排氣污染與控制汽車發(fā)動機原理.ppt

1、汽車發(fā)動機原理,同學們好,汽車發(fā)動機原理,第八章,排氣污染與控制,第八章 排氣污染與控制 概述,8.1 概述,1汽車發(fā)動機的排氣污染 汽車發(fā)動機的排氣是城市大氣污染的主要原因，因此，控制發(fā)動機排放污染物是當前的主要研究發(fā)展方向之一。 汽車發(fā)動機排放的有害物質種類主要是CO、HC、NOX 和微粒(PM)，絕大多數(shù)污染物出現(xiàn)在廢氣中，少量 HC 來自于曲軸箱和燃料系統(tǒng)泄露的燃料及潤滑油蒸發(fā)物，包括氣缸竄入曲軸箱的燃氣。 發(fā)動機排放污染物的危害有二個方面： （1）危及人體健康； （2）破壞環(huán)境。 除了發(fā)動機排放污染物質造成對大氣的直接污染，汽車有害排放物還可能通過與環(huán)境物質或有害物質之間的化學反應，

2、形成二次污染。,第八章 排氣污染與控制,8.1 概述,2、汽車排放污染的危害 已經確定的典型的環(huán)境效應是： （1）酸雨，汽車排放污染物中酸性物質溶解于水后形成； （2）光化學煙霧，汽車有害排放物中 HC 與NOX 在強陽光作用下，相互反應生成的有毒煙霧，主要成分是臭氧和PAN（過氧?；跛猁}）； （3）臭氧層空洞，鹵族元素在強陽光照射時，消耗臭氧，導致臭氧層破壞； （4）溫室效應，汽車排放使大氣中CO2濃度增加，氣溫上升。 汽車有害排放物對人體和生物的危害有： CO： 血液輸氧能力降低、神經中樞受損，嚴重時危及生命。 HC： 刺激鼻、眼和呼吸道粘膜，引發(fā)呼吸道疾病。 NOX ： 刺激人眼粘膜，

3、對神經中樞有抑制作用，使呼吸系統(tǒng)失調，引發(fā)疾病。 微粒： 微粒是氣固態(tài)的物質顆粒，因表面吸附多種有毒、致病、致癌或致命物質而具有危害。 光化學煙霧： 對人體呼吸系統(tǒng)以及粘膜有強烈刺激，引發(fā)肺水腫疾病。此外，對植物生長有抑制作用。,第八章 排氣污染與控制,8.1 概述,3、汽車排放控制技術標準 經過幾十年的努力，汽車發(fā)動機排放的污染物質數(shù)量已經大大減少。除CO2 以外，現(xiàn)在 100 輛汽車排放的污染物數(shù)量才相當于1950年一輛汽車的排放量。 控制汽車排放的努力，集中體現(xiàn)在由各國政府制定并強制實施的汽車排放控制技術標準。這是因為環(huán)境污染影響到整個地球和人類社會，并涉及各方面的經濟利益。為突出汽車排

4、放控制技術標準的強制性，它們也被稱為排放法規(guī)。 汽車排放法規(guī)的主要內容是： （1）限值：有害排放物的限制數(shù)量或濃度； （2）試驗規(guī)范： 檢測汽車或發(fā)動機有害排放物時的試驗條件、要求和程序（流程）； （3）采樣方法：檢測試驗時，采集樣品的原理、方法和要求； （4）檢測儀器：統(tǒng)一規(guī)定測試儀器的工作原理。 但是，由于汽車保有量的持續(xù)增加，汽車排放污染物的總量仍不斷上升，環(huán)境保護的形勢非常嚴峻，特別是CO2 的排放。,第八章 排氣污染與控制,8.1 概述,4、發(fā)動機排放污染物的計量單位和指標 汽車發(fā)動機的有害排放物實際是微量的。由于有害排放物既有氣態(tài)的，也有液、固態(tài)的，因此，有害排放物的計量單位為：

5、（1）微量濃度單位C（V/V或M/V ）： %，10-6 （百萬分之幾）， g/m3， mg/m3等，適合于氣態(tài)有害物。 （2）微量質量單位G（M/T等）： g/h，g/次，g/km，mg/h，mg/次，mg/km等，適合于液、固態(tài)有害物，有時也用于氣態(tài)有害物。 發(fā)動機排放指標有： （1）排放濃度，表示某種有害排放物在廢氣中所占容積或質量的比例。 （2）排放質量，表示汽車或發(fā)動機在單位時間、單次試驗或單位里程里排放的某種有害排放物質量。 （3）比排放量，表示發(fā)動機單位功率小時的某種有害排放物 的質量，用于不同發(fā)動機之間的比較。,第八章 排氣污染與控制 有害排放物生成機理,8.2 有害排放物生成

6、機理,1NOX 生成機理 NOX 排放的生成機理目前尚無統(tǒng)一認識，比較認可的是用捷爾杜維奇鏈反應解釋 NO 生成，并用其代表 NOX的生成機理。,這個反應機理表示NOX 生成反應是不分支的鏈反應，而且是吸熱反應。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,生成要素 根據(jù)化學反應平衡原理、NOX 的生成機理、平衡濃度的模擬計算和發(fā)動機臺架試驗的結果，提示NOX生成的主要要素是： （1）反應溫度 （2）氧氣濃度 （3）反應時間 汽油機燃燒溫度比柴油機高，因此，反應溫度是影響汽油機NOX 排放的主要因素；氧氣濃度通過空燃比對汽油機 NOX 排放產生影響，在一定的空燃比范圍中，汽油機有較高的

7、NOX排放；汽油機的轉速較高，反應時間對汽油機的NOX排放影響較小。 柴油機燃燒的特點時空氣充足，燃燒溫度比較低，因此，氧氣濃度是影響柴油機NOX 排放的主要因素；氧氣濃度通過空燃比對柴油機NOX排放發(fā)生影響，在一定的空燃比范圍中，柴油機有較高的NOX排放；柴油機的轉速雖然比汽油機低，但燃燒時間仍然較短，故反應時間對柴油機的NOX排放影響較小。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,2、CO 生成機理 （1）缺氧與局部缺氧燃燒 根據(jù)化學計量學原理，當空氣過量，氧氣充足，稀混合氣燃燒時，燃料應該能完全燃燒，不會產生 CO；空氣不足，缺氧或局部缺氧，即濃混合氣燃燒時，會產生較多的 C

8、O 。 即空氣充足,空氣不足,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,（3）水煤氣反應 水煤氣反應也是燃燒產物中有一定數(shù)量 CO 的原因之一。水蒸氣也可高溫離解,（2）CO2的高溫離解 1 時，燃燒產物中有一定數(shù)量 CO 的原因之一是存在 CO2 的高溫離解,離解后的 H2 和 O2 參與其它反應，主要是水煤氣反應,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,（4）燃燒過程不完善 實際燃燒過程是一個非常復雜的鏈式反應。燃燒過程中產生大量中間產物，包括 CO 。鏈式反應中斷、不正常燃燒（如表面點火、爆震以及后燃過于嚴重），即燃燒過程不完善，都形成 CO 排放。 有很多原因可以

9、導致燃燒過程不完善。如局部斷火、缺火、活性粒子碰撞壁面而失去活性、混合氣過濃或過稀、廢氣稀釋過度、各種點火故障等等。這些原因都會造成燃燒過程不完善。 汽油機燃燒時，混合氣濃度變化較大，既有缺氧的濃混合氣，也有氧氣充足的稀混合氣。電控汽油噴射式發(fā)動機基本是濃混合氣。因此，汽油機CO 排放的主要因素是缺氧和燃燒不完善。 柴油機燃燒時空氣充足，但混合氣濃度不均勻。因此，局部缺氧和燃燒不完善是柴油機CO 排放的主要因素。 CO2的高溫離解和水煤氣反應盡管也是CO排放的原因，但在發(fā)動機燃燒過程中發(fā)生的幾率很小，可以忽略。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,3、HC 生成機理 （1）缸壁

10、激冷效應 燃燒室壁面附近區(qū)域的混合氣不能燃燒現(xiàn)象稱為缸壁激冷效應。 （2）燃燒室縫隙效應 發(fā)動機燃燒室縫隙中混合氣不能燃燒的現(xiàn)象稱為縫隙效應。 （3）燃燒過程不完善 發(fā)動機排放的 HC 主要是燃燒過程中間產物。燃燒過程不完善，形成 HC 排放。 （4）掃氣和漏氣 少量混合氣在氣門重疊時，直接從進氣門流向排氣門（掃氣）。氣門關閉不嚴（漏氣），也可導致 HC 排放。 （5）潤滑系統(tǒng)與燃料系統(tǒng)的蒸發(fā) 部分 HC 排放來自燃料系統(tǒng)和曲軸箱的氣體泄露。燃料系統(tǒng)的泄露完全是燃油蒸汽，曲軸箱泄露的氣體包括氣缸竄氣和潤滑油蒸汽。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,HC 是燃燒過程中間產物，是

11、可燃燒氣體。隨著燃燒的進行會逐漸減少，并且在排氣過程和排氣管內會進一步氧化。 僅就燃燒來說，汽油機氣缸內是混合氣。因此，燃燒過程不完善、壁面激冷效應和縫隙效應是汽油機 HC 排放的主要原因，掃氣漏氣則是次要原因；柴油機氣缸中，壁面區(qū)域和縫隙中幾乎全部是空氣，換氣時出現(xiàn)掃氣也完全是空氣，燃燒時混合氣濃度不均勻，存在混合氣極其稀薄的區(qū)域，因此，柴油機的 HC 排放主要原因是燃燒過程不完善。 二沖程汽油機換氣過程包括依靠新鮮混合氣頂出缸內的廢氣（掃氣過程），實現(xiàn)換氣，使得相當數(shù)量的新鮮混合氣進入排氣口。因此，掃氣是其 HC 排放的最主要原因。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,4、

12、微粒 與汽油機相比，柴油機的微粒排放比較突出。 柴油機微粒排放的類型 （1）白煙 白煙在起動及暖機過程前期，發(fā)動機溫度在 250 時出現(xiàn)，主要成分為燃油顆粒，微粒直徑較小。 在起動及暖機過程前期，發(fā)動機溫度低，壓縮壓力相對降低，噴油量小，噴油壓力下降，油束霧化不好，同時，燃燒條件差，存在局部混合氣過濃或油束心部、后部在擴散燃燒時未能充分燃燒現(xiàn)象。未能燃燒燃料在排氣過程受已燃氣體的加熱變成燃油蒸汽，形成白煙。 （2）藍煙 藍煙在暖機過程后期，溫度為250 至著火溫度出現(xiàn)，主要成分為潤滑油顆粒，微粒直徑略大。 在暖機過程后期，發(fā)動機溫度逐漸升高，燃燒室壁面溫度提高，使壁面潤滑油蒸發(fā)，但氣缸供油量少

13、，燃燒熱量小，燃燒溫度低，不能使?jié)櫥驼羝紵?，因而形成藍煙排出。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,（3）黑煙（碳煙） 黑煙在急加速過程或大負荷時出現(xiàn)，主要成分為碳顆粒，微粒直徑較大，直徑范圍寬。 柴油機的微粒排放主要是碳煙。 碳煙生成機理 碳煙是燃燒過程的中間產物。燃燒過程中包括分子裂解、分解以及聚合等反應，在局部缺氧燃燒時，就出現(xiàn)碳煙。碳煙生成有兩條路線：高溫下裂解、復聚和環(huán)構；較低溫度下聚合、環(huán)構和脫氫。 （1）高溫路線,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機理,（2）低溫路線,柴油機碳煙生成主要按高溫路線，即高溫并缺氧燃燒是碳煙生成的主要原因。 隨著燃燒過

14、程進行，碳煙也會氧化燃燒。發(fā)動機碳煙排放數(shù)量取決于碳煙生成和氧化矛盾作用的結果。在燃燒過程中，碳煙生成幾乎不可避免。因此，重要的是加強氧化燃燒，才能減少碳煙排放數(shù)量。,第八章 排氣污染與控制 有害排放物生成的影響因素,8.3 有害排放物生成的影響因素,8.3.1 汽油機有害排放物生成的影響因素 內因 （1）燃料品質 燃料品質影響燃燒過程，從而直接影響有害排放物生成；燃料成分影響空燃比的計算和控制，間接影響有害排放物生成。 （2）混合氣濃度（空燃比或過量空氣系數(shù)） CO 和 HC 排放濃度隨空燃比提高而迅速減小，空燃比超過某一數(shù)值后， CO 和 HC 濃度反而增加?？杖急?A / F 16 即

15、1.08 時， CO 排放濃度最低； A / F 超過 20 時， CO 排放濃度因燃燒速度過慢且不穩(wěn)定而增加。當 A / F = 17 即 1.15 時， HC 排放濃度最低?？杖急冗^大 A / F 17 時，HC 排放濃度因燃燒不穩(wěn)定迅速增加。,第八章 排氣污染與控制,8.3 有害排放物生成的影響因素,NOX 生成濃度隨空燃比增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在空燃比 A / F 為15 16 之間取得最大值。 當混合氣濃度較大， A / F 較小時，NOX 生成濃度隨空燃比加大而增加。這種混合氣燃燒溫度高，氧氣濃度低，隨著空燃比增加，氧氣濃度提高， NOX生成濃度上升。 空燃比繼續(xù)加大，NOX

16、 生成濃度也上升。到 A / F 15 16 時，NOX 生成濃度達到極大值。此時，空燃比對氧氣濃度和燃燒溫度兩方面影響的綜合效果，最有利于NOX生成。 空燃比增加到混合氣成為稀薄混合氣，NOX生成濃度迅速下降。因為這種混合氣燃燒溫度急劇下降。 上述討論可知，稀薄燃燒有利于改善汽油機的排放。,8.3.1 汽油機有害排放物生成的影響因素 內因 （2）混合氣濃度（空燃比或過量空氣系數(shù)）,第八章 排氣污染與控制,8.3 有害排放物生成的影響因素,（3）EGR 將少部分廢氣送入氣缸，參與下一循環(huán)燃燒，有利于抑制NOX生成，但廢氣再循環(huán)的廢氣量不能過大。否則，會使燃燒惡化。 外因 （4）點火提前角 對應

17、每一個工況，存在一個 最佳點火提前角，此時，汽油機動力性和經濟性最好。推遲點火，HC和NOX 排放減少，但CO排放增加。 （5）壓縮比 發(fā)動機壓縮比大， NOX 排放多，其他有害排放物少。 （6）工況 發(fā)動機怠速運轉時， HC 和 CO 排放濃度較高，中等轉速時HC 和 CO 排放最低。適當提高怠速有利于降低HC 和 CO 排放，但怠速過高會引起油耗增加。,8.3.1 汽油機有害排放物生成的影響因素 內因,第八章 排氣污染與控制,8.3 有害排放物生成的影響因素,8.3.2 柴油機有害排放物生成的影響因素 內因 （1）燃料品質 燃料品質影響燃燒過程，從而直接影響有害排放物生成；燃料成分影響空燃

18、比的計算和控制，間接影響有害排放物生成。 （2）混合氣濃度（空燃比或過量空氣系數(shù)） 柴油機CO 和 HC 排放濃度比汽油機低得多。CO 和 HC 排放濃度隨燃空比提高而增加。中小負荷時， CO 和 HC 排放濃度最低。大負荷時，燃空比較大， CO 排放濃度急劇增加，HC 排放增加不多。 柴油機 NOX 生成濃度與汽油機相當。 NOX 生成濃度也隨燃空比增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢， NOX 濃度最大值出現(xiàn)在接近全負荷工況。 柴油機碳煙生成比汽油機嚴重。燃空比增加到一定數(shù)值，碳煙排放迅速提高。 （3）EGR 將少部分廢氣送入氣缸，參與下一循環(huán)燃燒，有利于抑制NOX 生成，但廢氣再循環(huán)的廢氣量不能過

19、大。否則，會使燃燒惡化。,第八章 排氣污染與控制,8.3 有害排放物生成的影響因素,8.3.2 柴油機有害排放物生成的影響因素,外因 （4）噴油提前角 對應每一個工況，存在一個 最佳噴油提前角，此時，柴油機動力性和經濟性最好。若推遲噴油，NOX 排放減少，但碳煙排放增加。 （5）壓縮比 發(fā)動機壓縮比大， NOX 排放多，其他有害排放物少。 （6）工況 發(fā)動機怠速運轉時， HC 排放濃度較高；大負荷時NOX 排放較多；全負荷時碳煙排放高。 （7）燃燒室 直噴式燃燒室的有害排放物比分隔式燃燒室多。,第八章 排氣污染與控制,8.3 有害排放物生成的影響因素,8.3.2 柴油機有害排放物生成的影響因素

20、,柴油機燃燒與有害物生成 HC 中小負荷時在稀燃火焰熄滅區(qū)生成，因為過稀不能燃燒；大負荷時在油束心部生成，因為燃燒不完全。 CO 中小負荷時在稀燃火焰熄滅區(qū)生成，因為過稀不能燃燒；大負荷時在油束心部生成，因為局部缺氧。 NOX 大負荷時在稀燃火焰區(qū)生成，因為這里溫度高，氧氣多。 碳煙 全負荷時在油束心部生成，因為這里溫度高并缺氧。,第八章 排氣污染與控制 有害排放物的控制,8.4 有害排放物的控制,8.4.1 概述 針對內因采取的控制措施，前處理凈化； 針對外因采取的控制措施，機內凈化； 補救措施，后處理凈化，包括 排氣后處理； 非排氣的污染物控制。 8.4.2 前處理凈化 1、 提高燃油品質：環(huán)保汽油和環(huán)保柴油（配方燃油）；開發(fā)新型燃油添加劑。 2、 采用EGR,第八章 排氣污染與控制,8.4 有害排放