汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理9章1(王建昕)

1、18761876年世界上第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)誕生，至今已年世界上第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)誕生，至今已130130余年；余年；19431943年：美國(guó)洛杉磯市出現(xiàn)光化學(xué)煙霧（年：美國(guó)洛杉磯市出現(xiàn)光化學(xué)煙霧（photo-chemical smogphoto-chemical smog）19521952年：加州工大年：加州工大A.H.SmitA.H.Smit博士提出博士提出SmogSmog生成機(jī)理：生成機(jī)理：HC HC NO NO2 2 O O3 3 PAN PAN（過(guò)氧?；跛猁}）過(guò)氧?；跛猁}）19661966年：加州實(shí)施世界上第一個(gè)年：加州實(shí)施世界上第一個(gè)“汽車(chē)排放法規(guī)汽車(chē)排放法規(guī)” ” （7 7工況）工況）19

2、681968年：日本實(shí)施年：日本實(shí)施“大氣污染防止法大氣污染防止法” ” （怠速檢測(cè)（怠速檢測(cè)COCO）19701970年：歐洲開(kāi)始實(shí)施排放法規(guī)年：歐洲開(kāi)始實(shí)施排放法規(guī) （怠速檢測(cè)（怠速檢測(cè)COCO、HCHC）19841984年：中國(guó)實(shí)施排放法規(guī)年：中國(guó)實(shí)施排放法規(guī) （汽油車(chē)怠速（汽油車(chē)怠速CO、HC 、柴油車(chē)自由加速煙度）、柴油車(chē)自由加速煙度）19991999年：北京實(shí)施國(guó)年：北京實(shí)施國(guó)法規(guī)法規(guī)20002000年：全國(guó)實(shí)施歐年：全國(guó)實(shí)施歐法規(guī)（與歐洲相差法規(guī)（與歐洲相差8 8年）年）20082008年：北京實(shí)施國(guó)年：北京實(shí)施國(guó)法規(guī)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際接軌法規(guī)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際接軌20102010年年: :

3、 全國(guó)實(shí)施國(guó)全國(guó)實(shí)施國(guó)法規(guī)（汽油車(chē)）法規(guī)（汽油車(chē)）序言序言排氣污染及其防治的歷程排氣污染及其防治的歷程第9章 有害排放物的生成與控制第9章 有害排放物的生成與控制9.1 9.1 有害排放物的生成機(jī)理與影響因素有害排放物的生成機(jī)理與影響因素9.2 9.2 排放法規(guī)及測(cè)試方法排放法規(guī)及測(cè)試方法9.3 9.3 汽油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)汽油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)9.4 9.4 柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)9.5 9.5 汽油機(jī)排氣后處理技術(shù)汽油機(jī)排氣后處理技術(shù)9.6 9.6 柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)第9章 有害排放物的生成與控制9.1.1 9.1.1 有害排放物的種類(lèi)與危害有害排放物

4、的種類(lèi)與危害l法規(guī)限制成份：法規(guī)限制成份： CO、HC、NOx、顆粒物（針對(duì)汽油車(chē)和柴油車(chē)）l其他有害成份：其他有害成份： 硫化物硫化物SOxSOx、鉛化合物鉛化合物、醛類(lèi)、醛類(lèi)、苯類(lèi)、丁二烯、柴油機(jī)排氣臭味苯類(lèi)、丁二烯、柴油機(jī)排氣臭味等，也稱為等，也稱為非非常規(guī)排放物常規(guī)排放物。9.1 9.1 有害排放物的生成機(jī)理與影響因素有害排放物的生成機(jī)理與影響因素9.1.2 9.1.2 評(píng)定指標(biāo)和單位評(píng)定指標(biāo)和單位分類(lèi)分類(lèi)定義定義單位單位備注濃度排放量體積分?jǐn)?shù)質(zhì)量濃度10106 6、10109 9 、mg/mmg/m3 3儀表給值環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量排放量單位時(shí)間質(zhì)量排放量單位測(cè)試循環(huán)質(zhì)量排放量g/hg/hg

5、/g/測(cè)試循環(huán)測(cè)試循環(huán)循環(huán)工況測(cè)試比排放量單位功率單位時(shí)間排放量單位運(yùn)轉(zhuǎn)里程質(zhì)量排放量g/(kW.h)g/(kW.h)g/kmg/km發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試整車(chē)工況測(cè)試ppm9.1.3 9.1.3 有害排放物的生成機(jī)理有害排放物的生成機(jī)理1）Thermal NO2）Prompt NO 3）Fuel NONONO生成途徑生成途徑1、NOx = NO+NO2+N2O 燃燒中主要生成燃燒中主要生成NONO，少量，少量NONO2 21） Thermal NOExtended Zeldovich Reaction (19461973)( O2 2O )O N2 NO + N H75 Kcalmol1 (1)N O2

6、 NO + O H31.4 Kcalmol1 (2)N OH NO + H H40.8 Kcalmol1 (3)生成條件：生成條件：T1800KT1800K（1 1、3 3式均為強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)）式均為強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)）a a1.01.0，氧化氛圍，氧化氛圍已燃?xì)怏w區(qū)域（火焰前鋒面后）已燃?xì)怏w區(qū)域（火焰前鋒面后）控制反應(yīng)控制反應(yīng)2） Prompt NOFenimore. C P， 1971年（CnH2n CH、CH2 ）CH N2 HCN + N H3.3 Kcalmol1 (4)CH2 N2 HCN + NH 由由HCN CN NO 由由N經(jīng)式（經(jīng)式（2）、（）、（3） NO 由由NH N NO

7、生成條件：生成條件：相對(duì)低溫相對(duì)低溫a1.0 ，0.60.7時(shí)出現(xiàn)最大值，還原氣氛時(shí)出現(xiàn)最大值，還原氣氛燃燒中的氣體燃燒中的氣體 （火焰前鋒面上）（火焰前鋒面上）3）Fuel NO燃料中的氮化合物燃料中的氮化合物HCN、CN、NH2、NHNO生成條件：生成條件：低溫，小于低溫，小于1800K，700900K時(shí)有很高生成速率；時(shí)有很高生成速率；a影響不明顯，影響不明顯，a1.0時(shí)，時(shí)，NO生成速率幾乎不變；生成速率幾乎不變；隨燃料含氮量的增加，隨燃料含氮量的增加，NO幾乎直線上升。幾乎直線上升。影響NOx生成的三要素溫度溫度 T，則則NO平衡濃度平衡濃度 ，NO生成速率生成速率，則則NO （其中

8、，生成速率影響最大）其中，生成速率影響最大）氧濃度氧濃度 溫度一定時(shí)，氧濃度溫度一定時(shí)，氧濃度，則則NO 反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間 如圖所示（甲烷如圖所示（甲烷CH4火焰），火焰）， 相對(duì)相對(duì)CO、H2O等，等，NO 反應(yīng)較慢反應(yīng)較慢，因此在實(shí)際，因此在實(shí)際 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒結(jié)束時(shí)尚達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒結(jié)束時(shí)尚達(dá) 不到平衡濃度不到平衡濃度反應(yīng)時(shí)間（反應(yīng)時(shí)間（S）p熱熱NO NO 是內(nèi)燃機(jī)燃燒中的是內(nèi)燃機(jī)燃燒中的NOxNOx主要來(lái)源主要來(lái)源汽油機(jī)中汽油機(jī)中NONO生成過(guò)程例：生成過(guò)程例：A A點(diǎn)點(diǎn)：較早燃燒達(dá)高溫：較早燃燒達(dá)高溫（圖（圖b b，XbXb=0=0）； 受絕熱壓縮，溫度進(jìn)一步提高；受絕熱壓縮，溫度進(jìn)一步提

9、高； 高溫及長(zhǎng)時(shí)間高溫及長(zhǎng)時(shí)間 NO。B B點(diǎn)點(diǎn)： 相反相反（圖（圖b b，XbXb=1=1）凍結(jié)：凍結(jié)：導(dǎo)致在化學(xué)平衡濃度和實(shí)際濃度之導(dǎo)致在化學(xué)平衡濃度和實(shí)際濃度之間出現(xiàn)差別（圖間出現(xiàn)差別（圖c c），），保持較高濃度排出。保持較高濃度排出。AB火花塞火花塞曲柄轉(zhuǎn)角（曲柄轉(zhuǎn)角（CACA）平衡濃度平衡濃度實(shí)際濃度實(shí)際濃度2、CO不完全燃燒產(chǎn)物，主要受混合氣濃度影響不完全燃燒產(chǎn)物，主要受混合氣濃度影響不完全燃燒不完全燃燒 a a 1 1 1 時(shí)：局部缺氧時(shí)：局部缺氧熱離解熱離解 CO2 CO 排氣中生成排氣中生成 HC在排氣中進(jìn)一步氧化時(shí)生成在排氣中進(jìn)一步氧化時(shí)生成CO3、未燃未燃HC （THC

10、）（1）HC在汽油機(jī)中的生成機(jī)理在汽油機(jī)中的生成機(jī)理p 不完全燃燒不完全燃燒 a1，混合不均、減速、失火、循混合不均、減速、失火、循環(huán)波動(dòng)環(huán)波動(dòng)p 壁面淬熄效應(yīng)壁面淬熄效應(yīng) 低溫、弱流動(dòng)和弱湍流導(dǎo)致低溫、弱流動(dòng)和弱湍流導(dǎo)致淬熄層淬熄層（Quenching layer）窄縫處面容比大，火焰無(wú)法傳入，窄縫處面容比大，火焰無(wú)法傳入，也稱也稱縫隙效應(yīng)縫隙效應(yīng) p 油膜和積碳吸附油膜和積碳吸附 混合氣形成過(guò)程中，吸附混合氣形成過(guò)程中，吸附HC;燃燒過(guò)程中，燃燒過(guò)程中，“躲過(guò)躲過(guò)”火焰火焰;排氣過(guò)程中，脫附釋放，形成排放排氣過(guò)程中，脫附釋放，形成排放GapsDepositsOil filmQuenchin

11、gat Wall 汽油機(jī)排氣過(guò)程中HC排放變化第一第一HC峰值：峰值： 來(lái)源于排氣門(mén)周來(lái)源于排氣門(mén)周?chē)阆▽訃阆▽拥诙诙﨟C峰值：峰值： 來(lái)源于壁面及環(huán)來(lái)源于壁面及環(huán)岸部淬熄層岸部淬熄層 混合不均勻混合不均勻 過(guò)濃或過(guò)稀過(guò)濃或過(guò)?。?）HC在柴油機(jī)中的生成機(jī)理在柴油機(jī)中的生成機(jī)理油束核心區(qū)油束核心區(qū)著火區(qū)著火區(qū)混合過(guò)稀區(qū)混合過(guò)稀區(qū)稀限稀限濃限濃限HC在柴油機(jī)中的生成機(jī)理在柴油機(jī)中的生成機(jī)理 噴油器壓力室容積噴油器壓力室容積燃油滯留于壓力室燃油滯留于壓力室 受熱膨脹或汽化后低速受熱膨脹或汽化后低速進(jìn)入燃燒室進(jìn)入燃燒室 難以混難以混合燃燒合燃燒 二次噴油或后滴二次噴油或后滴4、微粒及碳煙微粒及

12、碳煙PM Particulate Matter, Soot(Smoke) 微粒的成分微粒的成分近年來(lái)提出：近年來(lái)提出： PM10、PM2.5、汽汽油機(jī)油機(jī)PMPM粒度越來(lái)越小，目前可認(rèn)為絕大粒度越來(lái)越小，目前可認(rèn)為絕大部分在部分在0.11m范圍（右圖）范圍（右圖）成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)干碳煙（DS）可溶性有機(jī)成分（SOF）硫酸鹽(Sulfate)4050354551001020304050607080901001.20.830.28質(zhì)量百分比 /%質(zhì)量百分比 /%Pme /MPaE20 2.5um某歐某歐2柴油機(jī)柴油機(jī)PM粒度分粒度分布布PM高度顯微圖例高度顯微圖例思考題思考題1. NOx生成的三個(gè)途徑

13、：生成的三個(gè)途徑：( ) 、( ) ( )。2. 熱熱NO生成的三個(gè)影響因素：生成的三個(gè)影響因素：( )、( )、（、（ ）。）。3. PM的三種組分為的三種組分為 ( )、（、（ ）、（）、（ )。4. 汽油機(jī)汽油機(jī)THC生成的原因有：生成的原因有： ( )、( ) ( )5. 不同類(lèi)型汽車(chē)的排放測(cè)試方法不同，轎車(chē)采用（不同類(lèi)型汽車(chē)的排放測(cè)試方法不同，轎車(chē)采用（ ），），10噸以上載重車(chē)采用（噸以上載重車(chē)采用（ ），城市公交車(chē)采用），城市公交車(chē)采用（ ）方法。）方法。ThermalPromptFuel 溫度溫度空然比空然比時(shí)間時(shí)間DS SOFSulfate過(guò)稀和過(guò)濃過(guò)稀和過(guò)濃淬息效應(yīng)淬息效應(yīng)

14、油膜和積碳吸附效應(yīng)油膜和積碳吸附效應(yīng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)鼓？臺(tái)架臺(tái)架PM （ Soot）的生成過(guò)程的生成過(guò)程SootSoot源于烴類(lèi)燃料在高溫缺氧下的裂解，詳細(xì)機(jī)理尚不明確。源于烴類(lèi)燃料在高溫缺氧下的裂解，詳細(xì)機(jī)理尚不明確。碳粒氧化碳粒氧化（燃燒后期）（燃燒后期）PM生成生成（膨脹和排氣）（膨脹和排氣）碳粒生成碳粒生成（燃燒前期）（燃燒前期）l大的燃油顆粒汽化剩下的重質(zhì)烴，高溫脫氫碳化大的燃油顆粒汽化剩下的重質(zhì)烴，高溫脫氫碳化焦炭焦炭狀大顆粒碳粒（狀大顆粒碳粒（PM10）l氣相烴裂解、脫氫氣相烴裂解、脫氫乙烯（乙烯（CH2CH2）乙炔（乙炔（CH-CH）聚乙炔聚乙炔原子級(jí)碳粒原子級(jí)碳粒聚合生成碳核（約聚合生

15、成碳核（約2nm ）l遇充分的氧化氛遇充分的氧化氛圍，碳粒部分氧化圍，碳粒部分氧化l小碳粒碰撞、聚合小碳粒碰撞、聚合較大碳粒（不規(guī)則形狀、多較大碳粒（不規(guī)則形狀、多孔聚合物孔聚合物），吸附，吸附HC和硫酸鹽和硫酸鹽 PM柴油機(jī)柴油機(jī)PM排放的粒徑分布排放的粒徑分布p按粒徑大小可分為四個(gè)區(qū)域：按粒徑大小可分為四個(gè)區(qū)域：納米微粒（納米微粒（Nanoparticles），），超細(xì)微粒（超細(xì)微粒（Ultrafine Particles），），細(xì)微粒（細(xì)微粒（Fine Particles），），PM2.5其余，其余，PM10微粒。微粒。p按形態(tài)不同可分為三類(lèi)：按形態(tài)不同可分為三類(lèi)：核態(tài)（核態(tài)（Nucle

16、i Mode），），凝聚態(tài)（凝聚態(tài)（Accumulation Mode）粗糙態(tài)（粗糙態(tài)（Coarse Mode）。）。p從分布特征上來(lái)看，呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，從分布特征上來(lái)看，呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，分別對(duì)應(yīng)核態(tài)及凝聚態(tài)，說(shuō)明分別對(duì)應(yīng)核態(tài)及凝聚態(tài)，說(shuō)明:質(zhì)量排放的主體在凝聚態(tài)微粒質(zhì)量排放的主體在凝聚態(tài)微粒而數(shù)量排放的主體在核態(tài)微粒而數(shù)量排放的主體在核態(tài)微粒8.1.4 有害排放物生成的影響因素（1）汽油機(jī)1 1、a a的影響的影響 CO： a ，CO（單調(diào)）；（單調(diào)）； a1，逐漸達(dá)最低值逐漸達(dá)最低值 HC： a ，HC ； a 過(guò)大，過(guò)大，HC回升（過(guò)?。┗厣ㄟ^(guò)稀） NO： a1.1后，氧化氣氛，但溫度下降

17、，后，氧化氣氛，但溫度下降，NO a1.1左右，高溫富氧同時(shí)具備，左右，高溫富氧同時(shí)具備，NO達(dá)峰值。達(dá)峰值。（2 2）柴油機(jī)）柴油機(jī)lNONO：與汽油機(jī)相似，與汽油機(jī)相似，但注意區(qū)間但注意區(qū)間l碳煙：與汽油機(jī)碳煙：與汽油機(jī)COCO相相似，但向稀區(qū)平移似，但向稀區(qū)平移lCOCO：與汽油機(jī)與汽油機(jī)COCO相似相似，過(guò)稀時(shí)回升，過(guò)稀時(shí)回升lHCHC：a a2 2后，過(guò)稀后，過(guò)稀和低溫使和低溫使HC HC 隨混合趨于均勻，柴油機(jī)隨混合趨于均勻，柴油機(jī)NOx趨于汽油趨于汽油機(jī)的規(guī)律機(jī)的規(guī)律均質(zhì)預(yù)混程度均質(zhì)預(yù)混程度a a的影響的影響2 2、發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型的影響、發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型的影響n汽油機(jī)Vs柴油機(jī)： CO：汽汽柴（柴（10：1） HC：汽汽柴（柴（5：1） NO：汽汽柴（柴（2：1） PM：汽汽柴（柴（1：10100）n直噴式柴油機(jī)直噴式柴油機(jī)Vs非直噴柴油機(jī)非直噴柴油機(jī)3 3、使用工況影響、使用工況影響排氣成分排氣成分怠速怠速加速加速定速定速減