发动机原理第八章排放与控制

1、发动机原理课件第八章排放与控制第1页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二第一节内燃机废气排放物的组成与危害一、内燃机废气排放物的组成内燃机排气中基本成分是二氧化碳、水蒸气、过剩的氧气、及存下的氮气，它们是燃料与空气完全燃烧的产物，从毒物学的观点看，它们是无毒的。排气中还含有不完全燃烧及燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化合物NOx、微粒（铅化物、黑烟、油雾等）、二氧化硫SO2、臭气（甲醛、丙烯醛等）等。这些污染物总和，在柴油机中不到废气总量的1%，在汽油机中随不同工况变化较大，有时可达5%左右，大部分有毒，或有强烈的刺激性、臭味和致癌作用，因此列为有害

2、成分。第2页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二二、内燃机废气排放物的危害1. 一氧化碳CO的危害 CO是一种无色无味的气体，它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍。CO与血红蛋白结合成羟基血红蛋白，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。一般排气中CO的浓度为34%。美国、日本的大气中CO9599%来自汽车尾气。第3页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2. 氮氧化物NOx的危害内燃机废气中氮氧化物绝大部分是NO，少量是NO2。NO是无色气体，高浓度NO能引起中枢神经的瘫痪及痉挛，在大气中缓慢氧化成为NO2，成褐色，具有强烈的刺激气味，对肺和心

3、肌有很强的毒害作用。 NOx是形成光化学烟雾的主要成分。排气中NOx的浓度为0.10.4%。美国、日本的大气中NOx的3255%来自汽车尾气。第4页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二*光化学烟雾NOx 和HC在太阳能的作用下进行光化学反应，生成的过氧化物而形成的烟雾称为光化学烟雾。主要产物：臭氧O3、过氧化酰基硝酸盐等臭氧O3 是极强的氧化剂，有独特的臭味。第5页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二3.碳氢化合物HC的危害碳氢化合物对人类危害最大的是环芳烃，尤其是3.4苯并芘(C20H12)，是一种很强的致癌物质。HC也是造成光化学烟雾的主要成分。4. 微

4、粒PM对人类的危害排气中微粒是指经过空气稀释、温度降到52后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。可能是固态的，也可能是液态的；包括原始微粒和二次微粒汽油机排放的微粒主要有：铅化物、硫酸、硫酸盐和低分子物质。柴油机微粒排放比汽油机一般高3060倍柴油机排放的微粒主要有：碳烟及吸附的高分子有机物（未燃燃油、润滑油以及氧化裂解产物等）。第6页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二铅进入人体会引起贫血、神经麻痹、牙齿变黑等，铅还会引起催化剂中毒。2 m以下的碳烟吸入肺部会沉积起来，而0.10.5 m的碳烟对人体的危害更大，除了致癌作用外，这种炭烟吸入肺部，会导致慢性病、

5、肺气肿、皮肤病及变态性疾病。颗粒越小，悬浮于空气中的时间越长，被人体吸入的可能性越大。第7页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二第二节汽油机有害排放物的生成与影响因素一、一氧化碳CO的生成机理与影响因素1.一氧化碳CO的生成机理生成机理：低温缺氧. 2CO22COO2; CO2+H2COH2OCO是碳氢化合物在燃烧过程中生成的中间产物。控制CO排放的主要因素是可燃混合气的过量空气系数a。在浓混合气中a小于1，随减小而CO不断增加；在稀混合气中，CO很低，在a 1.01.1之间，CO随略微变化。凡是影响过量空气系数的因素都是影响CO生成的因素汽油机的主要有害排放物： CO、HC

6、、NOx第8页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2. 一氧化碳CO生成的影响因素过量空气系数对CO 影响：混合气越浓，CO 的排放量越多第9页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2. 一氧化碳CO生成的影响因素进气空气温度T0的影响：进气温度上升，大气密度下降，而汽油密度变化很小，对化油器发动机，随进气温度升高，混合气加浓。大气压力p的影响：大气压力下降，空气密度下降，同样大气压力的变化会影响混合气过量空气系数。进气管真空度的影响：当汽车急剧减速时，发动机真空度大于负63kPa，停留在进气系统中的燃油迅速蒸发进入燃烧室，组成混合气过浓。CO显著增加到怠速时

7、的浓度。第10页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二怠速转速的影响：提高怠速转速，可有效降低CO排放，但怠转速过高，机械噪声会增加。一般从净化的观点，希望怠速转速规定的高一点好。第11页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二汽油机工况对CO生成的影响汽油机在部分负荷运转时，混合气的a接近1，CO排放量不高。但多缸机如果a不同，仍会有的气缸a 350 第39页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二热转换器工作原理氧化催化转换器对NOx无效，因此需要事先在燃烧室内对NOx进行削减。氧化催化方式有将空燃比设定在过浓区和稀薄区。将空燃比设定在稀薄区，汽

8、油机功率有所下降，但经济性好，CO和HC较少，二次空气量可减少。将空燃比设在最大功率附近的过浓区，汽油机性能下降不多，但CO、HC则增加很多。因此用空气泵将空气送入排气中，使CO、HC在氧化催化转换器内进行稳定氧化反应。一般增加EGR对NOx进行净化。第40页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2)双床催化（氧化还原）催化转换器双床催化转换器是先利用排气中的还原气体CO、HC来还原NOx，然后在喷入二次空气以氧化CO和HC。缺氧双床催化转换器必须在浓混合气状态下运行，油耗高，很不经济，目前少用。富氧双床催化转换器汽油机的最低油耗点在富氧区，为了降低汽油机的燃油消耗率，稀燃汽油

9、机重新兴起。这种汽油机不适合三效催化转换器，而采用富氧双床催化转换器。第41页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二3)三效催化转换器三效催化转换器是一种能同时净化NOx、CO、HC3种有害气体排放的催化转换器，它是汽油机排气废气后处理种最有效的方法。为了同时处理这3种气体，必须保证NOx还原所需的CO、HC和H2等还原性气体和为保证CO、HC氧化反应所需的O2。所以允许的空燃比范围非常窄。右图是过量空气系数对三效催化转换器效率的影响曲线。NO+CO=1/2N2+CO2NO+H2=1/2N2+H2ONO+HnCm=N2+H2O+CO2三效催化转化器的主要成分：Pt、Rh，其余为

10、Al2O3，NiO和CeO2第42页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二三效催化转换器闭环控制系统为保证空气过量系数在当量比附近，三效催化转换器必须和传感器（氧传感器）结合构成的闭环控制系统。传感器测量排气中的氧含量，并将它转换成电信号输入调节器，调节器根据它来对根据进气流量传感器确定的燃油量进行校正，以保证实际过量空气系数变化在1%以内。第43页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二三效催化转换器结构载体材料：蜂窝状陶瓷（MgO2/AL2O3/SiO2）催化剂：Pt：Rh=5：1Pt促进HC和CO氧化Rh促进NOx还原第44页，共79页，2022年，5月20

11、日，4点12分，星期二4)NOx吸附催化转换器三效催化转换器不能满足稀燃汽油机NOx的净化要求。可以采用NOx吸附催化转换器。转换器种含有贵金属和碱土金属作为活性成分，在稀混合气状态，NO在贵金属的催化作用下，被氧化成NO2，这样NOx都以NO2的形式出现，并和碱土金属结合，排气中的HC和CO被直接氧化成H2O和CO2。在达到碱土金属吸附极限前，将汽油机短暂进入浓混合气状态，使排气中产生足够的还原剂（CO、HC、H2等），与碱土金属中析出的NO2反应生成CO2和N2，这个过程叫NOx的吸附催化转换器的再生过程。第45页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二第四节柴油机有害排放物

12、的生成与影响因素柴油机HC生成机理与影响因素；柴油机CO生成机理与影响因素；柴油机NOx生成机理与影响因素；柴油机排烟与微粒的生成机理与影响因素。第46页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二一、柴油机HC生成机理与影响因素由于柴油机的工作原理是喷油压燃，燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短的多，因而受壁面冷激效应、狭隙效应、油膜、沉积物吸附作用很小，这是柴油机HC排放较低的原因。柴油机未燃HC的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过渡造成的过稀混合气区。怠速或小负荷时，由于缸内温度较低，HC不能及时氧化，且混合气较稀，使HC排放较高。高负荷时，过量空气系数较小（1.3)，使HC较低。

13、柴油机火焰在壁面上的淬熄也是柴油机HC排放的来源。第47页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二二、柴油机CO生成机理与影响因素CO的浓度在柴油机排气中中一般都很低。只有在接近冒烟极限时，才急剧增加。尽管在柴油机中有局部的缺氧区，但平均过量空气系数大于1，气缸内有足够的空气对已经形成的CO进行氧化。小负荷时，燃气温度低而且氧化反应少，造成CO排放高。第48页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二三、柴油机NOx生成机理与影响因素影响柴油机NOx生成的主要因素有：进气湿度；进气温度；进气压力；发动机负荷；发动机转速。第49页，共79页，2022年，5月20日，4点

14、12分，星期二1)进气湿度对柴油机NOx的影响无论在直喷式还是分隔式柴油机，进气湿度对柴油机NOx的影响很大。NOx随湿度的增加而减少，因为水分降低了柴油机的最高燃烧温度，对NOx的生成起到抑止作用。第50页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2)进气温度对柴油机NO的影响当燃空比一定时，进气温度上升，NO增加，功率有所降低。主要是由于压缩温度升高而引起局部温度升高的缘故。在高增压发动机中必须采用中冷器，以使进气温度尽可能低，这对净化也是必要的。第51页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二3)进气压力对柴油机NOx的影响进气压力提高，NO减少，并使功率增加。

15、因为进气压力提高，供油量一定，相当于降低了燃空比，限值了NO的生成。当进气湿度、压力提高，温度降低时，能有效降低NO排放。据此提出进气管喷水，增压中冷等净化措施。第52页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二4)柴油机负荷（燃空比）对NOx的影响柴油机负荷增加，供油量增加即燃空比增加。随燃空比增加，NOx浓度也增加，到达最大值后，再增加燃空比，NO反而下降。在燃空比小的稀混合气中，NO主要取决于温度，当燃空比随负荷增加时使温度上升，NO浓度上升。在燃空比小的浓混合气中，即使温度再升高，NO浓度主要取决于氧的浓度，因此当燃空比再增加时，由于氧浓度减小而NO浓度下降。第53页，共7

16、9页，2022年，5月20日，4点12分，星期二5)柴油机转速对NOx的影响分隔式燃烧室在高速时，NO浓度有所升高，直喷式在中速时达到最大值。右下图为柴油机NO的等排放特性曲线，根据特性曲线可以选择排污少、功率损失较少的工况作为发动机的常用工况。第54页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二四、柴油机排烟的生成机理与影响因素柴油机排烟可分为：白烟、蓝烟（青烟）和黑烟三种。不同的烟色形成的原因不同，有的研究认为起决定作用的是温度：在250以下形成烟通常是白烟，从250 到着火温度形成的是蓝烟，黑烟只在着火后才出现。白烟通常在低温起动后不久及怠速工况时发生。此时，气缸温度较低，着火

17、不好，未经燃烧的燃料和润滑油以液滴的状态，直径在1.3m左右，随废气排出形成白烟。当气缸磨损加大，窜气、窜油时，白烟增多。正常的发动机在暖车后，一般就不再形成白烟。改善起动性可减少白烟。第55页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二1.柴油机蓝烟生成的机理与影响因素柴油机蓝烟通常在柴油机尚未完全预热或低负荷运转时发生。此时，燃烧温度较低，约600以下，燃料着火性能不好，部分燃料和窜入燃烧室的润滑油未能完全燃烧，其中大部分是已经蒸发的油，再凝结呈微粒状态，直径比白烟小，在0.4 m以下，随废气排出而成蓝烟。这种烟的蓝色是此种大小微粒由蓝色光折射而成的。排出蓝烟时，同时有燃烧不完全

18、的中间产物（如甲醛等）排出，因而蓝烟常带有刺激性臭味。减少蓝烟的方法： 提高燃烧室和室内空气温度; 减少室内空气运动，以免燃料很快被吹散形成过稀混合气; 减小燃油喷注贯穿度，避免与冷壁面相碰； 进气加热; (但上述部分措施与减少黑烟是矛盾的) 催化转化。第56页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2.柴油机黑烟（碳烟）生成的机理与影响因素柴油机微粒的新概念（美国环境保护局EPA规定的稀释质量法）：柴油机排气经过稀释后，在低于51.7时，通过带有聚四氟乙烯树脂过滤纸时，被滤纸所滤下来的物质。微粒包括：以碳元素为主的碳烟，未氧化或未完全氧化的的碳氢化合物、硫酸盐以及与硫酸盐结合的

19、水和其他杂质。高负荷时碳烟是柴油机微粒中的主要成分；低负荷时微粒中以碳氢化合物为主。炭烟生成历程：燃烧初期大量裂解产生，燃烧后期大部分氧化消除。第57页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二1)柴油机碳烟的生成机理碳烟产生的条件是高温和缺氧。由于柴油机混合气极不均匀，尽管柴油机总体上是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致了碳烟的生成。碳烟的生成过程：燃油中的烃分子在高温缺氧的环境下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯；它们在不断脱氢后聚合成以碳为主的，直径2nm左右的碳烟核心；气体中的烃在这个核心表面的凝聚，以及碳烟核心之间的凝聚，使得核心的表面增大，成为直径2030nm左右的碳烟基元。至此

20、碳烟的质量已基本确定，最后碳烟基元堆积成直径1m以下的微粒。第58页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2)碳烟形成的数量与温度及过量空气系数的关系碳烟形成的数量随着过量空气系数的降低而增加。温度对碳烟形成数量的影响，在16001700K之间达到最大值。压力对碳烟形成的温度和过量空气系数条件影响很小，但对碳烟形成的数量影响很大。随着压力的增加，碳烟形成的数量增加。第59页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二柴油机的CO和HC的排放低于带有三效催化转换器和过量空气调节系统（闭环控制）的现代汽油机。柴油机的排气污染物主要是NOx和微粒。第60页，共79页，202

21、2年，5月20日，4点12分，星期二第五节柴油机废气净化措施一、柴油机废气前处理净化措施1.改变燃料的性质降低十六烷值可降低碳烟，但会引起发动机工作粗暴。2. 燃料添加剂消烟添加剂：钡溶在油溶性硷化盐或中性盐中。钡的添加量达1g/L 时，碳烟降低50%70%。但油耗增加1%2%；钡盐有毒；使燃料灰量增加。加水乳化油：乳化油加水30%以上能显著降低碳烟。代用燃料：如：醇类燃料、二甲醚DME等。第61页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二二、柴油机废气机内净化措施主要包括：燃烧系统；电子控制；供油系统；进气系统；废气再循环（EGR）；冷启动蓝烟的消除； 新型燃烧方式进展。1. 柴

22、油机不同燃烧系统排放特点分隔式柴油机燃烧系统：混合速度快；温度、燃油浓度、空气浓度分区，总体有害排放较少。炭烟的排放相对较多。直喷式柴油机燃烧系统：燃烧室紧凑，燃油易撞壁，混合气形成时间短；空气的过量系数高；燃油易于裂解。 NOx、未燃HC的排放相对较多。第62页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2.主副燃烧室容积比对柴油机排放的影响及改进方案涡流室柴油机副燃烧室容积增大，副燃烧室内空气量增加，可减少碳烟的形成，但NOx增加。综合考虑碳烟和NOx排放，副燃烧室与主燃烧室的容积比选在1.071.15。预燃室柴油机的预燃室体积过大，会降低预燃室中燃气的能量，影响预燃室中不完全燃

23、烧的燃气和主燃烧室的空气混合，因而预燃室内柴油机预燃室体积只有主燃烧室的3540%。第63页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二3.预热塞安装位置的优化副燃烧室内预热塞或电热塞对气流的干扰应尽量小，尽量消除气流的流动死区。下图B预热塞的位置减少了气流死区，减少 了碳烟生成，使得平均有效压力的提高称为可能。第64页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二4.降低直喷式柴油机排放的措施直喷式柴油机由于流动损失和散热损失较小，具有较高的热效率。近年来，在轿车柴油机得到广泛应用。对高速直喷式柴油机的混合气形成和燃烧的要求：滞燃期内，喷入气缸的燃油尽可能少，以免预混燃烧过

24、多，使压力升高率增大，控制噪声。燃烧前期，喷入的燃油量要适当，以控制碳烟和NOx的生成以及过高的燃烧噪声。燃烧后期即扩散燃烧阶段，喷入的燃油很好与空气混合以减少碳烟生成，这就需要很高的喷射压力。燃油喷射结束后，剩余的空气和燃气仍能强烈混合，以促使碳烟的氧化。第65页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二5.降低排放对直喷式柴油机喷油系统的要求提高喷油压力，从100MPa提高到150MPa甚至200MPa，特别是低转速时的喷射压力要保证；增加喷油器的喷孔数，减小喷孔直径。前者对燃油分布均匀性很关键，而后者则可以减少燃油碰壁的数量；可控的燃油喷射率变化历程，如靴型喷射（先缓后急）、

25、二次喷射（预喷射加主喷射）；根据柴油机工况优化喷油定时。第66页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二三、柴油机废气后处理净化措施排气微粒捕集器及再生(CRT、SCRT) 降低微粒排放；微粒过滤器（DPF）降低微粒；氧化催化转换器降低微粒中可溶有机物（SOF）以及气态HC和CO；选择性还原催化转换器降低NOx排放。第67页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二降低微粒排放的主要措施高温氧化：可降低80%微粒，但需要800以上的高温和4s以上的反应时间，在实际应用中不现实。催化氧化：主要降低微粒中的SOF，但对碳烟几乎不起作用清洗：让平排气通过水或油来清洗微粒，占

26、用体积很大，而且只能降低排放的10%左右。离心分离：将排气引入旋风器里，利用微粒的离心力，将微粒从气流中分离开来。由于微粒体积很小，所以只能分离约10%的微粒。静电分离：首先将微粒进行荷电，然后吸附到极性相反的金属电极板上。分离微粒将随排气回流到气缸燃烧，增加了气缸的磨损。可分离50%左右。过滤捕集器：目前，降低柴油机微粒排放的排气后处理技术主要是使用微粒捕集器。第68页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二1.微粒捕集器1)工作原理扩散：布朗运动使得微粒偏离气流运动方向。当它们和过滤材料接触时，就被吸附在过滤材料上。扩散捕集的效果随微粒直径的减小、气流速度的降低和温度的升高而

27、提高。沉积：当排气流中的微粒和过滤材料接触时，就被拦截在过滤材料上。微粒越大，拦截捕集的效果越好。撞击：较高速度的气流中的较大的微粒，当气流绕过过滤材料气流方向改变时，离开气流撞上过滤材料被捕集。第69页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二2)微粒捕集器的类型表面型微粒捕集器：被捕集的微粒聚集在过滤材料的表面上。其典型材料是透气陶瓷。过滤效果主要是受材料孔隙尺寸的影响。体积型微粒捕集器：被捕集的微粒聚集在过滤材料体内。主要由陶瓷或金属纤维材料绕制而成。带有微粒的排气在体积型微粒捕集器中不断改变流动方向，微粒通过扩散、拦截和撞击聚集在纤维材料上。第70页，共79页，2022年，

28、5月20日，4点12分，星期二3)微粒捕集再生系统柴油机排气微粒捕集器的捕集效果已经不是技术难题。但只能把微粒从排气中过滤出来，收集在捕集器里，本身不能清除微粒。集聚的微粒会增加排气流动阻力，增加排气背压，影响柴油机的换气和正常燃烧，增加柴油机的燃油消耗。因此微粒捕集器的微粒必须及时清除，以免影响柴油机的性能。清除微粒捕集器中的微粒，称为微粒捕集器的再生。第71页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二4)微粒捕集器再生的方法再生系统分为：主动再生系统和被动再生系统。被动再生系统：要求在车辆正常运转条件下，能达到再生条件。为此，可运用进气节流，推迟喷油时间，进气管加热等来提高排气

29、温度，但又使经济性恶化。最有希望的是通过催化剂降低微粒的着火温度。使用催化剂的方法：滤芯表面使用催化剂、燃油中添加催化剂。主动再生系统：就是监视微粒的聚集情况，当需要再生时，就起动再生系统。主动再生系统有额外喷油的燃烧器系统、电加热器系统和催化剂喷射系统等。下图是几种有代表性的再生方法。第72页，共79页，2022年，5月20日，4点12分，星期二5)微粒捕集器主动再生系统的要求带有主动再生系统的微粒捕集器必须具有的控制功能：确定辅助再生时间检测和控制再生时的排气温度，以免损坏过滤器；在紧急情况下切断再生系统。现在的很多捕集器都带有旁路系统，为防止滤芯过热，在温度达到某一值时，启动旁路系统。第73页，共79页，2