第5章發(fā)動機排放污染與控制

5.1大氣污染及發(fā)動機排放

5.1.1大氣污染ISO對大氣污染的定義：空氣污染通常指人類活動及自然過程引起某些物質(zhì)介入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，在大氣中保留了足夠的時間，并因此而危害了人體的舒適、健康和福利或危害了環(huán)境。自然過程:森林火災(zāi)、巖石風(fēng)化、火山活動等福利:自然資源、生物、建筑物等。污染物分類一次污染物二次污染物第一類硫化物SO2

、H2SSO2

、H2SO4

、MSO4第二類氧化物CO、CO2O3

第三類氮化物NO、NH3

NO2、HNO3、MNO3第四類碳?xì)浠衔镂慈粺N、醛醛、酮、過氧?；跛嶂≒AN）第五類鹵化物HF、HCl無5.1.2發(fā)動機排放的污染物及其危害

內(nèi)燃機排放污染物：CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）CO2、CH4PM(碳煙微粒)

SOX、醇類、醛類(RCHO)﹑多環(huán)芳香烴(PAH)其他未知污染物.CO對人體的毒害COHb/O2Hb癥狀<0.1無癥狀0.1～0.2頭痛、注意力下降、心慌0.2～0.3劇烈頭痛、頭暈、無力0.3～0.45嘔吐、虛脫0.45～0.6昏迷>0.6死亡5.1.2發(fā)動機排放的污染物及其危害

危害：5.1.2發(fā)動機排放的污染物及其危害

危害：HC:破壞造血機能，引起貧血、神經(jīng)衰弱，并降低肺對病菌的抵抗能力光化煙霧的主要產(chǎn)生源

PAH致癌醛類對眼、呼吸道、血液有毒害

5.1.2發(fā)動機排放的污染物及其危害

危害：NOX:吸入較多的NO會造成中樞神經(jīng)障礙，破壞造血機能，引起貧血、神經(jīng)衰弱，并降低肺對病菌的抵抗能力

NO2被人體吸收后變?yōu)橄跛?，硝酸與血紅蛋白結(jié)合生成變性血紅蛋白，對心、肝、腎都有不良影響。濃度在5ppm，能被感知，10～20ppm，有強烈的刺鼻味，50～300ppm，頭痛出汗，300～500ppm，氣管發(fā)炎，大于500ppm，肺浮腫而死亡。

參與光化學(xué)反應(yīng)會形成臭氧、醛和PAN。

5.1.2發(fā)動機排放的污染物及其危害

危害：微粒:危害與粒徑大小有關(guān)大氣中小于5～10μm微?？芍苯由钊牒粑兰胺稳~組織并在其中沉積，造成機械性超負(fù)荷，從而引起肺部組織病變。發(fā)動機排出微粒粒徑一般都在1μm以下，汽油機排除的微粒粒徑一般在0.02μm左右；柴油機排除微粒粒徑一般在0.1μm左右。這些微粒都處于在大氣中能長期懸浮的范圍內(nèi)，在其表面上通常還附有多種有機物質(zhì)，其中包含PAH,具有不同程度的誘變和致癌作用，因而對人體有直接威脅。。

5.1.2發(fā)動機排放的污染物及其危害

危害：其他排放物二氧化碳：溫室效應(yīng)醛類(RCHO)：排氣產(chǎn)生臭味、具有刺激性，長時間受濃度較大甲醛影響，眼睛、上呼吸道和中樞神經(jīng)會受到危害。SO2：具有刺激性，濃度達(dá)到8ppm時，刺激鼻喉，引起咳嗽。若濃度進(jìn)一步增大，引起呼吸困難，形成支氣管炎、哮喘，甚至肺腫，直至死亡。SO2變成硫酸煙霧后，對人和環(huán)境有極大危害含鉛微粒，對血液、骨骼和神經(jīng)細(xì)胞有損害作用，對生長發(fā)育的兒童影響尤其嚴(yán)重。不同金屬對人類的損傷是不一樣的，

5.1.3發(fā)動機的排放指標(biāo)

排放物濃度C質(zhì)量排放量G排放物的比排放量g及排放率gT濃度指數(shù)Kp定額容積和比定額容積行駛里程排放量Qv5.1.4主要有害物的物理化學(xué)變化

CO的化學(xué)變化5.1.4主要有害物的物理化學(xué)變化

NOx的化學(xué)變化自由基如OH、HO2等也能使NO轉(zhuǎn)化為NO2：NO2經(jīng)若干反應(yīng)生成硝酸

硝酸與氨作用生成硝酸氨

5.1.4主要有害物的物理化學(xué)變化

SO2的化學(xué)變化

太陽光照射下，吸收波長200～400nm的紫外線光能hr，發(fā)生光氧化作用而產(chǎn)生SO3，然后與水蒸汽化合形成硫酸5.1.4主要有害物的物理化學(xué)變化

溫室效應(yīng)

溫室效應(yīng)：通過吸收地球反射的一部分紅外線能量，再發(fā)射到地面的這些氣體，使地球表面變暖。CO2可以吸收波長為15微米左右的紅外線，故CO2也稱為溫室氣體。。5.1.4主要有害物的物理化學(xué)變化

光化學(xué)煙霧生成

HC和氮氧化合物，在陽光作用下，經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)，生成以臭氧、醛、過氧?；跛嶂瑸橹鞯墓饣療熿F，煙霧是淺藍(lán)色的刺激性煙霧。光化學(xué)煙霧生成的基本原理5.1.5發(fā)動機排氣凈化技術(shù)的發(fā)展

從研究污染物的現(xiàn)象到研究生成機理從調(diào)整部分參數(shù)到發(fā)動機性能的全面優(yōu)化從穩(wěn)態(tài)常用工況控制到全工況范圍的微機控制從常規(guī)燃料的排放研究到燃用代用燃料的排放研究從預(yù)測排放的簡單模型到更為全面準(zhǔn)確的預(yù)測模型的研究第5章發(fā)動機排放污染與控制

5.2污染物生成機理及影響因素

5.2.1CO生成機理

理論上，HC燃料完全燃燒時生成CO2和H2O。HC的氧化過程：

R-HR-R-O2RCHORCOCO+R-

CO+OHCO2+H因此，CO是烴燃料燃燒的中間產(chǎn)物。實際的燃燒過程在于：

1）燃料濃度分布不均勻。

2）溫度分布不均勻（凍結(jié)溫度1100K）。

3）燃燒過程時間短，達(dá)不到化學(xué)平衡狀態(tài)。因此CO的排放是不可避免的。當(dāng)反應(yīng)著的氣體突然缺乏氧化劑、溫度過低或反應(yīng)時間過短時，CO就以中間產(chǎn)物的形式生成了。

汽油機CO排放特點由于要控制空燃比在化學(xué)計量比附近，CO排放濃度高。全負(fù)荷混合氣加濃，CO排放增加。怠速運轉(zhuǎn)廢氣稀釋大，CO排放量大。起動暖機、急加速和急減速時CO排放較多。多缸機中各缸間燃比的變動使CO排放量增加。（各缸單獨匹配）三、柴油機的CO排放

柴油機CO排放分析柴油機CO排放特點

柴油機的CO排放總體比較低。燃燒接近或超過冒煙極限后，由于燃燒過程局部混合氣過濃，缺氧造成CO排放迅速增加。柴油機小負(fù)荷時，稀混合氣區(qū)體積增加，燃?xì)鉁囟冉档?，CO排放略微增加。

一、汽油機HC排放的來源HCSources1)排氣—55～65%（機內(nèi)排放）2)曲軸箱—20～25%3)燃油箱、化油器、燃油管接頭蒸發(fā)—15～20%1.HC排放的來源5.2.2未然烴生成機理

2.UHC排放的生成機理

1）冷激效應(yīng)影響

2）潤滑油膜的吸附和解吸

3）燃燒室表面沉積物

4）體積淬熄

5）碳?xì)浠衔锖笃谘趸?/p>

3.UHC排放的特點

1.未燃HC排放的來源

1）完全由缸內(nèi)燃燒過程產(chǎn)生。

2）沒有曲軸箱排放物和蒸發(fā)排放物。

二、壓燃式發(fā)動機HC的排放

2.生成機理和影響因素

1）混合氣不均勻。

2）噴油器嘴部的壓力室容積。

3）冷起動。

4）氣缸壁溫度影響HC排放，因為壁面激冷使HC

排放增加。一、NO生成途徑Mechanism1）高溫途徑：空氣中的氮分子在高溫下氧化生成NO，通常發(fā)生在已燃高溫區(qū)，稱熱力型NO（ThermalNO）。2）瞬發(fā)途徑：在火焰面或火焰面附件生成NO，稱瞬發(fā)型NO（PromptNO）。3）燃料途徑：燃料中的氮元素燃燒直接轉(zhuǎn)化為NO排放,（FuelNO）。4)N2Omechanism低溫N2O機理。5.2.3氮氧化合物的生成機理

O2=2OO+N2=NO+NN+O2=NO+ON+OH=NO+H(Lavoie)

ExtendedZeldovitchMechanismZeldovitch熱力型NO生成機理ThermalNO與NO生成密切相關(guān)的因素：

1）燃燒溫度

2）氧氣濃度

3)高溫時間

二、汽油機NOX排放的影響因素

1.過量空氣系數(shù)AirExcessiveRatio

2.點火正時IgnitionTiming

3.EGRRatio

4.負(fù)荷EngineLoad

三、柴油機NOX排放的影響因素

（自然吸氣直噴柴油機，6×102mm×118mm，）1.負(fù)荷與轉(zhuǎn)速EngineLoadandSpeed2.噴油定時InjectionTiming

3.EGRRatio

EGR率NOxppm5.2.4碳煙粒子生成機理

燃料熱裂解氧化裂解成核表面增長凝聚氧化集聚碳煙排放燃燒系統(tǒng)中碳煙粒子的生成過程裂解:

生成碳煙前，燃料分子大量分解及反應(yīng)物原子重新排列。熱裂解反應(yīng)按自由基鏈反應(yīng)機理進(jìn)行，少量O、OH自由基或O2通過支鏈反應(yīng)加速裂解。預(yù)混火焰預(yù)熱區(qū)，溫度較高，并有較大溫度氧，燃料在那兒很快就氧化裂解為乙炔。乙炔是中間產(chǎn)物。擴散火焰中，燃料，特別是芳香族燃料，裂解產(chǎn)物有所變化。大于1800K時，裂解產(chǎn)物為乙炔，小于1800K時，裂解為聯(lián)二苯。說明燃料結(jié)構(gòu)對碳煙生成影響較大。成核

:碳煙粒子胚芽的物質(zhì)，其成長應(yīng)比分解或氧化反應(yīng)快。具有足夠穩(wěn)定性以抵御高溫下分解，同時又應(yīng)具有足夠化學(xué)活性，以便能以一定速率與其它基因和離子快速反應(yīng)。具備上述要求胚芽物質(zhì)具有極性共軛結(jié)構(gòu)。共軛結(jié)構(gòu)物質(zhì)的共軛穩(wěn)定性能抗御高溫分解，而其極性特征又能使其與其它基團(tuán)和離子快速反應(yīng)。裂解反應(yīng)生成乙炔不具有共軛結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性來自化學(xué)鍵能。某些反應(yīng)生成丁二烯、乙烯基乙炔、聯(lián)乙炔等極性共軛物。非共軛脂肪族燃料經(jīng)熱裂解或氧化裂解生成乙炔，如這時有大量O或OH自由基存在，大部分乙炔可氧化為活性產(chǎn)物。剩下乙炔通過反應(yīng)生成丁二烯、乙烯基乙炔、聯(lián)乙炔等極性共軛脂肪族化合物，這些正是碳煙粒子核心先兆物。碳煙先兆物在高溫下，環(huán)化、脫氫、聚合，最后成為多環(huán)結(jié)構(gòu)碳煙核心。芳香族燃料通過環(huán)斷裂生成乙炔，或在較低溫度下形成苯基，苯基與乙炔或乙烯基乙炔反應(yīng)，易生成碳煙核心。因此燃料中芳香族成分含量高，燃燒時碳煙生成量明顯增加。表面增長和凝聚

:碳煙粒子通過與氣相物質(zhì)做表面反應(yīng)使粒子質(zhì)量增加的過程稱為表面增長。凝聚是指兩個小的球狀碳煙粒子經(jīng)碰撞形成一個大的球狀碳煙粒子的過程。

球狀形成的原因有三種觀點。觀點一：初期碳煙粒子由于氫成分多而粘性較低，類似于半流體，因而粒子相撞后能融合一體并通過變成球形使表面能最低；觀點二：碳煙形成初期，粒子直徑小，相撞時原子力會起作用，造成能量的重新調(diào)整，使粒子形狀趨于球形；觀點三：碰撞發(fā)生在表面高速度增長的較小粒子之間，因此，粘合在一起的顆粒盡管當(dāng)時未馬上形成球形，也會很快的因表面增長重新獲得原有個的球體形狀。集聚

:凝聚使碳煙核心的數(shù)密度下降，當(dāng)碳煙核心數(shù)下降到一個程度后，隨著基本碳煙粒子的形成，球形粒子相互碰撞將不再融合成球形，而是粘結(jié)為鏈狀，這稱之為集聚。柴油機燃燒進(jìn)行到膨脹沖程時，隨缸內(nèi)溫度下降，低分子量未完全燃燒碳?xì)浠衔飼Y(jié)在碳煙微粒粒子上。碳煙氧化

:碳煙生成開始，伴隨著成核先兆物、碳煙核心、碳煙粒子的氧化反應(yīng)。擴散火焰碳煙生成區(qū)，碳煙生成率相當(dāng)高，而氧化劑缺乏，碳煙氧化率相對于生成率很小。隨著碳煙粒子向空氣區(qū)擴散，碳煙粒子的數(shù)密度基本上不再增加，且粒子尺寸和增長也漸漸由表面增長轉(zhuǎn)為凝聚或集聚。這時，碳煙的質(zhì)量生成率已降得很低，氧化劑卻很充足，碳煙氧化的作用突出了。

汽油機缸內(nèi)混合比處于理論混合比附近，因而碳煙排放很少?；旌蠚膺^濃時，雖然排煙量有所增加，但在一般工況下，也只有柴油機的幾十分之一。汽油機排煙粒子主要是由于抗爆添加劑四基乙鉛造成的，在燃燒過程中，抗爆添加劑生成的含鉛化合物往往沉積在燃燒室壁上，然后在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)下，這些沉積的碎片被卷起，破碎成小的顆粒隨廢氣排出。碳煙的生長過程ParticleGrowth碳煙顆粒的分布特性PMDistribution第5章發(fā)動機排放污染與控制

5.3污染物排放控制5.3.1排放特性1.點燃式發(fā)動機

1)穩(wěn)態(tài)排放特性

一臺2L排量4氣門車用汽油機的排放特性a)CO排放特性b）HC排放特性c）NOx排放特性第5章發(fā)動機排放污染與控制

5.3.1排放特性1.點燃式發(fā)動機2)瞬態(tài)排放特性冷起動暖機過程加速減速

2.壓燃時發(fā)動機1)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)

一臺1.9L排量2氣門渦輪增壓中冷直噴式車用柴油機的排放特性a)CO排放率b）HC排放率c）NOx排放率d)濾紙煙度第5章發(fā)動機排放污染與控制

5.3.2排放控制

1.點燃式發(fā)動機1)曲軸箱排放物控制

曲軸箱強制通風(fēng)計量閥（PCV）閥a)進(jìn)氣管真空度大時b）進(jìn)氣管真空度小時1-閥座；2-回位彈簧；3-閥芯；4-閥體；5-緩沖彈簧第5章發(fā)動機排放污染與控制

5.3.2排放控制

1.點燃式發(fā)動機2)蒸發(fā)排放物控制

圖5.13車用汽油機電控燃油蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng)方框圖1-電控單元；2-清除空氣濾清器；3-發(fā)動機進(jìn)氣歧管；4-電磁式清除閥；5-泄露檢測泵；6-活性炭罐；7-燃油箱曲軸箱強制通風(fēng)計量閥（PCV）閥第5章發(fā)動機排放污染與控制

5.3.2排放控制

1.點燃式發(fā)動機3)排氣再循環(huán)

車用汽油機的EGR控制系統(tǒng)框圖

a)真空控制EGR系統(tǒng)b）電控真空驅(qū)動EGR系統(tǒng)c）閉環(huán)電控EGR系統(tǒng)1-真空驅(qū)動EGR閥；2-排氣管；3-發(fā)動機；4進(jìn)氣管；5-溫度控制閥；6-電控真空調(diào)節(jié)器；7電控單元；8-EGR閥位置傳感器；9-電磁閥EGR閥EGR系統(tǒng)的大致控制要求是:(1)由于NOx排放量隨負(fù)荷增大而增大(2)暖機過程中，冷卻水溫度和進(jìn)氣溫度較低，NOx排放不高。為防止廢氣回流破壞燃燒的穩(wěn)定性，一般在發(fā)動機冷卻水溫度低于50℃時，不進(jìn)行EGR。(3)怠速和小負(fù)荷時，NOx排放也不高，也不進(jìn)行EGR。(4)接近全負(fù)荷時，為使發(fā)動機保持足夠的動力性，即使NOx排放很高，也不允許進(jìn)行EGR。5.3.2排放控制1.點燃式發(fā)動機4)發(fā)動機設(shè)計的低排放考慮

(1）冷起動、暖機和怠速排放控制

(2）混合氣形成和空燃比

(3）燃燒系統(tǒng)

(4)配氣機構(gòu)

5.3.2排放控制2.壓燃式發(fā)動機1)燃燒方式和燃燒室形狀

（1）非直噴式柴油機改善排放重點在副燃燒室。副燃燒室相對容積增大，碳煙生成減少，NOx生成量增加。

(2)直噴式柴油機直噴式柴油機混合氣形成和燃燒有下列要求:a在滯燃期和燃燒前期，噴入燃燒室的燃油量應(yīng)盡可能少。b在燃燒后期即擴散燃燒期，需要有很高的噴油壓力。c在噴油結(jié)束后，剩余空氣仍能與燃?xì)鈴娏一旌?，促進(jìn)碳煙的氧化。直噴式柴油機噴油系統(tǒng)發(fā)展趨勢:a提高噴油壓力b增加噴油器的噴孔數(shù)，減小孔徑。c可控的燃油噴射率變化歷程，如靴形噴射、二次噴射(預(yù)噴射加主噴射)。直噴式柴油機設(shè)計要點燃燒室容積比:燃燒室容積對氣缸余隙容積之比稱為燃燒室容積比.力求提高此容積比，降低柴油機碳煙和微粒排放。避免采用短行程柴油機。燃燒室口徑比燃燒室口徑比是指燃燒室直徑dc與深度h〔或缸徑D的比值〕.盡量用口徑比較大的淺平燃燒室

燃燒室形狀直邊不縮口ω形燃燒室5.3.2排放控制2.壓燃式發(fā)動機2)供油系統(tǒng)(1)延遲噴油時間(2)提高噴油速率

(3)噴油器

(4)提高噴油壓力

(5)電控在噴油系統(tǒng)的應(yīng)用5.3.2排放控制2.壓燃式發(fā)動機3)氣流組織和多氣門技術(shù)4)柴油機的排氣再循環(huán)5)增壓

6)排氣后處理

5.3.2排放控制2.壓燃式發(fā)動機7)三效催化轉(zhuǎn)化器主要活性材料:PtRh,Pt/Rh比為5:1左右。是一種需要使用氧氣探測器、反饋控制機構(gòu)、電子控制的燃料噴射裝置，并將可燃混合氣的空燃比始終控制在理論空燃比附近，以一級催化方式同時凈化汽油機排氣中的三種主要污染物CO、HC和NOx的方法。5.3.2排放控制2.壓燃式發(fā)動機7)三效催化轉(zhuǎn)化器

(1)CO催化氧化機理(2)碳?xì)浠衔镅趸瘷C理

(3)NO還原機理5.3.2排放控制2.壓燃式發(fā)動機7)三效催化轉(zhuǎn)化器車用三效催化劑要求為:起燃溫度低；有較高的儲氧能力，以補償φa的波動；耐高溫，不易熱老化；對雜質(zhì)不敏感，不易中毒；盡量不產(chǎn)生H2S、NH3等物質(zhì)；成本合理。5.3.2排放控制2.壓燃式發(fā)動機7)三效催化轉(zhuǎn)化器

三效催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造1-外殼；2-減振密封襯墊；3-催化劑5.3.2排放控制2.壓燃式發(fā)動機8)柴油機排氣微粒過濾器對微粒過濾器的要求:(1）高的過濾效率η(2）低的流動阻力(3)耐高溫的濾芯材料(4)外形尺寸小、通用性好(5)可靠性好、壽命長

5.4排放法規(guī)

5.4.1國外排放法規(guī)發(fā)展

排放標(biāo)準(zhǔn)實施年份汽油車柴油機COCH+NOHCNOxPMCOCH+NOxHCNOxPM歐洲I歐洲II歐洲III歐洲IV歐洲V歐洲VI1992199520002005200820142.722.22..31.01.01.00.970.50.200.100.100.100.150.080.060.0052.722.21.00.640.500.500.500.970.500.900.230.170.560.300.500.250.180.080.140.080.100.050.0250.0050.005歐洲輕型汽車排放限值g／km)5.4排放法規(guī)

5.4.1國外排放法規(guī)發(fā)展

排放標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)實施年份排放限量COHCNMHCCH4NOxPMk①歐洲IECER4919924.51.18.00.360.61歐洲IIECER4919954.01.17.00.510.25歐洲IIIESCEARETC