汽车发动机原理9章1(王建昕)

1、18761876年世界上第一台内燃机诞生，至今已年世界上第一台内燃机诞生，至今已130130余年；余年；19431943年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（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生成机理：生成机理：HC HC NO NO2 2 O O3 3 PAN PAN（过氧酰基硝酸盐）过氧酰基硝酸盐）19661966年：加州实施世界上第一个年：加州实施世界上第一个“汽车排放法规汽车排放法规” ” （7 7工况）工况）19

2、681968年：日本实施年：日本实施“大气污染防止法大气污染防止法” ” （怠速检测（怠速检测COCO）19701970年：欧洲开始实施排放法规年：欧洲开始实施排放法规 （怠速检测（怠速检测COCO、HCHC）19841984年：中国实施排放法规年：中国实施排放法规 （汽油车怠速（汽油车怠速CO、HC 、柴油车自由加速烟度）、柴油车自由加速烟度）19991999年：北京实施国年：北京实施国法规法规20002000年：全国实施欧年：全国实施欧法规（与欧洲相差法规（与欧洲相差8 8年）年）20082008年：北京实施国年：北京实施国法规，实现了国际接轨法规，实现了国际接轨20102010年年: :

3、 全国实施国全国实施国法规（汽油车）法规（汽油车）序言序言排气污染及其防治的历程排气污染及其防治的历程第9章 有害排放物的生成与控制第9章 有害排放物的生成与控制9.1 9.1 有害排放物的生成机理与影响因素有害排放物的生成机理与影响因素9.2 9.2 排放法规及测试方法排放法规及测试方法9.3 9.3 汽油机的机内净化技术汽油机的机内净化技术9.4 9.4 柴油机的机内净化技术柴油机的机内净化技术9.5 9.5 汽油机排气后处理技术汽油机排气后处理技术9.6 9.6 柴油机排气后处理技术柴油机排气后处理技术第9章 有害排放物的生成与控制9.1.1 9.1.1 有害排放物的种类与危害有害排放物

4、的种类与危害l法规限制成份：法规限制成份： CO、HC、NOx、颗粒物（针对汽油车和柴油车）l其他有害成份：其他有害成份： 硫化物硫化物SOxSOx、铅化合物铅化合物、醛类、醛类、苯类、丁二烯、柴油机排气臭味苯类、丁二烯、柴油机排气臭味等，也称为等，也称为非非常规排放物常规排放物。9.1 9.1 有害排放物的生成机理与影响因素有害排放物的生成机理与影响因素9.1.2 9.1.2 评定指标和单位评定指标和单位分类分类定义定义单位单位备注浓度排放量体积分数质量浓度10106 6、10109 9 、mg/mmg/m3 3仪表给值环境监测质量排放量单位时间质量排放量单位测试循环质量排放量g/hg/hg

5、/g/测试循环测试循环循环工况测试比排放量单位功率单位时间排放量单位运转里程质量排放量g/(kW.h)g/(kW.h)g/kmg/km发动机测试整车工况测试ppm9.1.3 9.1.3 有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理1）Thermal NO2）Prompt NO 3）Fuel NONONO生成途径生成途径1、NOx = NO+NO2+N2O 燃烧中主要生成燃烧中主要生成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)生成条件：生成条件：T1800KT1800K（1 1、3 3式均为强烈的吸热反应）式均为强烈的吸热反应）a a1.01.0，氧化氛围，氧化氛围已燃气体区域（火焰前锋面后）已燃气体区域（火焰前锋面后）控制反应控制反应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经式（经式（2）、（）、（3） NO 由由NH N NO

7、生成条件：生成条件：相对低温相对低温a1.0 ，0.60.7时出现最大值，还原气氛时出现最大值，还原气氛燃烧中的气体燃烧中的气体 （火焰前锋面上）（火焰前锋面上）3）Fuel NO燃料中的氮化合物燃料中的氮化合物HCN、CN、NH2、NHNO生成条件：生成条件：低温，小于低温，小于1800K，700900K时有很高生成速率；时有很高生成速率；a影响不明显，影响不明显，a1.0时，时，NO生成速率几乎不变；生成速率几乎不变；随燃料含氮量的增加，随燃料含氮量的增加，NO几乎直线上升。几乎直线上升。影响NOx生成的三要素温度温度 T，则则NO平衡浓度平衡浓度 ，NO生成速率生成速率，则则NO （其中

8、，生成速率影响最大）其中，生成速率影响最大）氧浓度氧浓度 温度一定时，氧浓度温度一定时，氧浓度，则则NO 反应时间反应时间 如图所示（甲烷如图所示（甲烷CH4火焰），火焰）， 相对相对CO、H2O等，等，NO 反应较慢反应较慢，因此在实际，因此在实际 发动机燃烧结束时尚达发动机燃烧结束时尚达 不到平衡浓度不到平衡浓度反应时间（反应时间（S）p热热NO NO 是内燃机燃烧中的是内燃机燃烧中的NOxNOx主要来源主要来源汽油机中汽油机中NONO生成过程例：生成过程例：A A点点：较早燃烧达高温：较早燃烧达高温（图（图b b，XbXb=0=0）； 受绝热压缩，温度进一步提高；受绝热压缩，温度进一步提

9、高； 高温及长时间高温及长时间 NO。B B点点： 相反相反（图（图b b，XbXb=1=1）冻结：冻结：导致在化学平衡浓度和实际浓度之导致在化学平衡浓度和实际浓度之间出现差别（图间出现差别（图c c），），保持较高浓度排出。保持较高浓度排出。AB火花塞火花塞曲柄转角（曲柄转角（CACA）平衡浓度平衡浓度实际浓度实际浓度2、CO不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响不完全燃烧不完全燃烧 a a 1 1 1 时：局部缺氧时：局部缺氧热离解热离解 CO2 CO 排气中生成排气中生成 HC在排气中进一步氧化时生成在排气中进一步氧化时生成CO3、未燃未燃HC （THC

10、）（1）HC在汽油机中的生成机理在汽油机中的生成机理p 不完全燃烧不完全燃烧 a1，混合不均、减速、失火、循混合不均、减速、失火、循环波动环波动p 壁面淬熄效应壁面淬熄效应 低温、弱流动和弱湍流导致低温、弱流动和弱湍流导致淬熄层淬熄层（Quenching layer）窄缝处面容比大，火焰无法传入，窄缝处面容比大，火焰无法传入，也称也称缝隙效应缝隙效应 p 油膜和积碳吸附油膜和积碳吸附 混合气形成过程中，吸附混合气形成过程中，吸附HC;燃烧过程中，燃烧过程中，“躲过躲过”火焰火焰;排气过程中，脱附释放，形成排放排气过程中，脱附释放，形成排放GapsDepositsOil filmQuenchin

11、gat Wall 汽油机排气过程中HC排放变化第一第一HC峰值：峰值： 来源于排气门周来源于排气门周围淬熄层围淬熄层第二第二HC峰值：峰值： 来源于壁面及环来源于壁面及环岸部淬熄层岸部淬熄层 混合不均匀混合不均匀 过浓或过稀过浓或过稀（2）HC在柴油机中的生成机理在柴油机中的生成机理油束核心区油束核心区着火区着火区混合过稀区混合过稀区稀限稀限浓限浓限HC在柴油机中的生成机理在柴油机中的生成机理 喷油器压力室容积喷油器压力室容积燃油滞留于压力室燃油滞留于压力室 受热膨胀或汽化后低速受热膨胀或汽化后低速进入燃烧室进入燃烧室 难以混难以混合燃烧合燃烧 二次喷油或后滴二次喷油或后滴4、微粒及碳烟微粒及

12、碳烟PM Particulate Matter, Soot(Smoke) 微粒的成分微粒的成分近年来提出：近年来提出： PM10、PM2.5、汽汽油机油机PMPM粒度越来越小，目前可认为绝大粒度越来越小，目前可认为绝大部分在部分在0.11m范围（右图）范围（右图）成分质量分数干碳烟（DS）可溶性有机成分（SOF）硫酸盐(Sulfate)4050354551001020304050607080901001.20.830.28质量百分比 /%质量百分比 /%Pme /MPaE20 2.5um某欧某欧2柴油机柴油机PM粒度分粒度分布布PM高度显微图例高度显微图例思考题思考题1. NOx生成的三个途径

13、：生成的三个途径：( ) 、( ) ( )。2. 热热NO生成的三个影响因素：生成的三个影响因素：( )、( )、（、（ ）。）。3. PM的三种组分为的三种组分为 ( )、（、（ ）、（）、（ )。4. 汽油机汽油机THC生成的原因有：生成的原因有： ( )、( ) ( )5. 不同类型汽车的排放测试方法不同，轿车采用（不同类型汽车的排放测试方法不同，轿车采用（ ），），10吨以上载重车采用（吨以上载重车采用（ ），城市公交车采用），城市公交车采用（ ）方法。）方法。ThermalPromptFuel 温度温度空然比空然比时间时间DS SOFSulfate过稀和过浓过稀和过浓淬息效应淬息效应

14、油膜和积碳吸附效应油膜和积碳吸附效应转鼓转鼓？台架台架PM （ Soot）的生成过程的生成过程SootSoot源于烃类燃料在高温缺氧下的裂解，详细机理尚不明确。源于烃类燃料在高温缺氧下的裂解，详细机理尚不明确。碳粒氧化碳粒氧化（燃烧后期）（燃烧后期）PM生成生成（膨胀和排气）（膨胀和排气）碳粒生成碳粒生成（燃烧前期）（燃烧前期）l大的燃油颗粒汽化剩下的重质烃，高温脱氢碳化大的燃油颗粒汽化剩下的重质烃，高温脱氢碳化焦炭焦炭状大颗粒碳粒（状大颗粒碳粒（PM10）l气相烃裂解、脱氢气相烃裂解、脱氢乙烯（乙烯（CH2CH2）乙炔（乙炔（CH-CH）聚乙炔聚乙炔原子级碳粒原子级碳粒聚合生成碳核（约聚合生

15、成碳核（约2nm ）l遇充分的氧化氛遇充分的氧化氛围，碳粒部分氧化围，碳粒部分氧化l小碳粒碰撞、聚合小碳粒碰撞、聚合较大碳粒（不规则形状、多较大碳粒（不规则形状、多孔聚合物孔聚合物），吸附，吸附HC和硫酸盐和硫酸盐 PM柴油机柴油机PM排放的粒径分布排放的粒径分布p按粒径大小可分为四个区域：按粒径大小可分为四个区域：纳米微粒（纳米微粒（Nanoparticles），），超细微粒（超细微粒（Ultrafine Particles），），细微粒（细微粒（Fine Particles），），PM2.5其余，其余，PM10微粒。微粒。p按形态不同可分为三类：按形态不同可分为三类：核态（核态（Nucle

16、i Mode），），凝聚态（凝聚态（Accumulation Mode）粗糙态（粗糙态（Coarse Mode）。）。p从分布特征上来看，呈现双峰形态，从分布特征上来看，呈现双峰形态，分别对应核态及凝聚态，说明分别对应核态及凝聚态，说明:质量排放的主体在凝聚态微粒质量排放的主体在凝聚态微粒而数量排放的主体在核态微粒而数量排放的主体在核态微粒8.1.4 有害排放物生成的影响因素（1）汽油机1 1、a a的影响的影响 CO： a ，CO（单调）；（单调）； a1，逐渐达最低值逐渐达最低值 HC： a ，HC ； a 过大，过大，HC回升（过稀）回升（过稀） NO： a1.1后，氧化气氛，但温度下降

17、，后，氧化气氛，但温度下降，NO a1.1左右，高温富氧同时具备，左右，高温富氧同时具备，NO达峰值。达峰值。（2 2）柴油机）柴油机lNONO：与汽油机相似，与汽油机相似，但注意区间但注意区间l碳烟：与汽油机碳烟：与汽油机COCO相相似，但向稀区平移似，但向稀区平移lCOCO：与汽油机与汽油机COCO相似相似，过稀时回升，过稀时回升lHCHC：a a2 2后，过稀后，过稀和低温使和低温使HC HC 随混合趋于均匀，柴油机随混合趋于均匀，柴油机NOx趋于汽油趋于汽油机的规律机的规律均质预混程度均质预混程度a a的影响的影响2 2、发动机类型的影响、发动机类型的影响n汽油机Vs柴油机： 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直喷式柴油机直喷式柴油机Vs非直喷柴油机非直喷柴油机3 3、使用工况影响、使用工况影响排气成分排气成分怠速怠速加速加速定速定速减