b发动机原理排放

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1、汽车发动机原理,排气污染与控制,8.1 有害排放物的生成机理与影响因素,8.1.1 有害排放物的种类与危害 法规限制成份： CO、HC、NOx、PM,其他有害成份： SOx、铅化合物、醛类、苯类、 丁二烯、柴油机排气臭味,光化学烟雾是一种淡蓝色的烟雾，汽车尾气和工厂废气里含大量氮氧化物和碳氢化合物，这些气体在阳光和紫外线作用下，会发生光热化学反应，光化学烟雾由此而生。它的主要成分是一系列氧化剂，如臭氧、醛类、酮等，它的毒性很大，对人体有强烈的刺激作用，严重时会使人出现呼吸困难，视力衰退，手足抽搐等症。在上世纪世界环境污染八大公害事件中，光化学烟雾事件便占了5起。1955年，洛杉矶发生的高浓度光

2、化学烟雾导致了两天内400多名65岁以上老人的死亡。,8.1.2 评定指标和单位,8.1.3 有害排放物的生成机理,1）Thermal NO 2）Prompt NO 3）Fuel NO,NOx生成途径,1、NOx生成,1） Thermal NO,Extended Zeldovich Reaction (19461973),( O2 2O ),O N2 NO + N H75 Kcalmol1 (1) N O2 NO + O H31.4 Kcalmol1 (2) N OH NO + H H40.8 Kcalmol1 (3),生成条件： T1800K （1、3式均为强烈的吸热反应） a1.0 已燃气

3、体 （火焰前锋面后）,2） Prompt NO,Fenimore. C P， 1971年,（CnH2n CH、CH2 ）,CH N2 HCN + N H3.3 Kcalmol1 (4) CH2 N2 HCN + NH,由HCN CN NO 由N经式（2）、（3） NO 由NH N NO,生成条件： 相对低温 a1.0 （还原气氛） 燃烧中的气体 （火焰前锋面上） * 并不需要很高的温度（活化能），中间生成物HCN是关键,3）Fuel NO,燃料中的氮化合物,HCN、CN、NH2、NH,NO,生成条件： 可以小于1800K a影响不明确,影响NOx生成的三要素,温度 T，则NO平衡浓度 ，NO生

4、成速率， （其中，生成速率影响最大） 氧浓度 温度一定时，氧浓度，则NO 反应时间 相对CO、H2O等，NO 反应较慢，因此在实 际 发动机燃烧结束时尚达不到平衡浓度,故即使在高温下,若反应停留时间短,NO生成的量受限,冻结：导致在化学平衡浓度和实际浓度之间出现差别，保持较高浓度排出,2、CO,不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响,不完全燃烧 a1时：局部缺氧 热离解 CO2 CO 排气中生成 HC在排气中进一步氧化时生成CO,3、未燃HC （THC）,（1）HC在汽油机中的生成机理,不完全燃烧 a1，混合不均、减速、失火、循环波动 壁面淬熄效应 低温、弱流动和弱湍流导致 淬熄层（Quench

5、ing layer）， 窄缝处面容比大，火焰无法 传入，也称缝隙效应 油膜和积碳吸附 混合气形成过程中，吸附HC 燃烧过程中，Unburnt， 排气过程中，脱附释放,Gaps,Deposits,Oil film,Quenching at Wall,燃烧室内缝隙的组成,活塞顶环岸缝隙中烃的排出过程,混合不均匀 过浓或过稀,（2）HC在柴油机中的生成机理,HC在柴油机中的生成机理,喷油器压力室容积,燃油滞留于压力室 受热膨胀或汽化后低速进入燃烧室 难以混合燃烧,二次喷油或后滴,4.微粒的生成,燃烧系统中炭烟粒子的形成过程 燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙

6、烯、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭为主的直径2nm左右的炭烟核心,PM高度显微图例,8.1.4 有害排放物生成的影响因素,（1）汽油机,1、 a的影响,CO： a ，CO（单调）； a1，逐渐达最低值 HC： a ，HC ； a 过大，HC回升（过稀） NO： a1.1后，氧化气氛，但温度下降，NO ,点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响,气缸内燃烧压力与点火时刻的关系,2、 点火提前角的影响,3、工况影响,汽油机在不同工况下排气成分的体积分数,4 废气再循环,废气再循环系统工作原理,原理和作用：一部分排气经EGR阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导

7、致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制NOx的生成。,EGR降低NOx的效果,影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制,柴油机有害排放物生成特点 未燃HC 1;3、4 CO 1、2界面；3、4 Nox 2、3 炭烟 3、4 醛类 1 1稀燃火焰熄灭区 2稀燃火焰区 3油束心部 4油束尾部和后喷部,（2）柴油机,NO：与汽油机相似，但注意区间 碳烟：与汽油机CO相似，但向稀区平移 CO：与汽油机CO相似，过稀时回升 HC： a2后，过稀和低温使HC 注意：CO、HC远低于汽油机，一般不超标,（注意a范围！与汽油机比较）,影响因素,1.混合气成分 2

8、. 喷油时刻 3.燃烧室类型,混合气成分与柴油机排放的关系,喷油定时对排放的影响,3.燃烧室排放比较 分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和炭烟的排放浓度均低于直喷式，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右 原因是，这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。在喷油开始和燃烧初期，副燃烧室的空燃比较小，氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的CO及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成NOx仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的CO及HC进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，温度有所下降，抑制了NOx的生成,8.3 排放污染物的机内净化技术

9、,降低排气污染 技术分类,机内净化 （燃烧） 机外净化 （后处理） 清洁燃料 （燃料）,柴油机 汽油机,柴油机 汽油机,气体燃料：CNG、LNG LPG 馏分轻，降低排烟 液体含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、 甲酯（植物油酯化）,非排气污染 控制技术,燃油系统蒸发 曲轴箱窜气,1废气再循环,废气再循环系统工作原理,原理和作用：一部分排气经EGR阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制NOx的生成。,汽油机机内净化技术,图10.12 EGR降低NOx的效果,2.改进发动机设计,燃烧系统 进气系统 活塞组设

10、计 分层稀薄燃烧,火花塞位置对油耗和HC排放物的影响 1火花塞在燃烧室侧面 2火花塞在燃烧室中心,3.电子控制燃油喷射系统(EFI) 4.提高燃油品质 5.推迟点火提前 6.提高点火能量,柴油机机内净化技术,1.增压中冷技术最现实的办法是增加空气量 2.改进进气系统 1)进气组织 2)多气门,图10.24 缸内的各种有组织气流 (a)切向进气道及其产生的旋流 (b)螺旋进气道及其产生的旋流 (c)纵向滚流(d)压缩时的挤流 (e)膨胀时的逆流,3.改进喷油系统,1)高压喷射 2)推迟喷油提前角 3)减小喷孔直径，增加喷孔数目 4)减小喷嘴压力室容积 5)高压共轨电控燃油喷射,三种燃油系统的喷油

11、压力对烟度及性能的影响 试验条件：转速1000r/min， 17， NOx 1200106,4.改进燃烧系统,1)燃烧室容积比燃烧室容积对气缸余隙容积之比 2)燃烧室口径比 口径比dk/D小的深燃烧室可在室中产生较强的涡流 3)燃烧室形状 缩口燃烧室已经取代应用最广直边不缩口的形燃烧室 4) 适当提高压缩比,图10.27 挤流口型与标准型燃烧室的排放特性 不缩口型 缩口型,三种燃烧室的烟度及燃油消耗率 1-形燃烧室2-四角型燃烧室3-微涡流燃烧室,5.降低机油消耗 6.废气再循环 7.提高燃油品质,排气污染的机外净化技术,三效催化转化器的净化效果,排放控制技术的一次革命三效催化剂,催化转化器的

12、冷起动HC排放,7080的HC排放是在催化器起燃之前产生，因此降低冷起动HC排放是满足更加严格排放法规的关键。 措施：降低T50 、 50,三效催化转化器结构,载体 氧化铝球、陶瓷蜂窝载体和金属载体3种。 孔密度=200-600（孔/in2） 壁厚=0.150.10mm（陶瓷）,氧化型催化剂、还原型催化剂、三效催化剂和稀燃催化剂。 氧化型催化剂（OC，Oxidation Catalyst） 2CO + O2 2CO2 （1-1） 4HC5O2 4CO2 + 2H2O （1-2） 2H2 + O2 2H2O （1-3）,汽油车催化剂工作原理,三效催化剂（TWC，Three Way Catalys

13、t） 2CO + 2NO2CO2 + N2 （1-4） 4HC + 10NO4CO22H2O5N2 （1-5） 2H2 + 2NO 2H2O + N2 （1-6）,转化效率 空燃比特性（Sweep ） 起燃特性（Light off） 起燃温度特性（Light-off Temperature) T50T 起燃时间特性（Light-off Time) 50,TWC性能,催化转化器的冷起动HC排放,7080的HC排放是在催化器起燃之前产生，因此降低冷起动HC排放是满足更加严格排放法规的关键。 措施：降低T50 、 50,例ZLEV排放控制系统,在传统汽油机上可以实现“近零”排放，满足未来十年的排放要

14、求,本田1998年 多级催化剂 吸附预热. 10万英里老化后，排放仅有加州超低排放法规（ULEV）限值得1/10，在市区行驶时的NMHC排放低于周围大气中的浓度。相当于考虑发电厂排污在内的电动车排放水平。 (暖机后1ppmHC,而环境34ppm,自动车技术，2003，9，村中),在传统汽油机上可以实现“近零”排放，满足未来十年的排放要求,4. 空速特性（SV） SV 5. 耐久性 6. 流阻特性,TWC性能,小时排气量（m3/h）,催化剂容积（m3）,（h1）,SV越大，反应气体在Cat.中的停留时间越短。,柴油机机外净化技术,1.氧化催化转化器 2 .微粒捕集器 3 .柴油机Nox 还原催化

15、剂,柴油机氧化催化剂使用效果,微粒捕集器的过滤材料 (a)陶瓷蜂窝载体 (b)陶瓷纤维编织物 (c)金属线纤维编织物,2.曲轴箱强制通风系统,曲轴箱强制通风系统(PCV，positive crankcase ventilation system),3.燃油蒸发控制系统,图10.20 燃油蒸发控制系统 1空气滤清器 2控制器 3储气罐 4油箱 5炭罐 6进气管,8.5 排放法规及其测试方法,1、排放法规体系,排放法规,排放限值 检测方法,整 车排放限值 发 动机排放限值,怠速法（自由加速烟度） 循环工况法,2、检测方法,怠速法（自由加速烟度）：环保检测、汽车修理 工况法,轻型车（总重3.5T）发动机测试（台架）,1、排气污染与排放法规的历史,1943年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（photo-chemical smog） 1952年：加州工大A.H.Smit博士提出Smog生成机理 HC NO2 O3 PAN（过氧酰基硝酸盐） 1966年：加州实施世界上第一个“汽车排放