴油機的EGR率可以超越40，非直噴式可到達25。為了防止產生較多的微粒，普通在中、抵負荷時用較大的EGR率，在全負荷時不用，以保證性能。當轉速提高時也降低EGR率，以保證較多的新穎空氣充量。最正確EGR脈譜用實驗標定法制取。柴油機所用EGR系統與汽油機類似。在增壓柴油機中，再循環(huán)廢氣普通流到增壓器后的進氣管中，以免沾污增壓器葉輪。這時，為防止增壓壓力大于排氣壓力時再循環(huán)廢氣的倒流，要在E

35、GR閥前加一個單向閥，以便利用排氣脈沖進展EGR。實驗證明，把再循環(huán)的廢氣加以冷卻，采用所謂冷EGR，可以提高降低NOx排放效果。五 增壓近年來，為了降低運轉噪聲和減小磨損，柴油機的轉速有下降趨勢，而經過增壓來彌補功率損失。提高渦輪增壓器的效率可增大空氣供應量，用比較大的過量空氣系數組織熄滅，使盡能夠少的燃料缺氧裂解，降低碳煙排放，同時使最高熄滅溫度不致過高，抑制NOx的添加。廣泛運用空-空中冷器把增壓空氣溫度降到50左右，可以有效地抑制NOx排放。 六 噴油定時控制噴油定時是控制柴油機排放的重要手段。普通來說，保證最正確動力性和經濟件的噴油定時，除了呵斥較大熄滅噪聲外，還導致較高的NOx排放

36、。所以，現代車用柴油機常采用推遲噴油的措施，以改善噪聲和NOx排放，但這時往往導致碳煙和微粒排放添加。這里關鍵是要盡能夠加快柴油的熄滅，尤其是分散熄滅階段。一切加快油滴蒸發(fā)、油氣相互分散混合的措施都是值得研討的。 利用簡單的方式(例如直列泵的離心調理器和分配泵的液壓調理器)到達噴油定時的優(yōu)化控制是不能夠的，電控那么為靈敏控制噴油定時提供了能夠。最正確噴油定時控制脈譜，要思索各方面的要求經過標定實驗制取。第五節(jié) 排氣后處置 經過改良內燃機本身的設計和優(yōu)化任務過程來降低污染物的排放，有一定的限制。世界各國都先后開發(fā)排氣后處置技術，在不影響或少影響其他性能的同時，來降低污染物的排放。如今最勝利的排氣

37、后處置安裝是汽油機用的三效催化轉換器，它使車用汽油機的CO、HC和NOx排放量削減了80一90，已成為興隆國家汽油車的必備安裝。車用柴油機的微粒捕集器正在開發(fā)之中，已研制的樣品可降低柴油機微粒排放50一80，僅由于技術上和經濟上尚存在系列問題，目前尚未大量推行。一、汽油機三效催化轉化器二、柴油機排氣微粒捕集器一、汽油機三效催化轉化器任務原理：HCCONOxH2OCO2N2起反響的條件1、空燃比條件2、溫度條件1、空燃比條件 三效催化轉換器同時凈化三種 排放物的效果，只需在化學當量熄滅，也就是過量空氣系數a1時才干實現，由于NOx在催化劑上復原需求H2、CO和HC等作為復原劑。當空氣過量(a1)

38、時，這些復原劑首先與氧反響，NOx的復原反響就不能進展；當空氣缺乏(a1) 時，CO和HC那么不能被完全氧化。2、溫度條件 除了a外，溫度對催化劑的轉化效率也有很大影響。普通稱轉化效率為50所對應的溫度為催化劑的起燃溫度。普通三效催化劑對各種污染物的起燃溫度在220一270之間。在發(fā)動機冷起動與暖機時，催化劑溫度很低，凈化效能很差。用美國FTP-75測試循環(huán)進展測試時，CO和HC的5080是在冷起動后1min內排放的。為緩解這個問題，正在研討用電加熱催化劑加速它在冷起動后的起燃。 對車用三效催化劑的要求起燃溫度低；有較高的儲氧才干，以補償a的動搖；耐高溫，不易熱老化；對雜質不敏感，不易中毒；盡

39、量不產生H2S、NH3等物質；本錢合理。 催化轉化器的構造 催化轉化器的構造催化劑的活性資料三效催化劑的主要活性資料是貴金屬鉑Pt和銠Rh。Pt主要催化CO和HC的氧化反響，Rh催化NOx的復原反響。普通貴金屬的用量為每升載體1g，Pt/Rh比為5：1左右。由于Pt很貴，也有研討用鈀Pd部分或全部替代Pt。Pd的氧化活性不錯，但其晶體構造容易包容雜質，易受雜質中毒。為進一步降低本錢，正在大力研討用鈣鈦礦型稀土催化劑(或加上過渡金屬氧化物催化劑)替代貴金屬的能夠性，但尚未大量用于汽車發(fā)動機。催化器的壽命催化轉換器普通要求壽命在10萬km以上。貴金屬催化劑報廢后，貴金屬可以回收再用 催化器新型載體

40、目前，也有用金屬作為催化劑的載體資料。普通用厚度不超越01mm的極薄不銹鋼帶，一層帶波紋一層不帶波紋地交替疊合，卷成螺線形或S形，焊裝在金屬圓筒內。這種載體的優(yōu)點是構造緊湊，熱容量小，有利于提高內燃機冷起動時的凈化效果，機械強度和熱強度高，任務可靠；缺陷是質量大，本錢高，涂敷活性層困難。它普通做成小的，安裝在陶瓷主催化轉化器前，用來改善冷起動凈化性能，或用于振動較大的場所，如摩托車。 催化轉化器主要失效方式化學老化熱老化積垢老化機械老化中毒：不可逆吸附或發(fā)生表面反應抑制：毒物的競爭可逆吸附毒物導致催化劑表面重構發(fā)生載體孔結構的阻塞 活性組分的燒結形成合金載體結構發(fā)生變 化貴金屬-賤金屬的 相互

41、作用貴金屬表面重組貴金屬揮發(fā)碳沉積（結碳）熱沖擊磨損機械破壞 催化器的老化催化轉化器在運用中會逐漸老化，表如今催化劑起燃溫度提高，轉化效率下降。老化的緣由為過熱和中毒。熱老化是由于溫度過高呵斥活性涂層和催化劑外表燒結、晶粒長大，導致活性外表損失。普通催化轉化器的溫度不宜超越900C，因此如汽油機任務不好排放過多CO和HC就能夠使催化轉換器迅速老化甚至燒壞?；瘜W中毒是燃油和光滑油中的鉛、磷、硫等元素與催化劑活性成分反響，或覆蓋堵塞催化劑，使其活性下降。因此，配三效催化轉換器的汽油機必需運用無鉛汽油。催化轉換器的運用也對光滑油添加劑成分提出了新的要求。 助催化劑為了改善三效催化劑的性能，除了氧化鋁

42、和貴金屬外，三效催化劑中還能夠含有各種各樣的添加劑或助催化劑，如鎳Ni、鈰Ce、鑭La、鋇Ba、鋯Zr、鐵Fe和硅Si等。它們起多種多樣的作用，如加強催化活性、穩(wěn)定載體以及防止貴金屬燒結等。 二、柴油機排氣微粒捕集器目前正在開發(fā)的微粒捕集器有體積型和外表型兩大類，前者被捕集的微粒堆積在過濾資料體內，后者那么大部分堆積在外表上。體積型微粒捕集器的濾芯用泡沫陶瓷、鋼絲棉或陶瓷纖維筒等較疏松的資料制成。它們受熱均勻，在熱再生過程中不易損壞，但捕集效率不高，普通在50一70之間，特別在氣流速度較高時效率下降；另一個缺陷是阻力大，因此緊湊性不好。外表型微粒捕集器主要用與汽油機三效催化劑整體蜂窩陶瓷載體類

43、似的堇青石蜂窩陶瓷塊作為濾芯。 陶瓷纖維纏繞微粒捕集及催化再生過程再生前再生開場再生中再生終了壁流式微粒捕集原理典型的微粒捕集安裝OutletSectionFilterSectionCatalyst SectionInlet SectionV-Clamps微粒捕集系統車載安裝圖CRT behind heat shieldInlet to CRTTemperature and Back pressureport for data collectionDDEC Temperature PortOutlet of CRT實驗后的微粒捕集器進口出口實驗后微粒捕集器外殼進口部分出口部分HSOVurea(

44、NH2)2COExhaust GasHydrolysis Catalyst (H)(NH2)2CO + H2O 2NH3 + CO2SCR Catalyst (S)4NH3 + 4NO + O2 4N2 + 6H2O2NH3 + NO + NO2 2N2 + 3H2O8NH3 + 6NO2 7N2 + 12H2OOxidation Catalyst (O)4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2OOxidation Catalyst (V)2NO + O2 2NO24HC + 3O2 2CO2 + 2H2O2CO + O2 2CO2尿素urea用于選擇復原SCR柴油機排氣四效凈化技術第六節(jié) 低

45、排放燃料一、燃料成分對內燃機排放的影響二、石油燃料的改善三、代用燃料與排放一、燃料成分對內燃機排放的影響1對CO、HC和NOx排放的影響 2對碳煙和微粒排放的影響 3對臭氧構成的影響 4燃料產生的二氧化碳 1對CO、HC和NOx排放的影響燃油中的氧有助于燃油的完全氧化，降低CO和HC的排放量，所以含氧燃料是低排放燃料。燃油中的氮那么容易生成NOx，但只需重油中含有相對較多的含氮衍生物。 2對碳煙和微粒排放的影響 作為微粒中心的碳煙，其生成條件是高溫暖缺氧。在均勻可燃混合氣中，缺氧不多那么生成CO而不生成碳煙。只需當過量空氣系數a小于某一臨界值時，才生成碳煙。燃料中C/H和C/O比越大，越容易生

46、成碳煙。石油燃料成分中，烷烴生成碳煙傾向最小。芳香烴、炔烴最大，烯烴居中。醇類、醚類燃料由于含氧量大，生成碳煙能夠性小。柴油在均勻混合氣中生成碳煙的臨界a約為0.34。但柴油機是非均勻混合氣熄滅，雖然總過量空氣系數a13，但部分地域的a仍會低于上述臨界值，不可防止會生成碳煙。分子構造嚴密的烴，如芳香烴，比較容易產生碳煙。3對臭氧構成的影響近地面臭氧是毒性很大的空氣污染物，是光化學煙霧的主要成分之一。不同有機化合物有不同的生成臭氧活性MIR(單位質量有機物生成臭氧的質量)。丈量結果顯示，烷烴和醇類的MIR較低。因此，以烷烴為主的天然氣和醇類燃料都屬于低排放的“清潔燃料。不飽和鏈烴和芳香烴的MIR

47、較高，它們在燃油中的含量應加以限制。作為排放物的醛類也有與烯烴類似的較高MIR值。 4燃料產生的二氧化碳燃料的C /H原子比越大，釋放單位熱量的CO2排放量越大。汽油與柴油C/H原子比0.5，完全熄滅產生的CO2為75g/MJ左右；甲烷C /H=0.25，產生CO2約為55g/MJ；氫熄滅那么不產生CO2。二、石油燃料的改善 1汽油的改善 2柴油的改善 1汽油的改善 汽油辛烷值缺乏就不得不降低汽油機的緊縮比，以防止爆燃，這就降低了汽油機的熱效率，添加了CO2的排放；汽油的揮發(fā)性(雷德蒸氣壓)會影響蒸發(fā)排放；不完全熄滅的芳香烴對臭氧構成影響很大，因此，目前對汽油中各種成分的比例規(guī)定得越來越嚴厲。

48、四乙鉛問題 2柴油的改善 柴油十六烷值缺乏即著火性差，使滯燃期加長，預混合熄滅量過多，導致運轉粗暴，噪聲加大，NOx排放添加。柴油機各種污染物的排放，普通均隨燃料十六烷值的提高而下降。常規(guī)柴油的十六烷值在4050之間，今后低排放柴油要求十六烷值在55以上。柴油的芳香烴含量與十六烷值有逆變關系。芳香烴由于C /H比高、著火性差，使柴油機的CO、HC和微粒排放添加。低排放的改制柴油要求芳香烴體積分數在10以下。低排放柴油要求降低含硫量，降低柴油含硫量就相應地降低了微粒的排放量。曾在柴油中參與少量堿土金屬或過渡金屬(Ba、Ca、Fe等)的有機酸鹽，可顯著降低柴油機排氣煙度，這類添加劑稱為消煙劑。但進

49、一步的研討闡明，雖然可見的煙度經過添加消煙劑而下降，但微粒的質量排放量往往反而添加，加上大多數這類金屬對人體有害，所以如今不引薦運用消煙劑。三、代用燃料與排放根據已探明的世界石油蘊藏量和今天的石油耗費量，估計最多可滿足人類對石油50100年的需求。到下個世紀中期，石油的代用能源將在能源構造中扮演重要角色。運用代用燃料的另一個重要緣由是減少環(huán)境污染，特別是降低呵斥大氣溫室效應的CO2排放。因此，在太陽能作用下獲得的二次能源，如植物能源以及氫和電就很有開展前景。在大城市中，運用排放CO、HC和NOx較低、產生臭氧較少的代用燃科和電動汽車可改善部分環(huán)境。較有出路的內燃機代用燃料有植物油、天然氣、醇類燃料、氫、電等。除了天然氣直接取自一次能源外，其他都取自植物、煤炭、太陽能、水能、風能、核能等。第七節(jié) 排放丈量與排放法規(guī)一、內燃機排氣污染物的丈量二、內燃機的排放法規(guī)一、內燃機排氣污染物的丈量取樣分析普通排氣成分分析儀器都是丈量該成分在排氣中的濃度，然后根據排氣流量算出該成分的總排放量。這在內燃機穩(wěn)定運轉形狀下比較容易實現。在非穩(wěn)定形狀下，實際上可以把所測得的濃度曲線和排氣流量曲線對時間積分計算總量，但實踐上由于排氣管壓力隨工況而變，取樣系統和丈量儀器動態(tài)呼應滯后的不同以及樣氣的混合使?jié)舛惹€不能再現發(fā)動機排放的時間特性等緣由，呵斥誤差很大。于