内燃机的排放与控制

颗粒物——对人体健康的危害程度和颗粒的大小及 组成有关。微粒越小，悬浮在空气中的时间越长， 它们进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比 例越大，危害也越大。小于0.1微米的颗粒能在空 气中做随机运动，进入肺部并附着在肺细胞的组 织中，有些还会被血液吸收。0.1~0.5微米的微粒 能深入肺部并黏附在肺叶表面 的黏液中，随后被 绒毛所清除。大于5微米的微粒常在鼻部受阻，不 能进入呼吸道，大于10微米的微粒可以排出体外。 微粒除了对人体的呼吸系统有害外，由于微粒存 在孔隙能黏附SO2、未燃HC、NO2等有毒物质或 苯并芘等致癌物质，因而对人体的健康造成更大 的危害。由于柴油机的微粒直径大多小于0.3微米， 而 且数量比汽油机高出30~60倍，成分更复杂， 因而柴油机的微粒排放相对更大。
先进排放控制技术 在中国应用前景探讨
柴油车后处理技术前景
我国一些大城市和旅游城市会较早实施低排放标准。 这才是先进柴油车排气后处理技术的用武之地，目前 的柴油车改造冲动可见一斑。
小型柴油车会更多地采用DOC、DPF技术。 城市公交等大型车，由于低硫柴油和尿素都有可能 提供，因此原则上SCR技术、DPF技术会并存，主 要依赖各城市、各发动机公司的能力和偏好。 但基于重卡超载教训，SCR技术在中国前景不妙！ 不要期望城市间奔跑的客车、卡车很快装备先进 后处理装置！
§7- 6
内燃机的排放与控制（链接录像）
一、内燃机的主要排放物（Kyoto Protocol） 1、CO2 2、H2O 3、micro-particle（pm2.5） 4、NOX 5、CO 6、HC 7、Cr、Pb等重金属 8、SO2 9、O3 其中红色为主要有害排放，是需要重点控制的物质
二、有关统计资料 1、城市主要污染物中发动机排放所占比例
Ⅴ 0.09 0.6
Ⅵ 0.06 0.35
HC+ NOx CO
（2）柴油机
级别 排放
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
HC+ NOx
1.36
0.90
0.56
0.30
0.20
0.10
MP
0.196
0.10
0.03
0.025
0.02
0.015
CO
2.72
1.6
0.64
0.50
0.35
0.25
三、有害排放物的危害
CO——是无色无味的气体，它是一种窒息性的有毒 气体，由于CO和血液中有输氧能力的血红素蛋白 (Hb)的亲和力，比氧气和Hb的亲和力大200～ 300倍，因而，CO能很快和Hb结合形成碳氧血红 素蛋白(CO—Hb)，使血液的输氧能力大大降低， 使心脏、大脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、 恶心、头痛等症状。轻度是使中枢神经系统受损， 慢性中毒，严重时会使心血管工作困难，直至死 亡。为保护人类不受CO的毒害，将24小时内吸 收的CO的浓度限制在5×10－6以内。CO和Hb结 合是可逆的，如果人体吸入低浓度CO后被置于新 鲜空气中或进入高压氧舱，已经与Hb结合的CO 会被分离出来，通过呼吸系统排出体外。
5、OBD排放控制——OBD装置监测多个系统和部件，包括发动机、 催化转化器、颗粒捕集器、氧传感器、排放控制系统、燃油系统、 GER等。 OBD是通过各种与排放有关的部件信息，联接到电控单元 （ECU），ECU具备检测和分析与排放相关故障的功能。当出 现排放故障时，ECU记录故障信息和相关代码，并通过故障灯发 出警告，告知驾驶员。ECU通过标准数据接口，保证对故障信息 的访问和处理。
（3）、采用废气再循环EGR（链接录像与动画）
——引入进气量5-20%的废气，以稀释氧浓度，减少
NOx的排放。由于废气中含有大量的CO2，它不参与燃
烧，却吸收了大量的热，因此，降低了最高燃烧温度，
又使混合气中氧的成份降低，因此减少了NOx排放。废 气再循环使发动机动力性能和经济性能下降，尤其是 废气再循环过多，会影响发动机怠速、低转速小负荷、 暖机工况的运转稳定性，因此，必须根据发动机工况的
NOx(ppm) 50-100 1000-4000
MP(g/m3)
0向40加速 0.75-5.0 40恒速
0.05 0.5-1.0 1000-2500
40到0减速 1.5-4.5
1000-3000 5-50
（2）、柴油机
工 况 怠 速 0向40加速 40恒速
co%
HC(ppm)
NOx(ppm) MP(g/m3)
光化学烟雾——HC和NOx在强烈的阳光下会生成臭 氧(O3)和过氧酰基硝酸盐(PAN)，即浅蓝色的光 化学烟雾，它是一种强烈刺激性有毒气体的二次 污染物。光化学烟雾中的O3是强氧化剂，能使植 物变黑直至枯死，使橡胶开裂，它有特殊的臭味， 其嗅觉阀值为0.02×10－6和1×10－6，接触1小 时后会引发气喘、慢性中毒，5×10－6浓度下30 分钟会使人致死。
先进排放控制技术 在中国应用前景探讨
汽油车
目前国内汽油整体质量尚可，基本能满足欧II 车辆的运行要求。欧III油品仍需等待！！ 更先进排气催化器的应用效果可能随运行条件 而改变，但基本可以使用。 先进汽油车排放控制技术在中国实际使用效果 （在用车排放状况）需要科学收集和评估！ 先进车辆的OBD在中国适应性仍需深入研究， 应先在条件较好的地区试点、逐步全国应用。
3、NOx的生成机理（高温富氧）
（1）、主导反应：3N2+O2
N+O2
2NO+N（大部分）
NO2（小部分）
当正向反应速度大于逆向反应速度时， NOx产生， （2）、影响因素：富氧、高温、反应滞留时间长 4、MP的生成机理（碳烟凝聚、杂质）
（1）、高源自文库缺氧形成碳烟核心
（2）、气态烃和其它物质在碳烟核心表面粘附凝聚，再 加上大小碳烟核心相互碰撞吸附，形成碳烟基元 （3）、碳烟基元再吸附、粘着其它物质形成球状或链菌 状聚合物——即大小微粒
关于稀薄燃烧技术
一是提高压缩比 采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流， 提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13： 1左右，促使燃烧速度加快 二是分层燃烧 如果稀燃技术的混合比达到25：1以上（最高可达40:1），按照常规是无法 点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火 花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。 浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物（NOx），现在采用燃油喷射定时与 分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内 下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花 塞四周被点燃，实现分层燃烧。 三是高能点火 高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增 快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到 上述目的。
氮氧化物——是燃烧过程中形成的多种氮氧化物， 如NO、N 2、N2O3、N2O5等，总称NOX。在内 燃机中主要是NO，约占95％；其次是NO2，占5 ％。NO是无色无味气体，只有轻度刺激性，毒性 不大。但高浓度时会造成中枢神经系统轻度障碍， NO可以被氧化成NO2。NO2是一种棕红色强烈 刺激性的有毒气体，其含量为0.1×10－6时即可 嗅到，1×10－6～4×10－6就感到恶臭，它对人 体健康毒害较大。NO2吸入人体后，和血液中的 血红素蛋白(Hb)结合，使血液输氧能力下降，对 心、肝、肾都会有影响，还会使植物枯黄。但 NO2较易扩散，遇水易溶解。
CO HC NOx M-particle 88-99% 63-95% 31-53% 2-30% 04Tokyo 04Beijing 04New York 04London
2、不同工况下发动机排放有害成分浓度 （1）、汽油机
工 况 怠 速
co% 4.0-10
HC(ppm) 300-2000 300-600 200-400
（3）、适当减小点火提前角，适当降低燃烧温度，适度 减少HC和NOx的排放，但过多会影响Pe （4）、怠速时，适度减小气门重叠，高速时，适当增大 气门重叠，适度减少少HC和NOx的排放，但经济性变 差 （5）、适当减小ε，可减少HC和NOx，但Pe↓ 2、改善混合气品质 （1）、选用高清洁、优质、无污染、杂质少的燃油 （2）、采用恒温进气（多用于化油器式或节气门体汽油 喷射式发动机上）：当发动机冷起动后，向发动机供给 热空气，这样，化油器即使供给稀混合气，热空气也能 保证燃油充分汽化和燃烧，从而既减少了CO和HC排放， 又能使发动机在低温下稳定工作。当发动机工作温度升 高后，恒温进气空气滤清器向发动机供给环境温度的空 气。但不利于提高充气效率。
0
0-0.5 0-0.1
300-500
200 90-150
50-70
800-1000 0.10- 0.35 200-1000
40到0减速
0-0.05
300-400 30-35
3、欧洲机动车排放标准 （1）、汽油机
级别 排放
Ⅰ 0.97 2.27
Ⅱ 0.5 2.2
Ⅲ 0.35 1.3
Ⅳ 0.18 1.0
四、有害排放物的生成机理 1、CO的生成机理（贫氧、局部混合气过浓） （1）、 RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO
燃料中的亲氢碳氢根在常态下与氢保持牢固的结合→但在高温高压下裂 解成碳氢根→碳氢根再与氧发生反应，生成碳氢氧化物→这些物质继续争氧， 生成缺氧碳氢氧化物→进一步缺氧，氢原子脱离，生成脱氢缺氧化合物→最 后碳氢根与一氧化碳分离→ CO
变化控制废气再循环率（参与废气再循环的废气比例）。
详细情况在汽车电子与电气设备中介绍
3、采用精准电控措施AEC——综合考虑各种因素，利用大量传感信 息，采取反馈控制，如：EFI, MCCI, DSC（爆震传感控制（链 接动画）等，是最有效、最主要的措施. 4、柴油机的涡轮增压与中冷技术TCMC(Turbo-Charge Midle Cooling )——既可减少 HC、CO，也可以减少NOx，还可以提高 Pe。
先进排放控制技术 在中国应用前景探讨
一个原则： 立足中国国情，我国处于发展过程中， 各地区经济发展水平差别很大。 三个必要条件：
能提供必要的基础设施（油品质量、维修能力、 特殊要求如尿素供应）； 能承担先进技术带来的购买及运行成本的增加； 汽车污染分担率较大，的确有必要严格控制汽车 排放（如农用车、摩托车排放问题）。
满足新排放标准的技术措施
• 发动机改进 • 发动机改进 • 燃烧室改进 • 燃烧室改进 • 点火系统改进 • EGR • EGR •燃烧过程控制 柴油车 汽油车 • 电控喷射 •电控高压喷射 • 稀薄燃烧 •vvt •VVT • 排气后处理 • 排气后处理 • DOC • 三效催化器 • DPF • NOx催化器 • SCR， •LNT(lean NOx Trap)
碳氢化合物——(也称烃类)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物，如 苯、醛、烯和多环芳香族碳氢化合物等200多种 复杂成分。饱和烃危害不大，不饱和烃危害性很 大。其中，甲烷气体无毒性。当甲醛、丙烯醛等 醛类气体浓度超过1×10－6时，就会对眼、呼吸 道和皮肤有强烈的刺激作用，浓度超过25×10－ 6时，就会引起头晕、恶心、红血球减少、贫血， 超过1000个25×10－6时会急性中毒。苯是无色 气体，但有特殊气味。应当引起注意的是带多环 的多芳香烃，如苯丙芘及硝基烯，是强烈致癌物 质。烃类成分还是引起光化学烟雾的重要物质。
五、有害排放物的控制 导入： ①、日益重要——加洲、欧洲、京都、北京 ②、四大措施——法律法规、经济调控、科学使用、 完善功能（机内净化和机外净化——重点讨论） ③、有些措施之间存在矛盾 ④、不同目的不同措施 （一）、主动净化（机内处理） 1、改进燃烧状况 （1）、改善燃烧室结构：减小面容比，增加紧凑度，降 低激冷效应，减少CO 和HC的排放（但氮氧化物增多） （2）、采用稀薄混合气燃烧技术，既有过剩的氧，可减 少CO 和HC的排放，又可减少NOx的排放
（2）、CO2+H2 →CO+H2O（H与C争O） 2 、HC的生成机理（泄漏、贫氧、激冷效应） （1）、曲轴箱窜气 （2）、二冲程发动机回流扫气 （3）、油系泄漏、蒸发 （4）、激冷效应（思考——冷车起动、冬季暖机时的生 油气味儿） 附着在汽缸内壁上的0.05-0.37mm 的激冷油膜不 能蒸发和燃烧。