第5章 发动机排放污染与控制ppt课件

1、第5章 发动机排放污染与控制 5.1 大气污染及发动机排放5.1.1 大气污染 ISO对大气污染的定义：空气污染通常指人类活动及自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，在大气中保管了足够的时间，并因此而危害了人体的温馨、安康和福利或危害了环境。 自然过程: 森林火灾、岩石风化、火山活动等福利: 自然资源、生物、建筑物等。 污染物分类一次污染物二次污染物第一类硫化物SO2 、 H2SSO2 、 H2SO4 、 MSO4第二类氧化物CO 、CO2O3 第三类氮化物NO 、NH3 NO2、 HNO3、 MNO3第四类碳氢化合物未然烃、醛醛、酮、过氧酰基硝酸脂（PAN）第五类卤化物HF、HC

2、l无5.1.2发动机排放的污染物及其危害 内燃机排放污染物：CO、HC、NOXNO、N2O、NO2等CO2、CH4PM(碳烟微粒) SOX、醇类、醛类(RCHO)多环芳香烃(PAH)其他未知污染物.CO对人体的毒害COHb/O2Hb症状0.6死亡5.1.2发动机排放的污染物及其危害 危害：5.1.2发动机排放的污染物及其危害 危害：HC: 破坏造血机能，引起贫血、神经衰弱，并降低肺对病菌的抵抗才干 光化烟雾的主要产生源 PAH 致癌 醛类对眼、呼吸道、血液有毒害 5.1.2发动机排放的污染物及其危害 危害：NOX: 吸入较多的NO会呵斥中枢神经妨碍，破坏造血机能，引起贫血、神经衰弱，并降低肺对

3、病菌的抵抗才干 NO2被人体吸收后变为硝酸，硝酸与血红蛋白结合生成变性血红蛋白，对心、肝、肾都有不良影响。浓度在5ppm，能被感知，1020ppm，有剧烈的刺鼻味，50300ppm，头痛出汗，300500ppm，气管发炎，大于500ppm，肺浮肿而死亡。 参与光化学反响会构成臭氧、醛和PAN。 5.1.2发动机排放的污染物及其危害 危害：微粒:危害与粒径大小有关大气中小于510m微粒可直接深化呼吸道及肺叶组织并在其中堆积，呵斥机械性超负荷，从而引起肺部组织病变。发动机排出微粒粒径普通都在1m以下，汽油机排除的微粒粒径普通在0.02m左右；柴油机排除微粒粒径普通在0.1m左右。这些微粒都处于在大

4、气中能长期悬浮的范围内，在其外表上通常还附有多种有机物质，其中包含PAH,具有不同程度的诱变和致癌作用，因此对人体有直接要挟。 5.1.2发动机排放的污染物及其危害 危害：其他排放物二氧化碳：温室效应醛类(RCHO)：排气产生臭味、具有刺激性，长时间受浓度较大甲醛影响，眼睛、上呼吸道和中枢神经会遭到危害。SO2：具有刺激性，浓度到达8ppm时，刺激鼻喉，引起咳嗽。假设浓度进一步增大，引起呼吸困难，构成支气管炎、哮喘，甚至肺肿，直至死亡。SO2变成硫酸烟雾后，对人和环境有极大危害含铅微粒，对血液、骨骼和神经细胞有损害作用，对生长发育的儿童影响尤其严重。不同金属对人类的损伤是不一样的， 5.1.3

5、 发动机的排放目的 排放物浓度C质量排放量G排放物的比排放量g及排放率gT浓度指数Kp定额容积和比定额容积行驶里程排放量Qv5.1.4主要有害物的物理化学变化 CO的化学变化5.1.4主要有害物的物理化学变化 NOx的化学变化自在基如OH、HO2等也能使NO转化为NO2：NO2经假设干反响生成硝酸 硝酸与氨作用生成硝酸氨 5.1.4主要有害物的物理化学变化 SO2的化学变化 太阳光照射下，吸收波长200400nm的紫外线光能hr，发生光氧化作用而产生SO3，然后与水蒸汽化合构成硫酸 5.1.4主要有害物的物理化学变化 温室效应 温室效应：经过吸收地球反射的一部分红外线能量，再发射到地面的这些气

6、体，使地球外表变暖。CO2可以吸收波长为15微米左右的红外线，故CO2也称为温室气体。5.1.4主要有害物的物理化学变化 光化学烟雾生成 HC和氮氧化合物，在阳光作用下，经一系列化学反响，生成以臭氧、醛、过氧酰基硝酸脂为主的光化烟雾，烟雾是浅蓝色的刺激性烟雾。光化学烟雾生成的根本原理5.1.5发动机排气净化技术的开展 从研讨污染物的景象到研讨生成机理 从调整部分参数到发动机性能的全面优化 从稳态常用工况控制到全工况范围的微机控制 从常规燃料的排放研讨到燃用代用燃料的排放研讨 从预测排放的简单模型到更为全面准确的预测模型的研讨 第5章 发动机排放污染与控制 5.2 污染物生成机理及影响要素 5.

7、2.1 CO生成机理 实际上，HC燃料完全熄灭时生成CO2和H2O。HC的氧化过程： R-H R- R-O2RCHORCOCO+R- CO+OHCO2+H因此，CO是烃燃料熄灭的中间产物。实践的熄灭过程在于： 1燃料浓度分布不均匀。 2温度分布不均匀冻结温度1100K。 3熄灭过程时间短，达不到化学平衡形状。因此CO的排放是不可防止的。当反响着的气体忽然缺乏氧化剂、温度过低或反响时间过短时，CO就以中间产物的方式生成了。 汽油机CO排放特点由于要控制空燃比在化学计量比附近，CO排放浓度高。全负荷混合气加浓，CO排放添加。怠速运转废气稀释大，CO排放量大。起动暖机、急加速和急减速时CO排放较多。

8、多缸机中各缸间燃比的变动使CO排放量添加。 各缸单独匹配三、柴油机的CO排放 柴油机CO排放分析 柴油机CO排放特点 柴油机的CO排放总体比较低。熄灭接近或超越冒烟极限后，由于熄灭过程部分混合气过浓，缺氧呵斥CO排放迅速添加。柴油机小负荷时，稀混合气区体积添加，燃气温度降低，CO排放略微添加。 一、汽油机HC排放的来源 HC Sources1) 排气 5565%机内排放2) 曲轴箱 2025%3) 燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发 1520%1.HC排放的来源5.2.2未然烃生成机理 2.UHC排放的生成机理 1冷激效应影响 2光滑油膜的吸附和解吸 3熄灭室外表堆积物 4体积淬熄 5碳氢化合物后

9、期氧化 3.UHC排放的特点 1.未燃HC排放的来源 1完全由缸内熄灭过程产生。 2没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。 二、压燃式发动机HC的排放 2.生成机理和影响要素 1混合气不均匀。 2喷油器嘴部的压力室容积 。 3冷起动 。 4气缸壁温度影响HC排放，由于壁面激冷使HC 排放添加。一、 NO生成途径 Mechanism1高温途径：空气中的氮分子在高温下氧化生成 NO，通常发生在已燃高温区，称热力型NOThermal NO。2瞬发途径：在火焰面或火焰面附件生成NO，称瞬发型NOPrompt NO。3燃料途径：燃料中的氮元素熄灭直接转化为NO 排放,Fuel NO。4) N2O mechani

10、sm 低温N2O机理。5.2.3氮氧化合物的生成机理 O2 = 2O O+N2 = NO+N N+O2 = NO+O N+OH = NO+H (Lavoie) Extended Zeldovitch MechanismZeldovitch热力型NO生成机理 Thermal NO与NO生成亲密相关的要素： 1 熄灭温度 2 氧气浓度 3) 高温时间 二、汽油机NOX排放的影响要素 1.过量空气系数 Air Excessive Ratio 2.点火正时 Ignition Timing 3.EGR Ratio 4.负荷 Engine Load 三、柴油机NOX排放的影响要素 自然吸气直喷柴油机，61

11、02mm118mm， 1.负荷与转速 Engine Load and Speed2.喷油定时 Injection Timing 3.EGR RatioEGR率NOx ppm5.2.4碳烟粒子生成机理燃料热裂解氧化裂解成核外表增长凝聚氧化集聚碳烟排放熄灭系统中碳烟粒子的生成过程裂解: 生成碳烟前，燃料分子大量分解及反响物原子重新陈列。热裂解反响按自在基链反响机理进展，少量O、OH自在基或O2经过支链反响加速裂解。 预混火焰预热区，温度较高，并有较大温度氧，燃料在那儿很快就氧化裂解为乙炔。乙炔是中间产物。 分散火焰中，燃料，特别是芳香族燃料，裂解产物有所变化。大于1800K时，裂解产物为乙炔，小于

12、1800K时，裂解为联二苯。阐明燃料构造对碳烟生成影响较大。 成核 : 碳烟粒子胚芽的物质，其生长应比分解或氧化反响快。具有足够稳定性以抵御高温下分解，同时又应具有足够化学活性，以便能以一定速率与其它基因和离子快速反响。 具备上述要求胚芽物质具有极性共轭构造。共轭构造物质的共轭稳定性能抗御高温分解，而其极性特征又能使其与其它基团和离子快速反响。 裂解反响生成乙炔不具有共轭构造，稳定性来自化学键能。某些反响生成丁二烯、乙烯基乙炔、联乙炔等极性共轭物。 非共轭脂肪族燃料经热裂解或氧化裂解生成乙炔，如这时有大量O或OH自在基存在，大部分乙炔可氧化为活性产物。剩下乙炔经过反响生成丁二烯、乙烯基乙炔、联

13、乙炔等极性共轭脂肪族化合物，这些正是碳烟粒子中心先兆物。碳烟先兆物在高温下，环化、脱氢、聚合，最后成为多环构造碳烟中心。 芳香族燃料经过环断裂生成乙炔，或在较低温度下构成苯基，苯基与乙炔或乙烯基乙炔反响，易生成碳烟中心。因此燃料中芳香族成分含量高，熄灭时碳烟生成量明显添加。外表增长和凝聚 : 碳烟粒子经过与气相物质做外表反响使粒子质量添加的过程称为外表增长。 凝聚是指两个小的球状碳烟粒子经碰撞构成一个大的球状碳烟粒子的过程。 球状构成的缘由有三种观念。 观念一：初期碳烟粒子由于氢成分多而粘性较低，类似于半流体，因此粒子相撞后能交融一体并经过变成球形使外表能最低； 观念二：碳烟构成初期，粒子直径

14、小，相撞时原子力会起作用，呵斥能量的重新调整，使粒子外形趋于球形； 观念三：碰撞发生在外表高速度增长的较小粒子之间，因此，粘合在一同的颗粒虽然当时未马上构成球形，也会很快的因外表增长重新获得原有个的球体外形。集聚 : 凝聚使碳烟中心的数密度下降，当碳烟中心数下降到一个程度后，随着根本碳烟粒子的构成，球形粒子相互碰撞将不再交融成球形，而是粘结为链状，这称之为集聚。 柴油机熄灭进展到膨胀冲程时，随缸内温度下降，低分子量未完全熄灭碳氢化合物会凝结在碳烟微粒粒子上。碳烟氧化 : 碳烟生成开场，伴随着成核先兆物、碳烟中心、碳烟粒子的氧化反响。分散火焰碳烟生成区，碳烟生成率相当高，而氧化剂缺乏，碳烟氧化率

15、相对于生成率很小。随着碳烟粒子向空气区分散，碳烟粒子的数密度根本上不再添加，且粒子尺寸和增长也渐渐由外表增长转为凝聚或集聚。这时，碳烟的质量生成率已降得很低，氧化剂却很充足，碳烟氧化的作用突出了。 汽油机缸内混合比处于实际混合比附近，因此碳烟排放很少。混合气过浓时，虽然排烟量有所添加，但在普通工况下，也只需柴油机的几非常之一。汽油机排烟粒子主要是由于抗爆添加剂四基乙铅呵斥的，在熄灭过程中，抗爆添加剂生成的含铅化合物往往堆积在熄灭室壁上，然后在发动机高速运转下，这些堆积的碎片被卷起，破碎成小的颗粒随废气排出。碳烟的生长过程 Particle Growth碳烟颗粒的分布特性 PM Distribu

16、tion第5章 发动机排放污染与控制 5.3 污染物排放控制5.3.1排放特性 1. 点燃式发动机 1) 稳态排放特性 一台2L排量4气门车用汽油机的排放特性a)CO排放特性 bHC排放特性 cNOx排放特性第5章 发动机排放污染与控制 5.3.1排放特性 1. 点燃式发动机 2) 瞬态排放特性 冷起动 暖机过程 加速 减速 2.压燃时发动机 1)稳定运转形状 一台1.9L排量2气门涡轮增压中冷直喷式车用柴油机的排放特性a) CO排放率 bHC排放率 cNOx排放率 d) 滤纸烟度第5章 发动机排放污染与控制 5.3.2排放控制1. 点燃式发动机1) 曲轴箱排放物控制 曲轴箱强迫通风计量阀PC

17、V阀a) 进气管真空度大时b进气管真空度小时1-阀座； 2-回位弹簧； 3-阀芯； 4-阀体； 5-缓冲弹簧第5章 发动机排放污染与控制 5.3.2排放控制1. 点燃式发动机2) 蒸发排放物控制 图5.13车用汽油机电控燃油蒸发排放物控制系统方框图1-电控单元；2-去除空气滤清器；3-发动机进气歧管；4-电磁式去除阀； 5-泄露检测泵； 6-活性炭罐； 7-燃油箱曲轴箱强迫通风计量阀PCV阀 第5章 发动机排放污染与控制 5.3.2排放控制1. 点燃式发动机3) 排气再循环 车用汽油机的EGR控制系统框图 a) 真空控制EGR系统 b电控真空驱动EGR系统 c闭环电控EGR系统1-真空驱动EG

18、R阀；2-排气管；3-发动机；4进气管；5-温度控制阀；6-电控真空调理器；7电控单元；8-EGR阀位置传感器；9-电磁阀EGR阀EGR系统的大致控制要求是:(1) 由于NOx排放量随负荷增大而增大(2) 暖机过程中，冷却水温度和进气温度较低，NOx排放不高。为防止废气回流破坏熄灭的稳定性，普通在发动机冷却水温度低于50时，不进展EGR。(3) 怠速和小负荷时，NOx排放也不高，也不进展EGR。(4) 接近全负荷时，为使发动机坚持足够的动力性，即使NOx排放很高，也不允许进展EGR。5.3.2排放控制1. 点燃式发动机4) 发动机设计的低排放思索 (1 冷起动、暖机和怠速排放控制 (2混合气构

19、成和空燃比 (3熄灭系统 (4) 配气机构 5.3.2排放控制2.压燃式发动机 1) 熄灭方式和熄灭室外形 1非直喷式柴油机 改善排放重点在副熄灭室。副熄灭室相对容积增大，碳烟生成减少，NOx生成量添加。 (2)直喷式柴油机直喷式柴油机混合气构成和熄灭有以下要求:a 在滞燃期和熄灭前期，喷入熄灭室的燃油量应尽能够少。b 在熄灭后期即分散熄灭期，需求有很高的喷油压力。c 在喷油终了后，剩余空气仍能与燃气剧烈混合，促进碳烟的氧化。直喷式柴油机喷油系统开展趋势:a提高喷油压力b添加喷油器的喷孔数，减小孔径。c可控的燃油放射率变化历程，如靴形放射、二次放射(预放射加主放射)。 直喷式柴油机设计要点 熄

20、灭室容积比: 熄灭室容积对气缸余隙容积之比称为熄灭室容积比. 力求提高此容积比，降低柴油机碳烟和微粒排放。防止采用短行程柴油机。熄灭室口径比 熄灭室口径比是指熄灭室直径dc与深度h或缸径D的比值.尽量用口径比较大的浅平熄灭室 熄灭室外形 直边不缩口形熄灭室 5.3.2排放控制2.压燃式发动机 2) 供油系统 (1) 延迟喷油时间 (2) 提高喷油速率 (3) 喷油器 (4)提高喷油压力 (5)电控在喷油系统的运用5.3.2排放控制2.压燃式发动机 3) 气流组织和多气门技术 4) 柴油机的排气再循环 5) 增压 6) 排气后处置 5.3.2排放控制2.压燃式发动机 7) 三效催化转化器 主要活

21、性资料:Pt Rh, Pt/Rh比为5:1左右。 是一种需求运用氧气探测器、反响控制机构、电子控制的燃料放射安装，并将可燃混合气的空燃比一直控制在实际空燃比附近，以一级催化方式同时净化汽油机排气中的三种主要污染物CO、HC和NOx的方法。5.3.2排放控制2.压燃式发动机 7) 三效催化转化器 (1) CO催化氧化机理 (2) 碳氢化合物氧化机理 (3)NO复原机理5.3.2排放控制2.压燃式发动机 7) 三效催化转化器 车用三效催化剂要求为:起燃温度低；有较高的储氧才干，以补偿a的动摇；耐高温，不易热老化；对杂质不敏感，不易中毒；尽量不产生H2S、NH3等物质；本钱合理。5.3.2排放控制2

22、.压燃式发动机 7) 三效催化转化器 三效催化转化器的构造1-外壳；2-减振密封衬垫；3-催化剂5.3.2排放控制2.压燃式发动机 8) 柴油机排气微粒过滤器对微粒过滤器的要求:(1高的过滤效率(2低的流动阻力(3) 耐高温的滤芯资料(4) 外形尺寸小、通用性好(5)可靠性好、寿命长 5.4 排放法规5.4.1国外排放法规开展排放标准实施年份汽油车柴油机COCH+NOHCNOxPMCOCH+NOxHCNOxPM欧洲I欧洲II欧洲III欧洲IV欧洲V欧洲VI1992199520002005200820142.722.22.31.01.01.00.970.50.200.100.100.100.150.080.060.0052.722.21.00.640.500.500.500.970.500.900.230.170.560.300.500.250.180.080.140.080.100.050.0250.0050.005欧洲轻型汽车排放限值 gkm) 5.4 排放法规5.4.1国外排放法规开展排放标准测试循环实施年份排放限量COHCNMHCCH4NOxPMk欧洲IECER4919924.51.18.00.360.61欧洲IIECER4919954.01.17.00.510.25欧洲IIIESCEARETC2000200020002.1