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发动机排放污染物的形成


汽车节能与环保
汽车学院 主讲人:刘金山 手 机:13604439631 Q Q:1031469993

第一篇 汽车发动机 有害排放物的生成与控制
? 第1章 发动机排放污染物的形成
§1.1 §1.2 §1.4 概述 一氧化碳--CO 一氧化碳--CO -氮氧化物--NOX 氮氧化物--NOX --

氢化合物---HC §1.3 碳氢化合物--HC 微粒---PM §1.5 微粒--PM

内燃机排气污染物 ENGINE EMISSIONS
§1.1 概述

一、内燃机排气中的污染物 POLLUTANTS CO、HC、NOX(NO、N2O、NO2等) NO、 CO、HC、 CO2、CH4 PM 醇类、醛类(RCHO) 3,4- (RCHO)﹑ SOX、醇类、醛类(RCHO)﹑3,4-苯并芘 其他未知污染物, 其他未知污染物,e.g. odor, et al.

二、内燃机排放的二次污染Secondary Pollution 内燃机排放的二次污染Secondary 光化学烟雾 photochemical smog 空气能见度 visibility 酸雨 acid rain 地表水酸化 water acidification ……

三、汽油车排放的来源 目前标准限制的有害排放物) (目前标准限制的有害排放物)

四、评定标准: 评定标准:
? 排放物体积分数(%和ppm)和质量浓度(mg/m3) 排放物体积分数( ppm)和质量浓度(mg/m 和质量浓度 ? 质量排放量(g/h或g/㎏ ) 质量排放量(g/h或g/㎏ ? 比排放量( g/kw.h ) 比排放量( ? g/km ,g/test

§ 1.2 一氧化碳的生成机理

燃料不完全燃烧:
C + O → CO [ + O ] → CO
[ 中间产物 ] 产生的原因是缺氧:当反应着的气体① 产生的原因是缺氧:当反应着的气体① 突然缺乏氧化剂, 温度过低, 突然缺乏氧化剂, ②温度过低,③反应时间过 达不到化学平衡状态时 CO就以中间产物 短达不到化学平衡状态时,CO就以中间产物 的形式生成了。 的形式生成了。

1、汽油机一氧化碳的生成机理 、
汽油机CO排放量与过量 排放量与过量 汽油机 空气系数α的关系 由图可以看出: 由图可以看出: Φa <1时 ,因缺氧引起不 <1时 完全燃烧,CO的排放量 完全燃烧,CO的排放量 的减小而增加。 随Φa的减小而增加。 Φa >1时 ,CO的排放量都 >1时 CO的排放量都 很小。 很小。 Φa =1.0~1.1时,CO的排 =1.0~1.1时 CO的排 放量变化较复杂。 放量变化较复杂。

2、柴油机一氧化碳的生成机理 、
由图可以看出 Φa =1.5~3, CO排放量要比汽油机低 得多。 Φa =1.2~1.3, CO的排放量才大量增加。 小负荷时尽管Φa很大,
柴油机CO排放量 排放量xCO与 柴油机 排放量 与 过量空气系数Φa的关系

CO排放量反而上升。

柴油机CO排放分析 柴油机CO排放分析 CO

柴油机CO排放特点 柴油机CO排放特点 CO
柴油机的CO CO排放总体比较低 1. 柴油机的CO排放总体比较低。 燃烧接近或超过冒烟极限后, 2. 燃烧接近或超过冒烟极限后,由于燃烧过程局部 混合气过浓,缺氧造成CO排放迅速增加。 CO排放迅速增加 混合气过浓,缺氧造成CO排放迅速增加。 柴油机小负荷时,稀混合气区体积增加, 3. 柴油机小负荷时,稀混合气区体积增加,燃气温 度降低,CO排放略微增加 排放略微增加。 度降低,CO排放略微增加。

3、影响一氧化碳生成的因素 、
进气温度 进气温度上升,空燃比α变浓,排 出的CO将增加。 进气管压力降低,空气密度下降, 空燃比下降,CO排放量增大。 高真空度下,混和气瞬时过浓,CO 浓度将显著增加。 提高怠速转速,空气流量增加,CO 浓度降低 发动机负荷一定,CO排放量随转速 增加(空气流量增加)而降低。

大气压力

影响一氧化 碳生成因素

发动机 工况 怠速转速

进气管真 空度

碳氢化合物的生成途径 § 1.2 碳氢化合物的生成途径
燃烧过程中未燃烧或燃烧不 完全的碳氢燃料 碳氢 化合 物的 途径 漏入曲轴箱的窜气中含有大 量未燃燃料

燃油蒸汽

一、汽车HC污染物产生来源 汽车 污染物产生来源
油箱和化油器蒸发 HC的15% 的

曲轴箱 HC 的 20%

排气管 所有的CO、NOX、Pb和 所有的 、 和 HC的 60% 的

HC生成机理和排放特点 HC生成机理和排放特点 HC Mechanism
二、汽油机HC排放的来源 HC Sources 汽油机HC排放的来源 HC 1.HC排放的来源 1.HC排放的来源 1) 排气 — 55~65%(机内排放) 55~65%(机内排放) 曲轴箱— 20~ 2) 曲轴箱 20~25% 燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发— 15~ 3) 燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发 15~ 20%

HC排放的生成机理 2. HC排放的生成机理
1)狭隙效应 Crevice Mechanism 2)润滑油膜的吸附和解吸 Oil Film Absorption and Desorption 3)燃烧室表面沉积物 Deposit Absorption and Desorption 4)壁面淬熄 Wall Quenching 5)大容积熄火 Bulk Gas Incomplete Combustion

汽油机未燃HC的生成机理 汽油机未燃HC的生成机理 HC
火焰在壁面淬冷 狭隙效应
润滑油膜对燃油蒸 汽的吸附与解吸

燃烧室内沉积物 的影响 碳氢化合物的后 体积淬熄 期氧化

冷起动、暖机和 火焰不能进入各 怠速等工况下, 种狭窄的间隙, 壁面温度较低 进气过程中,润 便会产生未燃HC。 淬熄层较厚,壁 滑油膜溶解和吸 面火焰淬熄是此 收了进入气缸的 类工况下未燃HC 未燃烧的碳氢化 沉积物使HC排放 碳氢化合物。 的重要来源。 合物释放出来, 增加。 中 压 力 和 燃烧室 燃烧过程中, HC 重新被全部或部 温度下降太快, 向已燃气解吸。 分氧化。 焰 熄 灭 。 可能使火

燃烧室内缝隙的组成

活塞顶还岸缝隙中烃的排除过程

三、柴油机未燃HC的生成机理 柴油机未燃HC的生成机理 HC
CI Engine HC Emission 1.未燃HC排放的来源 1.未燃HC排放的来源 未燃HC 1)完全由缸内燃烧过程 产生。 产生。 2)没有曲轴箱排放物和 蒸发排放物。 蒸发排放物。 燃料在气缸内停留的时 间较短,生成HC HC的相对时 间较短,生成HC的相对时 间也短,故其HC HC排放量比 间也短,故其HC排放量比 汽油机少。 汽油机少。

2.生成机理和影响因素 2.生成机理和影响因素 1)混合气不均匀。 混合气不均匀。 2)喷油器嘴部的压 力室容积 。 3)冷起动 。 4)气缸壁温度影响 HC排放,因为壁面激冷 HC排放, 排放 HC排放增加 排放增加。 使HC排放增加。

小结:影响碳氢化合物生成的因素
混合气质量 运行条件

混合气均匀 性越差,HC 排放越多

汽 油 机

柴 油 机 喷 油 时 刻 喷油 嘴喷 孔面 积 冷却 水进 水温 度 进 气 密 度

负 荷

转 速

点 火 时 刻

壁 温

燃烧 室面 容比

§ 1.3 NOX的生成机理 1、NO的生成机理
O2 → 2O O + N2 → NO + O N + O2 → NO + O N + OH → NO + H Φa >1的稀混合气区,xNOe随温 度的升高而迅速增大。 Φa <1,xNOe随Φa (浓度)的 减小而急剧下降。
NO的平衡摩尔分数xNOe与过量 空气系数Φa的关系

结论:

2.1 影 响 汽 油 机
NOX

2、影响NOX生成的因素 影响NO
过量空气系数和燃烧室温度的影响
Φa <1时,由于缺氧,即使燃烧室内温度很 高,NOX的生成量仍会随着Φa的降低而降低, 残余废气分数的影响 此时氧浓度起着决定性作用。 Φa>1时,温度起着决定性作用,NOX生成量 废气分数增大,减小了可燃气的发热量,增 随温度升高而迅速增大。最高温度通常出现 大了混合气的比热容,使最高燃烧温度下降, 点火时刻的影响 在Φa ≈1.1,且有适量的氧浓度,故NOX排放 NO排放降低。 浓度出现峰值。Φa进一步增大,温度下降的 作用占优势,NO生成量减少。 点火提前角减小,NO排放量不断下降。

生 成 的 因 素

2.2 影 响 柴 油 机 NOX 生 成 的 因 素

喷油定时的影响
喷油提前角减小,燃烧推迟,燃烧温度较低, 生成的NOX较少。 放热规律的影响 传统模式 低排放放热模式

负荷与转速的影响
NOX排放随负荷增大而显著增加。 转速对NOX排放的影响比负荷的影响小。

1.4

微粒( ) 微粒(PM)

1、汽油机微粒的生成机理 、

2、柴油机微粒的生成机理 、
1μm以上的油珠 以上的油珠) 2.1 白烟 ( 1μm以上的油珠) ? 在低温起动不久及怠速工况时发生。此时,气缸 在低温起动不久及怠速工况时发生。此时, 中温度较低,着火不好, 中温度较低,着火不好,未经燃烧的燃料和润滑 油呈液滴状态,直径在1.3μm左右, 1.3μm左右 油呈液滴状态,直径在1.3μm左右,随废气排出 而形成白烟。当气缸磨损加大,窜气、窜油时, 而形成白烟。当气缸磨损加大,窜气、窜油时, 使白烟增多。 使白烟增多。 ? 正常的发动机在暖车后,一般就不再形成白烟。 正常的发动机在暖车后,一般就不再形成白烟。 改善起动性可减少白烟。 改善起动性可减少白烟。

蓝烟(青烟)( 0.4μm以下油珠) 2.2 蓝烟(青烟)( 0.4μm以下油珠) ? 通常在柴油机尚未完全预热或低负荷运转时发生。此时, 通常在柴油机尚未完全预热或低负荷运转时发生。此时,
燃烧室温度较低, 600℃以下,燃烧着火性能不好, 燃烧室温度较低,约600℃以下,燃烧着火性能不好,部分 以下 燃料和窜入燃烧室的润滑油未能完全燃烧, 燃料和窜入燃烧室的润滑油未能完全燃烧,其中大部分是 蒸发的油,再凝结而成微粒状态,直径比白烟小, 已蒸发的油,再凝结而成微粒状态,直径比白烟小,在 0.4μm以下 随废气排出而成蓝烟。 以下, 0.4μm以下,随废气排出而成蓝烟。这种烟的蓝色是此种 大小微粒由蓝色光折射而成的。排出蓝烟时, 大小微粒由蓝色光折射而成的。排出蓝烟时,同时有燃烧 不完全的中间产物(如甲醛等)排出, 不完全的中间产物(如甲醛等)排出,因而蓝烟常常带有 刺激性臭味。 刺激性臭味。 ? 减少蓝烟方法:提高燃烧室和室内空气温度, 减少蓝烟方法:提高燃烧室和室内空气温度,减少室内 空气运动,以免燃料很快被吹散形成过稀混合气, 空气运动,以免燃料很快被吹散形成过稀混合气,减少喷 注贯穿力,以免燃料碰到冷的室壁等措施,都可减少蓝烟。 注贯穿力,以免燃料碰到冷的室壁等措施,都可减少蓝烟。 但是,上述措施大部分对减少黑烟的措施是矛盾的, 但是,上述措施大部分对减少黑烟的措施是矛盾的,因此 在新机调试时,要妥善处理。 在新机调试时,要妥善处理。

2.3 黑烟 ? 燃料在燃烧时高温裂解后聚合产生直径 0.05μm左右微粒固体颗粒。 ? 碳烟不是纯碎的碳,而是一种聚合体,其 主要成分随柴油机负荷不同稍有改变,一 般含C85%-95%,O24%-8%及少量的H2 和灰粉。也有人认为碳烟是石墨结晶,由 直径0.05μm左右微粒附聚成0.1-10μm的 多孔性碳粒构成。

2.4、柴油机微粒的组成与特征 、
柴油机排气微粒由很多原生 微球的聚集体而成, 微球的聚集体而成,总体结 构为团絮状或链状。 构为团絮状或链状。
当排气温度超过500℃时,碳质微球的聚 集体,称为碳烟,也称为烟粒; 排气温度低于500 ℃时,烟粒会吸附和凝 聚多种有机物,称为有机可溶成份。

2.4.1、烟粒的生成机理 、
烟粒生成阶段: 在高温富油缺氧区,通过裂解和脱氢过程, 经过核化形成先期产物; 在低于1500K的低温区,通过聚合和冷凝生 成碳烟微粒。 烟粒长大阶段: 表面生长; 聚集。

2.4.2、烟粒的氧化及 、 有机可溶成份的吸附与凝结
烟粒的氧化: 氧化作用需要有一定的温度,至少在700~ 800℃。 有机可溶成份的吸附与凝结: 组成SOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的 凝结与吸附。

4、影响微粒生成的因素 、
a、负荷的影响: 高速小负荷时,稀薄混合气区较大,微粒排 放量较高; 低速大负荷时,容易产生裂解和脱氢,排放 量有所升高。

b、转速的影响: 小负荷时温度低,以未燃油滴为主的微粒的 氧化作用微弱; 转速升高时,这种氧化作用又受到时间因素 的制约; 大负荷时,转速的升高有利于气流运动的加 强,使燃烧速度加快。

c、燃料的影响: 燃油中芳香烃含量及馏程越高,微粒排放量 越大;烷烃含量越高,微粒排放量越少; 柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。

d、喷油参数的影响: 喷油定时的影响; 喷油规律的影响; 喷油嘴不正常喷射的影响:滴漏或二次喷射 对碳烟有不利影响; 喷油压力的影响:提高喷油压力,减少烟粒 的生成。

e、空气涡流的影响: 适当增加空气涡流,有利于改善混合气品质, 减少碳烟排放量;

其它因素的影响: 高温缺氧是造成碳烟生成量增加的重要原因。

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