華科大內(nèi)燃機(jī)講義第8章 內(nèi)燃機(jī)污染物的生成與控制VIP

第八章內(nèi)燃機(jī)污染物的生成與控制第一節(jié)概述一、完全燃燒：水蒸氣、二氧化碳二氧化碳（CO2）是溫室氣體二、有害排放物的產(chǎn)生實(shí)際燃燒過(guò)程：時(shí)間極短燃料與空氣混合不可能完全均勻特殊工況：冷起動(dòng)、怠速、全負(fù)荷等三、有害排放物的種類一氧化碳（CO）碳?xì)浠衔铮℉C）氮氧化物（NOx）微粒PM第二節(jié)污染物的生成機(jī)理和影響因素一、一氧化碳是HC燃料在燃燒過(guò)程中生成的主要中間產(chǎn)物，如果氧濃度、溫度足夠高，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，可氧化為二氧化碳主要因素：可燃混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)：各缸空燃比的變動(dòng)，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，全負(fù)荷，小型單缸點(diǎn)燃機(jī)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)：燃料和空氣混合不均勻接近冒煙極限或負(fù)荷很小時(shí)，排放上升明顯，局部缺氧嚴(yán)重二、碳?xì)浠衔?、點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)（1）排氣：未完全燃燒；二沖程（2）曲軸箱竄氣（3）蒸發(fā)生成機(jī)理（1）壁面淬熄；（2）狹隙效應(yīng)；（3）潤(rùn)滑油膜的吸附和解吸；（4）燃燒室沉積物2、柴油機(jī)燃油噴注與周?chē)諝庑纬傻幕旌蠚夂懿痪鶆驀娮⒌暮诵模翰粫?huì)引起很多HC排放噴注的外圍：來(lái)不及著火形成稀混合氣怠速或小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)HC排放高冷起動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的HC排放：噴油與壁面的碰撞三、氮氧化物NOx主要來(lái)源：參與燃燒的空氣中的氮，Zeldovitch機(jī)理；一小部分“燃油NO”NO的生成隨溫度的升高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加已燃?xì)庵蠳O2與NO相比可以忽略不計(jì)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)：過(guò)量空氣系數(shù)：影響燃燒溫度和氧含量點(diǎn)火正時(shí)：推遲點(diǎn)火排氣再循環(huán)負(fù)荷壓燃式內(nèi)燃機(jī)：氣缸內(nèi)達(dá)到的最高燃燒溫度是決定NOx的最重要因素NOx排放隨柴油機(jī)負(fù)荷增大而顯著增加NOx排放隨轉(zhuǎn)速的具體變化與燃燒系統(tǒng)特性有密切關(guān)系噴油正時(shí)對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程有很大影響：推遲噴油降低NOx排放四、微粒柴油機(jī)的微粒（ParticulateMatter，PM）排放量比汽油機(jī)大幾十倍轎車(chē)、輕型車(chē)：0.1～1.0g/km重型車(chē)：0.1～1.0g/(kW·h)柴油機(jī)PM的組成取決于運(yùn)轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度超過(guò)約5000C時(shí)，碳煙（DrySoot）溫度較低時(shí)，有機(jī)可溶成分（SOF）柴油機(jī)排氣中的碳煙主要是由柴油中含有的碳產(chǎn)生，生成條件是高溫和缺氧混合氣成分不均勻，總體富氧，局部缺氧由于潤(rùn)滑油造成PM排放：降低潤(rùn)滑油消耗渦輪增壓提高空燃比，有利于降低PM排放增加噴油器噴孔數(shù)、提高噴油壓力，改善柴油霧化：有利于降低PM排放第三節(jié)內(nèi)燃機(jī)的排放控制一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)1、曲軸箱排放物：竄氣：通過(guò)活塞組與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)（PCV）2、蒸發(fā)排放物：源于運(yùn)轉(zhuǎn)損失、熱烤損失、晝夜損失、加油損失活性碳罐：很強(qiáng)的吸附HC能力，易再生3、冷起動(dòng)、暖機(jī)和怠速排放控制（1）冷起動(dòng)和暖機(jī)排放控制大量CO和未燃HC化油器式最差，氣道電噴改善，缸內(nèi)直噴幾乎不存在（2）怠速排放控制怠速工況：一般定義為發(fā)動(dòng)機(jī)不輸出動(dòng)力以最低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的工況怠速排放測(cè)試（在用車(chē)、新車(chē)）現(xiàn)代高速車(chē)用汽油機(jī)：800－1000rpm影響因素：空燃比、點(diǎn)火正時(shí)4、低排放燃料供給系統(tǒng)：混合氣形成的空燃比特性：電噴三效催化轉(zhuǎn)化器：在當(dāng)量空燃比效果最好稀燃NOx催化器：直噴汽油機(jī)、稀燃汽油機(jī)5、低排放點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火正時(shí)對(duì)汽油機(jī)的性能和排放影響很大點(diǎn)火正時(shí)脈譜、點(diǎn)火能量特性6、低排放燃燒系統(tǒng)緊湊的半球形、帳篷形燃燒室7、排氣再循環(huán)降低NOx排放EGR使工作混合氣的總熱容大大增加，最高燃燒溫度下降適當(dāng)控制EGR率，使之在各種不同工況下得到各種性能的最佳折中電控EGR系統(tǒng)的控制脈譜通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR標(biāo)定試驗(yàn)確定二、壓燃式內(nèi)燃機(jī)1、排放生成及控制特點(diǎn)富氧燃燒：CO和HC相對(duì)汽油機(jī)少得多排放的NOx與汽油機(jī)同一數(shù)量級(jí)微粒和碳煙比汽油機(jī)多幾十倍以上柴油機(jī)排放控制：重點(diǎn)是PM和NOx，其次是HC柴油機(jī)污染物排放的根本原因是燃油和空氣混合氣的不均勻控制內(nèi)燃機(jī)PM排放核心是改善柴油機(jī)混合氣形成和燃燒過(guò)程；柴油機(jī)燃燒過(guò)程的改善往往引起NOx排放增加均勻混合氣壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)（HCCI）：均勻混合氣的制備和自燃的化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制2、降低柴油機(jī)排放設(shè)計(jì)要點(diǎn)（一）增壓增壓在柴油機(jī)上普遍應(yīng)用：重型車(chē)、中型車(chē)、輕型車(chē)、甚至轎車(chē)主要特征：進(jìn)氣量大，平均φa大，DS和PM排放下降增壓一般使NOx排放增加歐I：渦輪增壓型；歐II：增壓中冷型；歐III：可變噴嘴渦輪增壓器（二）低排放燃油噴射系統(tǒng)（1）噴射正時(shí)的控制：推遲噴油，但需綜合考慮PM排放和燃油消耗率（2）循環(huán)噴油量的控制：隨負(fù)荷增加而增大，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)；各缸循環(huán)噴油量的均勻性；冷起動(dòng)：逐次遞增（3）優(yōu)化噴油規(guī)律：初期緩慢、中期急速、后期快斷；預(yù)噴射和主噴射組成的二次噴射；有時(shí)進(jìn)行后噴射（適應(yīng)后處理）（4）低排放噴油器噴油器尺寸越來(lái)越小噴油器的偏心量和傾斜角盡可能小小壓力室噴嘴（5）提高噴油壓力提高噴油壓力泵－管－嘴式（100MPa）；泵噴嘴（180MPa）：隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷降低而降低；電控共軌噴油系統(tǒng)。（三）氣流組織和多氣門(mén)技術(shù)適當(dāng)?shù)母變?nèi)氣流運(yùn)動(dòng)有利于燃燒室中燃油噴霧與空氣的混合小缸徑柴油機(jī)：渦流運(yùn)動(dòng)，加速油膜蒸發(fā)四氣門(mén)柴油機(jī)：變渦流重型車(chē)用柴油機(jī)：低渦流甚至無(wú)渦流（四）低排放燃燒室非直噴式：逐漸淘汰直噴式：盡可能增大燃燒室有效容積比長(zhǎng)行程、降轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性好適當(dāng)提高壓縮比（五）排氣再循環(huán)輕型車(chē)、轎車(chē)用柴油機(jī)：中小負(fù)荷工況，可采用較大的EGR率重型車(chē)用柴油機(jī)：EGR率較小排氣中含氧量高，可用較大的EGR率，最大EGR率為40～50％。綜合考慮NOx與PM排放增壓器后的進(jìn)氣壓力高于排氣壓力，EGR驅(qū)動(dòng)措施EGR冷卻EGR電子控制第四節(jié)內(nèi)燃機(jī)的排氣后處理一、必要性機(jī)內(nèi)凈化（改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)本身設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)）降低排放物有一定限度內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)日益嚴(yán)格，兼顧動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等二、三效催化轉(zhuǎn)化器（一）催化反應(yīng)機(jī)理催化劑：催化作用的核心HC、CO的氧化反應(yīng)，NO的還原反應(yīng)（二）催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造外殼、催化劑（載體和活性物質(zhì)）、襯墊鉑Pt，鈀Pd，銠Rh（三）催化轉(zhuǎn)化器的工作特性性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)化效率、流動(dòng)阻力、使用壽命空燃比特性起燃特性：起燃溫度、起燃時(shí)間空速特性：兩體積流量之比流動(dòng)特性：細(xì)小孔道耐久特性：熱力因素、化學(xué)因素三、氧化催化轉(zhuǎn)化器氧化催化劑可以氧化PM中的大部分SOF降低柴油機(jī)的CO和HC，醛類和PAH低硫柴油四、富氧降NOx催化轉(zhuǎn)化器吸附還原催化器：稀燃儲(chǔ)存NOx，濃燃還原NOx，對(duì)柴油機(jī)，需電控共軌噴射系統(tǒng)選擇性催化還原（SCR）：NH3作為還原劑，尿素溶液開(kāi)發(fā)SCR催化轉(zhuǎn)化器需注意減少N2O的生成四、柴油機(jī)排氣微粒捕集器（DPT）壁流式蜂窩陶瓷塊為濾芯的微粒濾清器DPF相鄰的兩個(gè)孔道：一個(gè)進(jìn)口堵住，一個(gè)出口堵住DPF的再生：及時(shí)清除PM，降低排氣阻力脫機(jī)再生方法熱再生、催化再生燃燒器電阻加熱再生微波選擇性加熱再生周期的確定連續(xù)再生捕集器（CRT）:借助特殊催化劑把排氣中的NO氧化成為NO2，再使PM發(fā)生氧化反應(yīng)第五節(jié)排放法規(guī)一、排放測(cè)試規(guī)范輕型車(chē)：整輛汽車(chē)在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上測(cè)量，測(cè)量結(jié)果：g/km；瞬態(tài)循環(huán)：怠速、加速、等速、減速等行駛工況重型車(chē)：把內(nèi)燃機(jī)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)上測(cè)量排放，結(jié)果：g/(kW·h)13個(gè)穩(wěn)態(tài)工況組成，加權(quán)累積全負(fù)荷煙度：全負(fù)荷穩(wěn)定轉(zhuǎn)速二、取樣系統(tǒng)排氣分析儀：測(cè)量成分在排氣中的體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的排氣總流量算出總排放量對(duì)內(nèi)燃機(jī)排氣先用干凈空氣稀釋，然后再定容取樣柴油機(jī)PM排放測(cè)量：稀釋取樣系統(tǒng)三、測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介（一）氣體污染物的檢測(cè)排放法規(guī)規(guī)定：CO和CO2：不分光紅外線吸收型分析儀NOx：化學(xué)發(fā)光分析儀（CLD）或加熱型CLDHC：氫火焰離子化分析儀（FID）或加熱型FID分離甲烷：氣相色譜儀（GC）（二）微粒的測(cè)量和分析內(nèi)燃機(jī)的排氣微粒：是指從溫度低于52oC的稀釋排氣中采集的沉積在用聚四氟乙烯處理過(guò)的玻璃纖維濾紙上的所有物質(zhì)用取樣系統(tǒng)把PM收