内燃机污染物的生成与控制课件.ppt
2023/3/30,内燃机原理,第八章,排气污染与控制,2023/3/30,内燃机原理,8-1 概述,2023/3/30,内燃机原理,环保与节能,环境问题能源危机,2023/3/30,内燃机原理,汽车排放占大气污染物比例,2023/3/30,内燃机原理,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。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。,汽车的主要排放污染物,2023/3/30,内燃机原理,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。,微粒排放,2023/3/30,内燃机原理,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mgm3，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 gh（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（kWh）。,排放指标,2023/3/30,内燃机原理,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，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。,排气冒黑烟,主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。,2023/3/30,内燃机原理,暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。,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0.61m的颗粒构成，而蓝烟是由0.6m以下的颗粒构成。,2023/3/30,内燃机原理,第二节 有害排放物的生成,2023/3/30,内燃机原理,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,一、氮氧化物,ON2NON NO2NOO,2023/3/30,内燃机原理,（1）高温（2）富氧（3）充足的反应时间,促使NO生成的因素,2023/3/30,内燃机原理,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：RHRRO2RCHORCOCOCO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。,二、一氧化碳CO,2023/3/30,内燃机原理,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1520左右,三、未燃碳氢化合物（HC）,2023/3/30,内燃机原理,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。,燃烧过程中HC生成的主要途径,2023/3/30,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。,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,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。,四、微粒,2023/3/30,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,2023/3/30,内燃机原理,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。,一、混合气成分,2023/3/30,内燃机原理,CO：空燃比AF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。,2023/3/30,内燃机原理,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。,二、点火正时,2023/3/30,内燃机原理,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。,三、吸入废气量的影响,2023/3/30,内燃机原理,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。,四、工况,2023/3/30,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。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。,2023/3/30,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。,2023/3/30,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,2023/3/30,内燃机原理,柴油机燃烧：一种多相非均匀混合物的不稳定的燃烧过程。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。,一、柴油机燃烧及排放物生成的特点,2023/3/30,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。,2023/3/30,内燃机原理,未燃HC：在低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区；在高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处。CO：低负荷时，主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上生成CO；高负荷时，在油束心部、油束尾部及后喷部，因局部缺氧而产生CO。NOx：在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。碳烟：高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。醛类：主要在稀燃火焰熄灭区，由于低温氧化而产生醛类中间产物。,2023/3/30,内燃机原理,二、影响因素,1、混合气成分,2023/3/30,内燃机原理,CO：柴油机过量空气系数1，加上柴油蒸发性比汽油小，因此柴油机的 HC及CO排放浓度一般比汽油机低得多，但在接近满负荷时（AF减小），CO浓度骤增。NO：生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷工况。与汽油机不同的是，柴油机NO2的生成浓度较高。NO2浓度随 AF增加而减少。碳烟：混合气变浓，排烟浓度增多。,2023/3/30,内燃机原理,2、喷油时刻,2023/3/30,内燃机原理,延迟喷油是降低NOx的主要措施之一。为了在延迟喷油以后燃烧不致恶化，加强缸内气流运动、促进混合气形成、提高喷油速率以及改善喷雾质量是很有必要的。延迟喷油的同时提高喷油速率，要比单纯延迟喷油定时的效果好。,2023/3/30,内燃机原理,3、燃烧室类型,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和碳烟的排放浓度均低于直喷式的，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右。,原因：这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。,2023/3/30,内燃机原理,第五节 有害排放物的控制,2023/3/30,内燃机原理,1）以降低排放为目标，通过改进发动机燃烧过程为主的机内处理方法。2）对燃烧排出的有害物，在排气系统等处进行后处理。3）对曲轴箱窜气或油蒸气部分进行处理。2）、3）又称为机外处理方法。,控制措施分类,2023/3/30,内燃机原理,使少量废气（5%20%）再次循环进入气缸，因废气中含有大量的惰性气体不参与燃烧，但能吸收热量，这样就降低了燃烧温度，可抑制NOx排放。,过量的废气再循环会影响发动机的正常运行，混合气的燃烧将变得不稳定，着火性变差，发动机的经济性、动力性会随之恶化，HC的排放也会增加，因此，应按发动机工况和工作条件对再循环的废气量进行合理控制。这样，就引入了废气再循环率（EGR率）的概念：,一、汽油机机内净化技术,1、废气再循环,2023/3/30,内燃机原理,EGR率的控制方法有不同的结构形式，有进气负压控制式、排气压力控制式、负荷比例式及电子控制式，EGR率在5%20%。,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,应根据不同工况和运行条件决定是否采用废气再循环，或确定再循环系统的控制要点：1）发动机在起动、怠速、低转速小负荷及处于冷机运行时，燃烧的温度低，NOx排放低，而节气门开度小，气缸内废气稀释现象严重，不应进行废气再循环。2）在高负荷、高速或油门全开时，追求发动机输出最高的动力输出，因此，不希望进行再循环。3）要求随着负荷增加，废气再循环量应增加到允许的极限值。4）接近全负荷时，为使发动机保持足够的动力性能，即使NOX 排放很高，也不允许进行EGR。5）为了实现EGR的最佳效果，要保证各缸的EGR率一致。,2023/3/30,内燃机原理,使少量废气（520）再次循环进入气缸，降低燃烧温度，可抑制NOx生成。应根据不同工况决定是否采用废气再循环，或确定废气再循环量的多少。,2023/3/30,内燃机原理,2、改进发动机设计,1）冷起动、暖机,汽油机 冷起动时CO和HC 排放量显著高于正常运转工况。应增大起动机功率，提高起动转速，增大点火能量，尽量缩短起动时间。在起动前对发动机进行预热，促进起动时缸内完全燃烧。,发动机的润滑系和冷却系要保证发动机起动后尽快达到正常的运转温度。（冬天和夏天不同）,2023/3/30,内燃机原理,2)怠速排放控制,怠速时低转速省油，排放不好。,汽油机 较高怠速转速可降低排放。,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,随着混合气调稀，CO排放不断下降，而HC又不断上升。,2023/3/30,内燃机原理,3）压缩比,压缩比增加，使燃烧室内温度增加，使NOx排放增加。,2023/3/30,内燃机原理,4）燃烧系统,燃烧室的形状主要影响未燃混合气的HC排放物浓度。,5）进气系统,进气系统设计影响发动机动力性和经济性外也影响污染物的生成，特别是HC。,理想的燃烧室形状应紧凑、表面积小，并带有一定的进气旋流。,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,6）活塞组件,活塞、活塞环与气缸壁之间的间隙，对汽油机的HC排放有很大的影响，主要是HC。,7）分层稀薄燃烧,NOx排放增加,2023/3/30,内燃机原理,3、电子控制燃油喷射系统,4、提高燃油的品质,2023/3/30,内燃机原理,二、汽油机机外净化技术,1、曲轴箱通风系统,从空气滤清器引出部分新鲜空气进入曲轴箱，而曲轴箱内由活塞环与气缸壁间隙泄漏下来的燃烧废气和新鲜混合气经流量调节阀（PCV阀）被吸入气缸烧掉。,2023/3/30,内燃机原理,PCV阀的作用是用真空操作和可变喷嘴控制的阀。在怠速、低速小负荷时减少送入气缸的抽气量，避免混合气过稀而造成失火。在节气门全开时，气缸窜气量大，PCV阀能提供足够的流量送入气缸，从而显著降低了排气中的CO和HC的浓度。,2023/3/30,内燃机原理,怠速或减速或低负荷时，进气管真空度较大，虽然PCV阀升程很高，但由于可变喷嘴截面积的原因，PCV阀开度很小，进入气缸的曲轴箱气体流量很小；大负荷时，即进气管真空度低，虽然PCV阀升程不高，但PCV阀开度很大，进入气缸的曲轴箱气体流量很大；进气管发生回火或停机时，PCV阀关闭。,2023/3/30,内燃机原理,2、燃油蒸发控制系统,2023/3/30,内燃机原理,从油箱和化油器浮子室蒸发出来的汽油蒸汽，经储气罐3流入炭罐5被活性炭所吸附，当发动机工作时，由进气负压控制开启净化控制阀2，在炭罐内被吸附的汽油蒸汽与从炭罐下部（带滤网）流入的新鲜空气一起被吸入进气管，降低燃油箱和化油器浮子室向大气的HC排放。,2023/3/30,内燃机原理,1）炭罐顶部的净化控制阀2（图中的限流阀8），用来控制进入进气支管的汽油蒸汽和空气的流量：发动机怠速时，传送到限流阀8膜片室的进气管真空度很小，膜片下移，致使孔径为1.40mm的限流小孔关闭，只有少量的汽油蒸汽和空气从0.76mm的限流小孔进入进气支管，以免破坏怠速时混合气的空燃比（可能造成怠速不稳或熄火）；大负荷或高转速时，同时经两个限流孔进入进气支管。炭罐底部滤网堵塞会造成混合气过浓现象。,2023/3/30,内燃机原理,2）燃油箱顶部的储气罐3（图中的气-液分离器3）的作用是用来分离液态汽油和汽油蒸汽，以防止液态汽油流入炭罐。三根出口朝上的通气管分别接在油箱的中央和两侧，这样，不管汽车如何倾斜，至少有一根通气管高于汽油液面，使汽油蒸汽得以经汽油蒸汽管4进入炭罐，分离出来的液态汽油从回油管2流回燃油箱。,2023/3/30,内燃机原理,各类催化转换器均由金属外壳和活性催化材料组成。常见的有两种结构形式：一类是整体陶瓷峰窝结构，它在作为载体的多孔性氧化铝陶瓷表面渗透一层活性催化剂；另一类是颗粒式结构，它将催化材料浸透在大量直径为23mm的多孔性陶瓷小球表面。这两类转换器均应保证排气流畅，并使气流与催化剂有较大的接触面积。但催化剂的材料不同，转换器的功能也不一样。,3、催化转化器,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,氧化催化转换器的作用是把排气中的CO和HC氧化成CO2和H2O。由于贵金属内在活性高，低温时的活性损失小，同时抗燃料中硫污染的能力强，因此最适合于用作催化材料。目前应用最广泛的氧化催化材料是铂（Pt）和钯（Pd）的混合物。这些氧化催化剂的转换效率随温度而变化，如图所示。在温度足够高时使用新的催化剂，对CO的转换效率可达9899，对HC的转换效率可达95，但在温度低于25O300时，其转换效率急剧下降。,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,三元催化剂包含铂（Pt）和铑（Rh），PtRh在217的范围内，此外还含有Al2O3、NIO、CeO2（氧化铈），用氧化铝作为载体材料。使用三元催化剂时，应将混合气成分严格控制在理论空燃比附近（1），这样催化剂才能促使CO及HC的氧化反应和NOx的还原反应同时进行，生成CO2、H2O及N2。而且，只有在接近理论空燃比的窄狭范围内，对这三种有害成分才有高的转换效率。这是目前车用汽油机上应用最广泛的机外净化措施。,三元催化转换器,2023/3/30,内燃机原理,2023/3/30,内燃机原理,三、柴油机机内净化技术,1、增压中冷技术,采用增压中冷技术可以降低混合气的浓度，降低HC、CO和NOx的排放。,2023/3/30,内燃机原理,2、改进进气系统,1）进气组织2）多气门,2023/3/30,内燃机原理,3、改进喷油系统,1）高压喷射2）推迟喷油提前角3）减小喷孔直径4）减小喷嘴压力室容积5）高压共轨电控燃油喷射,2023/3/30,内燃机原理,4、改进燃烧系统,1）燃烧室容积比2）燃烧室口径比3）燃烧室形状4）适当提高压缩比,2023/3/30,内燃机原理,5、降低机油消耗,6、废气再循环,7、提高燃油品质,2023/3/30,内燃机原理,四、柴油机机外净化技术,1、微粒捕集器,整体多孔陶瓷催化过滤器-燃烧器再生系统。微粒过滤器由多孔陶瓷材料制成，其过滤效率较高。在过滤器入口前，设置一燃烧器，靠泵及喷油器向燃烧器供给少量燃油，利用排气的氧或另外供给空气，用火花塞或电热塞点燃，由高温燃气再烧掉微粒。一般经过12min后，即可完成再生过程，燃烧器停止工作。,2023/3/30,内燃机原理,另外还有一类金属丝网过滤器一加浓排气的HC及CO组合系统。排气通过附有催化剂的金属丝网，由废气再循环或者调整喷油正时，促使排气中的HC及CO在催化作用下氧化，从而产生较高的热量将微粒烧掉。,2023/3/30,内燃机原理,汽车道路用柴油机废气排放法规：（单位：g/(kW.h)）欧1（1992）：NOX8.0，PM0.61欧2（1995）：NOX7.0，PM0.15欧3（2000）：NOX5.0，PM0.10欧4（2005）：NOX3.5，PM0.020.03欧5（2008）：NOX2.0，PM0.020.03欧6（2010）：NOX0.5，PM0.002,2023/3/30,内燃机原理,2、氧化催化转化器,3、NOx还原催化转化器,4、四元催化转化器,2023/3/30,内燃机原理,减少HC和CO的二次空气喷射法 在发动机燃烧室内没有完全燃烧的燃料，在排气道内与喷射的新鲜空气再燃烧一次，因此，需要辅助空气喷射泵和维持排气歧管高温。,2023/3/30,内燃机原理,减少HC和CO热反应器 相当于大的排气管，其作用是使气体保持高温（HC和CO在热反应器中氧化所需温度在600-700C以上）和达到HC和CO氧化所需的足够的反应时间。在浓混合气中需向排气口喷入二次空气，因此，通常与二次空气喷射一起使用。热反应器内部温度达8001200 C，要求耐高温、耐腐蚀的材料。,2023/3/30,内燃机原理,1、促使NOX生成的三个条件是什么？2、HC排放的来源有哪些？3、汽油机怠速与急减速时，什么有害排放物排放量剧增？4、分析汽油机主要有害排放物浓度随混合气浓度的变化关系？5、绘出三元催化装置TWC对NOX、HC、CO的转换效率随混合气空燃比的变化关系曲线？6、曲轴箱强制通风系统的作用是什么？工作原理？发动机各工况下PCV阀的位置？PCV阀若损坏，对发动机有何影响？7、活性炭罐式汽油蒸发系统的作用是什么？工作原理？炭罐底部滤网堵塞会造成什么问题？8、废气再循环装置的作用是什么？发动机不同工况下对废气再循环率有何要求？,39、把生活中的每一天，都当作生命中的最后一天。40、机不可失，时不再来。41、就算全世界都否定我，还有我自己相信我。42、不为模糊不清的未来担忧，只为清清楚楚的现在努力。43、付出才会杰出。44、成功不是凭梦想和希望，而是凭努力和实践。45、成功这件事，自己才是老板！46、暗自伤心，不如立即行动。47、勤奋是你生命的密码，能译出你一部壮丽的史诗。48、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。49、不要轻易用过去来衡量生活的幸与不幸！每个人的生命都是可以绽放美丽的，只要你珍惜。50、给自己定目标，一年，两年，五年，也许你出生不如别人好，通过努力，往往可以改变%的命运。破罐子破摔只能和懦弱做朋友。51、当眼泪流尽的时候，留下的应该是坚强。52、上天完全是为了坚强你的意志，才在道路上设下重重的障碍。53、没有播种，何来收获；没有辛苦，何来成功；没有磨难，何来荣耀；没有挫折，何来辉煌。54、只要路是对的，就不怕路远。55、生命对某些人来说是美丽的，这些人的一生都为某个目标而奋斗。56、浪花总是着扬帆者的路开放的。74、失败是什么？没有什么，只是更走近成功一步；成功是什么？就是走过了所有通向失败的路，只剩下一条路，那就是成功的路。75、要改变命运，首先改变自己。76、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。77、在生活中，我跌倒过。我在嘲笑声中站起来，虽然衣服脏了，但那是暂时的，它可以洗净。78、没有压力的生活就会空虚；没有压力的青春就会枯萎；没有压力的生命就会黯淡。79、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有久久不会退去的余香。80、最困难的时候，就是距离成功不远了。81、知道自己要干什么，夜深人静，问问自己，将来的打算，并朝着那个方向去实现。而不是无所事事和做一些无谓的事。82、出路出路，走出去了，总是会有路的。困难苦难，困在家里就是难。83、人生最大的喜悦是每个人都说你做不到，你却完成它了！84、勇士搏出惊涛骇流而不沉沦，懦夫在风平浪静也会溺水。85、生活不是林黛玉，不会因为忧伤而风情万种。86、唯有行动才能改造命运。87、即使行动导致错误，却也带来了学习与成长；不行动则是停滞与萎缩。88、光说不干，事事落空；又说又干，马到成功。89、对于每一个不利条件，都会存在与之相对应的有利条件。90、人的潜能是一座无法估量的丰富的矿藏，只等着我们去挖掘。91、要成功，不要与马赛跑，要骑在马上，马上成功。2、虚心使人进步，骄傲使人落后。3、谦虚是学习的朋友，自满是学习的敌人。4、若要精，人前听。5、喜欢吹嘘的人犹如一面大鼓，响声大腹中空。6、强中更有强中手，莫向人前自夸口。7、请教别人不折本，舌头打个滚。8、人唯虚，始能知人。满招损，谦受益。满必溢，骄必败。,
