08第八章内燃机污染物的生成与控制.

第八章内燃机污染物的生成与控制第一节概述第二节污染物的生成机理和影响因素第三节内燃机的排放控制第四节内燃机排气后处理第五节排放测量和排放法规第一节概述内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时，将只产生CO2和H2O，没有其他有害产物。不过，高速内燃机燃烧过程占有的时间极短，可燃混合气不是完全均匀，燃料的氧化反应不可能完全。排气中会出现不完全燃烧产物，例如CO和未完全燃烧甚至完全未燃烧的碳氢化合物HC。在点燃式内燃机中，在某些工况（例如全负荷运转时），为了获得最大功率而不得不用浓混合气，导致CO排放大大增加；为了提高冷起动的可靠性，也得加浓混合气。内燃机最高燃烧温度达2000℃以上，又使空气中的氮在高温下氧化生成各种氮的氧化物。压燃式内燃机中，由于可燃混合气是在燃烧前和燃烧中的极短时间内形成的，混合不均匀程度比较严重，在高温高压环境下缺氧的燃油会发生裂解、脱氢，最后生成碳烟粒子。这些碳烟粒子又吸附了各种各样的未燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物，称为排气微粒。燃油中含有的硫使内燃机排放构成酸雨因素之一的SO2和SO3，用含铅汽油的汽油机会排出对神经系统有严重毒性的铅化物。排气污染物的危害（1）一氧化碳（2）碳氢化合物（3）氮氧化物（4）微粒（1）一氧化碳COCO是—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与血红蛋白结合生成碳基血红蛋白，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中CO的体积分数超过0．1％时．就会导致人体中毒；超过0．3％时，则可在30min内使人致命。（2）碳氢化合物HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物。如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的氧化衍生物。烯烃是与氮氧化物一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的“光化烟雾”的罪魁祸首之一。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃（PAH）及其衍生物有致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。（3）氮氧化物内燃机排放的氮氧化物绝大部分是一氧化氮NO，少量是二氧化氮NO2。—般用NOx表示。NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成NO2。NO2呈褐色，具有强烈的刺激味。对肺和心肌有很强的毒害作用。NOx是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一。（4）微粒排气中的微粒是指经空气稀释、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。柴油机排出的微粒大多小于0.3μm，其主要成分是碳及其吸附的有机物质。吸附物中有多种PAH（多环芳香烃），具有不同程度的致癌作用。污染物的评定指标（1）排放物体积分数和质量浓度单位排气体积中排放污染物的体积，称为排放物的体积分数，通常以％和10-6（百万分比）表示，质量浓度常用mg／m3等计量。（2）质量排放量在环境保护实践中，要求对污染物进行总量控制。因此，作为污染源的内燃机或装内燃机的车辆，要确定运转单位时间、按某标准进行一次测试或车辆按规定的工况组合行驶后折算到单位里程的污染物排放置。质量排放量用g/h、g／测试或g/km等单位表示。（3）比排放量内燃机每作单位功所排放的污染物质量，用g／（kW·h）作单位表示，当然可以更客观地评价内燃机的排放性能。这个指标与燃油消耗率类似，也可以称为污染物排放率。第二节污染物的生成机理和影响因素一、一氮化碳二、未燃碳氢化合物三、氮氧化物四、微粒一、一氮化碳CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数φa(图7—1)。在浓混合气中，（φa1），CO体积分数φco随Φa的减小不断增加；在稀混合气中(Φa＞1)，φco很低，只是在Φa＝1.0—1.1之间，CO随Φa略微变化。点燃式内燃机部分负荷运转时，混合气的Φa接近1，CO排放量不高。但多缸机如各缸Φa不同．仍会有的气缸Φa＜1，增加CO排放量。全负荷运转特别是冷起动时，混合气是浓的，Φa可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。发动机加速时如果加浓过多，或者减速时不断油，即在瞬态运转工况下供油量控制不精确，会导致CO排放量剧增。柴油机总是在稀混合气下运转(指平均过量空气系数大于1)，CO排放量要比点燃机低得多，只有在负荷很大接近冒烟界限时才急剧增加(图7—2)。二、未燃碳氢化合物点燃式内燃机未燃HC的生成与排放有三个渠道：1)排气：在气缸内的燃烧过程中生成并随排气排出。在二冲程汽油机中，由于用汽油空气混合气对气缸扫气，部分混合气通过气缸直接进入排气，导致未燃HC排放量比四冲程汽油机大好几倍。增压四冲程汽油机的HC排放量中有一部分也来源于气门叠开时的扫气。2)曲轴箱：从燃烧室通过活塞与气缸之间的各间隙漏人曲轴箱的窜气，含有大量HC，如果排入大气也构成HC排放物(称为曲轴箱排放物)。3)蒸发：从发动机和汽车的燃油系统，即汽油箱、化油器等处蒸发的汽油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物(称为蒸发排放物)。柴油机排放的未燃HC则完全由燃烧过程产生。碳氢化合物的种类总碳氢（THC）种类很多，在大气对流层的光化学反应活性不一：甲烷在这方面为惰性，因此，美国排放法规中采用非甲烷碳氢化合物（NMHC）；除此之外，还有如醇类、酮类、醛类、酚类、酯类及其衍生物，这些活性更强。活性的不含氧和含氧有机物通称非甲烷有机气体（NMOG）。对汽油机而言，羟基混合物一般只占THC排放物的百分之几；而柴油机中，光醛类就占THC的10%左右，而且醛类中，甲醛约占20%。汽油与空气的均匀混合气在过量空气系数Φa=1时燃烧时，根据化学反应动力学，基本上不产生未燃HC，但实际发动机中不是这样(图7—3)。即使Φa=1，HC也有相当大的数值，并随Φa的减小而迅速增加。当混合气过稀，由于燃烧恶化，甚至有些循环缺火会使HC急剧增加，只有采取特殊措施(如组织快燃)才可能缓和这种趋势。汽油机HC生成主要原因主要原因1．壁面淬熄2、狭隙效应3、润滑油膜的吸附与解吸4、燃烧室中沉积物的影响其他原因1、大容积淬熄2、发动机缺火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很多，因而受壁面冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小。这是柴油机HC排放较低的原因。柴油机燃烧室中由喷油器喷入的柴油与空气形成的混合气可能太稀或太浓，使柴油不能自燃，或火焰不能传播。如在喷油初期的滞燃期内，可能因为油气混合太快使混合气过稀，造成未燃HC。在喷油后期的高温燃气气氛中，可能因为油气混合不足使混合气过浓，或者由于燃烧淬熄产生不完全燃烧产物随排气排出，但这时较重的HC多被碳烟微粒吸附，构成微粒的一部分。柴油机未燃HC的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气地区，结果造成柴油机怠速或小负荷运转时的HC排放高于全负荷工况。喷油器的压力室容积对HC排放的影响。火焰在壁面上淬熄也是柴油机HC排放的一个来源，它取决于柴油喷注与燃烧室壁面的碰撞情况。但在冷起动时，大且未燃HC以微粒状排出，排气冒“白烟”。柴油机HC生成主要原因三、氮氧化物内燃机排故的氯氧化物NOx主要是一氧化氮NO。NO的主要来源是参与燃烧的串气中的氮。汽油和轻柴油本身含氮很少，不足以产生显著的NOx排放。从大气氮生成NO的化学机理是泽耳多维奇(Zeldovitch)机理。在化学当量混合比(Φa＝1)附近，导致生成和消失NO的主要反应为：O22ON2+ONO+NO2+NNO+OOH+NNO+ONO生成随温度升高而呈指数函数剧烈上升；当温度低于1800K时，NO生成速率极低；大致可以认为温度没升高100K，NO生成速率几乎翻一番；氧含量提高会使NO的生成量增加；NO生成反应比燃料燃烧反应慢，大部分NO在火焰离开之后的已燃气体中形成；如果反应在高温停留时间不足，则NO达不到平衡，使NO排放减少。NOx生成规律点燃式内燃机NO生成主要因素分析过量空气系数既影响燃烧温度，又影响燃烧产物中的氧含量，所以对NOx排放影响很大。点火正时强烈影响NOx的排放量。残余废气对于NOx的排放也有较大影响。点燃机最高燃烧温度与负荷具有顺变关系。接近全负荷时混合其加浓，NOx下降。缸内最高们燃烧温度是决定NOx生成量的最重要因素；NOx排放随负荷的增加而增加；转速对NOx的影响较小；喷油正时对燃烧过程有较大影响，推迟喷油是最高燃烧温度和压力下降，燃烧柔和，NOx生成量减小。采用EGR也是降低NOx的重要手段。压燃式内燃机NOx生成主要因素分析见图随着负荷增加，空然比减小，Tmax增加，NOx增加负荷超过一定研读时，NOx下降，因为相对缺氧导致燃烧恶化转速对于NOx的影响比负荷的影响小四、微粒点燃式内燃机点燃式内燃机中，含铅汽油的铅、汽油中硫造成的硫酸盐和不完全燃烧产生的碳烟是排气微粒的主要成分。用含铅0．15g/L的汽油时，排放微粒100~150mg／km，其中一半左右是铅。如果用无铅汽油，加上汽油含硫量一般都很低，可以认为点燃式内燃机基本上不排放微粒。压燃式内燃机柴油机的微粒排放量要比汽油机大几十倍。轿车和轻型汽车的柴油机，PM排放在0.1~1.0g/km数量级，对于重型车柴油机，PM排放在0.1~1.0g/(kW.h)数量级。柴油机微粒的成分取决于运转工况。当排气温度约500度时，PM基本上是碳质微球的聚集体，一般称为碳烟（DrySoot-DS）；当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分(SOF----SolubleOrganicFraction)柴油机PM生成因素分析DS的生成条件式高温和缺氧：燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙烯及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心。气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚，以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大，成为直径20—30nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1μm以下的球团状或链状的聚集物。柴油机PM生成因素分析图8-7为一些烃类燃料在实验室燃烧器条件下生成DS的温度和过量空气系数的关系。DS在极浓的混合气中生成，且在1600~1700K之间达到最大值。DS在整个生成过程中同时方式氧化，但要求最低温度伟700~800度。柴油机PM生成因素分析柴油机PM生成过程的最后阶段，是组成SOF的重质有机化合物在气缸内燃气排出并被空气稀释时，通过媳妇和凝结向DS覆盖。最容易凝结的是未燃燃油中的重馏分、为不完全燃烧的有机物和窜入燃烧室的润滑油。为了减小润滑油导致的PM排放，在确保工作可靠性的前提下，减小润滑油的消耗；来自燃油的SOF与柴油机的未燃HC有关，减少HC排放，也可一减小SOF排放。但降低PM的核心问题时减小DS的生成。所以改善柴油机油气混合均匀性十分重要。柴油机PM生成因素分析图8-8为柴油机PM排放质量浓度随负荷变化的关系。柴油机PM生成因素分析涡轮增压可以大大增加柴油机的充气量，提高空然比，因而显著降低PM的排放。现代柴油机基本上都是增压发动机。增加喷油器喷孔数目（相应减小喷孔直径），提高喷油压力，改善燃油雾化，能够促进燃油一与空气的混合，改善油气混合的宏观和微观均匀性，从而减少DS的排放。第三节内燃机的排放控制一、点燃式内燃机二、柴油机一、点燃式内燃机（一）曲轴箱排放物控制系统（二）燃油蒸发物控制系统（三）冷启动、暖机和怠速排放控制（四）低排放燃料供给系统（五）低排放点火系统（六）低排放燃烧系统（七）排气再循环（一）曲轴箱排放物控制系统进气真空度大时（怠速、小负荷），斜槽有效流通面积减小，通风量减小。进气真空度小时（如发动机大幅和时），斜槽有效流通面积变大，通风量增加。（二）蒸发排放物的控制汽油机燃油系统产生的阵法排放物占车