第5章 发动机排放污染与控制

第5章发动机排放污染与控制5.1大气污染及发动机排放5.1.1大气污染ISO对大气污染的定义：空气污染通常指人类活动及自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，在大气中保留了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。自然过程:森林火灾、岩石风化、火山活动等福利:自然资源、生物、建筑物等。污染物分类一次污染物二次污染物第一类硫化物SO2、H2SSO2、H2SO4、MSO4第二类氧化物CO、CO2O3第三类氮化物NO、NH3NO2、HNO3、MNO3第四类碳氢化合物未然烃、醛醛、酮、过氧酰基硝酸脂（PAN）第五类卤化物HF、HCl无5.1.2发动机排放的污染物及其危害内燃机排放污染物：CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）CO2、CH4PM(碳烟微粒)SOX、醇类、醛类(RCHO)﹑多环芳香烃(PAH)其他未知污染物.CO对人体的毒害COHb/O2Hb症状0.1无症状0.1～0.2头痛、注意力下降、心慌0.2～0.3剧烈头痛、头晕、无力0.3～0.45呕吐、虚脱0.45～0.6昏迷0.6死亡5.1.2发动机排放的污染物及其危害危害：5.1.2发动机排放的污染物及其危害危害：HC:破坏造血机能，引起贫血、神经衰弱，并降低肺对病菌的抵抗能力光化烟雾的主要产生源PAH致癌醛类对眼、呼吸道、血液有毒害5.1.2发动机排放的污染物及其危害危害：NOX:吸入较多的NO会造成中枢神经障碍，破坏造血机能，引起贫血、神经衰弱，并降低肺对病菌的抵抗能力NO2被人体吸收后变为硝酸，硝酸与血红蛋白结合生成变性血红蛋白，对心、肝、肾都有不良影响。浓度在5ppm，能被感知，10～20ppm，有强烈的刺鼻味，50～300ppm，头痛出汗，300～500ppm，气管发炎，大于500ppm，肺浮肿而死亡。参与光化学反应会形成臭氧、醛和PAN。5.1.2发动机排放的污染物及其危害危害：微粒:危害与粒径大小有关大气中小于5～10μm微粒可直接深入呼吸道及肺叶组织并在其中沉积，造成机械性超负荷，从而引起肺部组织病变。发动机排出微粒粒径一般都在1μm以下，汽油机排除的微粒粒径一般在0.02μm左右；柴油机排除微粒粒径一般在0.1μm左右。这些微粒都处于在大气中能长期悬浮的范围内，在其表面上通常还附有多种有机物质，其中包含PAH,具有不同程度的诱变和致癌作用，因而对人体有直接威胁。。5.1.2发动机排放的污染物及其危害危害：其他排放物二氧化碳：温室效应醛类(RCHO)：排气产生臭味、具有刺激性，长时间受浓度较大甲醛影响，眼睛、上呼吸道和中枢神经会受到危害。SO2：具有刺激性，浓度达到8ppm时，刺激鼻喉，引起咳嗽。若浓度进一步增大，引起呼吸困难，形成支气管炎、哮喘，甚至肺肿，直至死亡。SO2变成硫酸烟雾后，对人和环境有极大危害含铅微粒，对血液、骨骼和神经细胞有损害作用，对生长发育的儿童影响尤其严重。不同金属对人类的损伤是不一样的，5.1.3发动机的排放指标排放物浓度C质量排放量G排放物的比排放量g及排放率gT浓度指数Kp定额容积和比定额容积行驶里程排放量Qv5.1.4主要有害物的物理化学变化CO的化学变化2222COOCO2221COOOCOHCHHOC2423HCOOHOC25.1.4主要有害物的物理化学变化NOx的化学变化自由基如OH、HO2等也能使NO转化为NO2：NO2经若干反应生成硝酸硝酸与氨作用生成硝酸氨223ONOONOHCOCOOH2HCOCOOH2OHNONOHO2232HNONOOH2332ONOONO5223ONNONO32522HNOOHON3433NONHNHHNO5.1.4主要有害物的物理化学变化SO2的化学变化太阳光照射下，吸收波长200～400nm的紫外线光能hr，发生光氧化作用而产生SO3，然后与水蒸汽化合形成硫酸32222SOhrOSO4223SOHOHSO5.1.4主要有害物的物理化学变化温室效应温室效应：通过吸收地球反射的一部分红外线能量，再发射到地面的这些气体，使地球表面变暖。CO2可以吸收波长为15微米左右的红外线，故CO2也称为温室气体。。5.1.4主要有害物的物理化学变化光化学烟雾生成HC和氮氧化合物，在阳光作用下，经一系列化学反应，生成以臭氧、醛、过氧酰基硝酸脂为主的光化烟雾，烟雾是浅蓝色的刺激性烟雾。光化学烟雾生成的基本原理5.1.5发动机排气净化技术的发展从研究污染物的现象到研究生成机理从调整部分参数到发动机性能的全面优化从稳态常用工况控制到全工况范围的微机控制从常规燃料的排放研究到燃用代用燃料的排放研究从预测排放的简单模型到更为全面准确的预测模型的研究第5章发动机排放污染与控制5.2污染物生成机理及影响因素5.2.1CO生成机理理论上，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（冻结温度1100K）。3）燃烧过程时间短，达不到化学平衡状态。因此CO的排放是不可避免的。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。汽油机CO排放特点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。怠速运转废气稀释大，CO排放量大。起动暖机、急加速和急减速时CO排放较多。多缸机中各缸间燃比的变动使CO排放量增加。（各缸单独匹配）三、柴油机的CO排放柴油机CO排放分析柴油机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。一、汽油机HC排放的来源HCSources1)排气—55～65%（机内排放）2)曲轴箱—20～25%3)燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发—15～20%1.HC排放的来源5.2.2未然烃生成机理2.UHC排放的生成机理1）冷激效应影响2）润滑油膜的吸附和解吸3）燃烧室表面沉积物4）体积淬熄5）碳氢化合物后期氧化3.UHC排放的特点1.未燃HC排放的来源1）完全由缸内燃烧过程产生。2）没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。二、压燃式发动机HC的排放2.生成机理和影响因素1）混合气不均匀。2）喷油器嘴部的压力室容积。3）冷起动。4）气缸壁温度影响HC排放，因为壁面激冷使HC排放增加。一、NO生成途径Mechanism1）高温途径：空气中的氮分子在高温下氧化生成NO，通常发生在已燃高温区，称热力型NO（ThermalNO）。2）瞬发途径：在火焰面或火焰面附件生成NO，称瞬发型NO（PromptNO）。3）燃料途径：燃料中的氮元素燃烧直接转化为NO排放,（FuelNO）。4)N2Omechanism低温N2O机理。5.2.3氮氧化合物的生成机理O2=2OO+N2=NO+NN+O2=NO+ON+OH=NO+H(Lavoie)ExtendedZeldovitchMechanismZeldovitch热力型NO生成机理ThermalNO与NO生成密切相关的因素：1）燃烧温度2）氧气浓度3)高温时间二、汽油机NOX排放的影响因素1.过量空气系数AirExcessiveRatio2.点火正时IgnitionTiming0.5c3.EGRRatio4.负荷EngineLoad三、柴油机NOX排放的影响因素（自然吸气直喷柴油机，6×102mm×118mm，）16.5c1.负荷与转速EngineLoadandSpeed2.喷油定时InjectionTiming3.EGRRatioEGR率NOxppm5.2.4碳烟粒子生成机理燃料热裂解氧化裂解成核表面增长凝聚氧化集聚碳烟排放燃烧系统中碳烟粒子的生成过程裂解:生成碳烟前，燃料分子大量分解及反应物原子重新排列。热裂解反应按自由基链反应机理进行，少量O、OH自由基或O2通过支链反应加速裂解。预混火焰预热区，温度较高，并有较大温度氧，燃料在那儿很快就氧化裂解为乙炔。乙炔是中间产物。扩散火焰中，燃料，特别是芳香族燃料，裂解产物有所变化。大于1800K时，裂解产物为乙炔，小于1800K时，裂解为联二苯。说明燃料结构对碳烟生成影响较大。成核:碳烟粒子胚芽的物质，其成长应比分解或氧化反应快。具有足够稳定性以抵御高温下分解，同时又应具有足够化学活性，以便能以一定速率与其它基因和离子快速反应。具备上述要求胚芽物质具有极性共轭结构。共轭结构物质的共轭稳定性能抗御高温分解，而其极性特征又能使其与其它基团和离子快速反应。裂解反应生成乙炔不具有共轭结构，稳定性来自化学键能。某些反应生成丁二烯、乙烯基乙炔、联乙炔等极性共轭物。非共轭脂肪族燃料经热裂解或氧化裂解生成乙炔，如这时有大量O或OH自由基存在，大部分乙炔可氧化为活性产物。剩下乙炔通过反应生成丁二烯、乙烯基乙炔、联乙炔等极性共轭脂肪族化合物，这些正是碳烟粒子核心先兆物。碳烟先兆物在高温下，环化、脱氢、聚合，最后成为多环结构碳烟核心。芳香族燃料通过环断裂生成乙炔，或在较低温度下形成苯基，苯基与乙炔或乙烯基乙炔反应，易生成碳烟核心。因此燃料中芳香族成分含量高，燃烧时碳烟生成量明显增加。表面增长和凝聚:碳烟粒子通过与气相物质做表面反应使粒子质量增加的过程称为表面增长。凝聚是指两个小的球状碳烟粒子经碰撞形成一个大的球状碳烟粒子的过程。球状形成的原因有三种观点。观点一：初期碳烟粒子由于氢成分多而粘性较低，类似于半流体，因而粒子相撞后能融合一体并通过变成球形使表面能最低；观点二：碳烟形成初期，粒子直径小，相撞时原子力会起作用，造成能量的重新调整，使粒子形状趋于球形；观点三：碰撞发生在表面高速度增长的较小粒子之间，因此，粘合在一起的颗粒尽管当时未马上形成球形，也会很快的因表面增长重新获得原有个的球体形状。集聚:凝聚使碳烟核心的数密度下降，当碳烟核心数下降到一个程度后，随着基本碳烟粒子的形成，球形粒子相互碰撞将不再融合成球形，而是粘结为链状，这称之为集聚。柴油机燃烧进行到膨胀冲程时，随缸内温度下降，低分子量未完全燃烧碳氢化合物会凝结在碳烟微粒粒子上。碳烟氧化:碳烟生成开始，伴随着成核先兆物、碳烟核心、碳烟粒子的氧化反应。扩散火焰碳烟生成区，碳烟生成率相当高，而氧化剂缺乏，碳烟氧化率相对于生成率很小。随着碳烟粒子向空气区扩散，碳烟粒子的数密度基本上不再增加，且粒子尺寸和增长也渐渐由表面增长转为凝聚或集聚。这时，碳烟的质量生成率已降得很低，氧化剂却很充足，碳烟氧化的作用突出了。汽油机缸内混合比处于理论混合比附近，因而碳烟排放很少。混合气过浓时，虽然排烟量有所增加，但在一般工况下，也只有柴油机的几十分之一。汽油机排烟粒子主要是由于抗爆添加剂四基乙铅造成的，在燃烧过程中，抗爆添加剂生成的含铅化合物往往沉积在燃烧室壁上，然后在发动机高速运转下，这些沉积的碎片被卷起，破碎成小的颗粒随废气排出。碳烟的生长过程ParticleGrowth碳烟颗粒的分布特性PMDistribution第5章发动机排放污染与控制5.3污染物排放控制5.3.1排放特性1.点燃式发动机1)稳态排放特性一台2L排量4气门车用汽油机的排放特性a)CO排放特性b）HC排放特性c）NOx排放特性第5章发动机排放污染与控制5.3.1排放特性1.点燃式发动机2)瞬态排放特性冷起动暖机过程加速减速2.压燃时发动机1)稳定运转状态一台1.9L排量2气门涡轮增压中冷直喷式车用柴油机的排放特性a)CO排放率b）HC排放率c）NOx排放率d)滤纸烟度第5章发动机排放污染与控制5.3.2排放控制1.点燃式发动机1)曲轴箱排放物控制曲轴箱强制通风计量阀（PCV）阀a)进气管真空度大时b）进气管真空度小时1-阀座；2-回位弹