内燃机污染物排放机理课件.ppt

1,第四章 内燃机污染物排放机理,汽油机排放污染物柴油机排放污染物,2,第一节 汽油机排放污染物,3,第一节 汽油机排放污染物,Carbon Dioxide（CO2）Water Vapor（水蒸汽）Carbon Monoxide（CO）Hydrocarbons（HC）Oxides of Nitrogen(NOX)Particulates（微粒）Lead（铅）Other pollutants（其他）,Ambient Air,Real Fuel,Engine/EmissionTechnology,一、汽油机排放物分类,4,第一节 汽油机排放污染物,二、CO的生成机理及影响因素,1.CO生成机理详细过程尚未完全弄清，一般认为，生成步骤如下（R代表烃基）：,RCO通过热分解生成CO或如下方式：,5,第一节 汽油机排放污染物,二、CO的生成机理及影响因素,2.CO最终生成情况：,CO继续氧化成CO2：,CO排出浓度主要受空燃比影响,6,第一节 汽油机排放污染物,二、CO的生成机理及影响因素,3.CO是不完全燃烧的产物之一。若能组织良好的燃烧过程，即具备充足的氧气、充分的混合，足够高的温度和较长的滞留时间，中间产物CO最终会燃烧完毕，生成CO2或H2O。因此控制CO的排放不是企图抑制它的形成，而是努力使之完全燃烧。,7,第一节 汽油机排放污染物,二、CO的生成机理及影响因素,4.当a1时，CO生成的其它机理：,2）发动机前后循环之间燃料分配不均匀；,3）各缸之间燃料分配不均匀；,4）稀混合气中存在局部过浓混合气。,1）CO2、H2O的高温离解；,8,三、HC的生成机理及影响因素,（一）未燃HC的组成：,未燃烃：各种没有燃烧和没有完全燃烧的碳氢化合物的总称，简作HC。,第一节 汽油机排放污染物,9,三、HC的生成机理及影响因素,（二）未燃HC的生成机理,第一节 汽油机排放污染物,1.不完全燃烧（氧化）,空燃比怠速高负荷工况加速和减速,10,三、HC的生成机理及影响因素,激冷效应：发动机的低温燃烧室壁面对火焰的迅速冷却效应。淬熄层：激冷效应使火焰中产生的活性自由基复合，燃烧反应链中断，反应变缓或停止。火焰不能传播到燃烧室壁表面，在表面留下一薄层未燃烧或不完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。,第一节 汽油机排放污染物,（二）未燃HC的生成机理,2.壁面淬熄效应,11,三、HC的生成机理及影响因素,第一节 汽油机排放污染物,（二）未燃HC的生成机理,3.狭缝效应,12,三、HC的生成机理及影响因素,溶解吸收和解吸作用；冷起动工况：润滑油温度降低使燃油在其中的溶解度上升，提高了润滑油在HC排放中的分担率；适当设计活塞环以降低润滑油消耗，有助于降低HC排放量。,第一节 汽油机排放污染物,（二）未燃HC的生成机理,4.壁面油膜和积碳吸附,13,三、HC的生成机理及影响因素,（三）影响HC生成的因素（1）空燃比,HC排放浓度和数量有随混合气变稀而下降的趋势，A/F14.8当A/F17时，混合气过分稀薄，易发生火焰不完全传播以致断火，HC排放迅速增加。,第一节 汽油机排放污染物,14,（2）燃烧室面容比面容大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。（3）壁面温度壁面温度升高，HC排放浓度相应降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。,第一节 汽油机排放污染物,三、HC的生成机理及影响因素,（三）影响HC生成的因素,15,四、NOx的生成机理及影响因素,（一）NOx的性质来源,NOx包括：NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5。大气中NOx主要以NO、NO2的形式存在。NOx的性质N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏。NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分。NO2:强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降。,第一节 汽油机排放污染物,16,四、NOx的生成机理及影响因素,（二）NOx的形成机理,燃料型NO：燃料中的固定氮生成的NO激发型NO：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO高温型NO：高温下N2与O2反应生成的NO,第一节 汽油机排放污染物,17,四、NOx的生成机理及影响因素,1.燃料型NO,燃料中氮的热分解温度低于燃烧温度，在600-800oC时就会生成燃料型；汽油基本不含氮，柴油和重油少量含氮。燃料型的形成由气相氮的氧化（挥发份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成。,第一节 汽油机排放污染物,18,四、NOx的生成机理及影响因素,由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH、C2、C自由基可以和空气中氮气反应生成HCN，再进一步与O、OH作用以极快的速度生成NO。,第一节 汽油机排放污染物,CH+N2=HCN+NC+N2=CN+NCH2+N2=HCN+NHC2+N2=2CN,HCN+OH=CN+H2OHCN+O=HCO+HCN+O2=CO+NN+OH=NO+HN+O2=NO+O,2.激发型NO,19,四、NOx的生成机理及影响因素,燃烧时，空气中的氮在高温下氧化产生，生成过程是不分支连锁反应。其生成机理可用 Zeldovitch反应式表示。随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当T1500oC时，T每增加100oC，反应速率增大6-7倍。,第一节 汽油机排放污染物,3.高温型NO,20,四、NOx的生成机理及影响因素,高温型NO形成的动力学Zeldovich模型在高温下总生成式为,第一节 汽油机排放污染物,3.高温型NO,21,四、NOx的生成机理及影响因素,靠大气中氮生成NO的化学机理是扩展的Zeldovitch机理，也称为“热NO”。有关NO主要反应（生成和消失）为：,第一节 汽油机排放污染物,3.高温型NO,22,四、NOx的生成机理及影响因素,（三）NO的化学平衡,平衡浓度的定义：当燃烧产生高温，在一定温度和压力下，当反应时间足够长，反应物的浓度将趋于某个定值。这个值称为平衡浓度。,NO浓度大大依赖于温度和氧浓度,在稀混合气区NO的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。,第一节 汽油机排放污染物,以C8H18(正辛烷)为燃料在40个大气压时计算得到的NO平衡浓度与温度T及当量比（1/，过量空气系数的倒数）关系曲线。当量比=1时，表示理论混合比。当量比1为浓混合气。,23,四、NOx的生成机理及影响因素,（三）NO的非化学平衡,t是从燃烧开始（温度升高)算起。当滞留时间t值小的时候，NO生成量比平衡浓度要低得多,膨胀过程，缸内T平衡浓度逆向反应速率过低 NO冻结NO浓度 排气温度对应平衡浓度,第一节 汽油机排放污染物,24,四、NOx的生成机理及影响因素,（三）NO的生成因素,温度：随着温度上升，NO平衡浓度提高，生成速度加快。（稀混合气区）氧的浓度：氧浓度上升，NO上升（浓混合气区）。滞留时间：NO的生成反应速度比燃烧反应慢，长滞留时间导致NO的生成量升高。,三条结论对于汽油机和柴油机都适用,第一节 汽油机排放污染物,25,四、NOx的生成机理及影响因素,（四）NO的影响因素过量空气系数,a=0.9，燃烧温度较高，氧浓度低，抑制NO生成。a提高，氧增加效果抵消燃气温度下降，导致NO生成增大，NO排放量峰值出现在a=1.1左右的略稀混合气中。a进一步增加，温度下降的效果占优势，导致NO生成量减少。,第一节 汽油机排放污染物,26,四、NOx的生成机理及影响因素,（四）NO的影响因素已燃气分量,已燃气体能够减小可燃气的发热量，同时增大混合气的比热容（CO2和H2O三原子气体的比热容远大于O2和N2双原子气体），使最高燃烧温度下降，NO排放下降。已燃气分数增加还使燃烧速率下降，同样降低燃烧温度和NO排放。,可燃混合气中的已燃气分数增大能够降低NOx排放,第一节 汽油机排放污染物,27,第二节 柴油机排放污染物,一、涡流空气中的喷注分层模型,喷孔,喷注尾部过后喷射,喷注核心,贫油火焰区,贫油火焰外围区,喷注前沿,着火核心,火焰前锋,空气涡流,壁面,28,第二节 柴油机排放污染物,一、涡流空气中的喷注分层模型,部分负荷，完全燃烧产物+NOx近全负荷，不完全燃烧产物+C,完全燃烧产物+NOx,不完全氧化产物+HC,空气涡流,不完全燃烧产物HC+C+CO,29,第二节 柴油机排放污染物,二、HC排放,1.混合气太稀或太浓1）滞燃期内，可能因为油气混合太快使混合气过稀。柴油机未燃HC的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气地区。2）在喷油后期的高温燃气中，因为油气混合不充分使混合气过浓，产生不完全燃烧产物随排气排出，但这时较多的HC多被碳烟微粒吸附。,30,第二节 柴油机排放污染物,2.火焰淬熄：,1）火焰壁面淬熄是柴油机HC排放的一个来源，它取决于柴油喷注与燃烧室壁面的碰撞情况。2）对于小型高速柴油机，由于燃烧室尺寸小，而喷油嘴的喷孔又不能太小（影响喷油量），燃油喷注碰壁一般不可避免，但在匹配良好的情况下引起的HC排放不很严重。,二、HC的排放特点,31,第二节 柴油机排放污染物,三、CO的排放特点,柴油机总是在a1（1.5-3之间）下工作，CO排放量比较低，只有在负荷很大接近冒烟界限时（1.2-1.3之间）才急剧增加。,柴油机喷油量小，温度低，后期氧化作用不完全，容易生成CO，造成a很大（负荷很小时）CO排放上升。,32,第二节 柴油机排放污染物,四、NOx的排放,NO2 的生成机理：,汽油机排气中的NO2浓度与NO的浓度相比可忽略不计，但在柴油机中NO2可占到排气中总NOX的10%30%。,NO HO2 NO2 OHNO2O NOO2,33,第二节 柴油机排放污染物,缸内快速取样技术和全气缸取样技术的测量表明，柴油机几乎所有NO都是在燃烧开始的头20CA以内生成的。推迟喷油是降低柴油机NOx排放的简便有效的方法，但代价是燃油消耗率有所提高，排气烟度增大。,四、NOx的排放,2.喷油定时的影响：,34,第二节 柴油机排放污染物,柴油机的微粒：除去未化合的水以外所有固态的碳基颗粒DS、液态的燃油与润滑油SOF以及无机物硫酸盐（SO2、NO2、铅）等物质的总称,里卡多认为（美国环保局认为）：微粒是指经过稀释后的排气，在低于51.7以下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上沉积的除水分以外的物质。,五、微粒排放,35,第二节 柴油机排放污染物,五、微粒排放,微粒的理化特性,36,第二节 柴油机排放污染物,脱氢裂解在预混火焰的高温预热区和扩散火焰的低温氧化区裂解成为先期产物；,表面增长和凝聚2030nm,（1）烟粒生成阶段：,（2）烟粒长大阶段：,成核足够稳定性抵御分解；足够化学活性与其他集团快速反应（极性共轭结构）2nm,集聚（球状或链状多孔聚合物）1m,1.微粒的形成机理,五、微粒排放,37,第二节 柴油机排放污染物,氧化作用需要有一定的温度，至少在700800。,（3）烟粒的氧化：,碳烟的生成主要是在燃烧的初期和中期，而碳烟的氧化主要是在燃烧的中期和后期；碳烟浓度先是上升到一最大值，然后浓度下降，这表明碳烟的氧化反应加快，碳烟浓度急剧降低；碳烟的氧化速率主要和温度有密切关系，同时还和剩余氧以及在高温下的逗留时间有关。,1.微粒的形成机理,五、微粒排放,38,柴油机燃烧生成碳烟和NOx的温度以及a条件（柴油机混合气在预混合燃烧中的典型状态的变化如图上各箭头所示）,在预混合燃烧中，大部分燃油a大于0.7，主要生成NOx。应缩短滞燃期和控制滞燃期内喷油量，使尽可能多的混合气a控制在0.6-0.9之间。,第二节 柴油机排放污染物,2.微粒和NOx,五、微粒排放,39,柴油机燃烧中生成碳烟和NOx的温度以及a条件（柴油机扩散燃烧中混合气状态变化如图所示）（第二阶段燃烧）,过量空气系数小于4的燃油都会生成烟粒（温度低于烟粒生成温度的混合气生成HC）。喷油结束后，燃气与空气进一步混合，其状态变化如图中虚线箭头所示。,第二节 柴油机排放污染物,2.微粒和NOx,五、微粒排放,40,第二节 柴油机排放污染物,五、微粒排放,2.微粒和NOx,PM与NOx表现出很强的折衷 Trade-off关系(平衡关系),达到严格的排放法规要求：燃烧优化和尾气后处理方案,实际开发,41,第二节 柴油机排放污染物,柴油机排气微粒,烟粒,有机可溶成分,来自燃油：减少未燃HC排放使SOF降低,来自润滑油：降低润滑油消耗，改善汽缸活塞组和活塞环的控油性能,降低微粒排放问题的核心,烟粒生成的重要条件：高温下燃料严重缺氧,降低烟粒排放的根本：改善柴油机的油气混合均匀性，使燃烧室内任一单元燃油均能找到足以不生成烟粒的空气。,2.微粒的影响因素,五、微粒排放,42,第二节 柴油机排放污染物,喷油压力的影响：,提高喷油压力能够减小油雾的平均直径改善燃油雾化，促进燃油与空气的混合，改善油气混合的均匀性，从而减少烟粒的生成。,同样的喷油装置在较高转速下有较高的喷油压力，在较大负荷（喷油量）下也有较高的喷油压力。,2.微粒的影响因素,五、微粒排放,43,第二节 柴油机排放污染物,涡流比的影响：,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。,采用缩口燃烧室在燃烧过程期间能较好地保持室内的空气涡流，从而促进后期的扩散燃烧，加速烟粒的氧化。,2.微粒的影响因素,五、微粒排放,44,第二节 柴油机排放污染物,气门结构的影响：,多气门技术能提高充量系数，从而使过量空气系数增大。喷油器为中央布置，喷雾场对称，改善了燃油与空气混合的均匀性。,涡轮增压大大增加了柴油机的充气量，提高燃油燃烧的空燃比，因而能显著降低柴油机的烟度和微粒排放。,涡轮增压的影响：,2.微粒的影响因素,五、微粒排放,