第七章发动机有害排放.

第七章发动机有害排放与噪声主要内容第一节汽车发动机有害排放物的生成机理与影响因素第二节汽油机的排放控制第三节柴油机的排放控制第四节发动机排放标准与测试（自学）第五节发动机噪声来源与控制（了解）内燃机的排放特性（有害排放、噪声）形成原理与性能分析，对动力经济性的影响----优化（燃烧系统和调节参数）注意发动机内的化学过程通常是不平衡的，它受化学反应速度、反应物浓度、温度以及催化剂存在与否的影响，所以属于化学动力学范畴。第一节汽车发动机有害排放物的生成机理与影响因素内燃机排气污染物ENGINEEMISSIONS一、内燃机排气中的污染物POLLUTANTS燃烧过程产生，排气管排出CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）CO2、CH4PMSOX、醇类、醛类(RCHO)﹑3,4－苯并芘其他未知污染物，e.g.odor,etal.•SIengineNOx500~2000ppm20g/kgfuelCO1%~2%200g/kgfuelHC3000ppm25g/kgfuel•CIengineNOx500~2000ppm20g/kgfuelCO+HC(1/5)80g/kgfuelPM(0.2~0.5)%2~5g/kgfuel♦CO内燃机不完全燃烧产物，对人体有害，大大降低血液的输氧能力。♦CO2内燃机完全燃烧产物，温室气体。该项指标在汽车排放标准中不予限制，传统内燃机汽车是无法解决的，因而不仅从能源短缺的角度，也从环境治理的角度，提出了新能源汽车的急迫发展要求。♦NOx（NO、NO2、N2O）大量的是NO，NO2少量，N2O极少。NO直接毒性不大，在大气中缓慢氧化生成NO2；NO2对人体有害，比CO更阻碍血液输氧；N2O温室气体。NOx是光化学烟雾的主要成分；在大气中生成硝酸，是酸雨的主要来源之一。♦HC未燃或未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，成分众多，其中部分对人体有害，也是能源浪费，HC是光化学烟雾的重要物质。♦微粒及炭烟（PM，particulatematter）成分为碳、有机物质、硫酸盐。汽油机—含铅汽油（已限制使用），柴油机严重。粒径0.1～10µm，PM2.5对人体和大气环境危害最大。♦SOx来源于石油中的重质组分燃烧，对人体具有毒害作用，是形成酸雨的主要成分，也影响能见度。微粒的危害微粒对人体健康的危害和微粒的大小及其组成有关。微粒愈小，悬浮在空气中的时间愈长，进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1µm(微米，106m)的微粒能在空气中作随机运动，进入肺部并附在肺细胞的组织中，有些还会被血液吸收。(0.1～0.5)µm微粒能深入肺部并粘附在肺叶表面的粘液中，随后会被绒毛所清除。大于5µm的微粒常在鼻处受阻，不能深入呼吸道，大于10µm的微粒可排出体外。微粒能粘附SO2、未燃HC、NO2等有毒物质或苯丙芘等致癌物，因而对人体健康造成更大危害。由于柴油机的微粒直径大多小于0.3µm，而且数量比汽油机高出30～60倍，成分更为复杂，因而柴油机排出的微粒危害更大。二、内燃机排放的二次污染SecondaryPollution光化学烟雾photochemicalsmog空气能见度visibility酸雨acidrain地表水酸化wateracidification……♦光化学烟雾（photo-chemicalsmog）NOx、HC在强烈阳光（高温、日照强烈、湿度低、风速低）照射下经过一系列链式光化学反应，生成Ｏ3和过氧酰基硝酸盐（PAN），属于二次污染物，对生态危害极大，强氧化剂，特殊臭味，刺激眼睛和咽喉，橡胶开裂，植物枯死等。这里的Ｏ3存在的范围离地面约0～12m，处于对流层大气中，与大气平流层的臭氧层不是同一概念。在我国大中型城市，机动车尾气排放已经成为主要的大气污染源。其中氮氧化物排放量约占总量的50%，一氧化碳约占85%，同时尾气中还含有大量的碳氢化合物。据预测，2015年城市机动车污染物排放量将比2000年上升一倍。内燃机的排放对大气的污染AIRPOLLUTION汽车的分担率MotorvehiclecontributionPollutantsXi’anBeijingShanghaiCO84%80.3％61.8％NOx75%54.8％20.9％HC80%79.1％56.7％汽车污染分担率就是确定汽车排放的某种污染物在城市大气污染中的贡献大小。燃烧是内燃机发展中的永恒课题，直到20世纪60年代为止，内燃机燃烧过程的研究一直是以动力性和经济性为追求目标。近几十年来，汽车排放污染所造成的大气环境恶化成了重大社会问题之一，同时也成了已有100多年历史的内燃机能否继续生存下去的生死攸关问题。为此，人类作出了极大努力以降低内燃机排放污染，甚至不惜牺牲动力性和经济性指标。近年来，随着全球汽车保有量的持续增长和石油资源的日益枯竭以及对温室效应的关注，内燃机再次面临严重的能源和环境问题。排放指标EmissionIndex排放物的浓度质量排放量比排放量排放率内燃机排放物的浓度,从广义上讲,是指排放物在总排气量中所占的比例.对于气态排放物如CO,HC和(NO,)来说,常用体积分数来表示,一般内燃机的气态排放物都可作为理想气体处理。为了数据的普遍性,气体的体积要换算到标准大气状态(内燃机工程标准的大气状态为总压力101.3kPa,水蒸气分压为1kPa,温度273k)。内燃机固体排放物如柴油机的微粒等用质量浓度表示,常用单位为,对于排放物中的特殊微量物质,单位为。3/mgmxNO2NO3/gm排放物的浓度单位时间或按某排放标准规定,进行一次测试,在实验期内测出的污染物质量,称为质量排放量,通常以g/h或g/测试(g/test)表示。安装内燃机的车辆按规定的工况组合(称为测试循环)行驶后折算到单位里程的排放量,称为(单位)里程质量排放量,常用单位为g/km。质量排放量比排放量内燃机针对单机进行排放测量时,每单位功排出的污染物质量,常用g/(kw·h)表示,用以评价不同种类,排量的内燃机的排放性能。比排放量与内燃机的燃料消耗率类似,也可称为污染排放率,比排放量可以根据测得的发动机功率,排气流量,污染物浓度,污染物密度等数据计算。排放率(或排放指数)排放率定义为燃烧单位质量的燃料所排放的污染物质量,理论上是个量纲一的量,实践中为方便起见常用g/kg表示。目前排放指标中用得较多的是单位里程质量排放量(g/km,轻型车排放法规)和比排放量[g/(kw·h),重型车排放法规]。现行汽车尾气排放法规主要限制CO、HC、NOx、微粒。逻辑概念是光化学烟雾来自于HC、NOx，硫、铅化合物控制办法是减少燃料自身的含量（燃料中限制），CO2是无法避免的。其它有机有害物质目前未予限制。二、有害排放物的生成机理1、NO三种生成途径⑴高温NO（thermalNO）扩展捷式反应机理，＞1600℃（也有观点＞1800℃，我们书上＞2000℃），是NO主要来源。高温度时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分子化合生成NO，其反应机理如下:HNONOHONONONNOONOO2222←反应最慢，决定因素←后人研究⑵激发/瞬发NO不需要高温，活化能不高的系列反应产生。⑶燃料途径NO一般计算只考虑高温NO（占主要部分）。其三要素：燃烧温度、氧浓度和整个燃烧反应时间。♦混合气过浓，参与NO反应的氧气不够，NO量不大；♦氧浓度足够时，温度越高，则反应速度越快，NO平衡浓度越高，NO生成量越大；♦NO生成的速度比生成其他成分的速度慢得多，故高温反应时间越长，NO生成量越多。存在“冻结”在高浓度水平的现象（可逆反应的逆反应速度缓慢）。根据扩展捷氏机理控制NO的基本原则：减少混合气中的O2（或N2）的含量；尽可能降低燃烧温度；缩短在高温燃烧带内滞留的时间。内燃机高速燃烧，燃烧过程5～10ms，一般燃烧终了时NO还不能达到平衡浓度。作为特例，NO计算时应采用化学动力学计算，其他成分则采用化学平衡计算。2、CO生成机理和排放特点一、CO生成机理COMechanism222HOCOHCO理论上，HC燃料完全燃烧时生成CO2和H2O。HC的氧化过程：R-HR-R-O2RCHORCOCO+R-CO+OHCO2+H因此，CO是烃燃料燃烧的中间产物。aaa实际的燃烧过程在于：1）燃料浓度分布不均匀。2）温度分布不均匀。3）燃烧过程时间短，达不到化学平衡状态。当反应着的气体突然缺乏氧化剂、温度过低或反应时间过短时，CO就以中间产物的形式生成了。因此CO的排放是不可避免的。CO是不完全燃烧产物，其生成主要受混合气浓度影响。♦Φa＜1，由于缺氧，C不能完全燃烧氧化成CO2，CO作为中间产物产生；♦Φa＞1，理论上不产生CO，但由于局部混合不均匀，局部Φa＜1，产生CO；或生成的CO2在高温时发生热裂解反应，生成CO；♦在排气过程中，未燃HC不完全氧化，生成CO，少量。燃烧终了时的CO浓度一般取决于燃气温度，发动机膨胀作功过程缸内温度下降很快，温度下降速度远快于气体中各成分建立新的平衡过程的速度，CO来不及建立平衡状态，实际的CO浓度要高于排气温度相对应的化学平衡浓度，这就是“冻结”现象（化学动力学）。一般经验，汽油机排气中的CO浓度取值为1700K时的平衡浓度。汽油机由于要控制空燃比在化学计量比附近，CO排放浓度高。•全负荷混合气加浓，CO排放增加。•怠速运转，废气多，加浓混合气，CO排放量大。•起动暖机时CO排放较多。•多缸机中各缸间空燃比的变动使CO排放量增加。柴油机CO排放特点1.柴油机的CO排放总体比较低。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。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。3、HC♦由于汽油机和柴油机的混合气形成和燃烧方式不同，导致HC生成机理不同，必须分开讨论。HC在汽油机中的生成机理HC是不完全燃烧的产物，与过量空气系数有密切关系，与燃烧微观过程和现象有关系：（1）不完全燃烧：A.怠速及高负荷工况，Φa＜1，过浓状态，且怠速时残余废气系数较大；B.失火状态；C.加速或减速，暂时混合气过浓或过稀；D.Φa＞1，但油气混合不均匀。（2）壁面淬熄效应及缝隙效应：♦燃烧过程中，燃气温度＞2000℃，而汽缸壁面温度＜300℃，由于传热的缘故，靠近壁面的混合气体温度较低，加之流动性较差，故而燃烧强度下降，产生大量未燃HC。这就是壁面淬熄效应，即温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却（冷激），使活化分子的能量被吸收，燃烧链反应中断，在壁面形成约0.1～0.2mm的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层。淬熄层厚度随发动机工况、混合气湍流程度和壁温有关，小负荷特别是冷起动和怠速时，其值较大。在火焰传播过程中，燃烧室壁对火焰具有熄火作用，即紧靠壁面附近不可能形成火焰。这样，在熄火区内存在大量未燃烧的烃，它是排气中ＨＣ的主要来源。当α＝１左右时，熄火厚度最小；负荷减小时，熄火厚度显著增加；燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。减少熄火厚度及燃烧室的面容比F/V，可以使汽油机HC排放量减少。♦缝隙效应：燃烧室中各种狭窄的缝隙（活塞头部与气缸壁面之间、火花塞中心电极周围、进排气门头部周围等），由于面容比较大，淬熄效应强，火焰无法传入其中继续燃烧，而在膨胀和排气过程中，缸内压力下降，缝隙中的未燃混合气返回汽缸，并随排气一起排出，虽然缝隙容积小，但其中气体压力高、温度低，所以密度大，HC的浓度极高。♦壁面淬熄效应及缝隙效应产生的HC可占排气中的HC的30%～50%。（3）壁面油膜和积碳的吸附：在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进排气门上的多孔性积碳，会吸附未燃混合气及燃料蒸气，而在膨胀和排气过程中逐步脱附释放出来，这些HC少部分被氧化，大部分随已燃气体排除汽缸。这部分HC占排气中HC的35%～50%。若清除积碳，HC可降低20%～30%。一、有害排放物种类♦原因：曲轴箱窜气和