内燃机原理内燃机的排放与控制

内燃机的排放与控制1内燃机排放与环境污染2内燃机的排气净化技术1内燃机排放与环境污染内燃机排放－主要是指内燃机燃料燃烧后的产物向大气环境的扩散。完全燃烧产物的基本成分是：（1）二氧化碳（2）水蒸汽（3）剩余的氧气（4）残留的氮气对人类无直接危害，是无害排放物。不完全燃烧产物和燃烧中间产物的基本成分是：1、CO2、HC3、NOx5、颗粒物6、醛类4、SO2对人类有直接或间接危害，是有害排放物。一、内燃机排气中有毒成分的危害1、CO2、HC3、NOx4、微粒5、臭气6、硫的氧化物1、COCO是无色、无味的易燃有毒气体，也是空气中最主要的污染物。CO在氧气不足的情况下产生，其浓度主要受到过量空气系数的影响。2、HC城市中HC对人体健康无害，但能导致生成有害的光化学烟雾。（1）在燃烧过程中生成并随排气排出；（2）曲轴箱窜气；（3）燃油蒸发。3、NOxNOx种类繁多，内燃机排气中最重要的是NO和NO2，两者都具有毒性，对环境会造成危害，是值得重视的有害排放物。NO2是一种褐色气体，有特殊刺激性臭味，是构成内燃机排气臭味的物质成分之一。在燃烧高温期，燃烧室空气中的氧和氮化合形成。NO和血红素的结合比CO还要强烈，高浓度的NO能引起中枢神经痉挛及瘫痪。4、微粒微粒是指空气中分散的液态或固态物质，其粒度在分子级，包括气溶胶、烟、尘、雾和炭烟等。炭烟是在高温和缺氧的条件下生成的。一般肉眼可分辨的微粒直径在100μm以上。气溶胶是悬浮于空气中的固态微粒，其直径一般小于1μm；烟是指小于1μm的固体微粒；尘是指大于10μm的固体微粒迅速沉降而形成；雾是液体微粒，其直径可达100μm；炭烟是指极细的可集成一串的微粒，粒径0.1～10μm（2.5）。5、臭气构成排气中臭气的成分：一是，O3、NO2；二是，燃料的不完全燃烧产物，如甲醛、丙烯醛等。刺激人的眼粘膜，产生不舒服感。6、硫的氧化物主要是SO2，其数量由燃料的含硫量决定。一般来说，柴油机比汽油机排气中的SO2多。二、光化学烟雾上述排气中所含的有毒物质都是内燃机直接排出的污染物，称为一次污染物。当其中的HC和NOx排入大气后，在太阳光作用下经光化学反应而生成的刺激性产物，成为二次污染物，即光化学烟雾。光化学烟雾一般发生在逆温层和低风速、空气接近停滞状态、阳光充足的气象条件下。三、各种污染物危害比较最新的研究结果证实，对人体健康的影响以空气中细小颗粒物PM2.5污染最为严重，其次是SO2污染，NOx污染的影响相对较弱。四、大气质量和内燃机排放标准世界卫生组织将大气质量划分为四个等级，各国均以此为依据，按照本国的实际情况制定大气质量标准。我国于1996年颁布了大气环境质量标准GB3095－96，规定环境空气中主要污染物为：SO2、总悬浮微粒TSP、可吸入颗粒物IP、NOx、CO2、CO、O3、铅、苯并[α]芘和氟化物。大气环境质量标准GB3095－96把大气环境质量标准分为三级：一级标准指为保护自然生态和人群健康，在长期接触情况下，不发生任何危害及影响的空气质量要求；二级标准指为保护人群健康和城市、乡村动植物在长期和短期接触情况下，不发生伤害的空气质量要求；三级标准指为保护人群不发生急、慢性中毒和城市一般动植物（敏感者除外）能正常生长的空气质量要求。目前，国际上主要有三种内燃机排放标准：1、美国联邦标准2、日本标准3、欧洲经济委员会标准8.2内燃机的排气净化技术一、排气净化净化的基本思路二、机内净化的主要途径三、机后净化的技术措施一、排气净化的基本思路（1）燃料燃烧状况是影响内燃机排气成分的决定性因素难点一：改善燃烧过程CO、HC和颗粒物排放量减少；NOx排放量增加。（2）燃料燃烧状况也是影响内燃机性能的决定性因素难点二：降低燃烧温度NOx排放量降低热效率下降，燃油消耗率增加（3）柴油机和汽油机在排气净化的侧重点上不同柴油机的排气净化主要针对NOx和颗粒物；汽油机的排气净化主要针对CO、HC和NOx。（4）净化方式机前处理－对进入内燃机缸内的燃料或空气作有利于减少有害排放物生成的预处理。机后处理－对内燃机有害排放物在进入大气前所作的处理，以进一步降低排气中有害成分的含量。机内净化－从有害排放物的源头着手，采取降低排气有害成分的有效措施。二、机内净化的主要途径内燃机自身性能的改善对排放的控制十分重要。机内净化涉及内容较多，这里，只能介绍一些机内净化的要点，更全面的内容可参阅有关文献和书籍。1、汽油机汽油机的排气净化主要针对CO、HC和NOx，其主要净化途径有：（1）改进燃烧系统（2）减小点火提前角（3）废气再循环（4）电控燃油喷射系统（1）改进燃烧系统1）燃烧室形状紧凑形燃烧室、快速燃烧加上优化的EGR率和点火定时，使发动机的动力性、经济性、排放性能之间获得最佳折中。采用多气门技术和涡轮增压技术，可以改善动力性和经济性，也可以降低CO2和污染物的比排放量。2）压缩比3）火花塞位置较高的压缩比带来与紧凑形燃烧室类似的优点。把火花塞布置在气缸中央，缩短火焰传播路径，加速燃烧过程，带来与紧凑形燃烧室同样的优点。4）采用稀薄燃烧系统必须采用分层燃烧技术和提高点火能量。燃烧温度降低，抑制了NOx的生成；燃烧较完全，减少了HC和CO的产生。（2）减小点火提前角点火推迟，HC、CO和NOx的排放量均可减少。注意：在怠速工况时，可有效减少排污，也有利于怠速的稳定。正常工作时，不能有过多的推迟。（3）排气再循环排气再循环（ExhaustGasRecirculation，EGR）就是将发动机排出的部分废气引入进气管，与新鲜混合气混合后进入气缸，利用废气中所含有大量的化学惰性气体（CO2、N2、H2O等）不参与燃烧却能吸收热量的特点，稀释混合气的氧浓度并降低燃烧温度，从而减少NOx的排放量。1、排气再循环系统的分类（1）内部废气再循环系统通过改变配气正时实现，即在进排气门同时开启时，使一部分废气回流入气缸内。（2）外部废气再循环系统利用专用管道将废气引入进气歧管，使废气与新鲜充量在进入气缸前充分混合。2、排气再循环系统的控制策略通常用排气再循环率来衡量废气的引入量，即：％气体量吸入的空气量＋气体量率＝100EGREGREGR为了保证发动机运转性能良好的同时达到最佳的NOx净化效果，必须对发动机不同工况下的排气再循环量进行控制。EGR系统要随发动机工况、排放性能和经济性的要求、控制系统的精度和可靠性等来调节EGR率，使发动机性能获得最佳折中，如：1）EGR率随汽油机负荷增加而增加，一般不超过20％；2）在起动、怠速、暖机、小负荷和大负荷时，不进行EGR过程；3）采用电子控制EGR阀系统精确地控制EGR率。（4）电控燃油喷射系统采用电子控制汽油喷射系统，可以精确控制汽油机在各种工况下的混合气浓度，是减少车用汽油机排放的最有效措施，还可以改善经济性和动力性。2、柴油机柴油机的排放控制，重点是NOx和微粒，其次是HC，难度较大：一是，降低微粒和HC排放与改善燃烧过程完全一致，而NOx排放却与之矛盾；二是，排气后处理技术还未达到实用阶段，主要依靠机内净化技术来降低排放污染。柴油机的燃烧过程可分为：预混合燃烧NOx排放量扩散燃烧微粒排放量柴油机技术的发展趋势是提高喷油压力，降低进气涡流强度，以减小进气损失，配合多孔数、小孔径喷油器来获得良好的混合气。（1）燃烧方式和燃烧室形状如图所示，现代车用增压柴油机排放物的负荷特性：（2）喷油器在喷油嘴设计时应适当减小或取消压力室容积。（3）气流组织和多气门技术多气门技术扩大了进、排气门的总流通截面积，喷油器垂直布置在气缸轴线上，有利于燃油在燃烧室空间中均匀分布，改善了喷油器的冷却情况和活塞热应力。如图所示，是一台6缸、10L、4气门增压重型车用柴油机实现低排放和高经济性的技术措施：（4）废气再循环柴油机也可以通过废气再循环来降低NOx排放：柴油机所用EGR系统与汽油机类似。柴油机允许并需要较大的EGR率来降低NOx排放，如直喷式柴油机的EGR率可以超过40％；非直喷式柴油机的EGR率可达20％。注意：1）为了防止产生较多的微粒，一般在中、低负荷时用较大的EGR率；3）为了保证较多的新鲜空气充量，当转速提高时要降低EGR率；4）采用冷废气再循环，可以提高降低NOx排放的效果。2）为了保证性能，在全负荷时不进行EGR过程；（5）增压采用增压可以提高柴油机的过量空气系数和进气温度，因而CO、HC及炭烟的排放均可降低，但NOx有所增加。增压中冷技术，既能全面降低排污，又能提高性能指标。（6）改善喷油特性1）减小喷油提前角降低NOx生成量的主要措施就是推迟喷油。缺点是经济性下降，全负荷时炭烟排放量增加；分隔式燃烧室，低负荷时不易着火，导致HC排放量增加。2）合理的喷油规律为促使理想的燃烧过程，喷油应该“先缓后急”，即为了实现“先缓后急”的喷油规律，以降低柴油机NOx排放和燃烧噪声，可以采用双弹簧喷油器:3）提高喷油压力高压喷射使混合气浓度分布更均匀，从而改善了炭烟排放和热效率。但是，高压喷射也会使NOx有所增加。4）电控燃油喷射系统电控燃油喷射系统可进行喷射系统各参数的调节，选定最佳的喷射定时和喷油量；可控制喷射特性，实现更为合理的喷油规律；可优化燃烧过程，使柴油机在动力性、经济性和排放性能上达到最佳的折中；能实现高压喷射等，表现出无可比拟的优点。三、机后净化的技术措施燃气从缸内排出后，机后处理可进一步减少排气中的有害成分，其中包括：1、排气热反应器2、排气催化反应器3、微粒过滤器4、防止汽油蒸发装置1、排气热反应器热反应器装在内燃机排气道的出口处，它可以进一步氧化排气中的HC和CO，常与外源空气喷射连用。2、排气催化反应器一般内燃机起动后2min内反应不会起作用，大致预热4～5min后才起作用。1）氧化催化反应器在欧洲的应用较为普遍，技术上比较成熟，主要用来消除微粒中可溶性物质（SOF）及HC、CO，一般用贵金属铂、钯作催化剂，浸渍在载体上。应用氧化催化反应器后，HC、CO的氧化率可达到50％左右，微粒物减少40％左右。2）还原催化反应器利用排气中的CO、HC和H2等作为还原剂，使NOx完全还原。催化剂有：金属氧化物、贵金属。3）三效催化反应器目前，常采用双床催化反应器同时对HC、CO和NOx三种有害排放物进行处理：需要提高空燃比的控制精度，使其尽可能地维持在理论空燃比为中心的非常狭窄的范围内。为了获得三元催化转化器所要求的空燃比，必须借助氧传感器送来的反馈信号，对空燃比进行反馈控制。3、微粒过滤器工作原理：先用收集器过滤废气中的微粒物质，然后，通过对收集的微粒的氧化来清洁捕集器。微粒过滤器的应用难点：第一，过滤器的安装使排气背压增大，并且随着收集微粒物的增加而增大，将导致柴油机性能下降；第二，在一般柴油机运转条件下收集的微粒物不能点燃及氧化；第三，微粒物质被点燃之后，容易造成温度过高，损伤或烧坏过滤器。4、防止汽油蒸发装置1）曲轴箱强制通风封闭系统（PCV）从空气滤清器引出一股新鲜空气进入曲轴箱，再经流量调节阀（PCV阀）把窜入曲轴箱的气体和空气的混合气一起吸入气缸烧掉。2）燃油蒸发排放控制系统为了防止燃油蒸气扩散到空气中，常用活性炭罐作为汽油蒸气的暂存空间，实现对汽油蒸发排放物的控制。