4第四章内燃机排放污染物ppt课件

1、第四章 内燃机污染物排放机理汽油机排放污染物柴油机排放污染物1第一节 汽油机排放污染物曲轴箱HC 的 20%排气管一切的CO、NOX、Pb和 HC的 60%油箱和化油器蒸发HC的15%2第一节 汽油机排放污染物Carbon Dioxide CO2Water Vapor水蒸汽Carbon Monoxide COHydrocarbons HCOxides of Nitrogen (NOX)Particulates 微粒 Lead铅Other pollutants其他Ambient AirReal FuelEngine/EmissionTechnology一、汽油机排放物分类3第一节 汽油机排放污染

2、物二、CO的生成机理及影响要素1. CO生成机理详细过程尚未完全弄清，普通以为，生成步骤如下R代表烃基：RCO经过热分解生成CO或如下方式：4第一节 汽油机排放污染物二、CO的生成机理及影响要素2. CO最终生成情况：CO继续氧化成CO2：5CO排出浓度主要受空燃比影响第一节 汽油机排放污染物二、CO的生成机理及影响要素3. CO是不完全熄灭的产物之一。假设能组织良好的熄灭过程，即具备充足的氧气、充分的混合，足够高的温度和较长的滞留时间，中间产物CO最终会熄灭终了，生成CO2或H2O。因此控制CO的排放不是企图抑制它的构成，而是努力使之完全熄灭。6第一节 汽油机排放污染物二、CO的生成机理及影

3、响要素4. 当a1时，CO生成的其它机理：2发动机前后循环之间燃料分配不均匀；3各缸之间燃料分配不均匀；4稀混合气中存在部分过浓混合气。71CO2、H2O的高温离解；三、HC的生成机理及影响要素一未燃HC的组成：未燃烃：各种没有熄灭和没有完全熄灭的碳氢化合物的总称，简作HC。第一节 汽油机排放污染物8三、HC的生成机理及影响要素二未燃HC的生成机理第一节 汽油机排放污染物1. 不完全熄灭氧化9空燃比怠速高负荷工况加速和减速三、HC的生成机理及影响要素激冷效应：发动机的低温熄灭室壁面对火焰的迅速冷却效应。淬熄层：激冷效应使火焰中产生的活性自在基复合，熄灭反响链中断，反响变缓或停顿。火焰不能传播到

4、熄灭室壁外表，在外表留下一薄层未熄灭或不完全熄灭的可燃混合气，称为淬熄层。第一节 汽油机排放污染物10二未燃HC的生成机理2. 壁面淬熄效应三、HC的生成机理及影响要素活塞顶岸部与气缸壁之间进排气门头部周围火花塞螺栓处气缸盖垫接合位置第一节 汽油机排放污染物11二未燃HC的生成机理3. 狭缝效应三、HC的生成机理及影响要素溶解吸收和解吸作用；冷起开工况：光滑油温度降低使燃油在其中的溶解度上升，提高了光滑油在HC排放中的分担率；适当设计活塞环以降低光滑油耗费，有助于降低HC排放量。第一节 汽油机排放污染物12二未燃HC的生成机理4. 壁面油膜和积碳吸附三、HC的生成机理及影响要素三影响HC生成的

5、要素1空燃比 HC排放浓度和数量有随混合气变稀而下降的趋势，A/F14.8当A/F17时，混合气过分稀薄，易发生火焰不完全传播以致断火，HC排放迅速添加。第一节 汽油机排放污染物132熄灭室面容比面容大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低熄灭室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。3壁面温度壁面温度升高，HC排放浓度相应降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。第一节 汽油机排放污染物三、HC的生成机理及影响要素三影响HC生成的要素14四、NOx的生成机理及影响要素一NOx的性质来源NOx包括：NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5。大气

6、中NOx主要以NO、NO2的方式存在。NOx的性质N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏。NO：大气中NO2的前体物质，构成光化学烟雾的活泼组分。NO2: 剧烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降。第一节 汽油机排放污染物15四、NOx的生成机理及影响要素二NOx的构成机理燃料型NO：燃料中的固定氮生成的NO激发型NO：低温火焰下由于含碳自在基的存在生成的NO高温型NO：高温下N2与O2反响生成的NO第一节 汽油机排放污染物16四、NOx的生成机理及影响要素1. 燃料型NO燃料中氮的热分解温度低于熄灭温度，在600-800oC时就会生成燃料型；汽油根本不含氮，柴油和重油少

7、量含氮。燃料型的构成由气相氮的氧化挥发份和焦炭中剩余氮的氧化焦炭两部分组成。第一节 汽油机排放污染物17四、NOx的生成机理及影响要素由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH、C2、C自在基可以和空气中氮气反响生成HCN，再进一步与O、OH作用以极快的速度生成NO。第一节 汽油机排放污染物18CH+N2=HCN+NC+N2=CN+NCH2+N2=HCN+NHC2+N2=2CNHCN+OH=CN+H2OHCN+O=HCO+HCN+O2=CO+NN+OH=NO+HN+O2=NO+O2. 激发型NO四、NOx的生成机理及影响要素熄灭时，空气中的氮在高温下氧化产生，生成过程是不分支连锁反响。其生成

8、机理可用 Zeldovitch反响式表示。随着反响温度T的升高，其反响速率按指数规律添加。当T1500oC时，T每添加100oC，反响速率增大6-7倍。第一节 汽油机排放污染物193. 高温型NO四、NOx的生成机理及影响要素高温型NO构成的动力学Zeldovich模型在高温下总生成式为第一节 汽油机排放污染物203. 高温型NO四、NOx的生成机理及影响要素靠大气中氮生成NO的化学机理是扩展的Zeldovitch机理，也称为“热NO。有关NO主要反响生成和消逝为：第一节 汽油机排放污染物213. 高温型NO四、NOx的生成机理及影响要素三NO的化学平衡平衡浓度的定义：当熄灭产生高温，在一定温

9、度和压力下，当反响时间足够长，反响物的浓度将趋于某个定值。这个值称为平衡浓度。NO浓度大大依赖于温度和氧浓度在稀混合气区NO的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。第一节 汽油机排放污染物以C8H18(正辛烷)为燃料在40个大气压时计算得到的NO平衡浓度与温度T及当量比1/，过量空气系数的倒数关系曲线。当量比=1时，表示实际混合比。当量比1为浓混合气。22四、NOx的生成机理及影响要素三NO的非化学平衡t是从熄灭开场温度升高)算起。当滞留时间t值小的时候，NO生成量比平衡浓度要低得多膨胀过程，缸内T平衡浓度逆向反响速率过低 NO冻结NO浓度 排气温度对应平衡浓度第一节 汽油机排

10、放污染物23四、NOx的生成机理及影响要素三NO的生成要素温度：随着温度上升，NO平衡浓度提高，生成速度加快。稀混合气区氧的浓度：氧浓度上升，NO上升浓混合气区。滞留时间：NO的生成反响速度比熄灭反响慢，长滞留时间导致NO的生成量升高。 三条结论对于汽油机和柴油机都适用第一节 汽油机排放污染物24四、NOx的生成机理及影响要素四NO的影响要素过量空气系数a =0.9，熄灭温度较高，氧浓度低，抑制NO生成。a提高，氧添加效果抵消燃气温度下降，导致NO生成增大，NO排放量峰值出如今a =1.1左右的略稀混合气中。a进一步添加，温度下降的效果占优势，导致NO生成量减少。第一节 汽油机排放污染物25四

11、、NOx的生成机理及影响要素四NO的影响要素已燃气分量已燃气体可以减小可燃气的发热量，同时增大混合气的比热容CO2和H2O三原子气体的比热容远大于O2和N2双原子气体，使最高熄灭温度下降，NO排放下降。已燃气分数添加还使熄灭速率下降，同样降低熄灭温度和NO排放。可燃混合气中的已燃气分数增大可以降低NOx排放第一节 汽油机排放污染物26第二节 柴油机排放污染物一、涡流空气中的喷注分层模型喷孔喷注尾部过后放射喷注中心贫油火焰区贫油火焰外围区喷注前沿着火中心火焰前锋空气涡流壁面27第二节 柴油机排放污染物一、涡流空气中的喷注分层模型部分负荷，完全熄灭产物+NOx近全负荷，不完全熄灭产物+C完全熄灭产

12、物+NOx不完全氧化产物+HC空气涡流28不完全熄灭产物HC+C+CO第二节 柴油机排放污染物二、HC排放1. 混合气太稀或太浓1滞燃期内，能够由于油气混合太快使混合气过稀。柴油机未燃HC的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过度呵斥的过稀混合气地域。2在喷油后期的高温燃气中，由于油气混合不充分使混合气过浓，产生不完全熄灭产物随排气排出，但这时较多的HC多被碳烟微粒吸附。29第二节 柴油机排放污染物2. 火焰淬熄： 1火焰壁面淬熄是柴油机HC排放的一个来源，它取决于柴油喷注与熄灭室壁面的碰撞情况。2对于小型高速柴油机，由于熄灭室尺寸小，而喷油嘴的喷孔又不能太小影响喷油量，燃油喷注碰壁普通不可防止，但

13、在匹配良好的情况下引起的HC排放不很严重。30二、HC的排放特点第二节 柴油机排放污染物三、CO的排放特点柴油机总是在a11.5-3之间下任务，CO排放量比较低，只需在负荷很大接近冒烟界限时1.2-1.3之间才急剧添加。柴油机喷油量小，温度低，后期氧化作用不完全，容易生成CO，呵斥a很大负荷很小时CO排放上升。31第二节 柴油机排放污染物四、NOx的排放NO2 的生成机理： 汽油机排气中的NO2浓度与NO的浓度相比可忽略不计，但在柴油机中NO2可占到排气中总NOX的10%30%。NO HO2 NO2 OHNO2O NOO232第二节 柴油机排放污染物缸内快速取样技术和全气缸取样技术的丈量阐明，

14、柴油机几乎一切NO都是在熄灭开场的头20CA以内生成的。推迟喷油是降低柴油机NOx排放的简便有效的方法，但代价是燃油耗费率有所提高，排气烟度增大。33四、NOx的排放2. 喷油定时的影响： 第二节 柴油机排放污染物柴油机的微粒：除去未化合的水以外一切固态的碳基颗粒DS、液态的燃油与光滑油SOF以及无机物硫酸盐SO2、NO2、铅等物质的总称里卡多以为美国环保局以为：微粒是指经过稀释后的排气，在低于51.7以下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上堆积的除水分以外的物质。34五、微粒排放第二节 柴油机排放污染物白 烟蓝 烟黑 烟（碳烟）产生工况低温启动不久及怠速工况 尚未完全预热或低负荷运转 大、全或

15、加速等负荷（高压、高温、局部缺氧 ）状态液态油滴 液态油滴 碳烟微粒 直径大小1.3um左右 0.4um以下 0.11um其它暖车后白烟消失有刺激性气味 后期氧化35五、微粒排放微粒的理化特性 第二节 柴油机排放污染物脱氢裂解在预混火焰的高温预热区和分散火焰的低温氧化区裂解成为先期产物；外表增长和凝聚2030nm1烟粒生成阶段：2烟粒长大阶段：成核足够稳定性抵御分解；足够化学活性与其他集团快速反响极性共轭构造2nm集聚球状或链状多孔聚合物1m361. 微粒的构成机理五、微粒排放第二节 柴油机排放污染物氧化作用需求有一定的温度，至少在700800。3烟粒的氧化：碳烟的生成主要是在熄灭的初期和中期

16、，而碳烟的氧化主要是在熄灭的中期和后期；碳烟浓度先是上升到一最大值，然后浓度下降，这阐明碳烟的氧化反响加快，碳烟浓度急剧降低；碳烟的氧化速率主要和温度有亲密关系，同时还和剩余氧以及在高温下的逗留时间有关。 371. 微粒的构成机理五、微粒排放柴油机熄灭生成碳烟和NOx的温度以及a条件柴油机混合气在预混合熄灭中的典型形状的变化如图上各箭头所示在预混合熄灭中，大部分燃油a大于0.7，主要生成NOx。应缩短滞燃期和控制滞燃期内喷油量，使尽能够多的混合气a控制在0.6-0.9之间。第二节 柴油机排放污染物2. 微粒和NOx五、微粒排放38柴油机熄灭中生成碳烟和NOx的温度以及a条件柴油机分散熄灭中混合

17、气形状变化如下图第二阶段熄灭过量空气系数小于4的燃油都会生成烟粒温度低于烟粒生成温度的混合气生成HC。喷油终了后，燃气与空气进一步混合，其形状变化如图中虚线箭头所示。第二节 柴油机排放污染物2. 微粒和NOx五、微粒排放39南昌大学机电学院第二节 柴油机排放污染物五、微粒排放2. 微粒和NOxPM与NOx表现出很强的折衷 Trade-off关系(平衡关系)到达严厉的排放法规要求：熄灭优化和尾气后处置方案 实践开发40第二节 柴油机排放污染物柴油机排气微粒烟粒有机可溶成分来自燃油：减少未燃HC排放使SOF降低来自光滑油：降低光滑油耗费，改善汽缸活塞组和活塞环的控油性能降低微粒排放问题的中心烟粒生成的重要条件：高温下燃料严重缺氧降低烟粒排放的根本：改善柴油机的油气混合均匀性，使熄灭室内任一单元燃油均能找到足以不生成烟粒的空气。412. 微粒的影响要素五、微粒排放第二节 柴油机排放污染物喷油压力的影响：提高喷油压力可以减小油雾的平均直径改善燃油雾化，促进燃油与空气的混合，改善油气混合的均匀性，从而减少烟粒的生成。同样的喷油安装在较高转速下有较高的喷油压力，在较大负荷喷油量下也有较高的喷油压力。4