第八章--内燃机污染物的生成与控制分解

1第八章内燃机污染物的生成与控制第一节概述内燃机在燃烧的过程中不可能完全燃烧。内燃机一般转速很高，燃料燃烧过程占有时间极短，燃料与助燃的空气不可能完全混合均匀，燃料的氧化反应不可能完全。排气中出现不完全燃烧的产物。2一，内燃机排放的污染物种类与危害：（1）一氧化碳CO，CO是一种无色无味的气体，它和血液中输氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的200~250倍。CO与血红蛋白结合，相对减少氧与血红蛋白的结合，损坏人体组织的供氧能力。空气中体积分数超过0.1％时，就会导致头痛，心慌等中毒症状。（2）炭氢化合物HC，HC包括炭氢燃料及其不完全燃烧产物、润滑油及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸百种成分等。它们或直接或间接对环境造成危害。3（3）氮氧化合物NOx，NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成NO2，NO2是褐色气体，具有强烈刺激味，被吸入人体后容易与水结合成硝酸，引起咳嗽等。（4）微粒PM，柴油机排放PM主要是炭，可长期悬浮于空气中，会深入肺部造成机械性超负荷，损伤肺部等。4第二节污染物的生成机理和影响因素（1）浓混合气中，一氧化碳的排量随过量空气系数的减小不断增加，这是因为缺氧引起燃料燃烧不完全所致。一，一氧化碳（2）粗略估计，过量空气系数每减小0.1，CO约增加0.03。（3）在稀混合气中，CO始终很小。5（4）点燃机怠速时，缸内残余废气很多，为保证燃烧稳定，需要加浓混合气，因而排放大量CO。这是常规的均匀混合气点燃机总的CO排放量很大的一个主要原因。（5）为了提高点燃机全负荷功率输出，一般都把全负荷运转混合气加浓到过量空气系数为0.8～0.9导致CO排放量剧增。全负荷不加浓或少加浓混合气，是降低CO排放的实用措施之一，但是以牺牲动力性为代价。（6）小型单缸点燃机，为保证运转稳定性，常用浓混合气工作，它们的CO排放要比多缸机多。6点燃式发动机的未燃HC的生成和排放有如下三个渠道：二，炭氢化合物（1）排气，在缸内工作过程中生成并随排气排出，称为HC的排气排放物，主要是在燃烧过程中未来及燃烧或未完全燃烧的HC燃料。（2）曲轴箱，从燃烧室通过活塞与气缸之间的间隙泄漏入曲轴箱的气体，含有大量HC。曲轴箱窜气如果排入大气也构成HC排放物，称为曲轴箱排放物。（3）蒸发，从汽油机和其他轻质液体燃料点燃机的燃油系统，即从油箱、化油器、燃油管接头处蒸发的燃油蒸汽，如果进入大气，同样构成HC排放物，称为蒸发排放物。7HC排放与过量空气系数的关系：（1）汽油与空气形成的均匀混合气在过量空气系数大于1条件下，根据总量反应方程式，似乎不应产生未燃HC，但在实际汽油机中，不管过量空气系数多大都排放HC。（2）一般混合气略稀时，过量空气系数在1.1～1.2之间时，未燃HC体积分数最小。（3）随着过量空气系数减小，HC排放迅速增加。（4）但当混合气过稀时，由于燃烧恶化，HC排放不断增加。（2）一般混合气略稀时，过量空气系数在1.1～1.2之间时，未燃HC体积分数最小。（3）随着过量空气系数减小，HC排放迅速增加。8均匀混合气点燃发动机中未燃HC的生成机理P231：（1）壁面淬火（2）狭隙效应（3）润滑油膜的吸附和解吸（4）燃烧室中沉积物的影响9在内燃机排放的NOx中占压倒多数的是NO，其主要来源是参与燃烧的空气中的氮气。三，氮氧化合物1.NO生成机理P233：10NO的生成随温度提高而呈指数急剧增加。1）当温度低于1800K时，NO的生成速率极低；2）到2000K就达到相当高速率；大致可认为，温度每升高100K，NO的生成速率几乎翻倍。3）氧含量提高也是NO生成量增加。由于NO的生成反应慢，所以只有很少一部分NO产生于很薄的火焰反应带中，大部分NO在火焰离开后的已燃气体中成。p233114）点燃式内燃机的过量空气系数即影响燃烧温度，又影响产物中氧的含量，所以对NOx的排放影响很大。p2335）点火正时强烈影响点燃机的NOx排放量。推迟点火使最高燃烧温度降低，NOx的生成减少。6）残余废气系数增大时，燃烧温度下降，因而NOx下降。是降低NOx排放的主要手段。12点燃式内燃机中，排气微粒有三个来源：四，微粒1）含铅汽油燃料产生的铅化物；2）来自汽油中的硫产生的硫酸盐；3）不完全燃烧产生的炭烟。131）含铅汽油已逐渐淘汰，所以铅微粒已不是问题；2）一般汽油含硫量很低，而且随着排放标准的更加严格，将进一步限制含硫量，汽油机硫酸盐的排放一般很少。3）炭烟对于均质汽油机来说属于不正常现象，因为它只是出现在可燃混合气非常浓的情况下。141）柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度。2）当排气温度超过500度时，PM基本上是炭质微球的聚集体，一般称为炭烟（DS）。3）当排气温度较低时，炭烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分(SOF)。4)增加喷油器的喷孔数，提高喷油压力，改善燃油雾化，能促进燃油于空气的混合，改善油气混合的宏观和微观均匀性，从而减少DS的生成。15第三节内燃机的排放控制（一）曲轴箱排放物的控制一，点燃式内燃机点燃式内燃机运转是，燃烧室中的可燃混合气和已燃气体，在压缩——燃烧——膨胀过程中，或多或少会通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱空间内，称为窜气。16早期内燃机一般都通过机油加油口使曲轴箱与大气相通，进行“呼吸”，这就是开式曲轴箱通风系统。但是因为点燃式内燃机漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃HC及其不完全燃烧产物和少量CO、NOx等有害物质，排入大气会造成污染。为了防止曲轴箱排放物的危害，世界各国的车用汽油机采用曲轴箱强制通风系统，把曲轴箱排放物吸入进气管，进而在气缸内烧掉。17（二）蒸发排放物的控制汽油机的燃油系统由燃油箱、燃油管、燃油泵、燃油滤清器、化油器或汽油喷射部件等组成，它产生的蒸发排放物占车用汽油机总HC排放量的20％左右。汽油机的蒸发排放源于运转损失、热烤损失、昼夜损失和加油损失等。p239为了控制车用汽油机的HC蒸发排放，目前常用活性炭罐式蒸发排放控制系统来控制蒸发排放18（三）冷启动、暖机和怠速排放控制1）汽油机冷起动时，排放大量CO和HC。应增大起动机功率、提高起动转速，增大点火能量，缩短起动时间。采用进气自动加热系统，有助于改善暖机和寒冷天气运转时的混合器的形成。发动机的润滑系和冷却系的设计要保证发动机启动后尽快达到正常温度。2）为降低化油器式发动机的怠速排放，要进一步改进化油器怠速系统设计，提高其制造精度，改善怠速调整的一致性和耐久性。19二压燃式内燃机P2461）增压p2462）低排放燃油喷射系统p2473）气流组织和多气门技术p2494）低排放燃烧室p2505）排气再循环p25120第四节内燃机的排气后处理通过改进内燃机本身的设计和优化运行参数来降低污染物排放，有一定的限度。随着对内燃机低排放的要求不断严格，能兼顾动力性、经济性、排放的内燃机越来越复杂，成本急剧上升。因此，世界各国都先后开发排气后处理技术，在不影响或少影响内燃机其他性能的同时，降低最终向大气环境的排放。21一，效催化器结构P254外壳减振密封衬垫催化剂22•催化转换器(CatalyticConverter)，又叫催化净化器。该装置安在汽车的排气系统内，其作用是减少发动机排出的大部分废气污染物。三元催化转换器由一个金属外壳，一个网底架和一个催化层(含有铂、铑等贵重金属)组成，可除去HC(碳氢化合物)、CO(一氧化碳)和NOx(氮氧化合物)三种主要污染物质的90%(所谓三元是指除去这三种化合物时所发生的化学反应)。当废气经过净化器时，铂催化剂就会促使HC与CO氧化生成水蒸汽和二氧化碳；铑催化剂会促使NOx还原为氮气和氧气。这些氧化反应和还原反应只有在温度达到250℃时才开始进行。如果汽油或润滑油添加剂选用不当，使用了含铅的燃油添加剂或硫、磷、锌含量超标的机油添加剂，就会使磷、铅等物质覆盖于三元催化转换器的催化层表面，阻止废气中的有害成分与之接触而失去催化作用，这就是人们常说的三元催化器“中毒”。二、三效催化器原理23三效催化器化学反应P16524•带有氧传感器的三元催化转换器是汽车排放控制方面最重要的发明之一，它是在环保技术专家斯蒂芬·沃尔曼的领导下，由沃尔沃汽车公司在二十世纪70年代初开发出的。•1976年，当首批装有带有氧传感器的三元催化转换器的沃尔沃汽车抵达加利福尼亚时，当地官员亲自开到位于华盛顿国会山的美国国会，问了这样一个问题：“为什么像沃尔沃这样的小公司能够研制出这样的设备而美国汽车厂家却没有？”•三元催化转换器的发明者斯蒂芬·沃尔曼以其在沃尔沃汽车公司开创性的环保技术成就，被瑞典皇家汽车俱乐部授予ClarencevonRosen金质奖章。三元催化转换器的发明者:25三、三效催化器的工作特性转化效率P165：26空燃比特性p25627起燃特性p25628空速特性p257流动特性p257耐久特性p16729催化转换效率受很多因素的影响，最主要的因素是排气中的氧气浓度（也即进入缸内的混合气的空燃比）和催化转换器温度。另外，铅和硫等元素对催化转换器会造成非常负面的影响，因为铅和硫等会与催化活性物质作用形成新的结晶体结构或沉积在催化物质上面，从而破坏催化物质的表面活性，这就是所谓的催化器中毒，是影响催化器寿命的最为严重的物理现象。因此，使用催化转换器的前提是汽油的无铅化。硫主要对稀土类催化器的寿命有较大影响。影响催化转换效率的因素:30五、微粒捕积器p16831汽车排放与欧洲标准汽车排放是指从废气中排出的CO（一氧化碳）、HC＋NOx（碳氢化合物和氮氧化物）、PM（微粒，碳烟）等有害气体。它们都是发动机在燃烧作功过程中产生的有害气体。这些有害气体产生的原因各异，CO是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生CO，混合气浓度大及混合气不均匀都会使排气中的CO增加。HC是燃料中未燃烧的物质，由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。NOx是燃料（汽油）在燃烧过程中产生的一种物质。32PM也是燃油燃烧时缺氧产生的一种物质，其中以柴油机最明显。因为柴油机采用压燃方式，柴油在高温高压下裂解更容易产生大量肉眼看得见的碳烟。为了抑制这些有害气体的产生，促使汽车生产厂家改进产品以降低这些有害气体的产生源头，欧洲和美国都制定了相关的汽车排放标准。其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准，目前国产新车都会标明发动机废气排放达到的欧洲标准。33欧洲标准是由欧洲经济委员会（ECE）的排放法规和欧共体（EEC）的排放指令共同加以实现的，欧共体（EEC）即是现在的欧盟（EU）。排放法规由ECE参与国自愿认可，排放指令是EEC或EU参与国强制实施的。汽车排放的欧洲法规（指令）标准1992年前巳实施若干阶段，欧洲从1992年起开始实施欧Ⅰ（欧Ⅰ型式认证排放限值）、1996年起开始实施欧Ⅱ（欧Ⅱ型式认证和生产一致性排放限值）、2000年起开始实施欧Ⅲ（欧Ⅲ型式认证和生产一致性排放限值）、2005年起开始实施欧Ⅳ（欧Ⅳ型式认证和生产一致性排放限值）。34目前在我国新车常用的欧Ⅰ和欧Ⅱ标准等术语，是指当年EEC颁发的排放指令。例如适用于重型柴油车（质量大于3.5吨）的指令“EEC88/77”分为两个阶段实施，阶段A（即欧Ⅰ）适用于1993年10月以后注册的车辆；阶段B（即欧Ⅱ）适用于1995年10月以后注册的车辆。35汽车排放的欧洲法规（指令）标准的内容包括新开发车的型式认证试验和现生产车的生产一致性检查试验，从欧Ⅲ开始又增加了在用车的生产一致性检查。36汽车排放的欧洲法规（指令）标准的计量是以汽车发动机单位行驶距离的排污量（g/km）计算，因为这对研究汽车对环境的污染程度比较合理。同时，欧洲排放标准将汽车分为总质量不超过3500公斤（轻型车）和总质量超过3500公斤（重型车）两类。轻型车不管是汽油机或柴油机车，整车均在底盘测功机上进行试验。重型机由于车重，则用所装发动机在发动机台架上进行试验。373839404142