汽车排气污染物的形成及影响因素课件.ppt
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1、第五章 汽车公害,一、发动机污染物的形成二、使用因素对排气中有害气体浓度的影响三、降低汽车排气污染的主要措施,第一节 概述第二节 汽车排气污染物的形成及影响因素第三节 汽车排气污染物检测第四节 汽车噪声第五节 汽车噪声检测第六节 电磁波干扰,汽车排出的污染物质主要指发动机排气管排出的废气和其他部位漏出的燃料蒸气以及从曲轴箱窜出的气体,其中大部分是由排气管排出的。有害物质的排出量取决于燃烧前混合气的形成条件,燃烧室的燃烧条件和排气系统的反应条件。排气中的CO、HC和NOx的生成条件各不相同CO和HC是燃料不完全燃烧的产物NOx在燃烧温度高且氧气充足的条件下形成较多。,理论上,如果空气量充分,汽油
2、机不会产生CO(过量空气系数);汽油机工作过程中,排气中存在0.010.5的CO。原 因在汽油机燃烧室内的局部区域存在的过浓区;部分未燃碳氢化合物在排气过程中发生不完全燃烧;气温低或者滞留时间短暂等,燃烧不能完全进行,也会产生CO。,1.一氧化碳(CO)的形成,汽油机HC排放量远大于柴油机。汽油机向大气排出的HC中: 由排气管排出的燃料不完全燃烧的产物占大多数(5565%) 从曲轴箱通风口逸出的量占2025% 由燃油供给系和油箱蒸发的量占1520%,2.碳氢化合物(HC)的形成,HC是未燃燃料、未完全燃烧的中间产物和部分被分解产物的混合物。,。,不论在任何工况下运转,发动机排气中总含有一定量的
3、HC。,2.碳氢化合物(HC)的形成,发动机工作过程中,燃料不完全燃烧与着火前的混合气形成条件、燃烧室内的燃烧条件、膨胀行程的温度条件及排气系统的化学反应条件均有密切的关系。一切妨碍燃料燃烧的因素都是HC形成的原因。发动机燃用的混合气过浓、过稀或雾化不良,点火能量不足或点火过迟,火焰难以传播到的低温缸壁的激冷作用,都是影响HC形成的重要因素。,发动机气缸内的混合气通过火焰传播而燃烧,但是紧靠缸壁的气体层(0.050.5mm),因低温缸壁的冷却作用,温度低而不能燃烧。火焰也不能在激冷缝隙内传播。其结果是,在小于1mm的缝隙内(如活塞顶部与第一道气环之间的空隙)混合气不可能完全燃烧,紧靠缸壁的混合
4、气中的HC随废气排出。,2.碳氢化合物(HC)的形成,为了提高最大功率,发动机常在过量空气系数小于1的情况下工作。在低负荷时,气缸内残余气体较多,为了不使燃烧速度过低,也要供给浓混合气。这都会因空气不足以致不能完全燃烧。此外,混合气过浓、过稀、燃料雾化不良或混入废气过多时,可能产生燃烧火焰熄灭或半熄灭状态,而使部分未燃燃料(HC)从排放至大气中。,2.碳氢化合物(HC)的形成,排气中的HC成分十分复杂,除了饱和烃、不饱和烃和芳香烃外,还包括部分中间氧化物(如醛、酮、酸等)。燃料在燃烧过程要经过一连串的化学反应才能生成最终产物CO2和H2O。在燃烧反应过程的不同阶段存在着不同的中间产物。若这些中
5、间产物继续氧化的条件不适宜,就可能因氧化完全而增加HC的排放量。,2.碳氢化合物(HC)的形成,二冲程汽油机中的扫气作用使部分混合气经气缸直接排放。这种汽油机的HC排放量可能比四冲程汽油机大几倍。,2.碳氢化合物(HC)的形成,氮氧化物(NOx)是,3.氮氧化物的形成,在发动机排出的废气中NO占绝大部分(约占99%)NO2的含量较少(约占1%)NO排入大气后,进一步氧化成NO2,NONO2N2ON2O3N2O4N2O5,氮氧化物的总称,NOX是在高温条件下,N2和O2反应生成的,其形成机理比较复杂。目前普遍认为,除燃烧气体的温度和氧的浓度外,在高温条件下的停留时间是NOX生成的重要影响因素。,
6、3.氮氧化物(NOx)的形成,柴油机排出微粒物(PM)一般比汽油机高3080倍,4.微粒(PM)的形成,国内外对柴油机微粒排放的限制十分重视,除对微粒物中的炭烟早已进行限制外,还针对柴油汽车的微粒排放量制定了标准。,柴油机微粒,炭烟可溶性有机成分硫酸盐,4.微粒(PM)的形成,碳烟是微粒的主要组成部分。碳烟排放的变化自然导致微粒排放的变化,但两者升高和降低未必成比例。柴油机在高负荷时,碳烟在微粒中所占的比例升高,而在部分负荷时则有所降低。由于重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附凝聚,在很多情况下碳烟即指微粒。,4.微粒(PM)的形成,碳氢化合物燃料的不完全燃烧所产生的炭烟以碳原子主要成
7、分并含有占10%30%氢原子的碳氢化合物,具有与聚合多环碳化氢相近似的结构。发动机燃料由于热分解生成甲烷和乙烯等低分子碳氢化合物,在温度不太高的情况下,这些产物成为未燃碳氢化合物。,4.微粒(PM)的形成,当燃烧气体保持高温时,如果氧气过剩就会进行氧化反应;如果氧气不足,甲烷和乙烯会进一步进行化学反应,进行脱氢反应并聚合成直径为2030 大小的炭烟粒子,小粒子最后会成长成直径为50200 的大粒子。,4.微粒(PM)的形成,炭烟微粒形成过程,4.微粒(PM)的形成,近年来,许多有效措施使柴油机的炭烟排放量大幅度下降。由于低硫乃至无硫燃油的推行,硫酸盐排放也得到了抑制,使可溶有机成分在微粒中所占
8、比例明显上升。,可溶有机成分在微粒中比例与燃烧质量有重要关系,也与窜入燃烧室的润滑油的量有关。随着燃烧质量的提高,窜入燃烧室的润滑油所产生微粒的比例会随之增加。,4.微粒(PM)的形成,对车用直喷柴油机微粒排放的研究表明:冷起动、自由加速工况时,约有25的有机可溶成分来自润滑油。稳定工况时,约有4060的有机可溶成分来自润滑油。,发动机运行工况一般指负荷与速度工况,即发动机怠速和在各种转速下的小负荷、中负荷和满负荷工作状况。发动机不同负荷时所要求的空气与燃料的混合比不同,因此负荷对排气中有害气体的影响实质上是空燃比的影响。,1.负荷的影响,负荷与混合气浓度的关系,过量空气系数与负荷的关系,1.
9、负荷的影响,汽油机在正常火焰传播与燃烧时,混合气的空燃比(A/F)通常在10:118:1的范围内;燃料完全燃烧时所需要的空燃比或是燃烧效率最高时的理论空燃比为14.8:1。,1.负荷的影响,汽油机工作时,火焰温度Tf、输出功率Ne和燃料消耗率ge与空燃比的关系,火焰温度Tf、输出功率Pe和燃料消耗率ge与空燃比的关系图,1.负荷的影响,供给浓混合气时,N0 x减少而CO、HC增多供给略稀的混合气时(经济混合比附近),CO、HC减少而NOx增多供给稀混合气时,NOx、CO减少而HC增多,CO、HC、NOX排放浓度与空燃比的关系,1.负荷的影响,混合气成分不同,燃烧速度产生显著差异,结果产生不同的
10、排气成分。空燃比与排气有害成分浓度的关系,1.负荷的影响,CO、HC、NOX的排放浓度与空燃比的关系,汽油机怠速时,由于转速低,进气系统内空气流速低,汽油雾化不良,汽油与空气混合不均匀,混合气在各缸内的分配也不均匀;同时缸内压力、温度低,汽油气化不良。为避免缺火,在怠速工况下,发动机燃用较浓混合气,从而使所排出废气中的CO和HC浓度大大增加。,1.负荷的影响,小负荷工况下(节气门开度25%以下),进入气缸的可燃混合气较少,缸内残余废气比例相对较大,不利于燃烧。发动机在小负荷工况下须燃用较浓混合气,使排出的废气中的CO、HC浓度较大。,1.负荷的影响,中等负荷(节气门开度2580%)工况下,发动
11、机燃用较稀的经济混合气,废气中的CO和HC的浓度均较小。大负荷(节气门开度80%以上)工况下,发动机燃用较浓的功率混合气,废气中的CO和HC浓度增大,而NOX浓度有所减小。,1.负荷的影响,市内行驶的汽车,由于混合交通或交通堵塞现象,汽车不得不频繁起步、停车,并长时间低速行驶,发动机经常处于怠速及小负荷的运行状态这是造成城市大气污染严重的重要原因之一。,1.负荷的影响,汽车运行过程中,发动机在节气门全开,转速为1800r/min工况下的调整特性,1.负荷的影响,某型发动机在节气门全开,转速1800r/min,不同混合气浓度的调整特性,1.负荷的影响,当发动机燃用过浓混合气时,=0.70.8,C
12、O的含量高达1012%。=0.850.9时,CO含量为6%,比中等负荷高12倍;发动机的燃料经济性大大降低,废气中的NOX的生成量减少。,1.负荷的影响,CA1090、EQ1090、NJ1040型汽车在发动机转速为2000r/min,在不同负荷的进气管真空度下,用直接取样法所得的测试结果,1.负荷的影响,随着负荷的增加,CO排放量降低;当进气管真空度低于26.664kPa(200mmHg)时,CO排放量开始上升。,1.负荷的影响,大负荷时,由于混合气变浓,CO排放量增加。随负荷增加,HC排放量显著降低,而NO排放量则明显增加,这是由于大负荷时发动机燃烧状况有所改善的结果。,柴油机的充气效率变化
13、不大,其负荷调节由喷油量来控制。在怠速和低负荷时混合气很稀,有些过稀区域内的混合气不能着火,因此HC排放量相对较高随负荷增大则喷油量增加,HC排放量逐渐降低。,1.负荷的影响,CO排放量在怠速和低负荷时较高,中等负荷时最低,在接近全负荷时因混合气浓,燃烧不完全,CO的排放量增多在满负荷条件下工作时,柴油机的CO和HC排放量增加不多,但生成的NOx明显增大,并产生大量的黑烟。,1.负荷的影响,柴油机的排烟量为汽油机的5倍。这是因为虽然供给的空气总量充足。但是柴油机是缸内形成混合气,混合气形成时间短,混合不均。,1.负荷的影响,在气缸内某些有过量空气的区域,局部温度很高,使NOx大量生成;在烧烧室
14、局部混合气过浓(0.5)的区域,会因氧气不足使烃分子发生分裂而形成炭烟。车用柴油机的主要排气污染物是炭烟和NOx。汽油发动机使用的混合气成分较为均匀,正常条件下炭烟的排放量较少。,1.负荷的影响,发动机转速不直接对燃烧产物中的有害成分产生影响,而是通过对进气过程和混合气形成及燃烧过程的作用影响有害气体的形成及浓度。,2.发动机转速的影响,发动机转速增大时,燃烧室内混合气的紊流加强,改善了混合气的混合和燃烧,使排气中的HC、CO含量减少。在过量空气系数一定的条件下,汽油机废气中的CO随曲轴转速提高而下降,2.发动机转速的影响,汽油机曲轴转速对排气有害成分的影响,在高速时,由于燃烧时间短,燃烧不完
15、全,HC排放量略有增加;若气门重叠角较大,低速时吸入气缸的少量未燃混合气会直接排出使HC排放略有增加。提高怠速可使CO、HC排放浓度下降,这是由于进气节流减小,充气量增多,残余气体稀释程度有所减少,使燃烧得到改善的缘故。,2.发动机转速的影响,当用较浓混合气时,由于散热时间短,燃烧室内温度升高,NOX生成量增加;反之,当用稀混合气时,由于燃烧过程相对的曲轴转角增大,燃烧峰值温度反而下降,NOX生成量减少。在某一混合气浓度下,当转速达到最大转速的65%75%时,废气中的NOX达到最大值。,2.发动机转速的影响,废气中的三种有害气体成分随转速增大都有所下降。在最大转速时,CO继续下降而HC和NO增
16、大。这是由于燃烧时间短,气缸内燃烧条件恶化,发动机工作强度大的缘故。,2.发动机转速的影响,柴油机外特性及CO、HC、NO排放量与发动机转速n的关系,柴油机外特性及有害成分浓度随转速变化,3.不稳定工况的影响,在使用过程中,汽车发动机的负荷和转速是随时间不断变化的。统计资料表明:一般市区行驶的汽车,发动机怠速和中等转速占总工作时间的35%,加速占22%,匀速占29%,减速占14%。,汽油机在怠速、减速和低转速工况下,由于混合气较浓且不均匀,废气中不完全燃烧的物质较多,HC和CO排放浓度大;而柴油机由于混合气中的空气充足,HC的浓度很小,CO含量甚微。,3.不稳定工况的影响,在加速和高转速时NO
17、X浓度明显增大。发动机加速运行时,由于要求发出较大功率,须将气缸内燃气的温度提高。由于在短时间内供应了过量的燃料,混合气过浓,因此既会产生大量的NOX,又会引起燃料的不完全燃烧,导致CO和HC排放量增大。,3.不稳定工况的影响,发动机工况对排气有害成分的影响其中,减速行驶时,HC排放浓度明显增加,加速行驶阶段,NOx排放浓度相对较高。,排气有害成分浓度与汽车运行工况的关系,汽车总成的热工况是汽车技术状况变化的主要因素之一。发动机的热工况对废气有害成分的排放量有直接影响。发动机冷却液的温度一般在8595之间。,4.发动机热工况的影响,在使用过程中,汽车运行的环境温度变化很大(4040) ,汽车载
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