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
一、混合气成分
汽油机：预混燃 烧，其可燃混合气浓 度范围比较窄，在一 些工况下（如怠速、 满负荷等）经常处于 浓混合气工作，因而 混合气成分是影响排 放的最主要的因素。
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CO ： 空 燃 比 A ／ F 增 加 ， CO 浓 度 逐 渐 下 降；
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促使NO生成的因素
（1）高温 （2）富氧 （3）充足的反应时间
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二、一氧化碳CO
燃烧过程中生成的重要的中间产物。 生成的机理比较复杂， 一般经历如下步骤：
RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO CO在火焰中及火焰后，以缓慢的速率 氧化成CO2。 主要影响因素：混合气浓度。
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2、改进发动机设计
1）冷起动、暖机
汽油机 冷起动时CO和HC 排放量显著高于正常运转工况。 应增大起动机功率，提高起动转速，增大点火能量，尽量 缩短起动时间。在起动前对发动机进行预热，促进起动时 缸内完全燃烧。
发动机的润滑系和冷却系要保证发动机起动后尽快达到正常 的运转温度。（冬天和夏天不同）
汽车的主要排放污染物
1、CO：无色无臭无味的气体，破坏造血功能， 呈中毒症状。
2、NOx：指NO和NO2，NO2是褐色有刺激性的气体。 3、HC：包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油 及其裂解产物和部分氧化产物。某些醛类和多环芳香 烃对人体有严重危害。 光化学烟雾：其中最主要的生成物是臭氧O3，它 具有很强的氧化力和特殊的臭味，使橡胶裂开，植物 受损，可见度降低，并刺激眼睛及咽喉。
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EGR率的控制方法有不同的结构形式，有进气负压 控制式、排气压力控制式、负荷比例式及电子控制式， EGR率在5%~20%。
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NOx与混合气的成分有关，浓混合气时缸内温 度较高，NOx含量增加，稀混合气时，缸内温度 较低，NOx生成量减少。
提高怠速转速使混合气变稀，CO、HC排放减 少。
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第四节 影响柴油机有害排放 物生成的主要因素
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怠速与小负荷，混合气偏浓，是HC、CO生成 的主要工况。
中等负荷，供给经济混合气，HC、CO含量低， 但NOx生成量增多。
大负荷，供给浓混合气，HC在排气中燃烧了， CO、NOx排放增多。
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六、转速
随着转速的升高，混合气经过进气系统的流 速及活塞运动速度升高，CO、HC排放减少。
在一定排气容积中，有害排放物所占的容积（或 质量）比例，称为排放物的浓度。
ppm、％、或mg／m3，浓度较大时用％，而浓度 较小时用ppm （1ppm=0.0001％）。
2．排放物的质量排放量G
用单位时间内（或一次试验）有害排放物的质量
排放量G来衡量，单位是 g／h（或 g／试验）。
3．排放物的比排放量g
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三、未燃碳氢化合物（HC）
生成与排出有三个渠道： 废气（尾气）：占6O％以上 曲轴箱窜气由排出：占25％ 燃油蒸气漏泄：占15％～20％左右
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燃烧过程中HC生成的主要途径
HC的生成与排出有三个渠道，其中HC总量的 60% 以 上 由 废 气 排 出 ， 25% 由 曲 轴 箱 窜 气 ， 15%~20%左右从油箱、化油器等处漏泄。
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未燃HC：在低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区； 在高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部 及壁面油膜处。
CO：低负荷时，主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰 区的交界面上生成CO；高负荷时，在油束心部、油束尾 部及后喷部，因局部缺氧而产生CO。
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微粒排放
排气中的微粒是指经空气稀释后的排气， 它是在低于52℃温度下，在涂有聚四氟乙烯的 玻璃纤维滤纸上沉积的除水以外的物质，如柴 油机的碳烟粒子，汽油机的铅及硫酸盐等。
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排放指标
1．排放物的浓度C
NOx：在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火 焰区及油束心部产生较多。
碳烟：高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部
的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解 而形成碳烟。
醛类：主要在稀燃火焰熄灭区，由于低温氧化而产 生醛类中间产物。
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二、影响因素 1、混合气成分
三、吸入废气量的影响
废气再循环： NO浓度逐渐下降， 但燃烧的有效性降 低，动力性变差。
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四、工况
对于不同的运行工况，各种有害排放物的差 异很大。
怠速与减速工况，是HC生成的主要工况。
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五、负荷
负荷是通过混合气成分对燃烧产物中有害物 质产生影响的。
碳烟：混合气变浓，排烟浓度增多。
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2、喷油时刻
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延迟喷油是降低NOx的主要措施之一。 为了在延迟喷油以后燃烧不致恶化，加强 缸内气流运动、促进混合气形成、提高喷油速 率以及改善喷雾质量是很有必要的。
延迟喷油的同时提高喷油速率，要比单纯 延迟喷油定时的效果好。
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3、燃烧室类型
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分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和碳烟的 排放浓度均低于直喷式的，特别是NOx排放浓度 一般比直喷式燃烧室的低50％左右。
一、柴油机燃烧及排放物生成的特点
柴油机燃烧：一种多相非均匀混合物 的不稳定的燃烧过程。
喷雾过程、油束形成、混合气的浓度 与分布以及燃烧室形式等，对排放物生成 均有复杂的影响。
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由于油雾及油蒸气在 空间浓度分布不同，可大 致分为稀燃火焰熄灭区、 稀燃火焰区、油束心部， 油束尾部和后喷部以及壁 面油膜，从油束边缘到油 束核心部分，局部空燃比 可从无穷大变到零。根据 负荷不同，各区排放物生 成的性质也不一样。
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CO：柴油机过量空气系数>1，加上柴油蒸发性 比汽油小，因此柴油机的 HC及CO排放浓度一般比汽 油机低得多，但在接近满负荷时（A／F减小），CO 浓度骤增。
NO：生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷 工况。与汽油机不同的是，柴油机NO2的生成浓度较 高。NO2浓度随 A／F增加而减少。
3）对曲轴箱窜气或油蒸气部分进行处 理。2）、3）又称为机外处理方法。
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一、汽油机机内净化技术
1、废气再循环
使少量废气（5%~20%）再次循环进入气缸，因废气中 含有大量的惰性气体不参与燃烧，但能吸收热量，这样就 降低了燃烧温度，可抑制NOx排放。
过量的废气再循环会影响发动机的正常运行，混合 气的燃烧将变得不稳定，着火性变差，发动机的经济性、 动力性会随之恶化，HC的排放也会增加，因此，应按发 动机工况和工作条件对再循环的废气量进行合理控制。 这样，就引入了废气再循环率（EGR率）的概念：
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§8-1 概述
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环保与节能
• 环境问题 • 能源危机
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汽车排放占大气污染物比例
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原因：这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两 个阶段进行。
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第五节 有害排放物的控制
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控制措施分类
1）以降低排放为目标，通过改进发动 机燃烧过程为主的机内处理方法。
2）对燃烧排出的有害物，在排气系统 等处进行后处理。
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排气冒蓝烟、白烟
冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度低， 燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出受光线 的反射呈现出不同的颜色，白烟是由0.6~1μm的颗 粒构成，而蓝烟是由0.6μm以下的颗粒构成。
暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无 色。
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2)怠速排放控制 怠速时低转速省油，排放不好。
汽油机 较高怠速转速可降低 排放。
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第二节 有害排放物的生成
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一、氮氧化物
主要是NO，NO2排出量较少。 NO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生
在燃料燃烧反应所形成的环境中，其主导反应
过程是
O＋N2＝NO＋N N＋O2＝NO＋O
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四、微粒
柴油机微粒的主要成分：碳烟粒子。它是燃料 在燃烧过程中经历了一系列物理化学变化后形成的。
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第三节 影响汽油机有害排放 物生成的主要因素
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• 1)活塞顶端气环与气缸壁之间形成的夹缝内的可 燃混合气因火焰不能及时到达，而不能完全燃烧。 2)相对冷态的气缸壁对火焰产生的热与活化基物质 起着吸收的作用，促使火焰传播中断，即火焰在 气缸壁表面产生激冷与淬熄现象。 3)烧机油(润滑油）。 4)发动机瞬变工况时，点火定时、空燃比以及排气 再循环值均不处于最佳状态，燃烧恶化，HC排放 量增加，尤其是减速及怠速工况。 5)燃烧室中沉积物的影响。
NOx ： 浓 度 两 头 低 ， 中间高，NO生成必须兼 具高温、富氧两个条件。
HC ： 两 头 高 ， 中 间低，与燃油消耗率的 变化趋势基本一致。
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二、点火正时
减少点火提前角：降低NO及HC均有利，但以 牺牲动力性为代价。
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3）要求随着负荷增加，废气再循环量应增加到允许的极限值。
4）接近全负荷时，为使发动机保持足够的动力性能，即使 NOX 排放很高，也不允许进行EGR。
5）为了实现EGR的最佳效果，要保证各缸的EGR率一致。
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使少量废气（5％～20％）再次循环进入气缸， 降低燃烧温度，可抑制NOx生成。应根据不同 工况决定是否采用废气再循环，或确定废气再 循环量的多少。
每单位功率小时排出污染物的质量称为比排放量
[g／（kW·h）]。
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排气冒黑烟
主要发生在大负荷工况Hale Waihona Puke Baidu，如加速，爬坡时。
燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。
减少黑烟的主要措施： 1）增加过量空气系数α，但与提高柴油机的动力性 相矛盾。 2）改善混合气的形成，与改善柴油机工作的柔和性 相矛盾。
应根据不同工况和运行条件决定是否采用废气再循环，或 确定再循环系统的控制要点：
1）发动机在起动、怠速、低转速小负荷及处于冷机运行时， 燃烧的温度低，NOx排放低，而节气门开度小，气缸内废气 稀释现象严重，不应进行废气再循环。
2）在高负荷、高速或油门全开时，追求发动机输出最高的动 力输出，因此，不希望进行再循环。