內(nèi)燃機原理內(nèi)燃機的排放與控制..課件

1、內(nèi)燃機的排放與控制1內(nèi)燃機排放與環(huán)境污染2內(nèi)燃機的排氣凈化技術1內(nèi)燃機排放與環(huán)境污染 內(nèi)燃機排放主要是指內(nèi)燃機燃料燃燒后的產(chǎn)物向大氣環(huán)境的擴散。完全燃燒產(chǎn)物的基本成分是：（1）二氧化碳（2）水蒸汽（3）剩余的氧氣（4）殘留的氮氣對人類無直接危害，是無害排放物。不完全燃燒產(chǎn)物和燃燒中間產(chǎn)物的基本成分是：1、CO2、HC3、NOx5、顆粒物6、醛類4、SO2對人類有直接或間接危害，是有害排放物。一、內(nèi)燃機排氣中有毒成分的危害1、CO2、HC3、NOx4、微粒5、臭氣6、硫的氧化物1、CO CO是無色、無味的易燃有毒氣體，也是空氣中最主要的污染物。 CO在氧氣不足的情況下產(chǎn)生，其濃度主要受到過量空氣

2、系數(shù)的影響。2、HC 城市中HC對人體健康無害，但能導致生成有害的光化學煙霧。（1）在燃燒過程中生成并隨排氣排出；（2）曲軸箱竄氣；（3）燃油蒸發(fā)。3、NOx NOx種類繁多，內(nèi)燃機排氣中最重要的是NO和NO2，兩者都具有毒性，對環(huán)境會造成危害，是值得重視的有害排放物。 NO2是一種褐色氣體，有特殊刺激性臭味，是構成內(nèi)燃機排氣臭味的物質(zhì)成分之一。 在燃燒高溫期，燃燒室空氣中的氧和氮化合形成。 NO和血紅素的結合比CO還要強烈，高濃度的NO能引起中樞神經(jīng)痙攣及癱瘓。4、微粒 微粒是指空氣中分散的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，其粒度在分子級，包括氣溶膠、煙、塵、霧和炭煙等。 炭煙是在高溫和缺氧的條件下生成的。

3、一般肉眼可分辨的微粒直徑在100m以上。 氣溶膠是懸浮于空氣中的固態(tài)微粒，其直徑一般小于1m； 煙是指小于1 m的固體微粒； 塵是指大于10 m的固體微粒迅速沉降而形成； 霧是液體微粒，其直徑可達100 m； 炭煙是指極細的可集成一串的微粒，粒徑0.110 m（2.5） 。5、臭氣構成排氣中臭氣的成分： 一是，O3、NO2； 二是，燃料的不完全燃燒產(chǎn)物，如甲醛、丙烯醛等。 刺激人的眼粘膜，產(chǎn)生不舒服感。6、硫的氧化物 主要是SO2，其數(shù)量由燃料的含硫量決定。 一般來說，柴油機比汽油機排氣中的SO2多。二、光化學煙霧 上述排氣中所含的有毒物質(zhì)都是內(nèi)燃機直接排出的污染物，稱為一次污染物。 當其中的

4、HC和NOx排入大氣后，在太陽光作用下經(jīng)光化學反應而生成的刺激性產(chǎn)物，成為二次污染物，即光化學煙霧。 光化學煙霧一般發(fā)生在逆溫層和低風速、空氣接近停滯狀態(tài)、陽光充足的氣象條件下。三、各種污染物危害比較 最新的研究結果證實，對人體健康的影響以空氣中細小顆粒物PM2.5污染最為嚴重，其次是SO2污染，NOx污染的影響相對較弱。四、大氣質(zhì)量和內(nèi)燃機排放標準 世界衛(wèi)生組織將大氣質(zhì)量劃分為四個等級，各國均以此為依據(jù)，按照本國的實際情況制定大氣質(zhì)量標準。 我國于1996年頒布了大氣環(huán)境質(zhì)量標準GB309596，規(guī)定環(huán)境空氣中主要污染物為：SO2、總懸浮微粒TSP、可吸入顆粒物IP、 NOx、 CO2、CO

5、、O3、鉛、苯并芘和氟化物。 大氣環(huán)境質(zhì)量 標準GB309596把大氣環(huán)境質(zhì)量標準分為三級： 一級標準指為保護自然生態(tài)和人群健康，在長期接觸情況下，不發(fā)生任何危害及影響的空氣質(zhì)量要求； 二級標準指為保護人群健康和城市、鄉(xiāng)村動植物在長期和短期接觸情況下，不發(fā)生傷害的空氣質(zhì)量要求； 三級標準指為保護人群不發(fā)生急、慢性中毒和城市一般動植物（敏感者除外）能正常生長的空氣質(zhì)量要求。目前，國際上主要有三種內(nèi)燃機排放標準：1、美國聯(lián)邦標準2、日本標準3、歐洲經(jīng)濟委員會標準8.2內(nèi)燃機的排氣凈化技術一、排氣凈化凈化的基本思路二、機內(nèi)凈化的主要途徑三、機后凈化的技術措施一、排氣凈化的基本思路（1）燃料燃燒狀況是

6、影響內(nèi)燃機排氣成分的決定性因素難點一：改善燃燒過程 CO、HC和顆粒物排放量減少； NOx排放量增加。（2）燃料燃燒狀況也是影響內(nèi)燃機性能的決定性因素難點二：降低燃燒溫度 NOx排放量降低 熱效率下降，燃油消耗率增加（3）柴油機和汽油機在排氣凈化的側重點上不同柴油機的排氣凈化主要針對NOx和顆粒物；汽油機的排氣凈化主要針對CO、HC和NOx。（4）凈化方式 機前處理對進入內(nèi)燃機缸內(nèi)的燃料或空氣作有利于減少有害排放物生成的預處理。 機后處理對內(nèi)燃機有害排放物在進入大氣前所作的處理，以進一步降低排氣中有害成分的含量。 機內(nèi)凈化從有害排放物的源頭著手，采取降低排氣有害成分的有效措施。二、機內(nèi)凈化的主

7、要途徑 內(nèi)燃機自身性能的改善對排放的控制十分重要。 機內(nèi)凈化涉及內(nèi)容較多，這里，只能介紹一些機內(nèi)凈化的要點，更全面的內(nèi)容可參閱有關文獻和書籍。1、汽油機 汽油機的排氣凈化主要針對CO、HC和NOx，其主要凈化途徑有：（1）改進燃燒系統(tǒng)（2）減小點火提前角（3）廢氣再循環(huán)（4）電控燃油噴射系統(tǒng)（1）改進燃燒系統(tǒng)1）燃燒室形狀 緊湊形燃燒室、快速燃燒加上優(yōu)化的EGR率和點火定時，使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、 排放性能之間獲得最佳折中。 采用多氣門技術和渦輪增壓技術，可以改善動力性和經(jīng)濟性，也可以降低CO2和污染物的比排放量。2）壓縮比3）火花塞位置 較高的壓縮比帶來與緊湊形燃燒室類似的優(yōu)點。 把火花

8、塞布置在氣缸中央，縮短火焰?zhèn)鞑ヂ窂?，加速燃燒過程，帶來與緊湊形燃燒室同樣的優(yōu)點。4）采用稀薄燃燒系統(tǒng) 必須采用分層燃燒技術和提高點火能量。 燃燒溫度降低，抑制了NOx的生成；燃燒較完全，減少了HC和CO的產(chǎn)生。（2）減小點火提前角點火推遲，HC、CO和NOx的排放量均可減少。注意：在怠速工況時，可有效減少排污，也有利于怠速的穩(wěn)定。正常工作時，不能有過多的推遲。（3）排氣再循環(huán) 排氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）就是將發(fā)動機排出的部分廢氣引入進氣管，與新鮮混合氣混合后進入氣缸，利用廢氣中所含有大量的化學惰性氣體（CO2、N2、H2O等）不參與燃燒卻能吸收熱量

9、的特點，稀釋混合氣的氧濃度并降低燃燒溫度，從而減少NOx的排放量。 1、排氣再循環(huán)系統(tǒng)的分類 （1）內(nèi)部廢氣再循環(huán)系統(tǒng)通過改變配氣正時實現(xiàn)，即在進排氣門同時開啟時，使一部分廢氣回流入氣缸內(nèi)。 （2）外部廢氣再循環(huán)系統(tǒng)利用專用管道將廢氣引入進氣歧管，使廢氣與新鮮充量在進入氣缸前充分混合。2、排氣再循環(huán)系統(tǒng)的控制策略 通常用排氣再循環(huán)率來衡量廢氣的引入量，即： 為了保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)性能良好的同時達到最佳的NOx凈化效果，必須對發(fā)動機不同工況下的排氣再循環(huán)量進行控制。 EGR系統(tǒng)要隨發(fā)動機工況、排放性能和經(jīng)濟性的要求、控制系統(tǒng)的精度和可靠性等來調(diào)節(jié)EGR率，使發(fā)動機性能獲得最佳折中，如：1）EGR率隨

10、汽油機負荷增加而增加，一般不超過20；2）在起動、怠速、暖機、小負荷和大負荷時，不進行EGR過程；3）采用電子控制EGR閥系統(tǒng)精確地控制EGR率。（4）電控燃油噴射系統(tǒng) 采用電子控制汽油噴射系統(tǒng)，可以精確控制汽油機在各種工況下的混合氣濃度，是減少車用汽油機排放的最有效措施，還可以改善經(jīng)濟性和動力性。2、柴油機 柴油機的排放控制，重點是NOx和微粒，其次是HC，難度較大： 一是，降低微粒和HC排放與改善燃燒過程完全一致，而NOx排放卻與之矛盾； 二是，排氣后處理技術還未達到實用階段，主要依靠機內(nèi)凈化技術來降低排放污染。柴油機的燃燒過程可分為： 預混合燃燒 NOx排放量 擴散燃燒 微粒排放量 柴油

11、機技術的發(fā)展趨勢是提高噴油壓力，降低進氣渦流強度，以減小進氣損失，配合多孔數(shù)、小孔徑噴油器來獲得良好的混合氣。（1）燃燒方式和燃燒室形狀如圖所示，現(xiàn)代車用增壓柴油機排放物的負荷特性：（2）噴油器 在噴油嘴設計時應適當減小或取消壓力室容積。（3）氣流組織和多氣門技術 多氣門技術擴大了進、排氣門的總流通截面積，噴油器垂直布置在氣缸軸線上，有利于燃油在燃燒室空間中均勻分布，改善了噴油器的冷卻情況和活塞熱應力。 如圖所示，是一臺6缸、10L、4氣門增壓重型車用柴油機實現(xiàn)低排放和高經(jīng)濟性的技術措施：（4）廢氣再循環(huán)柴油機也可以通過廢氣再循環(huán)來降低NOx排放：柴油機所用EGR系統(tǒng)與汽油機類似。柴油機允許并

12、需要較大的EGR率來降低NOx排放，如 直噴式柴油機的EGR率可以超過40； 非直噴式柴油機的EGR率可達20。注意：1）為了防止產(chǎn)生較多的微粒，一般在中、低負荷時用較大的EGR率；3）為了保證較多的新鮮空氣充量，當轉(zhuǎn)速提高時要降低EGR率；4）采用冷廢氣再循環(huán)，可以提高降低NOx排放的效果。2）為了保證性能，在全負荷時不進行EGR過程；（5）增壓 采用增壓可以提高柴油機的過量空氣系數(shù)和進氣溫度，因而CO、HC及炭煙的排放均可降低，但NOx有所增加。 增壓中冷技術，既能全面降低排污，又能提高性能指標。（6）改善噴油特性1）減小噴油提前角 降低NOx生成量的主要措施就是推遲噴油。 缺點是經(jīng)濟性下

13、降，全負荷時炭煙排放量增加；分隔式燃燒室，低負荷時不易著火，導致HC排放量增加。2）合理的噴油規(guī)律 為促使理想的燃燒過程，噴油應該“先緩后急”，即 為了實現(xiàn)“先緩后急”的噴油規(guī)律，以降低柴油機NOx排放和燃燒噪聲，可以采用雙彈簧噴油器:3）提高噴油壓力 高壓噴射使混合氣濃度分布更均勻，從而改善了炭煙排放和熱效率。但是，高壓噴射也會使NOx有所增加。4）電控燃油噴射系統(tǒng)電控燃油噴射系統(tǒng) 可進行噴射系統(tǒng)各參數(shù)的調(diào)節(jié)，選定最佳的噴射定時和噴油量； 可控制噴射特性，實現(xiàn)更為合理的噴油規(guī)律； 可優(yōu)化燃燒過程，使柴油機在動力性、經(jīng)濟性和排放性能上達到最佳的折中； 能實現(xiàn)高壓噴射等，表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)點。三

14、、機后凈化的技術措施 燃氣從缸內(nèi)排出后，機后處理可進一步減少排氣中的有害成分，其中包括：1、排氣熱反應器2、排氣催化反應器3、微粒過濾器4、防止汽油蒸發(fā)裝置1、排氣熱反應器 熱反應器裝在內(nèi)燃機排氣道的出口處，它可以進一步氧化排氣中的HC和CO，常與外源空氣噴射連用。2、排氣催化反應器 一般內(nèi)燃機起動后2min內(nèi)反應不會起作用，大致預熱45min后才起作用。1）氧化催化反應器 在歐洲的應用較為普遍，技術上比較成熟，主要用來消除微粒中可溶性物質(zhì)（SOF）及HC、CO，一般用貴金屬鉑、鈀作催化劑，浸漬在載體上。 應用氧化催化反應器后，HC、CO的氧化率可達到50左右，微粒物減少40左右。2）還原催化反應器 利用排氣中的CO、HC和H2等作為還原劑，使NOx完全還原。 催化劑有：金屬氧化物、貴金屬。 3）三效催化反應器 目前，常采用雙床催化反應器同時對HC、CO和NOx三種有害排放物進行處理： 需要提高空燃比的控制精度，使其盡可能地維持在理論空燃比為中心的非常狹窄的范圍內(nèi)。 為了獲得三元催化轉(zhuǎn)化器所要求的空燃比，必須借助氧傳感器送來的反饋信號，對空燃比進行反饋控制。3、微粒過濾器 工作原理：先用收集器過濾廢氣中的微粒物質(zhì)，然后，通過對收集的微粒的氧化來清潔捕集器。微粒過濾器的應用難點： 第一，過濾器的安裝使排氣背壓增大，