排氣污染與控制

排氣污染與控制第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一汽車發(fā)動機(jī)原理第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制

第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制

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概述8.1概述1．汽車發(fā)動機(jī)的排氣污染

汽車發(fā)動機(jī)的排氣是城市大氣污染的主要原因，因此，控制發(fā)動機(jī)排放污染物是當(dāng)前的主要研究發(fā)展方向之一。汽車發(fā)動機(jī)排放的有害物質(zhì)種類主要是CO、HC、NOX和微粒(PM)，絕大多數(shù)污染物出現(xiàn)在廢氣中，少量HC來自于曲軸箱和燃料系統(tǒng)泄露的燃料及潤滑油蒸發(fā)物，包括氣缸竄入曲軸箱的燃?xì)狻０l(fā)動機(jī)排放污染物的危害有二個方面：（1）危及人體健康；（2）破壞環(huán)境。除了發(fā)動機(jī)排放污染物質(zhì)造成對大氣的直接污染，汽車有害排放物還可能通過與環(huán)境物質(zhì)或有害物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，形成二次污染。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.1概述2、汽車排放污染的危害已經(jīng)確定的典型的環(huán)境效應(yīng)是：（1）酸雨，汽車排放污染物中酸性物質(zhì)溶解于水后形成；（2）光化學(xué)煙霧，汽車有害排放物中HC與NOX在強(qiáng)陽光作用下，相互反應(yīng)生成的有毒煙霧，主要成分是臭氧和PAN（過氧酰基硝酸鹽）；（3）臭氧層空洞，鹵族元素在強(qiáng)陽光照射時，消耗臭氧，導(dǎo)致臭氧層破壞；（4）溫室效應(yīng)，汽車排放使大氣中CO2濃度增加，氣溫上升。汽車有害排放物對人體和生物的危害有：CO：血液輸氧能力降低、神經(jīng)中樞受損，嚴(yán)重時危及生命。HC：刺激鼻、眼和呼吸道粘膜，引發(fā)呼吸道疾病。NOX：刺激人眼粘膜，對神經(jīng)中樞有抑制作用，使呼吸系統(tǒng)失調(diào)，引發(fā)疾病。微粒：微粒是氣固態(tài)的物質(zhì)顆粒，因表面吸附多種有毒、致病、致癌或致命物質(zhì)而具有危害。光化學(xué)煙霧：對人體呼吸系統(tǒng)以及粘膜有強(qiáng)烈刺激，引發(fā)肺水腫疾病。此外，對植物生長有抑制作用。第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.1概述3、汽車排放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過幾十年的努力，汽車發(fā)動機(jī)排放的污染物質(zhì)數(shù)量已經(jīng)大大減少。除CO2以外，現(xiàn)在100輛汽車排放的污染物數(shù)量才相當(dāng)于1950年一輛汽車的排放量?？刂破嚺欧诺呐?，集中體現(xiàn)在由各國政府制定并強(qiáng)制實施的汽車排放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這是因為環(huán)境污染影響到整個地球和人類社會，并涉及各方面的經(jīng)濟(jì)利益。為突出汽車排放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制性，它們也被稱為排放法規(guī)。汽車排放法規(guī)的主要內(nèi)容是：（1）限值：有害排放物的限制數(shù)量或濃度；（2）試驗規(guī)范：檢測汽車或發(fā)動機(jī)有害排放物時的試驗條件、要求和程序（流程）；（3）采樣方法：檢測試驗時，采集樣品的原理、方法和要求；（4）檢測儀器：統(tǒng)一規(guī)定測試儀器的工作原理。但是，由于汽車保有量的持續(xù)增加，汽車排放污染物的總量仍不斷上升，環(huán)境保護(hù)的形勢非常嚴(yán)峻，特別是CO2的排放。第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.1概述4、發(fā)動機(jī)排放污染物的計量單位和指標(biāo)汽車發(fā)動機(jī)的有害排放物實際是微量的。由于有害排放物既有氣態(tài)的，也有液、固態(tài)的，因此，有害排放物的計量單位為：（1）微量濃度單位C（V/V或M/V）：%，10-6（百萬分之幾），g/m3，mg/m3等，適合于氣態(tài)有害物。（2）微量質(zhì)量單位G（M/T等）：g/h，g/次，g/km，mg/h，mg/次，mg/km等，適合于液、固態(tài)有害物，有時也用于氣態(tài)有害物。

發(fā)動機(jī)排放指標(biāo)有：（1）排放濃度，表示某種有害排放物在廢氣中所占容積或質(zhì)量的比例。（2）排放質(zhì)量，表示汽車或發(fā)動機(jī)在單位時間、單次試驗或單位里程里排放的某種有害排放物質(zhì)量。（3）比排放量，表示發(fā)動機(jī)單位功率小時的某種有害排放物的質(zhì)量，用于不同發(fā)動機(jī)之間的比較。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制

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有害排放物生成機(jī)理8.2有害排放物生成機(jī)理1．NOX

生成機(jī)理

NOX排放的生成機(jī)理目前尚無統(tǒng)一認(rèn)識，比較認(rèn)可的是用捷爾杜維奇鏈反應(yīng)解釋NO生成，并用其代表NOX的生成機(jī)理。

這個反應(yīng)機(jī)理表示NOX生成反應(yīng)是不分支的鏈反應(yīng)，而且是吸熱反應(yīng)。第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理生成要素根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理、NOX的生成機(jī)理、平衡濃度的模擬計算和發(fā)動機(jī)臺架試驗的結(jié)果，提示NOX生成的主要要素是：（1）反應(yīng)溫度（2）氧氣濃度（3）反應(yīng)時間汽油機(jī)燃燒溫度比柴油機(jī)高，因此，反應(yīng)溫度是影響汽油機(jī)NOX排放的主要因素；氧氣濃度通過空燃比對汽油機(jī)NOX排放產(chǎn)生影響，在一定的空燃比范圍中，汽油機(jī)有較高的NOX排放；汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，反應(yīng)時間對汽油機(jī)的NOX排放影響較小。柴油機(jī)燃燒的特點時空氣充足，燃燒溫度比較低，因此，氧氣濃度是影響柴油機(jī)NOX排放的主要因素；氧氣濃度通過空燃比對柴油機(jī)NOX排放發(fā)生影響，在一定的空燃比范圍中，柴油機(jī)有較高的NOX排放；柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速雖然比汽油機(jī)低，但燃燒時間仍然較短，故反應(yīng)時間對柴油機(jī)的NOX排放影響較小。第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理2、CO

生成機(jī)理（1）缺氧與局部缺氧燃燒根據(jù)化學(xué)計量學(xué)原理，當(dāng)空氣過量，氧氣充足，稀混合氣燃燒時，燃料應(yīng)該能完全燃燒，不會產(chǎn)生CO；空氣不足，缺氧或局部缺氧，即濃混合氣燃燒時，會產(chǎn)生較多的CO。即空氣充足空氣不足第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理（3）水煤氣反應(yīng)

水煤氣反應(yīng)也是燃燒產(chǎn)物中有一定數(shù)量CO的原因之一。水蒸氣也可高溫離解（2）CO2的高溫離解α

≥1時，燃燒產(chǎn)物中有一定數(shù)量CO的原因之一是存在CO2的高溫離解離解后的H2和O2參與其它反應(yīng)，主要是水煤氣反應(yīng)第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理（4）燃燒過程不完善實際燃燒過程是一個非常復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。燃燒過程中產(chǎn)生大量中間產(chǎn)物，包括CO。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷、不正常燃燒（如表面點火、爆震以及后燃過于嚴(yán)重），即燃燒過程不完善，都形成CO排放。有很多原因可以導(dǎo)致燃燒過程不完善。如局部斷火、缺火、活性粒子碰撞壁面而失去活性、混合氣過濃或過稀、廢氣稀釋過度、各種點火故障等等。這些原因都會造成燃燒過程不完善。汽油機(jī)燃燒時，混合氣濃度變化較大，既有缺氧的濃混合氣，也有氧氣充足的稀混合氣。電控汽油噴射式發(fā)動機(jī)基本是濃混合氣。因此，汽油機(jī)CO排放的主要因素是缺氧和燃燒不完善。柴油機(jī)燃燒時空氣充足，但混合氣濃度不均勻。因此，局部缺氧和燃燒不完善是柴油機(jī)CO排放的主要因素。CO2的高溫離解和水煤氣反應(yīng)盡管也是CO排放的原因，但在發(fā)動機(jī)燃燒過程中發(fā)生的幾率很小，可以忽略。第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理3、HC

生成機(jī)理（1）缸壁激冷效應(yīng)燃燒室壁面附近區(qū)域的混合氣不能燃燒現(xiàn)象稱為缸壁激冷效應(yīng)。（2）燃燒室縫隙效應(yīng)發(fā)動機(jī)燃燒室縫隙中混合氣不能燃燒的現(xiàn)象稱為縫隙效應(yīng)。（3）燃燒過程不完善發(fā)動機(jī)排放的HC主要是燃燒過程中間產(chǎn)物。燃燒過程不完善，形成HC排放。（4）掃氣和漏氣少量混合氣在氣門重疊時，直接從進(jìn)氣門流向排氣門（掃氣）。氣門關(guān)閉不嚴(yán)（漏氣），也可導(dǎo)致HC排放。（5）潤滑系統(tǒng)與燃料系統(tǒng)的蒸發(fā)部分HC排放來自燃料系統(tǒng)和曲軸箱的氣體泄露。燃料系統(tǒng)的泄露完全是燃油蒸汽，曲軸箱泄露的氣體包括氣缸竄氣和潤滑油蒸汽。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理

HC是燃燒過程中間產(chǎn)物，是可燃燒氣體。隨著燃燒的進(jìn)行會逐漸減少，并且在排氣過程和排氣管內(nèi)會進(jìn)一步氧化。僅就燃燒來說，汽油機(jī)氣缸內(nèi)是混合氣。因此，燃燒過程不完善、壁面激冷效應(yīng)和縫隙效應(yīng)是汽油機(jī)HC排放的主要原因，掃氣漏氣則是次要原因；柴油機(jī)氣缸中，壁面區(qū)域和縫隙中幾乎全部是空氣，換氣時出現(xiàn)掃氣也完全是空氣，燃燒時混合氣濃度不均勻，存在混合氣極其稀薄的區(qū)域，因此，柴油機(jī)的HC排放主要原因是燃燒過程不完善。二沖程汽油機(jī)換氣過程包括依靠新鮮混合氣頂出缸內(nèi)的廢氣（掃氣過程），實現(xiàn)換氣，使得相當(dāng)數(shù)量的新鮮混合氣進(jìn)入排氣口。因此，掃氣是其HC排放的最主要原因。第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理4、微粒

與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的微粒排放比較突出。柴油機(jī)微粒排放的類型（1）白煙白煙在起動及暖機(jī)過程前期，發(fā)動機(jī)溫度在250℃時出現(xiàn)，主要成分為燃油顆粒，微粒直徑較小。在起動及暖機(jī)過程前期，發(fā)動機(jī)溫度低，壓縮壓力相對降低，噴油量小，噴油壓力下降，油束霧化不好，同時，燃燒條件差，存在局部混合氣過濃或油束心部、后部在擴(kuò)散燃燒時未能充分燃燒現(xiàn)象。未能燃燒燃料在排氣過程受已燃?xì)怏w的加熱變成燃油蒸汽，形成白煙。（2）藍(lán)煙藍(lán)煙在暖機(jī)過程后期，溫度為250℃至著火溫度出現(xiàn)，主要成分為潤滑油顆粒，微粒直徑略大。在暖機(jī)過程后期，發(fā)動機(jī)溫度逐漸升高，燃燒室壁面溫度提高，使壁面潤滑油蒸發(fā)，但氣缸供油量少，燃燒熱量小，燃燒溫度低，不能使?jié)櫥驼羝紵蚨纬伤{(lán)煙排出。第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理（3）黑煙（碳煙）黑煙在急加速過程或大負(fù)荷時出現(xiàn)，主要成分為碳顆粒，微粒直徑較大，直徑范圍寬。

柴油機(jī)的微粒排放主要是碳煙。碳煙生成機(jī)理碳煙是燃燒過程的中間產(chǎn)物。燃燒過程中包括分子裂解、分解以及聚合等反應(yīng)，在局部缺氧燃燒時，就出現(xiàn)碳煙。碳煙生成有兩條路線：高溫下裂解、復(fù)聚和環(huán)構(gòu)；較低溫度下聚合、環(huán)構(gòu)和脫氫。（1）高溫路線第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.2有害排放物生成機(jī)理（2）低溫路線柴油機(jī)碳煙生成主要按高溫路線，即高溫并缺氧燃燒是碳煙生成的主要原因。隨著燃燒過程進(jìn)行，碳煙也會氧化燃燒。發(fā)動機(jī)碳煙排放數(shù)量取決于碳煙生成和氧化矛盾作用的結(jié)果。在燃燒過程中，碳煙生成幾乎不可避免。因此，重要的是加強(qiáng)氧化燃燒，才能減少碳煙排放數(shù)量。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制

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有害排放物生成的影響因素8.3有害排放物生成的影響因素8.3.1汽油機(jī)有害排放物生成的影響因素內(nèi)因

（1）燃料品質(zhì)燃料品質(zhì)影響燃燒過程，從而直接影響有害排放物生成；燃料成分影響空燃比的計算和控制，間接影響有害排放物生成。（2）混合氣濃度（空燃比或過量空氣系數(shù)）CO和HC排放濃度隨空燃比提高而迅速減小，空燃比超過某一數(shù)值后，CO和HC濃度反而增加。空燃比A/F≥16即α≥1.08時，CO排放濃度最低；A/F超過20時，CO排放濃度因燃燒速度過慢且不穩(wěn)定而增加。當(dāng)A/F=17即α≈1.15時，HC排放濃度最低?？杖急冗^大A/F≥17時，HC排放濃度因燃燒不穩(wěn)定迅速增加。第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.3有害排放物生成的影響因素NOX生成濃度隨空燃比增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在空燃比A/F為15~16之間取得最大值。當(dāng)混合氣濃度較大，A/F較小時，NOX生成濃度隨空燃比加大而增加。這種混合氣燃燒溫度高，氧氣濃度低，隨著空燃比增加，氧氣濃度提高，NOX生成濃度上升?？杖急壤^續(xù)加大，NOX生成濃度也上升。到A/F

15~16時，NOX生成濃度達(dá)到極大值。此時，空燃比對氧氣濃度和燃燒溫度兩方面影響的綜合效果，最有利于NOX生成?？杖急仍黾拥交旌蠚獬蔀橄”』旌蠚猓琋OX生成濃度迅速下降。因為這種混合氣燃燒溫度急劇下降。上述討論可知，稀薄燃燒有利于改善汽油機(jī)的排放。8.3.1汽油機(jī)有害排放物生成的影響因素內(nèi)因

（2）混合氣濃度（空燃比或過量空氣系數(shù)）第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.3有害排放物生成的影響因素（3）EGR將少部分廢氣送入氣缸，參與下一循環(huán)燃燒，有利于抑制NOX生成，但廢氣再循環(huán)的廢氣量不能過大。否則，會使燃燒惡化。外因（4）點火提前角對應(yīng)每一個工況，存在一個最佳點火提前角，此時，汽油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性最好。推遲點火，HC和NOX排放減少，但CO排放增加。（5）壓縮比發(fā)動機(jī)壓縮比大，NOX排放多，其他有害排放物少。（6）工況發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)時，HC和CO排放濃度較高，中等轉(zhuǎn)速時HC和CO排放最低。適當(dāng)提高怠速有利于降低HC和CO排放，但怠速過高會引起油耗增加。8.3.1汽油機(jī)有害排放物生成的影響因素內(nèi)因第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.3有害排放物生成的影響因素8.3.2柴油機(jī)有害排放物生成的影響因素內(nèi)因（1）燃料品質(zhì)燃料品質(zhì)影響燃燒過程，從而直接影響有害排放物生成；燃料成分影響空燃比的計算和控制，間接影響有害排放物生成。（2）混合氣濃度（空燃比或過量空氣系數(shù)）柴油機(jī)CO和HC排放濃度比汽油機(jī)低得多。CO和HC排放濃度隨燃空比提高而增加。中小負(fù)荷時，CO和HC排放濃度最低。大負(fù)荷時，燃空比較大，CO排放濃度急劇增加，HC排放增加不多。柴油機(jī)NOX生成濃度與汽油機(jī)相當(dāng)。NOX生成濃度也隨燃空比增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，NOX濃度最大值出現(xiàn)在接近全負(fù)荷工況。柴油機(jī)碳煙生成比汽油機(jī)嚴(yán)重。燃空比增加到一定數(shù)值，碳煙排放迅速提高。（3）EGR將少部分廢氣送入氣缸，參與下一循環(huán)燃燒，有利于抑制NOX生成，但廢氣再循環(huán)的廢氣量不能過大。否則，會使燃燒惡化。第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.3有害排放物生成的影響因素8.3.2柴油機(jī)有害排放物生成的影響因素外因（4）噴油提前角對應(yīng)每一個工況，存在一個最佳噴油提前角，此時，柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性最好。若推遲噴油，NOX排放減少，但碳煙排放增加。（5）壓縮比發(fā)動機(jī)壓縮比大，NOX排放多，其他有害排放物少。（6）工況發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)時，HC排放濃度較高；大負(fù)荷時NOX

排放較多；全負(fù)荷時碳煙排放高。（7）燃燒室直噴式燃燒室的有害排放物比分隔式燃燒室多。第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.3有害排放物生成的影響因素8.3.2柴油機(jī)有害排放物生成的影響因素柴油機(jī)燃燒與有害物生成HC中小負(fù)荷時在稀燃火焰熄滅區(qū)生成，因為過稀不能燃燒；大負(fù)荷時在油束心部生成，因為燃燒不完全。CO中小負(fù)荷時在稀燃火焰熄滅區(qū)生成，因為過稀不能燃燒；大負(fù)荷時在油束心部生成，因為局部缺氧。NOX

大負(fù)荷時在稀燃火焰區(qū)生成，因為這里溫度高，氧氣多。碳煙全負(fù)荷時在油束心部生成，因為這里溫度高并缺氧。第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制

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有害排放物的控制8.4有害排放物的控制8.4.1概述針對內(nèi)因采取的控制措施，前處理凈化；

針對外因采取的控制措施，機(jī)內(nèi)凈化；補(bǔ)救措施，后處理凈化，包括排氣后處理；非排氣的污染物控制。

8.4.2前處理凈化1、提高燃油品質(zhì)：環(huán)保汽油和環(huán)保柴油（配方燃油）；開發(fā)新型燃油添加劑。2、采用EGR第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第八章排氣污染與控制8.4有害排放物的控制8.4.3后處理凈化1、排氣后處理（1）三元催化凈化器；（2）柴油機(jī)微粒捕集器。2、非排氣的污染物控制（1）曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置；（2）燃油蒸發(fā)物控制裝置。

8.4.4機(jī)內(nèi)凈化措施1、