第六章內(nèi)燃機污染物的生成與控制§6.1內(nèi)燃機的排放概述§6.2污染物生成機理和影響因素§6.3內(nèi)燃機的排放控制§6.4內(nèi)燃機的排氣后處理§6.5排放法規(guī)簡介§6.6OBD簡介ENGINEEMISSIONSANDTHEIRCONTROL主要學(xué)習(xí)內(nèi)容2第一節(jié)內(nèi)燃機的排氣污染物

ENGINEOUTPOLLUTANTS內(nèi)燃機的排氣污染物內(nèi)燃機的排放對大氣的污染內(nèi)燃機的排放對人類的危害主要學(xué)習(xí)內(nèi)容3宣言

DECLARATION

Everyanimalisnaturallymadefortheuseofpure,naturalandfreeair.

ByJohnArbuthnotaScottishdoctor,1742.4空氣污染

AirPollutionAirPollutionoccurswhenthepresenceofaforeignsubstanceoralargevariationintheproportionofitscomponents

isliabletocauseaharmfuleffect,accordingtothescientificknowledgeofthetime,ortocreateadiscomfort.thecouncilofEuropeSept.14,19675CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）CO2、CH4PMSOX、醇類、醛類(RCHO)﹑3,4－苯并芘其他未知污染物，e.g.odor,etal.

內(nèi)燃機排氣污染物ENGINEEMISSIONS一、內(nèi)燃機排氣中的污染物POLLUTANTS6

SIengine

NOx500~2000ppm20g/kgfuelCO1%~2%200g/kgfuelHC3000ppm25g/kgfuelCIengine

NOx500~2000ppm20g/kgfuelCO+HC(1/5)80g/kgfuelPM(0.2~0.5)%2~5g/kgfuel7光化學(xué)煙霧photochemicalsmog空氣能見度visibility&haze溫室效應(yīng)greenhouseeffect酸雨acidrain地表水酸化wateracidification

……二、內(nèi)燃機排放物的危害COHC1.排放物的毒性2.排放物的二次污染NOxPM8內(nèi)燃機的排放對大氣的污染AIRPOLLUTION一、我國內(nèi)燃機和汽車工業(yè)的發(fā)展2009年起，我國汽車產(chǎn)量蟬聯(lián)全球第一

；機動車保有量：2.8億；內(nèi)燃機產(chǎn)量：8000萬臺/年（保有量？）。9二、汽車的石油消耗量

汽柴油消費量汽油0.8億噸柴油1.2億噸潤滑油400萬噸交通石油消費超過50%，基本相當(dāng)于石油進口量。10三、汽車的排放分擔(dān)率量2014年，全國機動車排放污染物4547.3萬噸，汽車是污染物總量的主要貢獻者。NOx和PM超過90%；HC和CO超過80%；柴油車NOx接近汽車排放總量的70%，PM超過90%；汽油車CO和HC排放量超過排放總量的70%?！?015年中國機動車污染防治年報》11第二節(jié)內(nèi)燃機的排放機理MECHANISMOFENGINEEMISSIONCO生成機理和排放特點HC生成機理和排放特點NOx生成機理和排放特點PM生成機理和排放特點主要學(xué)習(xí)內(nèi)容12CO生成機理和排放特點一、CO生成機理

COMechanismHC的氧化過程：

R-H

R-

R-O2

RCHO

RCO

CO+R-

CO+OHCO2+H因此，CO是烴燃料燃燒的中間產(chǎn)物。13實際的燃燒過程在于：

1）燃料濃度分布不均勻。

2）溫度分布不均勻。

3）燃燒過程時間短，達不到化學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)著的氣體突然缺乏氧化劑、溫度過低或反應(yīng)時間過短時，CO就以中間產(chǎn)物的形式生成了。因此CO的排放是不可避免的。一、CO生成機理

COMechanism14二、點燃式內(nèi)燃機CO排放

ObservationofCOEmission15

汽油機CO排放特點由于要控制空燃比在化學(xué)計量比附近，CO排放濃度較高。16全負荷混合氣加濃，CO排放增加。怠速運轉(zhuǎn)，廢氣多，加濃混合氣，CO排放量大。起動暖機時CO排放較多。多缸機中各缸間空燃比的變動使CO排放量增加。（各缸單獨匹配）汽油機CO排放特點汽油機混合氣（局部）過濃，導(dǎo)致CO高排放。混合氣過稀，燃燒不穩(wěn)定，不在使用范圍。17三、柴油機的CO排放

18柴油機CO排放分析19

柴油機CO排放特點

柴油機的CO排放總體比較低。燃燒接近或超過冒煙極限后，由于燃燒過程局部混合氣過濃，缺氧造成CO排放迅速增加。柴油機小負荷時，稀混合氣區(qū)體積增加，燃氣溫度降低，CO排放略微增加。

20HC生成機理和排放特點HCMechanism

一、汽油機HC排放的來源HCSources1)排氣—55～65%（機內(nèi)排放）2)曲軸箱—20～25%3)燃油箱、燃油管接頭蒸發(fā)—15～20%

∟加油排放1.HC排放的來源212.汽油機排氣UHC排放的生成機理

1）壁面淬熄WallQuenching2）狹隙效應(yīng)CreviceMechanism3）潤滑油膜的吸附和解吸

OilFilmAbsorptionandDesorption4）燃燒室表面沉積物

DepositAbsorptionandDesorption5）大容積熄火B(yǎng)ulkGasIncompleteCombustion(如高EGR/殘余廢氣比，分層燃燒)223.UHC排放的特點1）發(fā)動機缺火也會造成高HC-可靠點火2）有氧，且在600℃滯留50ms以上，可使氣相HC氧化-高的排溫和長的滯留時間有利于HC后氧化。23

1.未燃HC排放的來源

1）完全由缸內(nèi)燃燒過程產(chǎn)生。

2）沒有曲軸箱排放物和蒸發(fā)排放物。

二、壓燃式發(fā)動機HC的排放

CIEngineHCEmission242.生成機理和影響因素

1）混合氣不均勻。

2）噴油器嘴部的壓力室容積。

3）冷起動。

4）氣缸壁溫度影響HC排放，因為壁面激冷使HC

排放增加。25一、NO生成途徑MechanismNOX生成機理和影響因素NOxMechanism1）高溫途徑：空氣中的氮分子在高溫下氧化生成NO，通常發(fā)生在已燃高溫區(qū)，稱熱力型NO（ThermalNO）。2）瞬發(fā)途徑：在火焰面或火焰面附件生成NO，稱瞬發(fā)型NO（PromptNO）。3）燃料途徑：燃料中的氮元素燃燒直接轉(zhuǎn)化為NO排放,（FuelNO）。4)N2Omechanism低溫N2O機理。26O2=2OO+N2=NO+NN+O2=NO+ON+OH=NO+H(Lavoie)

ExtendedZeldovitchMechanismZeldovitch熱力型NO生成機理ThermalNO27與NO生成密切相關(guān)的因素：

1）燃燒溫度

2）氧氣濃度

3)高溫時間

28二、汽油機NOX排放的影響因素

1.過量空氣系數(shù)AirExcessiveRatio影響因素分析：燃燒溫度和氧含量29

2.點火正時IgnitionTiming影響因素分析：燃燒溫度303.EGRRatio

影響因素分析：氧含量和燃燒溫度31

三、柴油機NOX排放的影響因素

（自然吸氣直噴柴油機，6×102mm×118mm，）1.負荷與轉(zhuǎn)速EngineLoadandSpeed322.噴油定時InjectionTiming

33

3.EGRRatio

EGR率NOxppm34

微粒生成機理和影響因素PMMechanism乘用車的微粒排放水平4.5[mg/km]6×1011[#/km]351.汽油機的微粒排放

一、內(nèi)燃機的微粒排放ParticulateMatter362.柴油機的微粒排放不同工況，成分變化很大。均勻混合氣試驗結(jié)果二、碳煙生成機理Mechanism

1.碳煙的生成

高溫缺氧382.碳煙的微觀結(jié)構(gòu)PMnanostructure

500℃，30分鐘后393.碳煙的生長過程ParticleGrowth高溫缺氧條件熱裂解不飽和烴，如乙烯，乙炔等2nm左右的碳煙晶核20-30nm碳煙基元鏈狀或團絮狀聚合物脫H，聚合凝聚，碰撞聚合碰撞聚合404.柴油機碳煙顆粒的分布特性415.碳煙的排放特性PMEmissionCharacteristics42第三節(jié)內(nèi)燃機的排放控制

ENGINEEMISSIONCONTROL點燃式內(nèi)燃機的排放控制壓燃式內(nèi)燃機的排放控制主要學(xué)習(xí)內(nèi)容43一、曲軸箱通風(fēng)（blow-bygasrecycling）

1.PCV曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)

點燃式內(nèi)燃機的排放控制

ControlofSIEngineEmissionsPositiveCrankcaseVentilation442.PCV的工作原理45運轉(zhuǎn)損失熱浸損失晝夜損失加油損失二、燃油蒸發(fā)控制EvaporationControl1.燃油蒸發(fā)損失462.電控蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng)47

三、冷起動和暖機過程的排放控制

1.冷起動和暖機過程的排放ColdStartControl

48催化轉(zhuǎn)化器的工作情況

49

冷起動排放控制策略緊湊耦合催化轉(zhuǎn)化器（CCC）電加熱催化轉(zhuǎn)化器（EHC）

汽油燃燒器（GBC）

預(yù)催化器（CFL）(TWC)電啟動化學(xué)加熱催化器（EHC+GBC）(a)(b)(c)(d)(e)502.怠速排放控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的設(shè)定：提高怠速空燃比控制：精確空燃比標定點火正時控制：如推遲點火，

提高排溫，同時可提高加速性其他控制措施：如滅缸法511）怠速速度對排放的影響CA6102化油器式發(fā)動機點火正時:上止點前7°～8°CA52EQ6100-2型化油器式發(fā)動機，500r/min，點火正時:上止前5°CA

2）怠速空燃比對排放的影響533）點火正時對怠速排放的影響CA6102型化油器式發(fā)動機，轉(zhuǎn)速450r/min544）使用電控系統(tǒng)控制怠速排放

噴射的汽油霧化好，蒸發(fā)快，多點噴射各缸空燃比均勻性好；空燃比控制穩(wěn)定；點火正時控制精確與點火能量提高。55低排放燃燒室低排放燃料供給系統(tǒng)低排點火系統(tǒng)EGR系統(tǒng)四、低排放燃燒系統(tǒng)561.低排放燃燒室1）緊湊燃燒室圓盤形、浴盆形、楔形燃燒室越來越讓位于更加緊湊的半球形、帳篷形燃燒室。緊湊燃燒室快速燃燒，加上優(yōu)化的點火正時和EGR，給出動力性、經(jīng)濟性、NOX排放之間的最佳折衷。2）較大的行程缸徑比S/D

多采用S/D=1.0－1.1的稍長行程結(jié)構(gòu)。3）多氣門結(jié)構(gòu)改善換氣條件，加速燃燒，提高動力性。4）熱控活塞減小頂岸間隙，降低狹縫容積未燃HC排放。57化油器PFIPFI順序噴射GDI噴射系統(tǒng)配合閉環(huán)電控、OBD和三效催化器精確標定，提高開環(huán)工況控制精度2.低排放燃料系統(tǒng)583.低排放點火系統(tǒng)

車用汽油機在部分負荷下，過量空氣系數(shù)對燃油消耗率be和NOx、HC排放的影響優(yōu)化開環(huán)控制MAP

閉環(huán)反饋控制

適當(dāng)提高點火能量，保證可靠點火

595.低排放EGR、VVT系統(tǒng)

（充量系數(shù)0.5，轉(zhuǎn)速1600r/min，MBT）601）暖機過程充量溫度低，NOX排放不高，為防止排氣回流破壞燃燒的穩(wěn)定性，一般在冷卻液溫度低于50℃時不進行EGR；2）怠速和小負荷運轉(zhuǎn)時，NOX排放也不高，一般也不進行EGR；3）NOX排放隨負荷增大而顯著增加，EGR率隨負荷增大而增加；4）接近全負荷時，為使發(fā)動機保持足夠的動力性能，即使NOX排放很高，也不進行EGR；5）各缸的EGR率應(yīng)保持一致。點燃式發(fā)動機EGR系統(tǒng)的控制策略應(yīng)用EGR控制點燃機NOX排放的技術(shù)關(guān)鍵是適當(dāng)控制EGR

率，使之在各種不同工況下得到各種性能的最佳折衷。61壓燃式內(nèi)燃機的排放控制

ControlofCIEngineEmissions一、柴油機的排放特點

CO和HC相對均燃的汽油機來說要少得多。碳煙/微粒排放高。

NOX與汽油機在同一數(shù)量級。

NOx與PM排放存在Trade–off關(guān)系。62燃油與空氣的混合不均勻。

,碳煙大量生成,同時生成大量的CO。

,NOX大量生成。外圍稀混合氣產(chǎn)生HC和CO。二、產(chǎn)生機理

如果后氧化不足，則形成PM、HC和CO排放。63三、低排放設(shè)計1.增壓、中冷

進氣多，空燃比大，PM和NOX排放減少。

渦輪增壓型（TC），滿足歐1標準。增壓中冷型（TCi），滿足歐2標準?？勺儑娮鞙u輪增壓（VNTi），滿足歐3及以上標準

（電控共軌燃油系統(tǒng)）64

增壓中冷對排放的影響1－進氣溫度108℃，排氣煙度1.45FSN，EGR率0.022－進氣溫度76℃，排氣煙度1.04FSN，EGR率0.02651)高壓噴射

改善燃油霧化及其與空氣的混合;

推遲噴油，降低NOX的排放.電控高壓共軌噴油系統(tǒng)（CR）Pinj,max~200MPa

泵―管―嘴式（P－L－N）Pinj,max≤100MPa

泵噴嘴（UI）Pinj,max≤180MPa2.低排放燃油噴射系統(tǒng)662）噴油規(guī)律的優(yōu)化控制

雙彈簧噴油器:初期緩慢、中期急速、后期快斷電控噴射：預(yù)噴射、主噴射、后噴射

67標準壓力室噴嘴小壓力室噴嘴無壓力室噴嘴3）低排放噴油器68

小型高速柴油機燃燒室

高速重載柴油機燃燒室

3.低排放燃燒系統(tǒng)——燃燒室69

3.低排放燃燒系統(tǒng)——進氣流動

可調(diào)進氣渦流。重視擠流和湍流對燃燒的促進作用。

重載柴油機采用低渦流、無渦流設(shè)計。

四氣門技術(shù)，噴油器中央安裝。70重型車用柴油機各種燃燒系統(tǒng)燃料經(jīng)濟性和排放性的比較（6缸，排量10L，每缸4氣門，增壓中冷）方案Ⅰ：縮口深坑燃燒室5孔噴嘴，有進氣渦流方案Ⅱ：縮口深坑燃燒室7孔噴嘴，進氣渦流減半方案Ⅲ：敞口淺平燃燒室8孔噴嘴，進氣渦流減半方案Ⅳ：敞口淺平燃燒室零渦流，713.低排放燃燒系統(tǒng)——排氣再循環(huán)（EGR）

自然吸氣柴油機

增壓柴油機

a)用排氣脈沖閥的EGR系統(tǒng)；b)用進氣節(jié)流閥的EGR系統(tǒng)；c)用文丘里管的EGR系統(tǒng)；d)用EGR泵的EGR系統(tǒng)；e)用VNT渦輪增壓器的EGR系統(tǒng)。1-電控器；2-中冷器；3-柴油機；

4-渦輪增壓器；5-EGR閥；6-排氣脈沖閥；

7-進氣節(jié)流閥；8-文丘里管；9-文丘里管

10-EGR冷卻器；11-帶EGR泵的渦輪增壓器

12-VNT渦輪增壓器；72第四節(jié)內(nèi)燃機的排氣后處理EXHAUSTGASAFTERTREATMENT汽油機排氣三效催化轉(zhuǎn)換柴油機排氣高效后處理主要學(xué)習(xí)內(nèi)容73汽油機排氣三效催化轉(zhuǎn)化器ThreeWayCatalyticConvertor

1.三效催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)74堇青石陶瓷(2Al2O3·2MgO·5SiO2)多孔γ-Al2O3涂層三效催化劑涂敷層

催化劑鉑與鈀氧化CO和HC為無害的H2O和CO2催化劑銠還原NOX為無害的氧和氮75

2.催化轉(zhuǎn)化器的空燃比特性763.催化轉(zhuǎn)化器的起燃特性（Light-off）

77氧化反應(yīng)（HC,COoxidation）

2CO＋O2→2CO22CcHh+(2c+0.5h)O2→2cCO2+hH2O水煤氣反應(yīng)（Watergasshift）

CO＋H2O→CO2+H2

CcHh+cH2O→cCO+(c+0.5h)H22H2＋O2→2H2O4.三效催化氧化－還原反應(yīng)78還原反應(yīng)（NOreduction）

2NO+2CO→2CO2+N22NO+2H2→2H2O+N(2c+0.5h)NO+CcHh→(c+0.25h)N2+0.5hH2O+cCO2若發(fā)動機混合氣過濃

NO+2.5H2→NH3+H2O2NO+5CO+3H2O→2NH3+5CO2

79

定義:單位催化劑體積的被催化氣體體積流量。5.催化器的空速特性(speedvolume)物理意義:空速SV的大小表示反應(yīng)氣體在催化劑的停留時間長短tr。SV越高,tr越短。

催化劑體積與發(fā)動機排量之比為0.5－1.0。

80流動阻力≤5kPa。阻力與流速、孔道長度成正比。阻力與孔道面積成反比。6．催化器的流動阻力特性817、耐久特性熱失活、化學(xué)失活1-新鮮催化劑2-活性位損失3-擴散不暢4-嚴重覆蓋和堵塞82柴油機排氣后處理

DieselExhaustAftertreatment

1.柴油機排氣后處理系統(tǒng)的構(gòu)成

83CO、HC和SOF(PAH)inPM.醛類,減輕柴油機排氣臭味NONO22.催化氧化反應(yīng)后處理器（DOC）DOC是必配！843.微粒鋪集器(DPF)

85主動再生

DPF的再生DPFRegeneration

由外界提供熱量，提高濾芯的溫度，使沉積在濾芯中的PM燃燒，恢復(fù)濾芯的潔凈狀態(tài)。熱量可由燃燒器、電阻加熱器、微波發(fā)生器、紅外發(fā)射器等產(chǎn)生。

燃燒器：缸內(nèi)晚噴或排氣管內(nèi)噴（HCDoser）86DPF的再生DPFRegeneration

DOC氧化NO

NO2,

C+NO2

NO+CO/CO2

柴油硫含量被動再生（CRT）

兩種再生方式有機結(jié)合。再生溫升對壽命的影響。874.選擇性催化還原器（SCR）原理：利用氨（NH3）在催化劑的作用下，有選擇的催化還原汽車尾氣中的NOx。催化劑：一般用V2O5－TiO2、Ag－Al2O3以及含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石（Zeolite）等。（鐵基、銅基、釩基３類）

工作溫度：250-500℃。88HY（hydrolysis）水解反應(yīng)

(NH2)2CO+H2O→NH3+CO2SCR反應(yīng)StandardSCRreaction:NO+NH3+O2

N2+H2OFastSCRreaction:NO+NO2+NH3→N2+H2ONO2-SCRreaction:NO2+NH3

N2+H2O+O2等等。SCR系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)895.逃逸氨氣處理器ASC增加對顆粒物的氧化906.DPF與DOC的結(jié)合CDPF增加NOx的轉(zhuǎn)化率不增加SCR的體積917.DPF與SCR的結(jié)合SCRF8.PartialOxidationCatalystPOC

部分顆粒物氧化92939.DOC與LNT的結(jié)合94第五節(jié)排放法規(guī)及測試方法簡介REGULATIONS&TESTCYCLES排放標準試驗規(guī)范

取樣方法

測量技術(shù)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容95

排放標準EmissionRegulations

歐洲重柴穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)排放標準969798

試驗規(guī)范TestCyclesECER-49ESC+ELRETCWHSC;WHTC以重柴為例歐洲重柴排放測試循環(huán)ECE-R4999歐洲重柴排放測試循環(huán)ESC100歐洲重柴排放測試循環(huán)ELR101歐洲重柴排放測試循環(huán)ETC(車測)102歐洲重柴排放測試循環(huán)ETC(臺架)103轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩歐洲重柴排放測試循環(huán)WHSC104WHSC與ESC的比較105WHSC是連續(xù)采樣，中間過渡過程也計入排放；權(quán)重與工況的影響時間有關(guān)；注重中低負荷工況。106WHSC與ESC的比較歐洲重柴排放測試循環(huán)WHTC107ETC與WHTC的比較108ETC與WHTC的比較ETC：平均轉(zhuǎn)速為額定值的57%；功率31%；怠速占時6%；轉(zhuǎn)速變化率35rpm/s；轉(zhuǎn)矩變化率228Nm/sWHTC：36%；17%；17%；40rpm/s141Nm/s。109110運行工況變化頻繁激烈，把裝內(nèi)燃機的整輛汽車裝在底盤測功機上