1、第七章第七章 內(nèi)燃機(jī)污染物的生成與控制內(nèi)燃機(jī)污染物的生成與控制第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述v內(nèi)燃機(jī)用碳?xì)浠衔锶剂显谌紵覂?nèi)完全燃燒時，將只產(chǎn)生CO2和H2O，沒有其他有害產(chǎn)物。不過，高速內(nèi)燃機(jī)燃燒過程占有的時間極短，可燃混合氣不是完全均勻，燃料的氧化反應(yīng)不可能完全。排氣中會出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)物，例如CO和未完全燃燒甚至完全未燃燒的碳?xì)浠衔颒C。v在中，在某些工況（例如全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時），為了獲得最大功率而不得不用濃混合氣，導(dǎo)致CO排放大大增加；為了提高冷起動的可靠性，也得加濃混合氣。內(nèi)燃機(jī)最高燃燒溫度達(dá)2000以上，又使空氣中的氮在高溫下氧化生成各種氮的氧化物。 中，由于可燃混合氣是在燃燒前和燃燒中

2、的極短時間內(nèi)形成的，混合不均勻程度比較嚴(yán)重，在高溫高壓環(huán)境下缺氧的燃油會發(fā)生裂解、脫氫，最后生成碳煙粒子。這些碳煙粒子又吸附了各種各樣的未燃燒或不完全燃燒的重質(zhì)碳?xì)浠衔铮Q為排氣微粒。v燃油中含有的硫使內(nèi)燃機(jī)排放構(gòu)成酸雨因素之一的SOSO2 2和和SOSO3 3，用含鉛汽油的汽油機(jī)會排出對神經(jīng)系統(tǒng)有嚴(yán)重毒性的鉛化物鉛化物。排氣污染物的危害v（1）一氧化碳COv（2）碳?xì)浠衔颒Cv（3） 氮氧化物v（4） 微 粒（1） 一氧化碳COvCO是種無色無味的氣體，它和血液中輸送氧的載體血紅蛋白的親和力是氧的240倍。CO與血紅蛋白結(jié)合生成碳基血紅蛋白，就剝奪了血紅蛋白對人體組織的供氧能力。空氣中C

3、O的體積分?jǐn)?shù)超過01時就會導(dǎo)致人體中毒；超過03時，則可在30min內(nèi)使人致命。（2）碳?xì)浠衔颒C HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧化產(chǎn)物。如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數(shù)百種成分。v烷烴基本上無味，對人體健康不產(chǎn)生直接影響。v烯烴略帶甜味，有麻醉作用，對粘膜有刺激，經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化會變成對基因有毒的氧化衍生物。烯烴是與氮氧化物一起在太陽光的紫外線作用下形成有毒的“光化煙霧”的罪魁禍?zhǔn)字弧芳香烴對血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害，特別是多環(huán)芳香烴（PAH）及其衍生物有致癌作用。v醛類是刺激性物質(zhì)，對眼、呼吸道、血液有毒害。（3） 氮氧化物 內(nèi)燃機(jī)排放的氮氧化物絕大部分是一氧化氮NO

4、，少量是二氧化氮NO2。般用NOx表示。vNO是無色氣體，本身毒性不大，但在大氣中緩慢氧化成NO2。vNO2呈褐色，具有強(qiáng)烈的刺激味。對肺和心肌有很強(qiáng)的毒害作用。NOx是在地面附近形成光化煙霧的主要因素之一。（4） 微粒是指經(jīng)空氣稀釋、溫度降到52后用涂有聚四氖乙烯的玻璃纖維濾紙收集的除水以外的物質(zhì)。柴油機(jī)排出的微粒大多小于0.3m，其主要成分是碳及其吸附的有機(jī)物質(zhì)。吸附物中有多種PAH，具有不同程度的致癌作用。v（1）排放物體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度 單位排氣體積中排放污染物的體積，稱為排放物的體積分?jǐn)?shù)，通常以表示，質(zhì)量濃度常用mgm3等計(jì)量。v（2）質(zhì)量排放量 在環(huán)境保護(hù)實(shí)踐中，要求對污染物進(jìn)行總

5、量控制。因此，作為污染源的內(nèi)燃機(jī)或裝內(nèi)燃機(jī)的車輛，要確定運(yùn)轉(zhuǎn)單位時間、按某標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一次測試或車輛按規(guī)定的工況組合行駛后折算到單位里程的污染物排放置。質(zhì)量排放量用g/h、等單位表示。v（3） 內(nèi)燃機(jī)每作單位功所排放的污染物質(zhì)量，用作單位表示，當(dāng)然可以更客觀地評價(jià)內(nèi)燃機(jī)的排放性能。這個指標(biāo)與燃油消耗率類似，也可以稱為污染物排放率。 v一、一氮化碳一、一氮化碳v二、未燃碳?xì)浠衔飗三、氮氧化物v四、微粒vCO是碳?xì)浠衔锶剂显谌紵^程中生成是碳?xì)浠衔锶剂显谌紵^程中生成的重要的中間產(chǎn)物。的重要的中間產(chǎn)物。v控制控制CO排放量的主要因素是可燃混合氣排放量的主要因素是可燃混合氣的過量空氣系數(shù)的過量空氣

6、系數(shù)a(圖圖71)。在濃混合氣。在濃混合氣中，（中，（a1），），CO體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)co隨隨a的的減小不斷增加；在稀混合氣中減小不斷增加；在稀混合氣中(a1)，co很低，只是在很低，只是在a1.01.1之間，之間，CO隨隨a略微變化。略微變化。 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，混合氣的a接近1，CO排放量不高。但多缸機(jī)如各缸a不同仍會有的氣缸a1，增加CO排放量。全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)特別是冷起動時，混合氣是濃的，a可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。發(fā)動機(jī)加速時如果加濃過多，或者減速時不斷油，即在瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下供油量控制不精確，會導(dǎo)致CO排放量劇增。v柴油機(jī)總是在稀混合氣下運(yùn)轉(zhuǎn)(指平均過量空氣系數(shù)大于1

7、)，CO排放量要比點(diǎn)燃機(jī)低得多，只有在負(fù)荷很大接近冒煙界限時才急劇增加(圖72)。二、未燃碳?xì)浠衔飗點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)未燃HC的生成與排放有三個渠道： 1)在氣缸內(nèi)的中生成并隨排氣排出。在二沖程汽油機(jī)中，由于用汽油空氣混合氣對氣缸掃氣，部分混合氣通過氣缸直接進(jìn)入排氣，導(dǎo)致未燃HC排放量比四沖程汽油機(jī)大好幾倍。增壓四沖程汽油機(jī)的HC排放量中有一部分也來源于氣門疊開時的掃氣。 2)從燃燒室通過活塞與氣缸之間的各間隙漏人曲軸箱的竄氣，含有大量HC，如果排入大氣也構(gòu)成HC排放物(稱為)。 3)從發(fā)動機(jī)和汽車的燃油系統(tǒng)，即汽油箱、化油器等處蒸發(fā)的汽油蒸氣，如果排入大氣同樣構(gòu)成HC排放物(稱為)。v 柴油機(jī)排

8、故的未燃HC則完全由產(chǎn)生。(一)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)汽油與空氣的均勻混合氣在過量空氣系數(shù)a=1時燃燒時，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，基本上不產(chǎn)生未燃HC，但實(shí)際發(fā)動機(jī)中不是這樣(圖73)。即使a=1，HC也有相當(dāng)大的數(shù)值，并隨a的減小而迅速增加。當(dāng)混合氣過稀，由于燃燒惡化，甚至有些循環(huán)缺火會使HC急劇增加，只有采取特殊措施(如組織快燃)才可能緩和這種趨勢。HC生成機(jī)理v1冷激效應(yīng) 燃燒室壁面對火焰的迅速冷卻(稱為冷激或淬冷)使火焰中產(chǎn)生的活性自由基復(fù)合，燃燒鏈反應(yīng)中斷，使化學(xué)反應(yīng)緩慢或停止。 狹隙效應(yīng)是冷激效應(yīng)的主要表現(xiàn)。汽油機(jī)燃燒室中各種狹窄的縫隙v2油膜和沉積物吸附v3容積淬熄 在冷起動和暖機(jī)工況下，因發(fā)

9、動機(jī)溫度較低致使燃油霧化、蒸發(fā)和混合氣形成變差。從而導(dǎo)致燃燒變慢或不穩(wěn)定，有可能使火焰在到達(dá)壁面前因膨脹使缸內(nèi)氣體溫度和壓力下降造成可燃混合氣大容積淬熄，使HC排放激增。v4碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?錯過發(fā)動機(jī)主要燃燒過程的碳?xì)浠衔铮瑫匦聰U(kuò)散到高溫的已燃?xì)怏w主流中，很快被氧化，至少是部分被氧化。所以，排放的HC是未燃的燃油及其部分氧化產(chǎn)物的混合物。前者大約要占 40左右。(二) 柴油機(jī)v由于柴油機(jī)的工作原理是噴油壓燃，燃油停留在燃燒室中的時間比汽油機(jī)短很多因而受壁面冷激效應(yīng)、狹隙效應(yīng)、油膜吸附、沉積物吸附作用很小。這是柴油機(jī)HC排放較低的原因。v 柴油機(jī)燃燒室中由噴油器噴入的柴油與空氣形成的混

10、合氣可能太稀或太濃，使柴油不能自燃，或火焰不能傳播。v如在噴油初期的滯燃期內(nèi)，可能因?yàn)橛蜌饣旌咸焓够旌蠚膺^稀，造成未燃HC。v在噴油后期的高溫燃?xì)鈿夥罩校赡芤驗(yàn)橛蜌饣旌喜蛔闶够旌蠚膺^濃，或者由于燃燒淬熄產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物隨排氣排出，但這時較重的HC多被碳煙微粒吸附，構(gòu)成微粒的一部分。v柴油機(jī)未燃HC的排放主要來自柴油噴注的外緣混合過度造成的過稀混合氣地區(qū)，結(jié)果造成柴油機(jī)怠速或小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時的HC排放高于全負(fù)荷工況。 v噴油器的殘油腔容積對HC排放的影響：殘油腔容積中的柴油大概有15左右以未燃HC的形式排出。v與點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)一樣，火焰在壁面上淬熄也是柴油機(jī)HC排放的一個來源，它取決于柴油噴注與

11、燃燒室壁面的碰撞情況。采用油膜蒸發(fā)混合的柴油機(jī)，盡管在特定工況下有較好的性能，但在冷起動時，大且未燃HC以微粒狀排出，排氣冒“白煙”，因此已基本被淘汰。 三、氮氧化物nextv內(nèi)燃機(jī)排故的氯氧化物NOx主要是一氧化氮NO。NO的主要來源是參與燃燒的串氣中的氮。汽油和輕柴油本身含氮很少，不足以產(chǎn)生顯著的NOx排放。從大氣氮生成NO的化學(xué)機(jī)理是澤耳多維奇(Zeldovitch)機(jī)理。在化學(xué)當(dāng)量混合比(a1)附近，導(dǎo)致生成和消失NO的主要反應(yīng)為：vO2 2O v N2+O NO+NvO2+N NO+OvOH+ N NO+O (一)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)v控制點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)NO排放量的主要因素是空燃比、缸內(nèi)未燃混

12、合氣中已燃?xì)獾姆至恳约包c(diǎn)火定時。v 1空燃比的影響返回返回v3點(diǎn)火定時的影響 點(diǎn)火定時強(qiáng)烈影響點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的NOx排放量。推遲點(diǎn)火、降低最高燃燒溫度并縮短己燃?xì)馔Ａ粼诟邷叵碌臅r間，可減少NOx排放。圖77表示不同空燃比下的NO隨點(diǎn)火提前角的變化情況。試驗(yàn)表明，在常用轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下，減小點(diǎn)火提前角(ig)1(CA)，可以在輸出功率不變的條件下削減NOx排放量2一3。用歐洲測試排放的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)測試時，ig每變動1(CA)，NOx變化03g測試。推遲點(diǎn)火、提高排氣溫度，也有利于HC的后氧化，但有損發(fā)動機(jī)的燃油消耗率和比功率。 (二) 柴油機(jī)v與點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的情況樣，柴油機(jī)氣缸內(nèi)達(dá)到的最高燃燒溫度也控

13、制NOx生成在燃燒過程中。最先燃燒的混合氣比例(預(yù)混合燃燒比例)對NOx的生成有很大影響。v 研究表明，柴油機(jī)幾乎所有NOx都是在燃燒開始后20(CA)內(nèi)生成的。噴油較遲時NO較低，因?yàn)樽罡呷紵郎囟容^低。推遲噴油是降低柴油機(jī)NOx排放的簡便有效的辦法，但代價(jià)是燃油消耗率有所提高，排氣煙度增大。v 與點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)一樣，燃燒的稀釋劑(例如再循環(huán)的廢氣)也能降低柴油機(jī)已燃?xì)怏w的溫度 。從而減小NO的排放量。 四、微粒 v點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)中，含鉛汽油的鉛和汽油中硫造成的硫酸鹽，是排氣微粒的主要成分。用含鉛015g/L的汽油時，排放微粒100150mgkm，其中一半左右是鉛。如果用無鉛汽油，加上汽油含硫量一

14、般都很低，可以認(rèn)為點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)基本上不排放微粒。v柴油機(jī)的微粒排放量要比汽油機(jī)大幾十倍。這種微粒由在燃燒時生成的含碳粒子(碳煙)及其表面上吸附的多種有機(jī)物組成，后者稱為有機(jī)可溶成分(SOF-Soluble Organic Fraction)碳煙生成的條件是高溫和缺氧。由于柴油機(jī)混合氣極不均勻，盡管總體是富氧燃燒，但局部的缺氧還是導(dǎo)致碳煙的生成。一般認(rèn)為碳煙形成的過程如下：燃油中烴分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，如乙烯、乙烯及其較高的同系物和多環(huán)芳香烴。它們不斷脫氫、聚合成以碳為主的直徑2nm左右的碳煙核心。氣相的烴和其他物質(zhì)在這個碳煙核心表面的凝聚，以及碳煙核心

15、互相碰撞發(fā)生凝聚，使碳煙核心增大，成為直徑2030nm的碳煙基元。最后，碳煙基元經(jīng)過聚集作用堆積成直徑1m以下的球團(tuán)狀或鏈狀的聚集物。v圖78表示一些碳?xì)浠衔锶缫蚁⒈椤⒓妆降仍趯?shí)驗(yàn)室燃燒器條件下預(yù)混合火焰中生成碳煙的溫度和過量空氣系數(shù)條件。組成柴油的各種烴生成碳煙的條件基本上也都在這個范圍內(nèi)。由圖可見，碳煙生成數(shù)量隨a降低而增加。溫度對碳煙生成數(shù)量的影響，則在1600一1700K之間達(dá)到最大值。壓力對碳煙生成條件影響很小，但碳煙生成數(shù)量隨壓力提高而增加。v圖7-9表示了柴油機(jī)碳煙生成的溫度和a條件，以及柴油機(jī)上止點(diǎn)附近各種a的混合氣在燃燒前后的溫度。可見，a05的混合氣，燃燒以后必定產(chǎn)生

16、碳煙。在圖7-9a右上角上也標(biāo)出了在各種溫度和a下燃燒05ms后的NOx。要使燃燒后碳 煙和NOx很少，混合氣的a應(yīng)在0609之間。空氣過多則NOx增加，空氣過少則碳煙增加v柴油機(jī)混合氣在預(yù)混合燃燒中的狀態(tài)變化見圖79a上的箭頭方向。在預(yù)混合燃燒中，由于燃油分布不均勻，既生成碳煙，也生成NOx，只有很少部分燃油a =0609，不產(chǎn)生碳煙和NOx。所以，為降低柴油機(jī)污染物排故，應(yīng)縮短滯燃期和控制滯燃期內(nèi)的噴油量，使盡可能多的混合氣的a控制在06一09之間。返回 第三節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的排放特性一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)v1、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)v2、瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)1、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)在常用的部分負(fù)荷區(qū)，為了滿足三效催化劑的要求

17、在常用的部分負(fù)荷區(qū)，為了滿足三效催化劑的要求( (參參見后面第五節(jié)見后面第五節(jié)) )，將，將aa控制在控制在1 10 0左右，所以左右，所以COCO排放排放較低。在大負(fù)荷工況，為了達(dá)到較高的轉(zhuǎn)矩，較低。在大負(fù)荷工況，為了達(dá)到較高的轉(zhuǎn)矩，aa1 1，因此在這個區(qū)域因此在這個區(qū)域COCO排放高，排放高，NOxNOx排放較低。排放較低。 2、瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（1）冷啟動v汽油機(jī)冷起動時，由于進(jìn)氣系統(tǒng)和氣缸溫度很低，汽油蒸發(fā)不好，較多的汽油沉積在進(jìn)氣管壁上，流速低造成油氣混合不好，因此需要增加供油量，以使使汽油機(jī)能正常起動。汽油機(jī)冷起動時混合氣的a1。混合氣中的汽油以部分蒸氣狀態(tài)、部分液體狀態(tài)進(jìn)入氣缸。很

18、濃的混合氣導(dǎo)致較高的CO排放。部分液態(tài)汽油在燃燒結(jié)束后從壁面上蒸發(fā)，沒有完全燃燒就被排出氣缸，造成HC的大量排放。由于溫度低及混合氣過濃冷起動時的排放置很低。 （2）暖機(jī)過程v 汽油機(jī)起動以后，冷卻系和潤滑系以及主要零部件仍未達(dá)到正常的溫度水平需要一個暖機(jī)過程。這時仍需要a1的濃混合氣，以彌補(bǔ)燃油在氣缸壁和進(jìn)氣管壁上的冷凝。這時CO和HC的排放仍然很高，NO x的排放隨著溫度的提高逐漸增大。 二、柴油機(jī)v1、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)v2、瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)1、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)2、瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)v柴油機(jī)冷起動時，燃油噴注中有部分燃油以液態(tài)分布在燃燒室壁上。在燃油自燃之前，噴入缸內(nèi)的燃油就會以未燃HC形式直接排出氣缸。噴

19、入燃油開始燃燒以后，吸附在壁面上的燃油也不能完全燃燒，有一部分在蒸發(fā)后被排出。，非增壓柴油機(jī)的正常加速幾乎是各穩(wěn)定工況點(diǎn)的連續(xù)。渦輪增壓柴油機(jī)突加負(fù)荷時，渦輪增壓器需要一段時間，才能達(dá)到高負(fù)荷所對應(yīng)的增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力。排放特性對比排放耐久性比較第四節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的排放控制v一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)v二、柴油機(jī)（一）曲軸箱排放物控制系統(tǒng) 汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，燃燒室中的高壓可燃混合氣和已燃?xì)怏w，或多或少會通過活塞組與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱。為防止曲軸箱壓力過高，早期內(nèi)燃機(jī)一般都通過機(jī)油加油口讓曲軸箱與大氣相通而進(jìn)行“呼吸”。但因?yàn)榍S箱的竄氣中含有大量未燃碳?xì)浠衔锛捌洳煌耆紵a(chǎn)物，排入大氣會引起污染。（三

20、）排氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)的控制要求 真空控制系統(tǒng)中，除低溫切斷EGR用溫度控制閥5實(shí)現(xiàn)外，其余控制規(guī)律全靠進(jìn)氣管節(jié)氣門后的真空度和真空驅(qū)動EGR閥的構(gòu)造保證。如果EGR閥l是個簡單的膜片閥，而節(jié)氣門后的真空度將隨著負(fù)荷的減小而加大，因而EGR閥的開度將隨負(fù)荷減小而加大，這顯然不符合EGR控制要求。為此，在EGR閥的具體設(shè)計(jì)上想了很多辦法，如圖的雙膜片閥就是一例。主膜片保證最大負(fù)荷下驅(qū)動真空度小時EGR閥關(guān)閉。當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速降低時，排氣背壓降低，副膜片在小彈簧作用下下移，打開控制閥，使主膜片室內(nèi)的真空度流失，EGR閥開度減小。 電控系統(tǒng)用預(yù)先標(biāo)定的脈譜通過電控真空調(diào)節(jié)器6控制EGR閥1的開度，

21、顯然大大提高了控制的自由度。 閉環(huán)全電控系統(tǒng)應(yīng)用了帶閥位傳感器8的線性位移電磁式EGR閥9，進(jìn)一步提高了控制精度。圖726表示這種EGR閥的一個結(jié)構(gòu)實(shí)例。 二、柴油機(jī)v重型車用柴油機(jī)和其他大型柴油機(jī)大多采取直接噴射燃燒方式，而轎車和輕型車要求轉(zhuǎn)速高以及小型農(nóng)業(yè)機(jī)械為使用方便多用非直噴式燃燒方式。由于直噴技術(shù)的進(jìn)步(噴油系統(tǒng)的小型化、高壓化和高速化)以及降低油耗和CO2排放的要求，高速的轎車柴油機(jī)也開始使用直噴式，并有逐步增長的趨勢。v柴油機(jī)的HC排放置遠(yuǎn)低于汽油機(jī)。由于燃油組成和混合氣形成方式的不同，柴油機(jī)的HC成分與汽油機(jī)不同，前者多為較高分子質(zhì)量的HC，氣味較大。v直噴式柴油機(jī)的NOx排放

22、量大于非直噴機(jī)，因?yàn)榉侵眹姍C(jī)初期燃燒發(fā)生在混合氣極濃的副燃燒室里，由于缺氧，NOx不易生成，而主燃燒室中燃燒在較低溫度下進(jìn)行(已開始膨脹)，NOx也不易生成。1非直噴式柴油機(jī)2直噴式柴油機(jī)v對高速直噴式柴油機(jī)的混合氣形成和燃燒對高速直噴式柴油機(jī)的混合氣形成和燃燒有下列要求：有下列要求：在滯燃期和燃燒前期，噴入燃燒室的燃油在滯燃期和燃燒前期，噴入燃燒室的燃油量應(yīng)盡可能少，以免預(yù)混合燃燒過多，使量應(yīng)盡可能少，以免預(yù)混合燃燒過多，使壓力上升太劇烈，引起強(qiáng)烈的噪聲，并控壓力上升太劇烈，引起強(qiáng)烈的噪聲，并控制制NOxNOx的生成量。的生成量。在燃燒后期即擴(kuò)散燃燒期，噴入燃油很好在燃燒后期即擴(kuò)散燃燒期，噴

23、入燃油很好與空氣混合以減少碳煙的生成，這就需要與空氣混合以減少碳煙的生成，這就需要有很高的噴油壓力。有很高的噴油壓力。在噴油結(jié)束后，剩余空氣仍能與燃?xì)鈴?qiáng)烈在噴油結(jié)束后，剩余空氣仍能與燃?xì)鈴?qiáng)烈混合，促進(jìn)碳煙的氧化。混合，促進(jìn)碳煙的氧化。直噴式柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 v1) 提高噴油壓力，從一般的不到100MPa提高到150MPa甚至200MPa，特別是低轉(zhuǎn)速時的噴油壓力要保證。v2) 增加噴油器的噴孔數(shù)，減小孔徑。前者對改善宏觀燃油分布均勻性很關(guān)鍵，而后者在小缸徑柴油機(jī)中為避免過多燃油碰壁是十分必要的。目前，小型柴油機(jī)的噴孔直徑已減小到02mm左右，重型車用柴油機(jī)的噴孔數(shù)已增加到89。v3)可

24、控的燃油噴射率變化歷程，如靴形噴射(詳見后)、二次噴射(預(yù)噴射加主噴射)。v4)根據(jù)柴油機(jī)工況優(yōu)化噴油定時。（二）噴油系統(tǒng)v1 1、噴油泵、噴油泵v2 2、噴油器、噴油器v柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢是提高噴油壓力，降低進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，以減小進(jìn)氣（壓力）損失，配合多孔數(shù)、小孔徑噴油器來獲得良好的混合氣。v每缸4氣門的結(jié)構(gòu)過去常用于缸徑130一150mm以上的柴油機(jī)，現(xiàn)在連缸徑80mm左右的4氣門直噴柴油機(jī)也已研制成功。v它的主要優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)大進(jìn)、排氣門的總流通截面積，且噴油器可垂直布置在氣缸軸線上，不僅改善了噴油器的冷卻情況和活塞熱應(yīng)力(2氣門機(jī)燃燒室在活塞頭上偏置使熱應(yīng)力不均勻)，而且解決了由于2氣門機(jī)噴

25、油器斜置造成的各噴油孔流動條件不同的后果，有利于燃油在燃燒室空間中均勻分布。v與汽油機(jī)類似，柴油機(jī)也可以通過排氣再循環(huán)與汽油機(jī)類似，柴油機(jī)也可以通過排氣再循環(huán)(EGR)(EGR)來降低來降低NOxNOx排放。由于柴油機(jī)排氣中氧含量比汽油機(jī)高，所以柴油排放。由于柴油機(jī)排氣中氧含量比汽油機(jī)高，所以柴油機(jī)允許并需要較大的機(jī)允許并需要較大的EGREGR率來降低率來降低NOxNOx的排放。直噴式柴油的排放。直噴式柴油機(jī)的機(jī)的EGREGR率可以超過率可以超過4040，非直噴式可達(dá)到，非直噴式可達(dá)到2525。v為了防止產(chǎn)生較多的微粒，一般在中、抵負(fù)荷時用較大的為了防止產(chǎn)生較多的微粒，一般在中、抵負(fù)荷時用較大

26、的EGREGR率，在全負(fù)荷時不用，以保證性能。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時也降率，在全負(fù)荷時不用，以保證性能。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時也降低低EGREGR率，以保證較多的新鮮空氣充量。最佳率，以保證較多的新鮮空氣充量。最佳EGREGR脈譜用試脈譜用試驗(yàn)標(biāo)定法制取。驗(yàn)標(biāo)定法制取。v柴油機(jī)所用柴油機(jī)所用EGREGR系統(tǒng)與汽油機(jī)類似。在增壓柴油機(jī)中，再循系統(tǒng)與汽油機(jī)類似。在增壓柴油機(jī)中，再循環(huán)廢氣一般流到增壓器后的進(jìn)氣管中，以免沾污增壓器葉環(huán)廢氣一般流到增壓器后的進(jìn)氣管中，以免沾污增壓器葉輪。這時，為防止增壓壓力大于排氣壓力時再循環(huán)廢氣的輪。這時，為防止增壓壓力大于排氣壓力時再循環(huán)廢氣的倒流，要在倒流，要在EGREGR閥前加一

27、個單向閥，以便利用排氣脈沖進(jìn)行閥前加一個單向閥，以便利用排氣脈沖進(jìn)行EGREGR。v試驗(yàn)證明，把再循環(huán)的廢氣加以冷卻，采用所謂冷試驗(yàn)證明，把再循環(huán)的廢氣加以冷卻，采用所謂冷EGREGR，可，可以提高降低以提高降低NOxNOx排放效果。排放效果。v近年來，為了降低運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲和減小磨損，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速有下降趨勢，而通過增壓來彌補(bǔ)功率損失。v提高渦輪增壓器的效率可增大空氣供給量，用比較大的過量空氣系數(shù)組織燃燒，使盡可能少的燃料缺氧裂解，降低碳煙排放，同時使最高燃燒溫度不致過高，抑制NOx的增加。廣泛應(yīng)用空-空中冷器把增壓空氣溫度降到50左右，可以有效地抑制NOx排放。 v控制噴油定時是控制柴油機(jī)排放的重

28、要手段。一般來說，保證最佳動力性和經(jīng)濟(jì)件的噴油定時，除了造成較大燃燒噪聲外，還導(dǎo)致較高的NOx排放。所以，現(xiàn)代車用柴油機(jī)常采用推遲噴油的措施，以改善噪聲和NOx排放，但這時往往導(dǎo)致碳煙和微粒排放增加。這里關(guān)鍵是要盡可能加快柴油的燃燒，尤其是擴(kuò)散燃燒階段。所有加快油滴蒸發(fā)、油氣相互擴(kuò)散混合的措施都是值得研究的。v 利用簡單的方式(例如直列泵的離心調(diào)節(jié)器和分配泵的液壓調(diào)節(jié)器)達(dá)到噴油定時的優(yōu)化控制是不可能的，電控則為靈活控制噴油定時提供了可能。最佳噴油定時控制脈譜，要考慮各方面的要求通過標(biāo)定試驗(yàn)制取。v 通過改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)本身的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作過程來降低污染物的排放，有一定的限度。世界各國都先后開發(fā)排氣

29、后處理技術(shù)，在不影響或少影響其他性能的同時，來降低污染物的排放。v現(xiàn)在最成功的排氣后處理裝置是汽油機(jī)用的三效催化轉(zhuǎn)換器，它使車用汽油機(jī)的CO、HC和NOx排放量削減了80一90，已成為發(fā)達(dá)國家汽油車的必備裝置。車用柴油機(jī)的微粒捕集器正在開發(fā)之中，已研制的樣品可降低柴油機(jī)微粒排放50一80，僅由于技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上尚存在系列問題，目前尚未大量推廣。v一、汽油機(jī)三效催化轉(zhuǎn)化器v二、柴油機(jī)排氣微粒捕集器一、汽油機(jī)三效催化轉(zhuǎn)化器OHCONNOxHCCOTWY222工作原理： 三效催化轉(zhuǎn)換器同時凈化三種 排放物的效果，只有在化學(xué)當(dāng)量燃燒，也就是過量空氣系數(shù)a1時才能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镹Ox在催化劑上還原需要H2、C

30、O和HC等作為還原劑。當(dāng)空氣過量(a1)時，這些還原劑首先與氧反應(yīng)，NOx的還原反應(yīng)就不能進(jìn)行；當(dāng)空氣不足(a1) 時，CO和HC則不能被完全氧化。v 除了a外，溫度對催化劑的轉(zhuǎn)化效率也有很大影響。一般稱轉(zhuǎn)化效率為50所對應(yīng)的溫度為催化劑的起燃溫度。一般三效催化劑對各種污染物的起燃溫度在220一270之間。在發(fā)動機(jī)冷起動與暖機(jī)時，催化劑溫度很低，凈化效能很差。用美國FTP-75測試循環(huán)進(jìn)行測試時，CO和HC的5080是在冷起動后1min內(nèi)排放的。為緩解這個問題，正在研究用電加熱催化劑加速它在冷起動后的起燃。 催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu) 催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)催化劑的活性材料v三效催化劑的主要活

31、性材料是貴金屬鉑三效催化劑的主要活性材料是貴金屬鉑PtPt和銠和銠RhRh。PtPt主要催化主要催化COCO和和HCHC的氧化反應(yīng)，的氧化反應(yīng)，RhRh催化催化NOxNOx的還原的還原反應(yīng)。一般貴金屬的用量為每升載體反應(yīng)。一般貴金屬的用量為每升載體1g1g，Pt/RhPt/Rh比比為為5 5：1 1左右左右。由于。由于PtPt很貴，也有研究用鈀很貴，也有研究用鈀PdPd部分或部分或全部代替全部代替PtPt。PdPd的氧化活性不錯，但其晶體結(jié)構(gòu)容的氧化活性不錯，但其晶體結(jié)構(gòu)容易容納雜質(zhì)，易受雜質(zhì)中毒。為進(jìn)一步降低成本，易容納雜質(zhì)，易受雜質(zhì)中毒。為進(jìn)一步降低成本，正在大力研究用鈣鈦礦型稀土催化劑正

32、在大力研究用鈣鈦礦型稀土催化劑( (或加上過渡或加上過渡金屬氧化物催化劑金屬氧化物催化劑) )代替貴金屬的可能性，但尚未代替貴金屬的可能性，但尚未大量用于汽車發(fā)動機(jī)。大量用于汽車發(fā)動機(jī)。催化器的壽命v催化轉(zhuǎn)換器一般要求壽命在10萬km以上。貴金屬催化劑報(bào)廢后，貴金屬可以回收再用 催化器新型載體v目前，也有用金屬作為催化劑的載體材料。一般用厚度不超過01mm的極薄不銹鋼帶，一層帶波紋一層不帶波紋地交替疊合，卷成螺線形或S形，焊裝在金屬圓筒內(nèi)。這種載體的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，熱容量小，有利于提高內(nèi)燃機(jī)冷起動時的凈化效果，機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高，工作可靠；缺點(diǎn)是質(zhì)量大，成本高，涂敷活性層困難。它一般做成小的，

33、安裝在陶瓷主催化轉(zhuǎn)化器前，用來改善冷起動凈化性能，或用于振動較大的場合，如摩托車。 催化轉(zhuǎn)化器主要失效形式催化轉(zhuǎn)化器主要失效形式化學(xué)老化化學(xué)老化熱老化熱老化積垢老化積垢老化機(jī)械老化機(jī)械老化中毒：不可逆中毒：不可逆吸附或發(fā)生表吸附或發(fā)生表面反應(yīng)面反應(yīng)抑制：毒物的抑制：毒物的競爭可逆吸附競爭可逆吸附毒物導(dǎo)致催化毒物導(dǎo)致催化劑表面重構(gòu)發(fā)劑表面重構(gòu)發(fā)生載體孔結(jié)構(gòu)生載體孔結(jié)構(gòu)的阻塞的阻塞 v活性組分的燒結(jié)活性組分的燒結(jié)v形成合金形成合金v載體結(jié)構(gòu)發(fā)生變載體結(jié)構(gòu)發(fā)生變 化化v貴金屬貴金屬- -賤金屬賤金屬的的 相互作用相互作用v貴金屬表面重組貴金屬表面重組v貴金屬揮發(fā)貴金屬揮發(fā)碳沉積（結(jié)碳）碳沉積（結(jié)碳）

34、熱沖擊熱沖擊磨損磨損機(jī)械破壞機(jī)械破壞 助催化劑v為了改善三效催化劑的性能，除了氧化鋁和貴金屬外，三效催化劑中還可能含有各種各樣的添加劑或助催化劑，如鎳Ni、鈰Ce、鑭La、鋇Ba、鋯Zr、鐵Fe和硅Si等。它們起多種多樣的作用，如加強(qiáng)催化活性、穩(wěn)定載體以及防止貴金屬燒結(jié)等。 陶瓷纖維纏繞微粒捕集及催化再生過程陶瓷纖維纏繞微粒捕集及催化再生過程再生前再生前再生開始再生開始再生中再生中再生結(jié)束再生結(jié)束壁流式微粒捕集原理壁流式微粒捕集原理典型的微粒捕集裝置典型的微粒捕集裝置OutletSectionFilterSectionCatalyst SectionInlet SectionV-Clamps微

35、粒捕集系統(tǒng)車載安裝圖試驗(yàn)后的微粒捕集器試驗(yàn)后的微粒捕集器進(jìn)口進(jìn)口出口出口試驗(yàn)后微粒捕集器外殼試驗(yàn)后微粒捕集器外殼進(jìn)口部分進(jìn)口部分出口部分出口部分SCRT System Configuration EngineCRTTMSCRSlip CatalystRemoval of HC, CO, PMRemoval of NOxRemoval of NH3 slip if required4-way conversionUrea柴油機(jī)排氣四效凈化技術(shù)柴油機(jī)排氣四效凈化技術(shù)第六節(jié)第六節(jié) 低排放燃料低排放燃料v一、燃料成分對內(nèi)燃機(jī)排放的影響一、燃料成分對內(nèi)燃機(jī)排放的影響v二、石油燃料的改善二、石油燃料的改善

36、v三、代用燃料與排放三、代用燃料與排放一、燃料成分對內(nèi)燃機(jī)排放的影響一、燃料成分對內(nèi)燃機(jī)排放的影響v1對CO、HC和NOx排放的影響 v2對碳煙和微粒排放的影響 v3對臭氧形成的影響 v4燃料產(chǎn)生的二氧化碳 1對CO、HC和NOx排放的影響v燃油中的氧有助于燃油的完全氧化，降低CO和HC的排放量，所以含氧燃料是低排放燃料。燃油中的氮則容易生成NOx，但只有重油中含有相對較多的含氮衍生物。 2對碳煙和微粒排放的影響 v作為微粒核心的碳煙，其生成條件是高溫和缺氧。在均勻可燃混合氣中，缺氧不多則生成CO而不生成碳煙。只有當(dāng)過量空氣系數(shù)a小于某一臨界值時，才生成碳煙。v燃料中C/H和C/O比越大，越容

37、易生成碳煙。石油燃料成分中，烷烴生成碳煙傾向最小。芳香烴、炔烴最大，烯烴居中。醇類、醚類燃料由于含氧量大，生成碳煙可能性小。v柴油在均勻混合氣中生成碳煙的臨界a約為0.34。但柴油機(jī)是非均勻混合氣燃燒，盡管總過量空氣系數(shù)a13，但局部地區(qū)的a仍會低于上述臨界值，不可避免會生成碳煙。分子結(jié)構(gòu)緊密的烴，如芳香烴，比較容易產(chǎn)生碳煙。3對臭氧形成的影響v近地面臭氧是毒性很大的空氣污染物，是光化學(xué)煙霧的主要成分之一。不同有機(jī)化合物有不同的生成臭氧活性MIR(單位質(zhì)量有機(jī)物生成臭氧的質(zhì)量)。測量結(jié)果顯示，烷烴和醇類的MIR較低。因此，以烷烴為主的天然氣和醇類燃料都屬于低排放的“清潔”燃料。不飽和鏈烴和芳香

38、烴的MIR較高，它們在燃油中的含量應(yīng)加以限制。作為排放物的醛類也有與烯烴類似的較高M(jìn)IR值。 4燃料產(chǎn)生的二氧化碳v燃料的C /H原子比越大，釋放單位熱量的CO2排放量越大。汽油與柴油C/H原子比0.5，完全燃燒產(chǎn)生的CO2為75g/MJ左右；甲烷C /H=0.25，產(chǎn)生CO2約為55g/MJ；氫燃燒則不產(chǎn)生CO2。二、石油燃料的改善二、石油燃料的改善v 1 1汽油的改善汽油的改善 v 2 2柴油的改善柴油的改善 1 1汽油的改善汽油的改善 v汽油辛烷值不足就不得不降低汽油機(jī)的壓縮比，以避免爆燃，這就降低了汽油機(jī)的熱效率，增加了CO2的排放；v汽油的揮發(fā)性(雷德蒸氣壓)會影響蒸發(fā)排放；v不完全

39、燃燒的芳香烴對臭氧形成影響很大，因此，目前對汽油中各種成分的比例規(guī)定得越來越嚴(yán)格。v四乙鉛問題 2 2柴油的改善柴油的改善 v柴油十六烷值不足即著火性差，使滯燃期加長，預(yù)混合燃燒量過多，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴，噪聲加大，NOx排放增加。v柴油機(jī)各種污染物的排放，一般均隨燃料十六烷值的提高而下降。常規(guī)柴油的十六烷值在4050之間，今后低排放柴油要求十六烷值在55以上。v柴油的芳香烴含量與十六烷值有逆變關(guān)系。芳香烴由于C /H比高、著火性差，使柴油機(jī)的CO、HC和微粒排放增加。低排放的改制柴油要求芳香烴體積分?jǐn)?shù)在10以下。v低排放柴油要求降低含硫量，降低柴油含硫量就相應(yīng)地降低了微粒的排放量。v曾在柴油中加入

40、少量堿土金屬或過渡金屬(Ba、Ca、Fe等)的有機(jī)酸鹽，可顯著降低柴油機(jī)排氣煙度，這類添加劑稱為消煙劑。但進(jìn)一步的研究表明，雖然可見的煙度通過添加消煙劑而下降，但微粒的質(zhì)量排放量往往反而增加，加上大多數(shù)這類金屬對人體有害，所以現(xiàn)在不推薦使用消煙劑。三、代用燃料與排放三、代用燃料與排放v根據(jù)已探明的世界石油蘊(yùn)藏量和今天的石油消耗量，估計(jì)最多可滿足人類對石油50100年的需求。到下個世紀(jì)中期，石油的代用能源將在能源結(jié)構(gòu)中扮演重要角色。v應(yīng)用代用燃料的另一個重要原因是減少環(huán)境污染，特別是降低造成大氣溫室效應(yīng)的CO2排放。因此，在太陽能作用下獲得的二次能源，如植物能源以及氫和電就很有發(fā)展前景。在大城市

41、中，使用排放CO、HC和NOx較低、產(chǎn)生臭氧較少的代用燃科和電動汽車可改善局部環(huán)境。v較有前途的內(nèi)燃機(jī)代用燃料有植物油、天然氣、醇類燃料、氫、電等。除了天然氣直接取自一次能源外，其余都取自植物、煤炭、太陽能、水能、風(fēng)能、核能等。第七節(jié) 排放測量與排放法規(guī)v一、內(nèi)燃機(jī)排氣污染物的測量v二、內(nèi)燃機(jī)的排放法規(guī)一、內(nèi)燃機(jī)排氣污染物的測量取樣分析v一般排氣成分分析儀器都是測量該成分在排氣中的濃度，然后根據(jù)排氣流量算出該成分的總排放量。這在內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下比較容易實(shí)現(xiàn)。在非穩(wěn)定狀態(tài)下，理論上可以把所測得的濃度曲線和排氣流量曲線對時間積分計(jì)算總量，但實(shí)際上由于排氣管壓力隨工況而變，取樣系統(tǒng)和測量儀器動態(tài)響應(yīng)滯后的不同以及樣氣的混合使?jié)舛惹€不能再現(xiàn)發(fā)動機(jī)排放的時間特性等原因，造成誤差很大。v于是采用了測量平均值的方法來解決這個問題。最直觀的辦法就是把一個標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)中的所有排氣收集到氣袋里，然后測量濃度和氣量，算出循環(huán)的總排放量。這種方法需要很大的氣袋來收集排氣，很不方便。v現(xiàn)在，世界各國的排放法規(guī)都規(guī)定用定容取樣系統(tǒng)取樣。二、內(nèi)燃機(jī)