排氣污染與控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理.ppt

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理,同學(xué)們好,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣污染 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣是城市大氣污染的主要原因，因此，控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物是當(dāng)前的主要研究發(fā)展方向之一。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放的有害物質(zhì)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(lái)自于曲軸箱和燃料系統(tǒng)泄露的燃料及潤(rùn)滑油蒸發(fā)物，包括氣缸竄入曲軸箱的燃?xì)狻?發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的危害有二個(gè)方面： （1）危及人體健康； （2）破壞環(huán)境。 除了發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物質(zhì)造成對(duì)大氣的直接污染，汽車有害排放物還可能通過(guò)與環(huán)境物質(zhì)或有害物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，

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(jīng)確定的典型的環(huán)境效應(yīng)是： （1）酸雨，汽車排放污染物中酸性物質(zhì)溶解于水后形成； （2）光化學(xué)煙霧，汽車有害排放物中 HC 與NOX 在強(qiáng)陽(yáng)光作用下，相互反應(yīng)生成的有毒煙霧，主要成分是臭氧和PAN（過(guò)氧?；跛猁}）； （3）臭氧層空洞，鹵族元素在強(qiáng)陽(yáng)光照射時(shí)，消耗臭氧，導(dǎo)致臭氧層破壞； （4）溫室效應(yīng)，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(duì)人體和生物的危害有： CO： 血液輸氧能力降低、神經(jīng)中樞受損，嚴(yán)重時(shí)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(duì)神經(jīng)中樞有抑制作用，使呼吸系統(tǒng)失調(diào)，引發(fā)疾病。 微粒： 微粒是氣固態(tài)的物質(zhì)顆粒，因表面吸附多種有毒、致病、致癌或致命物質(zhì)而具有危害。 光化學(xué)煙霧： 對(duì)人體呼吸系統(tǒng)以及粘膜有強(qiáng)烈刺激，引發(fā)肺水腫疾病。此外，對(duì)植物生長(zhǎng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn) 經(jīng)過(guò)幾十年的努力，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放的污染物質(zhì)數(shù)量已經(jīng)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(dāng)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(guó)政府制定并強(qiáng)制實(shí)施的汽車排放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)榄h(huán)境污染影響到整個(gè)地球和人類社會(huì)，并涉及各方面的經(jīng)濟(jì)利益。為突出汽車排

4、放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制性，它們也被稱為排放法規(guī)。 汽車排放法規(guī)的主要內(nèi)容是： （1）限值：有害排放物的限制數(shù)量或濃度； （2）試驗(yàn)規(guī)范： 檢測(cè)汽車或發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物時(shí)的試驗(yàn)條件、要求和程序（流程）； （3）采樣方法：檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，采集樣品的原理、方法和要求； （4）檢測(cè)儀器：統(tǒng)一規(guī)定測(cè)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(hù)的形勢(shì)非常嚴(yán)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(dòng)機(jī)排放污染物的計(jì)量單位和指標(biāo) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物實(shí)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(jì)量單位為：

5、（1）微量濃度單位C（V/V或M/V ）： %，10-6 （百萬(wàn)分之幾）， g/m3， mg/m3等，適合于氣態(tài)有害物。 （2）微量質(zhì)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(shí)也用于氣態(tài)有害物。 發(fā)動(dòng)機(jī)排放指標(biāo)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(zhì)量的比例。 （2）排放質(zhì)量，表示汽車或發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間、單次試驗(yàn)或單位里程里排放的某種有害排放物質(zhì)量。 （3）比排放量，表示發(fā)動(dòng)機(jī)單位功率小時(shí)的某種有害排放物 的質(zhì)量，用于不同發(fā)動(dòng)機(jī)之間的比較。,第八章 排氣污染與控制 有害排放物生成機(jī)理,8.2 有害排放物生成

6、機(jī)理,1NOX 生成機(jī)理 NOX 排放的生成機(jī)理目前尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，比較認(rèn)可的是用捷爾杜維奇鏈反應(yīng)解釋 NO 生成，并用其代表 NOX的生成機(jī)理。,這個(gè)反應(yīng)機(jī)理表示NOX 生成反應(yīng)是不分支的鏈反應(yīng)，而且是吸熱反應(yīng)。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機(jī)理,生成要素 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理、NOX 的生成機(jī)理、平衡濃度的模擬計(jì)算和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，提示NOX生成的主要要素是： （1）反應(yīng)溫度 （2）氧氣濃度 （3）反應(yīng)時(shí)間 汽油機(jī)燃燒溫度比柴油機(jī)高，因此，反應(yīng)溫度是影響汽油機(jī)NOX 排放的主要因素；氧氣濃度通過(guò)空燃比對(duì)汽油機(jī) NOX 排放產(chǎn)生影響，在一定的空燃比范圍中，汽油機(jī)有較高的

7、NOX排放；汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，反應(yīng)時(shí)間對(duì)汽油機(jī)的NOX排放影響較小。 柴油機(jī)燃燒的特點(diǎn)時(shí)空氣充足，燃燒溫度比較低，因此，氧氣濃度是影響柴油機(jī)NOX 排放的主要因素；氧氣濃度通過(guò)空燃比對(duì)柴油機(jī)NOX排放發(fā)生影響，在一定的空燃比范圍中，柴油機(jī)有較高的NOX排放；柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速雖然比汽油機(jī)低，但燃燒時(shí)間仍然較短，故反應(yīng)時(shí)間對(duì)柴油機(jī)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(jī)理,2、CO 生成機(jī)理 （1）缺氧與局部缺氧燃燒 根據(jù)化學(xué)計(jì)量學(xué)原理，當(dāng)空氣過(guò)量，氧氣充足，稀混合氣燃燒時(shí)，燃料應(yīng)該能完全燃燒，不會(huì)產(chǎn)生 CO；空氣不足，缺氧或局部缺氧，即濃混合氣燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)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(jī)理,（3）水煤氣反應(yīng) 水煤氣反應(yīng)也是燃燒產(chǎn)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(shí)，燃燒產(chǎn)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(yīng)，主要是水煤氣反應(yīng),第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機(jī)理,（4）燃燒過(guò)程不完善 實(shí)際燃燒過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量中間產(chǎn)物，包括 CO 。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷、不正常燃燒（如表面點(diǎn)火、爆震以及后燃過(guò)于嚴(yán)重），即燃燒過(guò)程不完善，都形成 CO 排放。 有很多原因可以

9、導(dǎo)致燃燒過(guò)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(guò)濃或過(guò)稀、廢氣稀釋過(guò)度、各種點(diǎn)火故障等等。這些原因都會(huì)造成燃燒過(guò)程不完善。 汽油機(jī)燃燒時(shí)，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(dòng)機(jī)基本是濃混合氣。因此，汽油機(jī)CO 排放的主要因素是缺氧和燃燒不完善。 柴油機(jī)燃燒時(shí)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(jī)CO 排放的主要因素。 CO2的高溫離解和水煤氣反應(yīng)盡管也是CO排放的原因，但在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)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(jī)理,3、HC 生成機(jī)理 （1）缸壁

10、激冷效應(yīng) 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(yīng)。 （2）燃燒室縫隙效應(yīng) 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室縫隙中混合氣不能燃燒的現(xiàn)象稱為縫隙效應(yīng)。 （3）燃燒過(guò)程不完善 發(fā)動(dòng)機(jī)排放的 HC 主要是燃燒過(guò)程中間產(chǎn)物。燃燒過(guò)程不完善，形成 HC 排放。 （4）掃氣和漏氣 少量混合氣在氣門(mén)重疊時(shí)，直接從進(jìn)氣門(mén)流向排氣門(mén)（掃氣）。氣門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)（漏氣），也可導(dǎo)致 HC 排放。 （5）潤(rùn)滑系統(tǒng)與燃料系統(tǒng)的蒸發(fā) 部分 HC 排放來(lái)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(rùn)滑油蒸汽。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機(jī)理,HC 是燃燒過(guò)程中間產(chǎn)物，是

11、可燃燒氣體。隨著燃燒的進(jìn)行會(huì)逐漸減少，并且在排氣過(guò)程和排氣管內(nèi)會(huì)進(jìn)一步氧化。 僅就燃燒來(lái)說(shuō)，汽油機(jī)氣缸內(nèi)是混合氣。因此，燃燒過(guò)程不完善、壁面激冷效應(yīng)和縫隙效應(yīng)是汽油機(jī) HC 排放的主要原因，掃氣漏氣則是次要原因；柴油機(jī)氣缸中，壁面區(qū)域和縫隙中幾乎全部是空氣，換氣時(shí)出現(xiàn)掃氣也完全是空氣，燃燒時(shí)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(jī)的 HC 排放主要原因是燃燒過(guò)程不完善。 二沖程汽油機(jī)換氣過(guò)程包括依靠新鮮混合氣頂出缸內(nèi)的廢氣（掃氣過(guò)程），實(shí)現(xiàn)換氣，使得相當(dāng)數(shù)量的新鮮混合氣進(jìn)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(jī)理,4、

12、微粒 與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的微粒排放比較突出。 柴油機(jī)微粒排放的類型 （1）白煙 白煙在起動(dòng)及暖機(jī)過(guò)程前期，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度在 250 時(shí)出現(xiàn)，主要成分為燃油顆粒，微粒直徑較小。 在起動(dòng)及暖機(jī)過(guò)程前期，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低，壓縮壓力相對(duì)降低，噴油量小，噴油壓力下降，油束霧化不好，同時(shí)，燃燒條件差，存在局部混合氣過(guò)濃或油束心部、后部在擴(kuò)散燃燒時(shí)未能充分燃燒現(xiàn)象。未能燃燒燃料在排氣過(guò)程受已燃?xì)怏w的加熱變成燃油蒸汽，形成白煙。 （2）藍(lán)煙 藍(lán)煙在暖機(jī)過(guò)程后期，溫度為250 至著火溫度出現(xiàn)，主要成分為潤(rùn)滑油顆粒，微粒直徑略大。 在暖機(jī)過(guò)程后期，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度逐漸升高，燃燒室壁面溫度提高，使壁面潤(rùn)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蚨纬伤{(lán)煙排出。,第八章 排氣污染與控制,8.2 有害排放物生成機(jī)理,（3）黑煙（碳煙） 黑煙在急加速過(guò)程或大負(fù)荷時(shí)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(jī)的微粒排放主要是碳煙。 碳煙生成機(jī)理 碳煙是燃燒過(guò)程的中間產(chǎn)物。燃燒過(guò)程中包括分子裂解、分解以及聚合等反應(yīng)，在局部缺氧燃燒時(shí)，就出現(xiàn)碳煙。碳煙生成有兩條路線：高溫下裂解、復(fù)聚和環(huán)構(gòu)；較低溫度下聚合、環(huán)構(gòu)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(jī)理,（2）低溫路線,柴油機(jī)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(guò)

14、程進(jìn)行，碳煙也會(huì)氧化燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放數(shù)量取決于碳煙生成和氧化矛盾作用的結(jié)果。在燃燒過(guò)程中，碳煙生成幾乎不可避免。因此，重要的是加強(qiáng)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(jī)有害排放物生成的影響因素 內(nèi)因 （1）燃料品質(zhì) 燃料品質(zhì)影響燃燒過(guò)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(jì)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(guò)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(guò)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(shí)， CO 排放濃度最低； A / F 超過(guò) 20 時(shí)， CO 排放濃度因燃燒速度過(guò)慢且不穩(wěn)定而增加。當(dāng) A / F = 17 即 1.15 時(shí)， HC 排放濃度最低?？杖急冗^(guò)大 A / F 17 時(shí)，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(shì)，在空燃比 A / F 為15 16 之間取得最大值。 當(dāng)混合氣濃度較大， A / F 較小時(shí)，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(shí)，NOX 生成濃度達(dá)到極大值。此時(shí)，空燃比對(duì)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?yàn)檫@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(jī)的排放。,8.3.1 汽油機(jī)有害排放物生成的影響因素 內(nèi)因 （2）混合氣濃度（空燃比或過(guò)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(guò)大。否則，會(huì)使燃燒惡化。 外因 （4）點(diǎn)火提前角 對(duì)應(yīng)

17、每一個(gè)工況，存在一個(gè) 最佳點(diǎn)火提前角，此時(shí)，汽油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性最好。推遲點(diǎn)火，HC和NOX 排放減少，但CO排放增加。 （5）壓縮比 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比大， NOX 排放多，其他有害排放物少。 （6）工況 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， HC 和 CO 排放濃度較高，中等轉(zhuǎn)速時(shí)HC 和 CO 排放最低。適當(dāng)提高怠速有利于降低HC 和 CO 排放，但怠速過(guò)高會(huì)引起油耗增加。,8.3.1 汽油機(jī)有害排放物生成的影響因素 內(nèi)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(jī)有害排放物生成的影響因素 內(nèi)因 （1）燃料品質(zhì) 燃料品質(zhì)影響燃燒過(guò)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(jì)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(guò)量空氣系數(shù)） 柴油機(jī)CO 和 HC 排放濃度比汽油機(jī)低得多。CO 和 HC 排放濃度隨燃空比提高而增加。中小負(fù)荷時(shí)， CO 和 HC 排放濃度最低。大負(fù)荷時(shí)，燃空比較大， CO 排放濃度急劇增加，HC 排放增加不多。 柴油機(jī) NOX 生成濃度與汽油機(jī)相當(dāng)。 NOX 生成濃度也隨燃空比增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)， NOX 濃度最大值出現(xiàn)在接近全負(fù)荷工況。 柴油機(jī)碳煙生成比汽油機(jī)嚴(yán)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(guò)

19、大。否則，會(huì)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(jī)有害排放物生成的影響因素,外因 （4）噴油提前角 對(duì)應(yīng)每一個(gè)工況，存在一個(gè) 最佳噴油提前角，此時(shí)，柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)壓縮比大， NOX 排放多，其他有害排放物少。 （6）工況 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， HC 排放濃度較高；大負(fù)荷時(shí)NOX 排放較多；全負(fù)荷時(shí)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(jī)有害排放物生成的影響因素

20、,柴油機(jī)燃燒與有害物生成 HC 中小負(fù)荷時(shí)在稀燃火焰熄滅區(qū)生成，因?yàn)檫^(guò)稀不能燃燒；大負(fù)荷時(shí)在油束心部生成，因?yàn)槿紵煌耆?CO 中小負(fù)荷時(shí)在稀燃火焰熄滅區(qū)生成，因?yàn)檫^(guò)稀不能燃燒；大負(fù)荷時(shí)在油束心部生成，因?yàn)榫植咳毖酢?NOX 大負(fù)荷時(shí)在稀燃火焰區(qū)生成，因?yàn)檫@里溫度高，氧氣多。 碳煙 全負(fù)荷時(shí)在油束心部生成，因?yàn)檫@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(duì)內(nèi)因采取的控制措施，前處理凈化； 針對(duì)外因采取的控制措施，機(jī)內(nèi)凈化； 補(bǔ)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(zhì)：環(huán)保汽油和環(huán)保柴油（配方燃油）；開(kāi)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