bx发动机原理排放

汽车发动机原理排气污染与控制8.1有害排放物的生成机理与影响因素8.1.1有害排放物的种类与危害法规限制成份：CO、HC、NOx、PM其他有害成份：SOx、铅化合物、醛类、苯类、丁二烯、柴油机排气臭味光化学烟雾是一种淡蓝色的烟雾，汽车尾气和工厂废气里含大量氮氧化物和碳氢化合物，这些气体在阳光和紫外线作用下，会发生光热化学反应，光化学烟雾由此而生。它的主要成分是一系列氧化剂，如臭氧、醛类、酮等，它的毒性很大，对人体有强烈的刺激作用，严重时会使人出现呼吸困难，视力衰退，手足抽搐等症。在上世纪世界环境污染八大公害事件中，光化学烟雾事件便占了5起。1955年，洛杉矶发生的高浓度光化学烟雾导致了两天内400多名65岁以上老人的死亡。8.1.2评定指标和单位分类定义单位备注浓度排放量体积分数质量浓度10－6、10－9mg/m3仪表给值环境监测质量排放量单位时间质量排放量单位测试循环质量排放量g/hg/测试循环循环工况测试比排放量单位功率单位时间排放量单位运转里程质量排放量g/(kW.h)g/km发动机测试整车工况测试8.1.3有害排放物的生成机理1）ThermalNO2）PromptNO3）FuelNONOx生成途径1、NOx生成1）ThermalNOExtendedZeldovichReaction(1946~1973)(O22O)O＋N2NO+N△H＝75Kcal·mol－1(1)N＋O2NO+O△H＝－31.4Kcal·mol－1(2)N＋OHNO+H△H＝40.8Kcal·mol－1(3)生成条件：T1800K（1、3式均为强烈的吸热反应）φa1.0已燃气体（火焰前锋面后）2）PromptNOFenimore.CP，1971年（CnH2nCH、CH2）CH＋N2HCN+N△H＝3.3Kcal·mol－1(4)CH2＋N2HCN+NH•由HCNCNNO•由N经式（2）、（3）NO•由NHNNO生成条件：相对低温φa1.0（还原气氛）燃烧中的气体（火焰前锋面上）*并不需要很高的温度（活化能），中间生成物HCN是关键3）FuelNO燃料中的氮化合物HCN、CN、NH2、NHNO生成条件：可以小于1800Kφa影响不明确影响NOx生成的三要素温度——T↑，则NO平衡浓度↑，NO生成速率↑，↑（其中，生成速率影响最大）氧浓度——温度一定时，氧浓度↑，则NO↑反应时间——相对CO、H2O等，NO反应较慢，因此在实际发动机燃烧结束时尚达不到平衡浓度,故即使在高温下,若反应停留时间短,NO生成的量受限冻结：导致在化学平衡浓度和实际浓度之间出现差别，保持较高浓度排出2、CO不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响不完全燃烧——φa1时：例如：起动、怠速、加速、功率混合气φa1时：局部缺氧热离解——CO2CO排气中生成——HC在排气中进一步氧化时生成CO3、未燃HC（THC）（1）HC在汽油机中的生成机理不完全燃烧——φa1，例如：怠速、高负荷、加速φa1，混合不均、减速、失火、循环波动壁面淬熄效应——低温、弱流动和弱湍流导致淬熄层（Quenchinglayer），窄缝处面容比大，火焰无法传入，也称缝隙效应油膜和积碳吸附——混合气形成过程中，吸附HC燃烧过程中，Unburnt，排气过程中，脱附释放GapsDepositsOilfilmQuenchingatWall•燃烧室内缝隙的组成•活塞顶环岸缝隙中烃的排出过程混合不均匀过浓或过稀（2）HC在柴油机中的生成机理HC在柴油机中的生成机理喷油器压力室容积燃油滞留于压力室受热膨胀或汽化后低速进入燃烧室难以混合燃烧二次喷油或后滴4.微粒的生成燃烧系统中炭烟粒子的形成过程燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭为主的直径2nm左右的炭烟核心PM高度显微图例8.1.4有害排放物生成的影响因素（1）汽油机1、φa的影响CO：φa↑，CO↓（单调）；φa1，逐渐达最低值HC：φa↑，HC↓；φa过大，HC回升（过稀）NO：φa1时，还原气氛，NO↓；φa＝1.1左右，高温富氧同时具备，NO峰值；Φa1.1后，氧化气氛，但温度下降，NO↓•点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响•气缸内燃烧压力与点火时刻的关系2、点火提前角的影响3、工况影响排气成分怠速加速定速减速HC800×10－6540×10－6485×10－65000×10－6NOx23×10－61543×10－61270×10－66×10－6CO4.9%1.8%1.7%3.4%CO210.2%12.1%12.4%6.0%汽油机在不同工况下排气成分的体积分数4废气再循环废气再循环系统工作原理原理和作用：一部分排气经EGR阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制NOx的生成。•EGR降低NOx的效果影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制•柴油机有害排放物生成特点•未燃HC1;3、4•CO1、2界面；3、4•Nox2、3•炭烟3、4•醛类11—稀燃火焰熄灭区2—稀燃火焰区3—油束心部4—油束尾部和后喷部（2）柴油机NO：与汽油机相似，但注意区间碳烟：与汽油机CO相似，但向稀区平移CO：与汽油机CO相似，过稀时回升HC：φa2后，过稀和低温使HC↑注意：CO、HC远低于汽油机，一般不超标（注意φa范围！与汽油机比较）影响因素1.混合气成分2.喷油时刻3.燃烧室类型混合气成分与柴油机排放的关系喷油定时对排放的影响3.燃烧室排放比较•分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和炭烟的排放浓度均低于直喷式，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50％左右•原因是，这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。在喷油开始和燃烧初期，副燃烧室的空燃比较小，氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的CO及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成NOx仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的CO及HC进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，温度有所下降，抑制了NOx的生成8.3排放污染物的机内净化技术降低排气污染技术分类机内净化（燃烧）机外净化（后处理）清洁燃料（燃料）柴油机汽油机柴油机汽油机气体燃料：CNG、LNGLPG馏分轻，降低排烟液体含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、甲酯（植物油酯化）非排气污染控制技术燃油系统蒸发曲轴箱窜气1．废气再循环废气再循环系统工作原理原理和作用：一部分排气经EGR阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制NOx的生成。汽油机机内净化技术•图10.12EGR降低NOx的效果2.改进发动机设计•燃烧系统•进气系统•活塞组设计•分层稀薄燃烧火花塞位置对油耗和HC排放物的影响1—火花塞在燃烧室侧面2—火花塞在燃烧室中心3.电子控制燃油喷射系统(EFI)4.提高燃油品质5.推迟点火提前6.提高点火能量柴油机机内净化技术•1.增压中冷技术——最现实的办法是增加空气量•2.改进进气系统1)进气组织2)多气门图10.24缸内的各种有组织气流(a)切向进气道及其产生的旋流(b)螺旋进气道及其产生的旋流(c)纵向滚流(d)压缩时的挤流(e)膨胀时的逆流•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，增加喷孔数目4)减小喷嘴压力室容积5)高压共轨电控燃油喷射•三种燃油系统的喷油压力对烟度及性能的影响•试验条件：转速1000r/min，＝17，NOx1200×10－6•4.改进燃烧系统•1)燃烧室容积比——燃烧室容积对气缸余隙容积之比•2)燃烧室口径比——口径比dk/D小的深燃烧室可在室中产生较强的涡流•3)燃烧室形状——缩口燃烧室已经取代应用最广直边不缩口的ω形燃烧室•4)适当提高压缩比•图10.27挤流口型与标准型燃烧室的排放特性┄┄不缩口ω型──缩口ω型三种燃烧室的烟度及燃油消耗率1-ω形燃烧室2-四角型燃烧室3-微涡流燃烧室•5.降低机油消耗•6.废气再循环•7.提高燃油品质排气污染的机外净化技术三效催化转化器的净化效果排放控制技术的一次革命——三效催化剂催化转化器的冷起动HC排放70～80％的HC排放是在催化器起燃之前产生，因此降低冷起动HC排放是满足更加严格排放法规的关键。措施：降低T50、τ50三效催化转化器结构载体—氧化铝球、陶瓷蜂窝载体和金属载体3种。孔密度=200-600（孔/in2）壁厚=0.15~0.10mm（陶瓷）●氧化型催化剂、还原型催化剂、三效催化剂和稀燃催化剂。●氧化型催化剂（OC，OxidationCatalyst）2CO+O2—2CO2（1-1）4HC＋5O2—4CO2+2H2O（1-2）2H2+O2—2H2O（1-3）汽油车催化剂工作原理●三效催化剂（TWC，ThreeWayCatalyst）2CO+2NO—2CO2+N2（1-4）4HC+10NO—4CO2＋2H2O＋5N2（1-5）2H2+2NO—2H2O+N2（1-6）1.转化效率2.空燃比特性（Sweep）3.起燃特性（Lightoff）起燃温度特性（Light-offTemperature)－T50T起燃时间特性（Light-offTime)－τ50TWC性能催化转化器的冷起动HC排放70～80％的HC排放是在催化器起燃之前产生，因此降低冷起动HC排放是满足更加严格排放法规的关键。措施：降低T50、τ50例－ZLEV排放控制系统在传统汽油机上可以实现“近零”排放，满足未来十年的排放要求本田1998年多级催化剂吸附＋预热＋…….10万英里老化后，排放仅有加州超低排放法规（ULEV）限值得1/10，在市区行驶时的NMHC排放低于周围大气中的浓度。相当于考虑发电厂排污在内的电动车排放水平。(暖机后1ppmHC,而环境3～4ppm,自动车技术，2003，9，村中)在传统汽油机上可以实现“近零”排放，满足未来十年的排放要求4.空速特性（SV）SV＝5.耐久性6.流阻特性TWC性能小时排气量（m3/h）催化剂容积（m3）（h－1）SV越大，反应气体在Cat.中的停留时间越短。柴油机机外净化技术•1.氧化催化转化器•2.微粒捕集器•3.柴油机Nox还原催化剂柴油机氧化催化剂使用效果微粒捕集器的过滤材料(a)陶瓷蜂窝载体(b)陶瓷纤维编织物(c)金属线纤维编织物2.曲轴箱强制通风系统•曲轴箱强制通风系统(PCV，positivecrankcaseventilationsystem)3.燃油蒸发控制系统图10.20燃油蒸发控制系统1—空气滤清器2—控制器3—储气罐4—油箱5—炭罐6—进气管8.5排放法规及其测试方法1、排放法规体系排放法规排放限值检测方法整车排放限值发动机排放限值怠速法（自由加速烟度）循环工况法2、检测方法•怠速法（自由加速烟度）：环保检测、汽车修理•工况法轻型车（总重3.5T）——整车测试（转鼓）重型车（总重3.5T）——发动机测试（台架）1、排气污染与排放法规的历史1943年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（photo-chemicalsmog）1952年：加州工大A.H.Smit博士提出Smog生成机理HC＋NO2→→O3＋PAN（过氧酰基硝酸盐）1966年：加州实施世界上第一个“汽车排放法规”（7工况）1968年：日本实施“大气污染防止法”（怠速测CO）1970年：欧洲开始实施排放法规（怠速测CO、HC）1984年：中国实施排放法规（汽油车怠速、柴油车自由加速烟度）1999年：北京实施欧Ⅰ法规2000年：全国实施欧Ⅰ法规2006年：全国全面实施欧Ⅱ法规（禁止生产和销售国Ⅰ排放轻型车）2007年：北京、上海、广州开始实行欧Ⅲ法规怠速法分为单怠速法和双怠速法。怠速法对于发现化油器轿车中的高排放车非常有效，对于装备电子燃油喷射系统和三元催化转化器的轿车则效率明显降低。我国装用