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
2020/12/12
第八章内燃机污染物的生成与控制
• 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。
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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第八章内燃机污染物的生成与控制
排气冒黑烟
主要发生在大负荷工况时，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。
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第八章内燃机污染物的生成与控制
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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第八章内燃机污染物的生成与控制
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内燃机原理内燃机的排放与控制
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 。
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％。
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；
内燃机学教学大纲
《内燃机学》课程教学大纲课程编号：适用专业：汽车服务工程专业学时数：32学分数：2.0执笔者：编写日期：2013年9月一、课程的性质和目的《汽车发动机原理》是四年制本科生汽车服务工程专业的一门学科基础课。
本课程的任务是使学生获得发动机的基本工作循环和性能、发动机的换气过程与增压技术、发动机混合气形成和燃烧、发动机性能的评价、发动机特性及发动机性能试验方法等知识。
通过本课程的学习，使学生掌握发动机性能提高和合理使用的基本原理，以及发动机实验的基本技能，为本专业学生日后的工作打下坚实的基础。
二、课程的教学内容和学时分配第一章概论（2学时）教学内容：发动机的分类，对汽车动力装置的要求，新型汽车能源。
教学要求：了解发动机的分类和现代发动机的发展，了解对汽车动力装置的要求及汽车常用的能源。
重点：发动机的分类。
难点：无。
第二章发动机的工作循环和性能（4学时）教学内容：发动机理论循环，发动机的实际循环，指示指标，有效指标，指标测量，机械损失及测量，热平衡。
教学要求：了解发动机的理论循环和实际循环过程，掌握发动机理论循环与实际循环的差异，熟记指示指标、有效指标和机械损失，掌握发动机两类指标和机械损失的测量方法，了解发动机的热平衡。
重点：发动机的实际工作循环，指示指标、有效指标及机械损失。
难点：实际循环的各项损失，熟记各项性能指标。
第三章发动机的换气过程与增压（4学时）教学内容：增压技术基础，发动机的换气过程，充气效率，影响因素，换气损失，提高充气效率和降低换气损失的措施，废气涡轮增压器的组成及工作原理，车用发动机的增压系统。
教学要求：了解增压的基本概念和增压方式，掌握发动机的换气过程、充气效率及其影响因素，掌握提高发动机充气效率和降低换气损失的措施，了解废气涡轮增压器的组成及工作原理，了解车用发动机的增压系统。
重点：发动机的换气过程，充气效率及其影响因素，提高充气效率和降低换气损失的措施。
难点：提高充气效率和降低换气损失的措施。
内燃机学课件第八章
（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。
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空气中的氮。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：
缸内最高燃烧温度是决定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。
负荷超过一定研读时， NOx下降，因为相对缺 氧导致燃烧恶化
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。
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
内燃机12_污染及控制_
前处理
机外净化
燃料或空气在进入气缸前进行预先处理
改进内燃机工作过程
机内净化
改进内燃机的工作过程（特别是燃烧过程）和燃油系统、 点火系统、进排气系统等
后处理
机外净化
对内燃机排出的废气在进入大气前进行处理，如在排气 系统中安装催化、水洗、微粒过滤器等装置
一、机内净化测试
怠速排放的控制 化油器的改进和调整
柴油机 喷射，燃油停留时间短，…，HC排放比汽油机低得多 混合气太浓或太稀，会造成未燃HC
三、氮氧化物
NO的生成 空气中的氮在高温下氧化而成(扩充的捷尔杜维奇机理) 氧气在高温分解成氧原子诱发NO生成的链锁反应； NO生 成量还与反应时间有关
NO2及N2O4的生成 废气排出过程中，温度下降， NO缓慢氧化成NO2 ；温度 更低时， NO2聚合成N2O4
对于HC的排放，变化趋势或高、或低、或持平。
燃油掺水的方法：乳化油法、进气管和气缸内喷水 法、掺水蒸气法
排气后处理技术
氧化催化转化器
借H2助O 氧。化催化剂的作用，使CO、HC转化为CO2、 催化剂
一种能够加速化学反应速度而自身又不被消耗的化学物 质。
内燃机上常用的氧化催化剂有贵金属(铂Pt、钯Pd等)催 化剂、普通(铜、铬、镍、钴等)催化剂、含稀土催化剂 等。多采用铂催化剂。
人耳的适听范围（1000Hz的纯音）： 听域 → 痛域
2×10－5 Pa → 20 Pa <相差100万倍>
Lp
20 lg
p pr
20 lg
p 2 10 5
0 dB → 120 dB
噪声源及其控制
燃烧噪声
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八章内燃机污染物的生成与控制第一节概述一、完全燃烧：水蒸气、二氧化碳二氧化碳（CO2）是温室气体二、有害排放物的产生实际燃烧过程：时间极短燃料与空气混合不可能完全均匀特殊工况：冷起动、怠速、全负荷等三、有害排放物的种类一氧化碳（CO）碳氢化合物（HC）氮氧化物（NO x）微粒PM第二节污染物的生成机理和影响因素一、一氧化碳是HC燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，如果氧浓度、温度足够高，化学反应时间足够长，可氧化为二氧化碳主要因素：可燃混合气的过量空气系数点燃式发动机：各缸空燃比的变动，怠速运转，全负荷，小型单缸点燃机压燃式发动机：燃料和空气混合不均匀接近冒烟极限或负荷很小时，排放上升明显，局部缺氧严重二、碳氢化合物1、点燃式发动机（1）排气：未完全燃烧；二冲程（2）曲轴箱窜气（3）蒸发生成机理（1）壁面淬熄；（2）狭隙效应；（3）润滑油膜的吸附和解吸；（4）燃烧室沉积物2、柴油机燃油喷注与周围空气形成的混合气很不均匀喷注的核心：不会引起很多HC排放喷注的外围：来不及着火形成稀混合气怠速或小负荷运转时HC排放高冷起动时会导致严重的HC排放：喷油与壁面的碰撞三、氮氧化物NOx主要来源：参与燃烧的空气中的氮，Zeldovitch机理；一小部分“燃油NO”NO的生成随温度的升高而呈指数函数急剧增加已燃气中NO2与NO相比可以忽略不计点燃式内燃机：过量空气系数：影响燃烧温度和氧含量点火正时：推迟点火排气再循环负荷压燃式内燃机：气缸内达到的最高燃烧温度是决定NOx的最重要因素NOx排放随柴油机负荷增大而显著增加NOx排放随转速的具体变化与燃烧系统特性有密切关系喷油正时对柴油机燃烧过程有很大影响：推迟喷油降低NOx排放四、微粒柴油机的微粒（Particulate Matter，PM）排放量比汽油机大几十倍轿车、轻型车：0.1～1.0g/km重型车：0.1～1.0g/(kW·h)柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度超过约5000C时，碳烟（Dry Soot）温度较低时，有机可溶成分（SOF）柴油机排气中的碳烟主要是由柴油中含有的碳产生，生成条件是高温和缺氧混合气成分不均匀，总体富氧，局部缺氧由于润滑油造成PM排放：降低润滑油消耗涡轮增压提高空燃比，有利于降低PM排放增加喷油器喷孔数、提高喷油压力，改善柴油雾化：有利于降低PM排放第三节内燃机的排放控制一、点燃式内燃机1、曲轴箱排放物：窜气：通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱曲轴箱强制通风系统（PCV）2、蒸发排放物：源于运转损失、热烤损失、昼夜损失、加油损失活性碳罐：很强的吸附HC能力，易再生3、冷起动、暖机和怠速排放控制（1）冷起动和暖机排放控制大量CO和未燃HC化油器式最差，气道电喷改善，缸内直喷几乎不存在（2）怠速排放控制怠速工况：一般定义为发动机不输出动力以最低转速稳定运转的工况怠速排放测试（在用车、新车）现代高速车用汽油机：800－1000rpm影响因素：空燃比、点火正时4、低排放燃料供给系统：混合气形成的空燃比特性：电喷三效催化转化器：在当量空燃比效果最好稀燃NOx催化器：直喷汽油机、稀燃汽油机5、低排放点火系统点火正时对汽油机的性能和排放影响很大点火正时脉谱、点火能量特性6、低排放燃烧系统紧凑的半球形、帐篷形燃烧室7、排气再循环降低NOx排放EGR使工作混合气的总热容大大增加，最高燃烧温度下降适当控制EGR率，使之在各种不同工况下得到各种性能的最佳折中电控EGR系统的控制脉谱通过发动机的EGR标定试验确定二、压燃式内燃机1、排放生成及控制特点富氧燃烧：CO和HC相对汽油机少得多排放的NOx与汽油机同一数量级微粒和碳烟比汽油机多几十倍以上柴油机排放控制：重点是PM和NOx，其次是HC柴油机污染物排放的根本原因是燃油和空气混合气的不均匀控制内燃机PM排放核心是改善柴油机混合气形成和燃烧过程；柴油机燃烧过程的改善往往引起NOx排放增加均匀混合气压燃式发动机（HCCI）：均匀混合气的制备和自燃的化学动力学控制2、降低柴油机排放设计要点（一）增压增压在柴油机上普遍应用：重型车、中型车、轻型车、甚至轿车主要特征：进气量大，平均φa大，DS和PM排放下降增压一般使NOx排放增加欧I：涡轮增压型；欧II：增压中冷型；欧III：可变喷嘴涡轮增压器（二）低排放燃油喷射系统（1）喷射正时的控制：推迟喷油，但需综合考虑PM排放和燃油消耗率（2）循环喷油量的控制：随负荷增加而增大，根据转速变化进行适当调节；各缸循环喷油量的均匀性；冷起动：逐次递增（3）优化喷油规律：初期缓慢、中期急速、后期快断；预喷射和主喷射组成的二次喷射；有时进行后喷射（适应后处理）（4）低排放喷油器喷油器尺寸越来越小喷油器的偏心量和倾斜角尽可能小小压力室喷嘴（5）提高喷油压力提高喷油压力泵－管－嘴式（100MPa）；泵喷嘴（180MPa）：随柴油机转速和负荷降低而降低；电控共轨喷油系统。
燃烧理论8燃烧污染物生成与控制PPT课件
污染空气 0.02-2ppm 350-370ppm 5-200ppm 0.01-0.5ppm 1-20ppm 0.2-0.4ppm 70-700 μg/m3
8.1 空气污染和空气污染物
空气污染物的组成
1、按形成过程分类：
1) 原始污染物：直接从污染源排放到大气中的有害物质， 常见的原始污染物有：SO2、CO、NOx及颗粒物
影响烟尘生成的因素
（2）氧气浓度和过剩空气系数的影响
碳黑是在富燃缺氧条 件下产生，因此如果碳氢 化合物燃烧与足够的氧气 充分混合，能防止碳黑产 生，防止产生烟尘所需要 的氧气量，随着燃烧种类 而异。
8.2 烟尘的形成与防治
影响烟尘生成的因素
（3）燃料粒径的影响 燃料粒径大，其燃烬时间也长，因而在炉内有限的停留
8.3 硫氧化物的形成与防治
SOx的生成机理
SO3除了从SO2与O2直接反应生成外，还可由下列两个途径产生：
（1）在火焰高温区内：
O2 O O SO2 O SO3
火焰温度越高，氧原子浓度越大，则SO3生成量越大
（2）受热面积上灰和氧化膜的催化作用
V2O5 SO2 V2O4 SO3 2SO2 O2 V2O4 2VOSO4 2VOSO4 V2O5 SO3 SO2
1g / m3 分子量 10－3 ppm
24.45
8.1 空气污染和空气污染物
空气污染和空气污染物
清洁空气与污染空气载某些成分的含量：
成分 SO2 CO2 CO NOx CmHn 氧化剂 颗粒物质
清洁空气 0.001-0.01ppm
310-330ppm <1ppm
0.001-0.01ppm 1ppm
内燃机排放的控制及其应用
内燃机排放的控制及其应用随着人口增长和经济发展，能源需求不断增加。
传统能源消耗带来的环境问题，尤其是空气污染问题，已经成为一个严重的问题，而内燃机也是其中污染贡献的重要来源。
为了减少内燃机排放对环境的负荷，许多控制技术被开发和应用。
本文将介绍内燃机排放的主要污染物、污染来源以及控制技术和应用。
第一章：内燃机排放的主要污染物内燃机的排放物包括氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、颗粒物（PM）和二氧化碳（CO2）。
其中，NOx和PM是确定的污染物，而HC和CO2是扩散的温室气体。
NOx会造成光化学烟雾和酸雨，PM会对人体呼吸道和眼睛产生危害。
CO2为温室气体之一，会对全球气候产生影响。
第二章：内燃机排放的主要来源内燃机排放有两个主要的来源：发动机本身和燃料。
①发动机本身：发动机的设计和工作过程对排放产生影响。
发动机的结构和技术条件如缸壁温度、油温和气门重叠度等会对排放产生影响。
此外，高发动机速度和负载加剧了温度和压力的变化，导致排放浓度增加。
②燃料：燃料的选择和质量对排放也有很大影响。
高硫燃料会影响排放物的组成和浓度，而不同品牌的燃料在多数情况下会导致排放物组成的不同。
第三章：内燃机排放控制技术控制内燃机排放的技术包括以下几类：①内部控制：这个方法是通过对燃油、混合气、燃烧过程、发动机结构上的改进，实现减排目的，减少发动机自身的排放量。
②尾气控制：这是目前最广泛应用的方法之一。
功率、负载、温度和浓度传感器与排气气体传感器配合，可以实现高效的排放控制。
③冷却技术：冷却技术是一种较新的控制技术，主要包括冷却循环、冷却滑液控制和冷却铜垫圈控制等。
通过不同冷却控制技术的组合选择，可以有效地减少内燃机排放。
第四章：内燃机排放控制技术的应用内燃机控制技术的应用可以分为以下几个方面：①汽车：汽车的排放控制是内燃机控制技术的主要应用领域之一。
由于汽车的数量和使用频率不断增加，空气污染问题日益严重，对汽车排放控制提出了更高的要求。
内燃机原理课后题
内燃机原理课后题内燃机学课后题第二章：内燃机的工作指标2-7内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？2-8怎样求取发动机的指示功率、有效功率、平均指示压力和平均有效压力？2-9机械效率的定义是什么？2-10平均有效压力和升功率在作为评定发动机的动力性能方面有何区别？2-11充量系数的定义是什么？的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？2-12试推导由吸入的空气量来计算平均有效压力的解析式及升功率的解析式，并分析提高发动机升功率的途径。
2-13影响be的因素有哪些？降低be的途径有哪些？2-14过量空气系数的定义是什么？在实际发动机上怎样求得？2-15内燃机的机械损失由哪些部分组成？详细分析内燃机机械损失的测定方法，其优、缺点及适用场合。
2-16要设计一台六缸四冲程高速柴油机，设平均指示压力，平均机械损失压力，希望在2000r/min时能发出的功率为73.5kW。
1）为将活塞平均速度控制在8m/，缸径行程比取多大合适？2）为使缸径行程比为1:1.2，缸径与行程取多大？1）求发动机的pme、Ttq和。
2）当时，试求、、和的值。
3）当、、均未变，由0.75提高到0.8，此时PL、Pe和be的值。
4）若通过提高使Pe提高到160kW，而、均未变化，则、、be值是多大？5）通过以上计算，你可以得出哪些结论？2-17试述机械损失的测定方法。
第三章：内燃机的工作循环3-1研究理论循环的目的是什么？柴油机的理论循规蹈矩环与实际循环有何区别？3-2试推导混合加热理论循环热效率的表达式。
3-3从理论循环中可以得到哪些结论？在指导实际工作时要受到哪些限制？3-4简述发动机实际循环向理想循环的简化条件。
3-5在初态相同、最高压力和温度相同、放热量相同的前提下，在发动机理想循环P-V图上比较混合、定容和定压加热循环的热效率。
车用内燃机主要排放污染物的生成机理与控制策略
Internal Combustion Engine &Parts1车用内燃机主要排放污染物的生成机理汽车排放物种类众多，按燃烧角度看可分为：完全燃烧产物二氧化碳（CO 2）、水蒸气（H 2O ）、氧气（O 2）、氮气（N 2）等；不完全燃烧与燃烧中间产物一氧化碳（CO ）、碳氢化合物（THC ）、氮氧化合物（NO X ）、二氧化硫（SO 2）、颗粒物（PM ）等。
可燃混合气形成与燃烧方式上的差异，导致汽油机与柴油机在排放污染物种类与排放控制策略也有所差异。
图1发动机排气污染物成分及其比例(体积分数)从图1可以看出，汽油机主要排放污染物为CO 、HC 和NO X ，柴油机主要排放污染物为NO X 和颗粒物（PM ）。
此外，目前的国六法规还对NMHC （非甲烷总烃）与PN （固体悬浮颗粒数）进行了限值要求[3]。
下面将分析排放污染物的主要生成机理。
1.1CO 的生成机理CO 主要是烃类物质的不完全燃烧产生。
具体原因有：①过量空气系数小于一时，C 不能完全氧化，CO 为未完全燃烧产物。
②过量空气系数大于一时，理论上无未完全燃烧产生的CO ，但实际燃烧过程中，混合气的不均匀会使局部区域燃烧不完全，加上壁面油膜随进气而边流动边蒸发也会造成不均匀，从而产生CO 。
③燃烧生成的CO 2高温时可解离为CO [2]。
④排期过程中，未燃碳氢化合物不完全氧化反应也生成CO 。
1.2HC 的生成机理车辆排放生成的HC 种类繁多，包含芳香烃、烯烃、烷烃以及醛类等。
与CO 类似，其主要产生原因也是燃油的不完全燃烧，此外还有燃油的挥发。
具体原因：①缸内壁面淬熄效应（占30%-50%）：低温壁面及附面层将火焰前锋面冷却，活化分子能量被吸收，燃烧链反应中断，壁面形成淬熄层[6]，冷启动与怠速时尤为明显。
②缝隙效应：在活塞与缸壁之间、缸盖、缸垫和缸体之间的窄缝、进、排气门和气门座之间、火花塞中心电极附近由于面容比很大，导致火焰难以传播，淬熄效应加剧。
燃烧学 第八章 燃烧污染物的生成和控制
•
• • •
燃料中若含有氮的化合物，则在燃烧过程中氮 化合物将会变成NO。这种NO称为燃料NO。 相应的燃料中的N称为燃料N。 它的生成过程及生成特性均与来源于空气中氮 气的NO不同，故应区别对待。 当燃料中含有多量的N时，燃料N支配着NO的 总生成量。
液体和固体燃料中的含氮量
缺氧，引起中枢神经系统麻痹。与血红蛋 白的亲和能力为CO的数百~1000倍。 • 最低致死量~100ppm • 经紫外线照射，与汽车尾气中的碳氢化合 物结合，生成一种浅蓝色光化学烟雾，具 有强烈刺激性，可致癌。
CO
• 无色无味，比O2与血红蛋白的亲和力高300
倍，最低致癌浓度2000ppm。 • 燃气灶具规定烟气中一氧化碳含量(a＝1)要 低于500ppm。
• •
•
过量空气系数对NO生成的影响
• NO的生成量在燃料过多时，
随氧气浓度增大而成比例增 大，在当量比略少于1时， 生成量下降。 燃烧温度在当量比等于1附 近出现最大值，相应的NO 的生成速度也达到最大。在 过量空气系数远离1时，生 成速度将急剧降低。 温度、氧气浓度对NO的生 成速度和生成量的这种影响 是非常重要的。
– SO2为8ppm时，人体感到难受； – 硫酸烟雾浓度不到0.8ppm时，人就忍受不住。 – 英国：每年由于Sox腐蚀造成的损失~8亿美元之多。
NOx
• 构成：
– 硝酸 – 亚硝酸 – NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4 – N2O5
~NOx
NOx危害
• 溶于水，形成硝酸雨，危害作物； • 与动物血液中的血红蛋白结合，造成血液
燃料N向燃料型NO的转变率
• 一般燃料N含量越多，转 •
变率反而降低。 当燃料N含量n在0.1％以下 时，转变宰a’在90％以上； n在0.2％左右时，转变率a’ 为60％—70％；n＝0.4％ 时,n=40％—50％；n再增 大时。 转变率趋近于25％—32％， 产生所谓饱和现象。
内燃机污染物的生成与控制
03 内燃机污染物控制技术
燃烧控制技术
01
02
03
燃油喷射控制
通过精确控制燃油喷射的 时间和量，优化燃油与空 气的混合，降低不完全燃 烧产生的污染物。
火箭发动机排放控制
通过精确计算和控制燃料与氧化剂的比例、 采用环保推进剂等手段，减少火箭发射过程
中的有害物质排放。
在发电和工业领域的应用
要点一
燃气轮机排放控制
采用干式低氮燃烧技术、催化转化器等设备，降低燃气轮 机排放中的氮氧化物和未燃尽的碳氢化合物。
要点二
工业内燃机尾气处理
在工业领域使用的内燃机，如发电机组、压缩机等，采用 相似尾气处理
采用SCR（选择性催化还原）技术，降低船舶发动机 尾气中的氮氧化物排放。
船舶燃油净化
通过使用燃油添加剂和过滤器等设备，减少船舶发动 机燃油中的硫、磷等有害物质，降低尾气排放。
在航空航天行业的应用
航空发动机尾气处理
采用高温陶瓷过滤器、催化转化器等技术， 降低飞机发动机尾气中的一氧化碳、碳氢化 合物和氮氧化物等污染物排放。
02 内燃机污染物生成机理
氮氧化物的生成机理
氮氧化物的生成与温度和氧气浓度密 切相关。在内燃机的燃烧过程中，高 温和富氧环境促使氮气和氧气发生反 应，生成氮氧化物。
燃烧室内的高温高压环境是氮氧化物 生成的主要场所，火焰传播速度、燃 烧温度和氧气浓度等因素对氮氧化物 的生成具有重要影响。
硫化物的生成机理
硫化物主要来源于燃料中的硫成分。在内燃机的燃烧过程中 ，燃料中的硫在高温下与氧气反应，生成硫氧化物，如二氧 化硫和三氧化硫。
内燃机排放污染物的控制技术研究
内燃机排放污染物的控制技术研究第一章绪论随着人类社会的发展和工业化进程的加速，人们对环境保护的需求也日益增加。
而内燃机排放的污染物是环境污染的主要来源之一。
为了控制内燃机排放的污染物，相关研究和技术的不断更新与发展已成为当今环保领域的热点话题。
本文将从内燃机排放污染物的来源和成分入手，重点介绍内燃机排放污染物的控制技术研究。
第二章内燃机排放污染物的来源和成分内燃机排放的污染物主要来源于燃烧过程。
内燃机燃烧油品中的有机物和无机物在燃烧过程中会产生大量有害气体和颗粒物。
其中，最主要的污染物包括一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机物、颗粒物和二氧化碳等。
这些污染物会严重危害人体健康，导致空气污染，加速气候变化，破坏环境生态平衡。
第三章内燃机排放污染物的控制技术目前，针对内燃机排放污染物，主要采取的控制技术包括以下几种：1.交替排放技术交替排放技术是指在多缸引擎中，将不同缸的排放通过排气管道交替排放。
这种技术可以使得每个缸的排放都得以充分混合和反应，并且相邻缸的氧气和烟气反应时可以相互利用，从而提高了燃烧效率和环保性能。
2.油（气）分离技术油（气）分离技术是指在排放管道中加装油（气）分离器，将排出的废气和机油分离，从而避免机油被排出，降低了环境污染和机件磨损。
3. 氧化催化转化技术氧化催化转化技术是指在排放管道中加装氧化催化剂，通过氧化和催化反应将有害气体转化为无害的气体排放。
这种技术可以高效地去除一氧化碳和有机物等污染物，而且具有较低的制造成本和维护成本。
4. 提高燃烧温度技术提高燃烧温度技术是指通过调整内燃机燃油供给和点火系统等参数，使得燃烧温度和燃烧速度得到有效控制，从而减少生产大量污染物的可能性。
这种技术可以有效地控制氮氧化物的排放，但需注意不能过度提高燃烧温度和速度，以避免对设备的损伤。
第四章结论内燃机排放污染物的控制技术，是当前环保研究的重要方向之一。
通过采取不同的技术手段以减少内燃机的污染物排放，可以有效地保护环境，改善人民健康，促进可持续发展。
内燃机排放污染控制技术研究
内燃机排放污染控制技术研究一、背景介绍内燃机是现代机械设备当中的一种重要的能源转化设备，其主要工作原理是通过燃烧燃料来发动汽车或机器。
但是同时，内燃机也会产生大量的有害气体和颗粒物排放，这些物质会对环境和人体健康造成极大的危害。
因此，内燃机排放污染控制技术的研究是当前的一个非常重要的课题。
二、内燃机污染排放中的主要问题内燃机的排放污染主要分为三类：废气排放、噪声污染、液体污染。
其中，废气排放的问题最为突出，特别是在现代城市，随着机动车辆数量的增加，废气污染的问题日益严重。
内燃机废气产生的主要有害成分包括：氮氧化物（NOX）、碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、颗粒物等。
例如，燃油汽车的尾气中，化学反应生成的NOx、CO和颗粒物是三大污染物。
这些有害物质的排放会导致空气质量恶化，加剧环境污染和气候变化等问题。
三、内燃机污染排放的治理手段为了控制内燃机的污染排放，目前主要采用的手段包括以下几种：1.颗粒物过滤装置：针对颗粒物的主要措施是采用颗粒物过滤器，该装置可以有效地捕获内燃机排放的颗粒物，减少颗粒物对环境的污染。
2.氧化反应催化剂：氧化反应催化剂是一种将尾气中有机物或CO、HC、NOx等化学物质转化成二氧化碳和水的装置。
通过配置合适的催化剂、氧化剂和还原剂的组合，可以有效地降低废气中的有害物质排放。
3.燃烧控制技术：燃烧控制技术是通过调整燃烧过程中的某些参数，如燃料进气时间、燃料和空气比例、点火时期等，来控制燃烧的过程。
通过调整燃烧过程中的控制参数，可以有效地降低污染物的排放。
四、内燃机排放污染控制技术的发展趋势随着对环境保护的重视和科学技术的不断发展，内燃机排放污染控制技术也在不断地更新和提升。
未来的发展趋势主要包括以下几方面：1.智能化控制技术：利用微处理器、传感器和通信技术等，实现内燃机的智能化控制，达到更加优化的燃烧效率和最优的排放性能。
2.新能源技术的应用：新能源汽车和混合动力汽车的推广和应用，可以大大减少内燃机的使用，从而降低废气排放对环境造成的影响。
内燃机污染物的生成与控制
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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南京航空航天内大燃机学原金理 城学院
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。
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。
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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内燃机原理
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；
内燃机污染物的生成与控制
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内燃机原理
§8-1 概述
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内燃机原理
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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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。
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第八章内燃机污染物的生成与控制第一节概述一、完全燃烧：水蒸气、二氧化碳
二氧化碳（CO2）是温室气体
二、有害排放物的产生
实际燃烧过程：时间极短
燃料与空气混合不可能完全均匀
特殊工况：冷起动、怠速、全负荷等三、有害排放物的种类
一氧化碳（CO）
碳氢化合物（HC）
氮氧化物（NO x）
微粒PM
第二节污染物的生成机理和影响因素 一、一氧化碳
是HC燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，如果氧浓度、温度足够高，化学反应时间足够长，可氧化为二氧化碳
主要因素：可燃混合气的过量空气系数
点燃式发动机：各缸空燃比的变动，怠速运转，全负荷，小型单缸点燃机压燃式发动机：燃料和空气混合不均匀
接近冒烟极限或负荷很小时，排放上升明显，局部缺氧严重二、碳氢化合物
1、点燃式发动机
（1）排气：未完全燃烧；二冲程
（2）曲轴箱窜气
（3）蒸发
生成机理
（1）壁面淬熄；（2）狭隙效应；（3）润滑油膜的吸附和解吸；（4）燃烧室沉积物2、柴油机
燃油喷注与周围空气形成的混合气很不均匀
喷注的核心：不会引起很多HC排放
喷注的外围：来不及着火形成稀混合气
怠速或小负荷运转时HC排放高
冷起动时会导致严重的HC排放：喷油与壁面的碰撞
三、氮氧化物NOx
主要来源：参与燃烧的空气中的氮，Zeldovitch机理；一小部分“燃油NO”NO的生成随温度的升高而呈指数函数急剧增加
已燃气中NO2与NO相比可以忽略不计点燃式内燃机：
过量空气系数：影响燃烧温度和氧含量
点火正时：推迟点火
排气再循环
负荷
压燃式内燃机：气缸内达到的最高燃烧温度是决定NOx的最重要因素NOx排放随柴油机负荷增大而显著增加
NOx排放随转速的具体变化与燃烧系统特性有密切关系
喷油正时对柴油机燃烧过程有很大影响：推迟喷油降低NOx排放四、微粒
柴油机的微粒（Particulate Matter，PM）排放量比汽油机大几十倍
轿车、轻型车：0.1～1.0g/km
重型车：0.1～1.0g/(kW·h)柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度
超过约5000C时，碳烟（Dry Soot）
温度较低时，有机可溶成分（SOF）柴油机排气中的碳烟主要是由柴油中含有的碳产生，生成条件是高温和缺氧
混合气成分不均匀，总体富氧，局部缺氧
由于润滑油造成PM排放：降低润滑油消耗
涡轮增压提高空燃比，有利于降低PM排放
增加喷油器喷孔数、提高喷油压力，改善柴油雾化：有利于降低PM排放第三节内燃机的排放控制一、点燃式内燃机
1、曲轴箱排放物：
窜气：通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱
曲轴箱强制通风系统（PCV）
2、蒸发排放物：
源于运转损失、热烤损失、昼夜损失、加油损失
活性碳罐：很强的吸附HC能力，易再生3、冷起动、暖机和怠速排放控制
（1）冷起动和暖机排放控制
大量CO和未燃HC
化油器式最差，气道电喷改善，缸内直喷几乎不存在（2）怠速排放控制
怠速工况：一般定义为发动机不输出动力以最低转速稳定运转的工况
怠速排放测试（在用车、新车）
现代高速车用汽油机：800－1000rpm
影响因素：空燃比、点火正时4、低排放燃料供给系统：
混合气形成的空燃比特性：电喷
三效催化转化器：在当量空燃比效果最好
稀燃NOx催化器：直喷汽油机、稀燃汽油机5、低排放点火系统
点火正时对汽油机的性能和排放影响很大
点火正时脉谱、点火能量特性
6、低排放燃烧系统
紧凑的半球形、帐篷形燃烧室7、排气再循环
降低NOx排放
EGR使工作混合气的总热容大大增加，最高燃烧温度下降
适当控制EGR率，使之在各种不同工况下得到各种性能的最佳折中
电控EGR系统的控制脉谱通过发动机的EGR标定试验确定
二、压燃式内燃机
1、排放生成及控制特点
富氧燃烧：CO和HC相对汽油机少得多
排放的NOx与汽油机同一数量级
微粒和碳烟比汽油机多几十倍以上
柴油机排放控制：重点是PM和NOx，其次是HC柴油机污染物排放的根本原因是燃油和空气混合气的不均匀
控制内燃机PM排放核心是改善柴油机混合气形成和燃烧过程；
柴油机燃烧过程的改善往往引起NOx排放增加
均匀混合气压燃式发动机（HCCI）：均匀混合气的制备和自燃的化学动力学控制2、降低柴油机排放设计要点
（一）增压
增压在柴油机上普遍应用：重型车、中型车、轻型车、甚至轿车
主要特征：进气量大，平均φa大，DS和PM排放下降
增压一般使NOx排放增加
欧I：涡轮增压型；欧II：增压中冷型；欧III：可变喷嘴涡轮增压器（二）低排放燃油喷射系统
（1）喷射正时的控制：推迟喷油，但需综合考虑PM排放和燃油消耗率（2）循环喷油量的控制：随负荷增加而增大，根据转速变化进行适当调节；各缸循环喷油量的均匀性；冷起动：逐次递增
（3）优化喷油规律：初期缓慢、中期急速、后期快断；预喷射和主喷射组成的二次喷射；有时进行后喷射（适应后处理）（4）低排放喷油器
喷油器尺寸越来越小
喷油器的偏心量和倾斜角尽可能小
小压力室喷嘴
（5）提高喷油压力
提高喷油压力
泵－管－嘴式（100MPa）；泵喷嘴（180MPa）：随柴油机转速和负荷降低而降低；电控共轨喷油系统。
（三）气流组织和多气门技术
适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合
小缸径柴油机：涡流运动，加速油膜蒸发
四气门柴油机：变涡流
重型车用柴油机：低涡流甚至无涡流（四）低排放燃烧室
非直喷式：逐渐淘汰
直喷式：尽可能增大燃烧室有效容积比
长行程、降转速的柴油机经济性和排放性好
适当提高压缩比（五）排气再循环
轻型车、轿车用柴油机：中小负荷工况，可采用较大的EGR率
重型车用柴油机：EGR率较小
排气中含氧量高，可用较大的EGR率，最大EGR率为40～50％。
综合考虑NOx与PM排放
增压器后的进气压力高于排气压力，EGR驱动措施
EGR冷却
EGR电子控制第四节内燃机的排气后处理一、必要性
机内净化（改进内燃机本身设计和优化运行参数）降低排放物有一定限度内燃机排放法规日益严格，兼顾动力性、经济性、排放性等
二、三效催化转化器
（一）催化反应机理
催化剂：催化作用的核心HC、CO的氧化反应，NO的还原反应
（二）催化转化器的构造
外壳、催化剂（载体和活性物质）、衬垫
铂Pt，钯Pd，铑Rh（三）催化转化器的工作特性
性能指标：转化效率、流动阻力、使用寿命
空燃比特性
起燃特性：起燃温度、起燃时间
空速特性：两体积流量之比
流动特性：细小孔道
耐久特性：热力因素、化学因素三、氧化催化转化器
氧化催化剂可以氧化PM中的大部分SOF
降低柴油机的CO和HC，醛类和PAH
低硫柴油四、富氧降NOx催化转化器
吸附还原催化器：稀燃储存NOx，浓燃还原NOx，对柴油机，需电控共轨喷射系统
选择性催化还原（SCR）：NH3作为还原剂，尿素溶液
开发SCR催化转化器需注意减少N2O的生成四、柴油机排气微粒捕集器（DPT）
壁流式蜂窝陶瓷块为滤芯的微粒滤清器DPF
相邻的两个孔道：一个进口堵住，一个出口堵住
DPF的再生：及时清除PM，降低排气阻力
脱机再生方法
热再生、催化再生
燃烧器
电阻加热再生
微波选择性加热
再生周期的确定
连续再生捕集器（CRT）:借助特殊催化剂把排气中的NO氧化成为NO2，再使PM发生氧化反应
第五节排放法规一、排放测试规范
轻型车：整辆汽车在底盘测功机上测量，测量结果：g/km；
瞬态循环：怠速、加速、等速、减速等行驶工况
重型车：把内燃机装在发动机测功机上测量排放，结果：g/(kW·h)
13个稳态工况组成，加权累积
全负荷烟度：全负荷稳定转速二、取样系统
排气分析仪：测量成分在排气中的体积分数，根据内燃机的排气总流量算出总排放量
对内燃机排气先用干净空气稀释，然后再定容取样
柴油机PM排放测量：稀释取样系统三、测量技术简介
（一）气体污染物的检测
排放法规规定：
CO和CO2：不分光红外线吸收型分析仪
NOx：化学发光分析仪（CLD）或加热型CLD
HC：氢火焰离子化分析仪（FID）或加热型FID
分离甲烷：气相色谱仪（GC）（二）微粒的测量和分析
内燃机的排气微粒：是指从温度低于52o C的稀释排气中采集的沉积在用聚四氟乙烯处理过的玻璃纤维滤纸上的所有物质
用取样系统把PM收集在取样滤纸上，精确测量
超细PM粒度分析仪器（三）排气可见污染物测量
用滤纸烟度和消光度表示
滤纸烟度：博世（Bosch）烟度计或滤纸烟度计
消光度：消光式烟度计或消光度计
滤纸烟度的表征：博世烟度值（BSU）或滤纸烟度值（FSN）四、排放限值
型式认证限值：限定新定型发动机或汽车排放
生产一致性：成批生产发动机
轻型车、重型车
我国目前相当欧Ⅲ排放标准.。