第八章內(nèi)燃機(jī)污染物的生成與控制第一節(jié)概述一、完全燃燒：水蒸氣、二氧化碳二氧化碳（CO2）是溫室氣體二、有害排放物的產(chǎn)生實際燃燒過程：時間極短燃料與空氣混合不可能完全均勻特殊工況：冷起動、怠速、全負(fù)荷等三、有害排放物的種類一氧化碳（CO）碳?xì)浠衔铮℉C）氮氧化物（NOx）微粒PM第二節(jié)污染物的生成機(jī)理和影響因素一、一氧化碳是HC燃料在燃燒過程中生成的主要中間產(chǎn)物，如果氧濃度、溫度足夠高，化學(xué)反應(yīng)時間足夠長，可氧化為二氧化碳主要因素：可燃混合氣的過量空氣系數(shù)點燃式發(fā)動機(jī)：各缸空燃比的變動，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，全負(fù)荷，小型單缸點燃機(jī)壓燃式發(fā)動機(jī)：燃料和空氣混合不均勻接近冒煙極限或負(fù)荷很小時，排放上升明顯，局部缺氧嚴(yán)重二、碳?xì)浠衔?、點燃式發(fā)動機(jī)（1）排氣：未完全燃燒；二沖程（2）曲軸箱竄氣（3）蒸發(fā)生成機(jī)理（1）壁面淬熄；（2）狹隙效應(yīng)；（3）潤滑油膜的吸附和解吸；（4）燃燒室沉積物2、柴油機(jī)燃油噴注與周圍空氣形成的混合氣很不均勻噴注的核心：不會引起很多HC排放噴注的外圍：來不及著火形成稀混合氣怠速或小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時HC排放高冷起動時會導(dǎo)致嚴(yán)重的HC排放：噴油與壁面的碰撞三、氮氧化物NOx主要來源：參與燃燒的空氣中的氮，Zeldovitch機(jī)理；一小部分“燃油NO”NO的生成隨溫度的升高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加已燃?xì)庵蠳O2與NO相比可以忽略不計點燃式內(nèi)燃機(jī)：過量空氣系數(shù)：影響燃燒溫度和氧含量點火正時：推遲點火排氣再循環(huán)負(fù)荷壓燃式內(nèi)燃機(jī)：氣缸內(nèi)達(dá)到的最高燃燒溫度是決定NOx的最重要因素NOx排放隨柴油機(jī)負(fù)荷增大而顯著增加NOx排放隨轉(zhuǎn)速的具體變化與燃燒系統(tǒng)特性有密切關(guān)系噴油正時對柴油機(jī)燃燒過程有很大影響：推遲噴油降低NOx排放四、微粒柴油機(jī)的微粒（ParticulateMatter，PM）排放量比汽油機(jī)大幾十倍轎車、輕型車：0.1～1.0g/km重型車：0.1～1.0g/(kW·h)柴油機(jī)PM的組成取決于運(yùn)轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度超過約5000C時，碳煙（DrySoot）溫度較低時，有機(jī)可溶成分（SOF）柴油機(jī)排氣中的碳煙主要是由柴油中含有的碳產(chǎn)生，生成條件是高溫和缺氧混合氣成分不均勻，總體富氧，局部缺氧由于潤滑油造成PM排放：降低潤滑油消耗渦輪增壓提高空燃比，有利于降低PM排放增加噴油器噴孔數(shù)、提高噴油壓力，改善柴油霧化：有利于降低PM排放第三節(jié)內(nèi)燃機(jī)的排放控制一、點燃式內(nèi)燃機(jī)1、曲軸箱排放物：竄氣：通過活塞組與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)（PCV）2、蒸發(fā)排放物：源于運(yùn)轉(zhuǎn)損失、熱烤損失、晝夜損失、加油損失活性碳罐：很強(qiáng)的吸附HC能力，易再生3、冷起動、暖機(jī)和怠速排放控制（1）冷起動和暖機(jī)排放控制大量CO和未燃HC化油器式最差，氣道電噴改善，缸內(nèi)直噴幾乎不存在（2）怠速排放控制怠速工況：一般定義為發(fā)動機(jī)不輸出動力以最低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的工況怠速排放測試（在用車、新車）現(xiàn)代高速車用汽油機(jī)：800－1000rpm影響因素：空燃比、點火正時4、低排放燃料供給系統(tǒng)：混合氣形成的空燃比特性：電噴三效催化轉(zhuǎn)化器：在當(dāng)量空燃比效果最好稀燃NOx催化器：直噴汽油機(jī)、稀燃汽油機(jī)5、低排放點火系統(tǒng)點火正時對汽油機(jī)的性能和排放影響很大點火正時脈譜、點火能量特性6、低排放燃燒系統(tǒng)緊湊的半球形、帳篷形燃燒室7、排氣再循環(huán)降低NOx排放EGR使工作混合氣的總熱容大大增加，最高燃燒溫度下降適當(dāng)控制EGR率，使之在各種不同工況下得到各種性能的最佳折中電控EGR系統(tǒng)的控制脈譜通過發(fā)動機(jī)的EGR標(biāo)定試驗確定二、壓燃式內(nèi)燃機(jī)1、排放生成及控制特點富氧燃燒：CO和HC相對汽油機(jī)少得多排放的NOx與汽油機(jī)同一數(shù)量級微粒和碳煙比汽油機(jī)多幾十倍以上柴油機(jī)排放控制：重點是PM和NOx，其次是HC柴油機(jī)污染物排放的根本原因是燃油和空氣混合氣的不均勻控制內(nèi)燃機(jī)PM排放核心是改善柴油機(jī)混合氣形成和燃燒過程；柴油機(jī)燃燒過程的改善往往引起NOx排放增加均勻混合氣壓燃式發(fā)動機(jī)（HCCI）：均勻混合氣的制備和自燃的化學(xué)動力學(xué)控制2、降低柴油機(jī)排放設(shè)計要點（一）增壓增壓在柴油機(jī)上普遍應(yīng)用：重型車、中型車、輕型車、甚至轎車主要特征：進(jìn)氣量大，平均φa大，DS和PM排放下降增壓一般使NOx排放增加歐I：渦輪增壓型；歐II：增壓中冷型；歐III：可變噴嘴渦輪增壓器（二）低排放燃油噴射系統(tǒng)（1）噴射正時的控制：推遲噴油，但需綜合考慮PM排放和燃油消耗率（2）循環(huán)噴油量的控制：隨負(fù)荷增加而增大，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)；各缸循環(huán)噴油量的均勻性；冷起動：逐次遞增（3）優(yōu)化噴油規(guī)律：初期緩慢、中期急速、后期快斷；預(yù)噴射和主噴射組成的二次噴射；有時進(jìn)行后噴射（適應(yīng)后處理）（4）低排放噴油器噴油器尺寸越來越小噴油器的偏心量和傾斜角盡可能小小壓力室噴嘴（5）提高噴油壓力提高噴油壓力泵－管－嘴式（100MPa）；泵噴嘴（180MPa）：隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷降低而降低；電控共軌噴油系統(tǒng)。（三）氣流組織和多氣門技術(shù)適當(dāng)?shù)母變?nèi)氣流運(yùn)動有利于燃燒室中燃油噴霧與空氣的混合小缸徑柴油機(jī)：渦流運(yùn)動，加速油膜蒸發(fā)四氣門柴油機(jī)：變渦流重型車用柴油機(jī)：低渦流甚至無渦流（四）低排放燃燒室非直噴式：逐漸淘汰直噴式：盡可能增大燃燒室有效容積比長行程、降轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性好適當(dāng)提高壓縮比（五）排氣再循環(huán)輕型車、轎車用柴油機(jī)：中小負(fù)荷工況，可采用較大的EGR率重型車用柴油機(jī)：EGR率較小排氣中含氧量高，可用較大的EGR率，最大EGR率為40～50％。綜合考慮NOx與PM排放增壓器后的進(jìn)氣壓力高于排氣壓力，EGR驅(qū)動措施EGR冷卻EGR電子控制第四節(jié)內(nèi)燃機(jī)的排氣后處理一、必要性機(jī)內(nèi)凈化（改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)本身設(shè)計和優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)）降低排放物有一定限度內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)日益嚴(yán)格，兼顧動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等二、三效催化轉(zhuǎn)化器（一）催化反應(yīng)機(jī)理催化劑：催化作用的核心HC、CO的氧化反應(yīng)，NO的還原反應(yīng)（二）催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造外殼、催化劑（載體和活性物質(zhì)）、襯墊鉑Pt，鈀Pd，銠Rh（三）催化轉(zhuǎn)化器的工作特性性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)化效率、流動阻力、使用壽命空燃比特性起燃特性：起燃溫度、起燃時間空速特性：兩體積流量之比流動特性：細(xì)小孔道耐久特性：熱力因素、化學(xué)因素三、氧化催化轉(zhuǎn)化器氧化催化劑可以氧化PM中的大部分SOF降低柴油機(jī)的CO和HC，醛類和PAH低硫柴油四、富氧降NOx催化轉(zhuǎn)化器吸附還原催化器：稀燃儲存NOx，濃燃還原NOx，對柴油機(jī)，需電控共軌噴射系統(tǒng)選擇性催化還原（SCR）：NH3作為還原劑，尿素溶液開發(fā)SCR催化轉(zhuǎn)化器需注意減少N2O的生成四、柴油機(jī)排氣微粒捕集器（DPT）壁流式蜂窩陶瓷塊為濾芯的微粒濾清器DPF相鄰的兩個孔道：一個進(jìn)口堵住，一個出口堵住DPF的再生：及時清除PM，降低排氣阻力脫機(jī)再生方法熱再生、催化再生燃燒器電阻加熱再生微波選擇性加熱再生周期的確定連續(xù)再生捕集器（CRT）:借助特殊催化劑把排氣中的NO氧化成為NO2，再使PM發(fā)生氧化反應(yīng)第五節(jié)排放法規(guī)一、排放測試規(guī)范輕型車：整輛汽車在底盤測功機(jī)上測量，測量結(jié)果：g/km；瞬態(tài)循環(huán)：怠速、加速、等速、減速等行駛工況重型車：把內(nèi)燃機(jī)裝在發(fā)動機(jī)測功機(jī)上測量排放，結(jié)果：g/(kW·h)13個穩(wěn)態(tài)工況組成，加權(quán)累積全負(fù)荷煙度：全負(fù)荷穩(wěn)定轉(zhuǎn)速二、取樣系統(tǒng)排氣分析儀：測量成分在排氣中的體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的排氣總流量算出總排放量對內(nèi)燃機(jī)排氣先用干凈空氣稀釋，然后再定容取樣柴油機(jī)PM排放測量：稀釋取樣系統(tǒng)三、測量技術(shù)簡介（一）氣體污染物的檢測排放法規(guī)規(guī)定：CO和CO2：不分光紅外線吸收型分析儀NOx：化學(xué)發(fā)光分析儀（CLD）或加熱型CLDHC：氫火焰離子化分析儀（FID）或加熱型FID分離甲烷：氣相色譜儀（GC）（二）微粒的測量和分析內(nèi)燃機(jī)的排氣微粒：是指從溫度低于52oC的稀釋排氣中采集的沉積在用聚四氟乙烯處理過的玻璃纖維濾紙上的所有物質(zhì)用取樣系統(tǒng)把PM收