第八章内燃机污染物的生成与控制
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第八章内燃机污染物的 生成与控制
2020/8/30
§8-1 概述
2020/8/30
内燃机原理
环保与节能
• 环境问题 • 能源危机
2020/8/30
内燃机原理
汽车排放占大气污染物比例
2020/8/30
内燃机原理
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 。
2020/8/30
内燃机原理
CO：空燃比A／F 增加，CO浓度逐渐下 降；
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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
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。
2020/Biblioteka Baidu/30
内燃机原理
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。
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。
2020/8/30
内燃机原理
第四节 影响柴油机有害排放 物生成的主要因素
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
排放指标
1．排放物的浓度C
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
每单位功率小时排出污染物的质量称为比排放量
[g／（kW·h）]。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
• 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。
第二节 有害排放物的生成
2020/8/30
内燃机原理
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
2020/8/30
内燃机原理
促使NO生成的因素
（1）高温 （2）富氧 （3）充足的反应时间
2020/8/30
内燃机原理
2020/8/30
内燃机原理
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 。
2020/8/30
内燃机原理
第三节 影响汽油机有害排放 物生成的主要因素
2020/8/30
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。
2020/8/30
§8-1 概述
2020/8/30
内燃机原理
环保与节能
• 环境问题 • 能源危机
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内燃机原理
汽车排放占大气污染物比例
2020/8/30
内燃机原理
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 。
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内燃机原理
CO：空燃比A／F 增加，CO浓度逐渐下 降；
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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内燃机原理
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。
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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内燃机原理
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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内燃机原理
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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内燃机原理
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
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
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。
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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内燃机原理
第四节 影响柴油机有害排放 物生成的主要因素
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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。
2020/8/30
内燃机原理
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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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
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
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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内燃机原理
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。
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内燃机原理
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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内燃机原理
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。
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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。
2020/8/30
内燃机原理
• 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。
第二节 有害排放物的生成
2020/8/30
内燃机原理
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
2020/8/30
内燃机原理
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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内燃机原理
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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 。
2020/8/30
内燃机原理
第三节 影响汽油机有害排放 物生成的主要因素
2020/8/30
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。