1港口内燃机第七章 内燃机有害排放物的生成与控制2内容提纲第一节 内燃机的有害排放物及排放标准第二节 汽油机的排放控制装置第三节 柴油机的排放控制系统第四节 其他排放物的控制系统3第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物1. 一氧化碳（CO） 2. 碳氢化合物（HC ） 3. 氮氧化合物（NOx ） 4. 微粒这些尾气排放物的生成直接与发动机的燃烧过 程有关41．一氧化碳（CO） 第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物特性：CO是燃料不完全燃烧的产物，是一种无色臭无味 的气体其溶点为-199.0oC，沸点为-191. 5oC ，发火点 为651. 0oC 它与血液中血红素的亲和力是氧气的300 倍，因此当人吸人CO后，血液吸收和运送氧的能力降 低，导致头晕、头痛等中毒症状当吸人CO气体的体 积分数达到0.3％时，可致人于死亡第一节 内燃机的有害排放物及排放标准1．一氧化碳（CO） 一、内燃机的有害排放物主要原因是CH燃料的不完全燃烧，除此之外，在燃烧 过程中局部高温热分解也是重要原因当燃烧温度达到 2000K以上的高温状态时，即使在过量空气系数大于1的混 合气中燃烧，燃烧生成物中的稳定分子CO2和H2O的一部分 ，按以下反应式被高温分解为CO、NO以及H、O、OH等活 性分子，并在CO2、H2O、CO、NO、O、H、O、OH的共 存状态下达到平衡，即CO2=CO+1/2O2 H2O=H2+1/2O2 H2O=1/2H2+HO产生原因 ：第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物控制方法:促进混合气的形成，有效控制燃烧温度，都 可以有效地降低CO的生成。
造成HC燃料不完全燃烧的主要原因有：氧气不足，即混合气过浓或局部混合气过浓；燃烧温度过低 ；燃烧室容积过小而使燃烧滞留时间不充分；空气和 燃料混合不充分等72．碳氢化合物（HC）第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物特性：HC化合物在阳光照射下引起光化学反应，产生臭 氧(O3)、PAH（多环芳香族HC化合物）等具有强氧化特性的物质，形成光化学烟雾它不仅降低大气能见 度，使橡胶开裂，植物受害，刺激人的眼睛和咽喉， 而且在HC化合物中的PAH是致癌物质，是导致碳烟的副产物82．碳氢化合物（HC）第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物产生原因 ： 1） 主要原因是有未完全燃烧生成的HC；2）由燃料供给系统泄漏产生的HC；3）未燃燃料从燃烧室直接排出的HC其中引起未完全燃烧的原因是燃烧室内的氧气量不足，燃烧室壁面温度过低，以及混合气形成不充分或燃烧室 内局部混合气过浓等 2．碳氢化合物（HC）第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物控制方法:HC化合物的控制方法主要有采用C含量少的代用燃料；或采用电控技术改善燃烧，保证混合气的浓度和燃烧温度最佳等。
3．氮氧化合物（NOX）第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物特性：NOx也是一种燃烧生成物，是NO和NO2的总称其 中绝大部分是NO(约占95％)，在燃烧后期或排气过程中， 大部分NO氧化成NO2NOx对大气环境、植物生长乃至人类身体健康有极大 的危害NO在大气层中，与O2反应急速氧化成NO2，直 接破坏大气层此外，NO2是呈红褐色的有害气体，有强 烈的刺激味，对肺和心肌等都有很强的损害作用同时， NO2和HC一样也是形成光化学烟雾的主要元素之一3．氮氧化合物（NOX）第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物产生原因 ：NOx是在高温时时完全燃烧烧状态态下生成的，决定其产 生量的多少的是发动机燃烧时所能达到的最高温度和压 力的大小 控制方法: 1、降低混合气中氧的浓度;2、降低燃烧温度;3、缩短在高温燃烧带内的滞留时间;4、改善混合气的形成等4．微粒第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物特性：微粒(碳烟)是柴油机的主要有害排放物之一，由可溶 性有机成分(SOF)和不可溶成分组成柴油机排气中的微粒尺寸比较小，可长期悬浮在大气中，不仅降低大气的 可见度，而且易于被人吸人肺部，同时微粒中的SOF成分具有致癌物。
4．微粒第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物产生原因：碳烟是HC系列燃料的燃烧产物，所以其产生与HC 系列燃料的燃烧状态直接有关对预混合火焰，在燃料 过多的浓混合气下，混合气接近火焰带时受到火焰面的 高温热辐射而热分解成碳烟产生碳烟的另一个条件就 是温度场对预混合火焰，当温度在2100—2400K时碳烟 生成量最大，火焰温度进一步升高时，碳烟生成量反而 减少在扩散火焰区内，产生碳烟的主要原因是缺氧4．微粒第一节 内燃机的有害排放物及排放标准一、内燃机的有害排放物控制方法 : 控制碳烟的方法主要有两条基本途径：1、提高火焰温度，但这种方法与控制NOx排放量互相矛盾 ；2、控制火焰领域内的混合气浓度，避免过浓状态为此，对预混合火焰需要供给充分的氧气；而对扩散火焰，需要促进混合气的形成因此，控制碳烟最基本的 原理就是如何控制火焰领域内的混合气浓度第一节 内燃机的有害排放物及排放标准欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准欧洲标准是由欧洲 经济委员会（ECE）的排放法规和欧共体（EEC）的排放指 令共同加以实现的排放法规由ECE参与国自愿认可，排放 指令是EEC或EU参与国强制实施的。
汽车排放的欧洲法规（ 指令）标准1992年前巳实施若干阶段，欧洲从1992年起开始 实施欧Ⅰ（欧Ⅰ型式认证排放限值）、1996年起开始实施欧 Ⅱ（欧Ⅱ型式认证和生产一致性排放限值）、2000年起开始 实施欧Ⅲ（欧Ⅲ型式认证和生产一致性排放限值）、2005年 起开始实施欧Ⅳ（欧Ⅳ型式认证和生产一致性排放限值）， 2009年开始在欧洲实施欧V，至2014年实施欧Ⅵ标准二、排放标准第一节 内燃机的有害排放物及排放标准2004年7月1日起，所有新定型轻型车必须符合国二标准2005年12月30日，北京实施国三排放标准2006年12月1日 ，北京禁止在京销售未安装OBD（On-Board Diagnostic）的 新车2007年7月1日，全国范围内开始实施国三排放标准 2013年7月1日北京、上海、广州、深圳、南京、乌鲁木齐 、兰州等19个地区严格执行国四标准2014年元旦起全面实 施国四排放标准 2016年4月1日起，京津冀三地所有进口、销售和注册登记 的轻型汽油车、轻型柴油客车、重型柴油车(仅公交、环卫、 邮政用途)，须符合机动车排放国五标准2017年1月1日起， 全国机动车全面实施国五排放标准。
国六标准预计将从2020年开始全面实施二、排放标准第一节 内燃机的有害排放物及排放标准二、排放标准标准等级开始实施日期COHCNOxHC+NOxPM柴油 Euro 1†1992年7月2.72 (3.16)--0.97 (1.13)0.14 (0.18)Euro 21996年1月1.0--0.70.08Euro 32000年1月0.64-0.50.560.05Euro 42005年1月0.5-0.250.30.025Euro 52009年9月0.5-0.180.230.005Euro 6 2014年9月0.5-0.080.170.005汽油 Euro 1†1992年7月2.72 (3.16)--0.97 (1.13)-Euro 21996年1月2.2--0.5-Euro 32000年1月2.30.20.15--Euro 42005年1月1.00.10.08--Euro 5 2009年9月1.00.10.06-0.005**Euro 6 2014年9月1.00.10.06-0.005*** 在欧洲五号标准（Euro 5）以前，重于2500公斤的轿车被归类为轻型商用车辆（light commercial vehicle）N1 - I **仅适用于使用直喷发动机的车辆 †括号内的数字为生产一致性（conformity of production；COP）排放限值轿车的欧洲排放标准（类别M1*）18内容提纲第一节 内燃机的有害排放物及排放标准第二节 汽油机的排放控制装置第三节 柴油机的排放控制系统第四节 其他排放物的控制系统19第二节 汽油机的排放控制装置汽油机尾气排放控制方式主要有燃烧控制和 三元催化转化装置两种方法。
前者主要是通过排 气再循环来降低NOx的排放，同时通过氧化催化 装置或在排气中进行2次空气喷射以降低排气中的 CO和HC后者是因氧传感器和催化转化装置耐 久性的提高，以及空燃比电控技术的发展，使三 元催化转化装置得到了广泛应用201．氧化催化转化装置 第二节 汽油机的排放控制装置一、催化转化装置氧化转换器只将排气中的CO、HC氧化成CO2和H2O ，作为氧化催化剂，主要用Pt（钯）和Pd（铂）等贵金属 必须提供二次空气（向排气系统供给新鲜空气）作为氧 化剂212．三元催化转化装置第二节 汽油机的排放控制装置一、催化转化装置三元催化转换器可以同时 降低CO、HC和NOx的排放 它可以以排气中的CO和 HC作为还原剂，将NOx还原 成氮气（N2）和氧气（O2） ，而CO和HC则被氧化为 CO2和H2O当空燃比在理 论空燃比A/F=14.7 （a=1） 附近时，氧化-还原反应达到 平衡， CO、HC和NOx的排 放同时达到最低废气转化效率与a的关系222．三元催化转化装置第二节 汽油机的排放控制装置一、催化转化装置三元催化转换器使用原则（1）油品：催化转换器不能使用加铅汽油，会使催化剂失效； （2）排温：催化转换器仅在温度超过350C才起作用，因此，催化转换器都安装在温度较高的排气歧管后面附近； （3）混合气成分：混合气空燃比必须在14.7附近。
混合气过浓或气缸缺火，都会使转换器过热232．三元催化转化装置第二节 汽油机的排放控制装置一、催化转化装置三元催化转化装置的结构241．直接催化第二节 汽油机的排放控制装置二、降低低温HC排放装置将催化转化装置直接安装在排气管之后，加快催化剂 的升温速度对降低冷态下的HC很有效存在的问题：由于催化转化装置安装在离发动机排气管尽可能接近的位置，所以受高温的影响，促进催化剂的 热劣化，因此，需要提高催化装置的耐热性通过外部电力提前加热催化，电加热催化转化装置的主要缺点是耗电量大，耐久可靠性较差2．利用电加热催化转化装置253．二次燃烧装置第二节 汽油机的排放控制装置二、降低低温HC排放装置这是一种将燃料的一部分或过浓混合气送到催化转化装置之前，由燃烧器点火燃烧促进催化的装置这种方式 的主要缺点是结构复杂4．采用HC捕捉器HC捕捉器的特点是不需要外部能量也能将低温排出 的HC吸附主要采用沸石或活性炭作为吸附剂HC捕捉 器在低温时吸附的HC，在吸附剂温度上升时被释放出来，所以常与三元催化转化装置同时使用，一般设置在三元 催化转化装置之后26第二节 汽油机的排放控制装置三、稀薄NOx催化转化装置 稀薄燃烧技术的空燃比大于理论空燃比，所以三元催化转化装置不再适用。
因此，专门开发出了 稀薄混合气燃烧时的NOx催化转化装置类型：NOx直接还原型：是一种在稀薄混合气下以HC为 还原剂直接净化NOx的方式 NOx吸附还原型 ：是一种在稀薄燃烧时吸附NOx ，在浓或者理论空燃比时将吸附的NOx进行还原净 化的系统 27第二节 汽油机的排放控制装置27Ø废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR） 是指发动机废气的一部分再送回进气歧管，并与新 鲜的混合气混合后一起进入气缸参加燃烧 Ø由于废气中含有大量的CO2，而CO2不能燃烧却吸 收大量的热，使气缸中混合气的燃烧温度下降，从 而减少NOx的排放量 Ø目前，废气再循环（EGR）是减少NOx排放的主 要方法。