发动机原理之有害排放物的生成与控制

汽车发动机原理AutomotiveEngineFundamentals有害排放物的生成与控制9.1有害排放物的生成机理9.7非排放污染物控制技术9.2排放法规及测试方法9.6柴油机排放后处理技术9.3汽油机的机内净化技术9.5汽油机排放后处理技术9.4柴油机的机内净化技术有害排放物的生成与平控制9.1有害排放物的生成机理9.1.1有害排放物的种类及危害●内燃机在燃烧过程中产生的有害成分主要为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、硫氧化合物（SOx）、铅化合物和微粒等称为排气污染物或排放物。●因曲轴箱窜气和燃油系统油气挥发等原因排向大气的有害成分称为非排气污染物。有害排放物包括排气污染物和非排气污染物。目前排放法规限制的是CO、NOx、HC和微粒四种。9.1有害排放物的生成机理9.1.1有害排放物的种类及危害1.一氧化碳（CO）●成分：CO是一种无色、无臭、窒息性很强的气体。●危害：CO与血液中作为输氧载体的血红素蛋白（Hb）的亲和力比O2高200~300倍很容易结合成碳氧血红丝蛋白（CO-Hb），使血液的输氧能力大大降低，导致心脏、大脑等重要器官严重缺氧。轻度CO中毒时，会出现头晕、头痛、呼吸障碍等症状，中枢神经系统将受到损害；严重CO中毒时，会出现恶心、心痛、昏迷等症状、甚至死亡。大气中的CO浓度超过0.3%时，30min之内可致人死亡。9.1有害排放物的生成机理9.1.1有害排放物的种类及危害2.氮氧化物（NOx）●成分：内燃机排放物的当氧化物包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NOx）和一氧化二氮（氧化亚氮N2O），总称NOx.。●危害：Nox在大气中反应生成硝酸，称为酸雨的主要成分之一，同时是光化学烟雾的主要成分。9.1有害排放物的生成机理9.1.1有害排放物的种类及危害3.碳氢化合物（HC）●成分：HC包括未然和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，如苯、醛、酮、烯烃、多环芳烃（PHA）等200多种成分。●危害：饱和烃对人体危害不大。烯烃又麻醉作用，对粘膜又刺激，经代谢转换会成对基因有毒的环氧衍生物，也是形成光化学烟雾的重要物质。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳烃（PAH）及其衍生物（如苯并芘等）有强烈的致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害作用。9.1有害排放物的生成机理9.1.1有害排放物的种类及危害4.光化学烟雾●成因：Nox和HC在强烈阳光照射下经过一些列链式光化学反应，会生成臭氧（O3）和过氧乙酰硝酸盐（PAN），即生成二次污染物的光化学烟雾。这一反应在温度高、日照强烈、湿度较低、风速不大的天气最为剧烈。●危害：这种氧化性很强的烟雾，使人感到眼睛刺痛，呼吸道感到强烈刺激，头晕呕吐。光化学烟雾中的O3是强氧化剂，能使植物变黑直至枯死，有特殊的臭味，暴露在0.000001的条件下1h会引起气喘和慢性中毒，暴露在0.00005的条件下能致人死亡。9.1有害排放物的生成机理9.1.1有害排放物的种类及危害5.微粒及碳烟●成分：内燃机排气微粒（particulatemater，PM）的主要成分是碳、有机物质和硫酸盐，也称颗粒物。●危害：微粒对人体健康有危害，并降低大气能见度，给人以不快感。小于10μm的微粒易被人体吸入，称为可吸入颗粒物；小于2.5μm的微粒对人体和大气环境的危害最大，它悬浮于里地面1~2m的空气中，最容易被人体吸入并积存在支气管和肺部。微粒除对呼吸系统有害，引发哮喘等病症外，还因含有苯并芘等多种PAH，具有不容程度的致癌作用。9.1有害排放物的生成机理9.1.1有害排放物的种类及危害6.硫氧化物（SOx）●成分：内燃机排放的硫氧化物主要是SO2,也有少量的SO3，总称SOx。●危害：Sox直接对人体有毒害作用，排放到大气中的Sox出了是形成酸雨的主要成分外，还会有50%变成硫酸盐，形成二次微粒。9.1有害排放物的生成机理9.1.2有害排放物的评价指标1.浓度排放量●发动机的浓度排放量是指排放物在总排气量中所占的比例。●对固态排放物如柴油机颗粒物等，常用质量浓度表示，单位为mg/m³或μg/m³。2.质量排放量●排放物在单位时间内排出的质量，称为排放物质量流量。●通常用g/h表示。3.比排放量●发动机每单位功排出的排放物质量。单位为g/(kW•h)。4.排放率●燃烧单位质量的燃料所排出的排放物质量，也称为排放指数。●常用g/kg表示。9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理1.氮氧化物（NOx）发动机燃烧过程中主要生成NO，另外有少量的NO2。。NO2。的生成量随过量空气系数øa而变，汽油机的øa较小，一般NO2占NOx的1%~10%；而柴油机由于øa较大，一般为5%~15%。燃烧过程中产生的NO经排气管排至大气中，在大气条件下缓慢地与O2反应，最终生成NO2。关于NO的生成途径有三种：高温NO、激发NO和燃料NO。△9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理1）高温NO（thermalNO）特点：高温富氧N2+O→N+NO，△H=75kcal/mol（控制反应）N+O2→O+NO，△H=-31.4kcal/molN+OH→H+NO，△H=40.8kcal/mol2）激发NO（promptNO）CH+N2→HCN+NCH2+N2→HCN+NH3）燃料NO（fuelNO）燃料中所含氮化合物在燃烧中会生成NO。燃料中的氮化合物在高温下首先生成HCN、CN、NH2和NH等中间产物，然后通过上述激发NO相似的途径生成NO。4）实际发动机中的NO来源与生成条件综上所述，在NO的三个生成途径中，由于内燃机很少用过浓混合气工作，以及用燃料的含氮率极低，因而可以暂不考虑激发NO和燃料NO，高温NO是内燃机和车用发动机NO的排放的主要来源。根据高温NO反应机理，产生NO的条件是温度、氧浓度和反应时间，称其为NO生成三要素。9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理2.一氧化碳（CO）生成机理：1）局部燃烧不完全；2）已成为完全燃烧产物的CO2在高温时产生热离解反应，生成CO；3）未燃碳氢化合物在排气过程中进行的不完全氧化反应也会产生少量CO9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理3.碳氢化合物（HC）碳氢化合物也是一种不完全燃烧产物，包含上百种成分，因此也称为总碳氢化合物。1）HC在汽油机中的生成机理①不完全燃烧；②壁面淬熄效应；③壁面油膜和积碳的吸附效应；2）HC在柴油机中的生成机理①混合不均匀；②喷油器压力室容积的影响；③二次喷射或后滴；3）非排气HC的生成机理①曲轴箱窜气；②燃油蒸发。9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理4.微粒及碳烟的生成机理由于汽油机采用预混合燃烧方式，除了因使用高含铅量汽油而引起含铅微粒排放，以及将润滑油混入汽油中进行润滑的二冲程发动机外，一般可以认为汽油机很少产生微粒。而柴油机采用扩散燃烧方式，这就决定了柴油机产生碳烟和微粒是不可避免的。9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理1）柴油机微粒的基本特征①微粒的构成及主要成分柴油机微粒主要由三部分构成，即（干）碳烟、可溶性有机物和硫酸盐。②PM的粒径和排放数量20世纪80年代前的车用柴油机微粒粒径在1~10μm范围内，后来随高压喷射技术的采用和汽油混合过程的改善，粒径已基本在1μm以下。9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理2）碳烟和微粒的生成机理9.1有害排放物的生成机理9.1.3有害排放物的生成机理①碳烟生成阶段：烃类燃料在在高温缺氧条件下裂解生成；3C2H4→C6H6C6H6→PAH→炭黑C2H4→C2H2+H2C2H2→2C+H2②碳烟氧化阶段：前期燃烧已经生成的碳烟，如果在后期遇到足够的氧化分为和高温，也会通过过氧化反应而缩小甚至完全氧化掉。③微粒形成阶段燃烧过程中生成的碳烟在膨胀和排气过程直至排入大气后，随周围气体温度的降低，未燃碳氢化合物、硫酸盐以及水分等在碳烟上吸附凝聚，形成如图的排气微粒PM。9.1有害排放物的生成机理9.1.4有害排放物的生成的影响因素1.过量空气系数∮a的影响1）对汽油机的影响2）对柴油机的影响9.1有害排放物的生成机理9.1.4有害排放物的生成的影响因素2.运转工况的影响发动机在不同工况下运转时，其过量空气系数∮a和燃烧温度不同，因而造成有害排放物的生成量不同。3.发动机类型的影响1）汽油机与柴油机排放特性的对比（图1）2）不同类型柴油机的排放特性对比（图2）9.1有害排放物的生成机理9.1.4有害排放物的生成的影响因素排放成分汽油机柴油机CO0.5%~2.5%＜0.2%HC0.02~0.05＜0.01NOX0.025~0.04＜0.02碳烟/(g/m³)0.005～0.05＜0.25图19.1有害排放物的生成机理9.1.4有害排放物的生成的影响因素图29.2排放法规及测试方法9.2.1排放法规分类1.怠速法与工况法怠速法：测量汽车在怠速工况下排放污染物的一种方法，一般仅测CO和HC，测量仪器采用便携式排放分析仪。这种方法具有简便易行、测试设备价廉以及试验时间短等优点，但测量精度低，测量结果缺乏安全性和代表性。工况法：将若干汽车常用工况和排放污染较重的工况组合成一个或若干个测试循环，试验时测取汽车或发动机在整个测试循环中的比排放量。与怠速法相比，工况法可以全面地反映汽车排放水平，一般用于新车的型式认证和一致性检测。2.世界汽车排放体系目前世界上的汽车排放法规主要有三个体系，即美国、欧洲和日本排放体系。中国和其他大多数国家是参照欧洲排放法规制定并实施的或的排放法规。9.2排放法规及测试方法9.2.1排放法规分类9.2排放法规及测试方法9.2.2轻型车排放法规1.美国世界上最早的工况法排放法规于1966年诞生在美国加利福尼亚州，用7个循环组成一个测试循环，称为加州标准测试循环，并与1968年被美国联邦政府采纳作为联邦排放法规。美国联邦排放法规定义了不同阶段的轻型车标准：第一阶段（Tier）标准从1994年到1997年逐步实施；第二阶段（Tier2）标准从2004年到2009年逐步实施。2.欧盟欧盟由欧洲27个成员国组成，制定统一的汽车排放法规，由各成员国参照执行。欧洲轻型车排放测试循环如图，它由若干等加速、等减速、等速和怠速工况组成。9.2排放法规及测试方法9.2.2轻型车排放法规3.日本日本从1966年开始对汽车排放进行控制，规定汽车尾气中的CO浓度在3%以下，这是世界上第一个国家级排放法规。日本轻型车排放法规采用10-15工况测试，10-15工况循环类似NEDC循环，循环里程4.16km，平均车速22.7km/h，持续时间660秒。4.中国我国于1984年4月1日考试实施汽车排放法规，最初的GB3842~3844-83分别为汽车怠速污染物、柴油车自由加速烟度、汽车柴油机全负荷烟度排放标准，仅规定了单一工况下的排放限制，也未控制NOX排放。9.2排放法规及测试方法9.2.3重型车排放法规1.美国2000年12月21日，美国EPA颁布了2007年及以后的重型柴油机排放标准，排放限值进一步加严，PM为0.01g/bhp-hr，NOX为0.2g/bhp-hr，非甲烷碳氢NMHC排放为0.14g/bhp-hr。2.欧盟从欧Ⅰ到欧Ⅱ标准，重型柴油机排放测试采用由13个工况组成的稳态测试循环（ECER-49）。从欧Ⅲ排放标准开始，这种13工况的测试循环倍欧洲稳态循环（ESC）取代，并增加了负荷响应（ELR）循环，而对带先进后处理装置的柴油机还要增加瞬态循环（ETC）。对欧Ⅳ及其以后的排放标准，柴油机则全部采用ESC、ELR和ETC测试循环。3.日本日本从2005年开始对重型柴油车排放测试采用JE05瞬态循环，而2005年之前是采用稳态的13或6工况法进行测试。4.中国我国1983年颁布了柴油车自由加速烟度排放标准，1993年对该标准进行了一次修订，加严了标准限制。2001年颁布了柴