07第七章内燃机污染物的生成与控制-2007

内燃机污染物的生成与控制简介BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY北京理工大学内燃机燃料：碳氢化合物完全燃烧：CO2、H2O主要有害污染物：CO、HC、NOx、碳烟PM一概述（1）发动机转速很高，混合、燃烧时间极短，出现熄火，未燃产物HC（2）汽油机起动、大负荷、变工况用浓混合气，导致不完全燃烧CO（3）燃烧最高温度1800℃以上，空气中的氮氧化成各种氮的氧化物NOx（4）柴油机混合的不均匀性，在高温下缺氧燃料发生裂解、脱氧碳烟颗粒（微粒子）PM1）CO和血液中的输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍。CO与血红蛋白结合生成羰基血红蛋白，剥夺了对人体的供氧能力。空气中CO的体积分数超过0.1％，导致人体中毒，超过0.3％，30min内致命。2）NOx发动机排出的NOx，绝大部分为NO，NO在大气中缓慢变成NO2，对肺和心肌有很强的毒性作用，是地面附近形成光化烟雾的主要因素。3）HC对血液和神经系统有害，对呼吸道、眼睛粘膜有刺激、毒性，是形成光化烟雾的罪魁祸首之一。4）PM柴油机排出的微粒大多≤0.3μm，具有不同程度的致癌作用污染物对人体的危害性羰tang基–C=O–城市光化学污染问题机动车排放的NOX和挥发性有机物在大气中进一步反应，形成淡兰色的烟雾，直接刺激人的呼吸系统，并对心血管等系统造成损害。1998年，北京曾出现光化学烟雾事件2001年，南宁也发生了光化学烟雾事件1）体积分数单位排气体积中排放污染物的体积，通常以％和10－6（百万分比ppm）表示质量浓度常用mg/m3表示2）质量浓度对于装有发动机的某些轻型车辆，按排放法规条例，不对发动机作专门排放测试，进行整车道路工况法模拟测试，质量排放量用g/km单位表示3）比排放量对于中、大型的发动机及车辆，按排放法规条例规定，采用台架测试的方法，即在测定功率的同时，测出其有害排放物，用g/(kW.h)作单位表示排放产物的单位机理：缺氧φa~1。燃料氧化形成CO的速度很快，缺氧也能很快氧化成CO；但COCO2的速度较缓慢。汽油机：①φa~1②多缸机各缸进气量的不均匀性，引起各缸浓度的差异，浓度过大，CO③点燃式内燃机会在用浓混合气工况（起动、大负荷、变工况），导致CO增大柴油机：柴油机在大负荷和接近冒烟界限时，CO比较结果：汽油机CO的排放量是柴油机的数十倍二污染物的生成机理和影响因素1、一氧化碳CO降低CO的技术措施汽油机：①三效催化转换器+氧传感器+闭环控制。②保证φa=1、催化器起作用温度、防中毒(铅、硫、磷)③稀薄燃烧技术④缩短高排放工况：冷起动(点火能量、起动功率)、怠速转速柴油机：①高负荷限油催化转化器的基本构造1－壳体；2－减振密封衬垫；3－载体与催化剂2、未燃碳氢化合物CH机理：未燃。汽油机：①燃烧产生。a壁面对火焰的冷激效应(单壁、双壁)50~70%；b油膜和沉积物吸附~25%+~10%；c容积淬熄；d缝隙效应。②扫气短路（二冲程机、增压）③泄露(曲轴箱排放)④燃油系统中汽油蒸气⑤机油柴油机：①喷注外缘过稀熄火②喷油器压力室容积过大，引起膨胀过程中的滴油或汽化现象③冷起动白烟(未燃HC微粒)④机油比较结果：汽油机CH的排放量是柴油机的数十倍（燃烧产物少，但机油）理由：①柴油是燃烧前喷入的在缸内停留时间短：冷激、吸附等均较小②柴油扫气短路、蒸发很少降低CH的技术措施汽油机：①三效催化转换器②吸附催化转换器③点火能量、燃烧室紧凑、火花塞中置(燃速快)④缩短高排放工况：冷起动、怠速⑤解决或缓解：扫气短路（二冲程机、增压）；泄露(曲轴箱排放)；燃油系统中汽油蒸气；机油消耗柴油机：①减小喷油器压力室容积②提高燃烧室壁温③改善冷起动性④降低机油消耗(环、配缸间隙等)3、氮氧化物NOx机理：高温、富氧、作用时间长。汽油机：①缸内瞬时最高温度可达2800K，导致稀混合气的工作气缸NOx②汽油机虽然φa≤1，但各缸充量可能不均匀③高温持续曲轴转角较长柴油机：①柴油机φa≧1，缸内瞬时最高温度可达2200K②转速又比汽油机低，高温、富氧同时作用的时间相对较长柴油机几乎所有的NOx都是在燃烧开始后20°CA（速燃期）内生成的（温度高、不缺氧）比较结果：汽油机、柴油机NOx的排放量大致相当（汽油机稍高）理由：①汽油机最高燃烧温度高很多降低NOx的技术措施汽油机：①三效催化转换器②稀薄燃烧技术③EGR(冷却)，最大EGR率15~20%④推迟点火⑤喷水，加CO2柴油机：①降低燃烧温度：a、延迟喷射；b、低涡流比；c、EGR(冷却),最大EGR率40%；d、增压与中冷；e、滞燃期内的低喷油率(预喷)②后处理：还原催化器（硫中毒）（吸附式）③排气加氨SCR4、C微粒PM机理：高温、缺氧汽油机：①汽油的化学稳定性高②汽油机PM的排放量取决于汽油含铅量，含铅0.15g/L,排放微粒100～150，如用无铅汽油，且汽油含硫量又较低，认为汽油机基本上不排放微粒。柴油机：①燃料中的烃分子在高温、缺氧下发生氧化和热裂解，生成不饱和的烃类，不断脱氧、聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心，其相互间碰撞、凝聚，堆积成直径1μm球团状或链状的聚集物。②在扩散燃烧期内处于边喷射、边混合、边燃烧状态，混合极不均匀，在φa≤0.6、温度T＞1600K区间内生成PM比较结果：柴油机PM的排放量是汽油机的数十倍理由：①柴油机为非均质燃烧，易造成局部缺氧②柴油化学稳定性差；燃烧初期形成大量游离C，后期温度低氧化弱降低PM的技术措施汽油机：①无铅②脱S、脱磷③脱杂质柴油机：柴油机C烟(微粒子=C颗粒+~50%CH)①改进混合与燃烧：a.高压喷射；b紊流燃烧；c缩口型燃烧室；d改进进排气系统②排气后处理：颗粒收集和催化微粒捕集器（DieselParticulateFilter——DPF）③燃料脱硫与脱杂质；低残碳值柴油④降低HC排放⑤降低机油消耗壁流式蜂窝陶瓷DPF1－陶瓷滤芯；2－再生用电热丝三汽油机排气污染控制技术1智能化的电子控制燃油喷射系统–精确控制空燃比2三效催化转换器的使用–空燃比、温度3优化设计和精心制造发动机1）采用半球形燃烧室-传播距离短2）合理提高压缩比3）采用上置式液压挺柱凸轮轴配气机构4）采用高能点火能量系统-35kV，延长放电时间5）采用可变配气机构–可变气门定时、可变气门升程、关闭部分气门、可变排量6）采用可变谐振效应的进气管–可变进气管长度、采用可变谐振系统7）精心制造–刚度匹配、缸套变形8）适当降低最高转速–影响充量系数、燃烧速度9）适当提高怠速转速–怠速速度越低，热状态越低，要求混合气越浓4采用废气涡轮增压（中冷）技术–（减排量、部分负荷特性、降排）5废气再循环6稀薄燃烧及缸内直喷式技术7清洁燃料8汽车蒸发污染物的收集三柴油机排气污染控制技术1提高喷射压力2增加喷油器的喷孔数，减小孔径3采用无压力室喷油器4适当减小进气涡流——由于大幅度提高喷压5燃烧室口径比的合理确定——大小与收口情况6油、气、室的三者匹配7采用多气门技术8采用泵喷嘴燃油喷射系统——供断油迅速、不易出现非正常燃烧9电控共轨燃油喷射系统的应用10高性能可变几何增压（中冷）技术——改善加速、低速特性11柴油机的排气再循环——EGR降低NOx12柴油燃料的改进——提高十六烷值、降低含硫量、降低芳香烃含量13清洁燃料的应用14均匀充量压缩燃烧（HCCI）技术15微粒捕集器