第八章內燃機污染物的生成與控制第一節(jié)概述一、完全燃燒：水蒸氣、二氧化碳二氧化碳（CO2）是溫室氣體二、有害排放物的產生實際燃燒過程：時間極短燃料與空氣混合不可能完全均勻特殊工況：冷起動、怠速、全負荷等三、有害排放物的種類一氧化碳（CO）碳氫化合物（HC）氮氧化物（NOx）微粒PM第二節(jié)污染物的生成機理和影響因素一、一氧化碳是HC燃料在燃燒過程中生成的主要中間產物，如果氧濃度、溫度足夠高，化學反應時間足夠長，可氧化為二氧化碳主要因素：可燃混合氣的過量空氣系數點燃式發(fā)動機：各缸空燃比的變動，怠速運轉，全負荷，小型單缸點燃機壓燃式發(fā)動機：燃料和空氣混合不均勻接近冒煙極限或負荷很小時，排放上升明顯，局部缺氧嚴重二、碳氫化合物1、點燃式發(fā)動機（1）排氣：未完全燃燒；二沖程（2）曲軸箱竄氣（3）蒸發(fā)生成機理（1）壁面淬熄；（2）狹隙效應；（3）潤滑油膜的吸附和解吸；（4）燃燒室沉積物2、柴油機燃油噴注與周圍空氣形成的混合氣很不均勻噴注的核心：不會引起很多HC排放噴注的外圍：來不及著火形成稀混合氣怠速或小負荷運轉時HC排放高冷起動時會導致嚴重的HC排放：噴油與壁面的碰撞三、氮氧化物NOx主要來源：參與燃燒的空氣中的氮，Zeldovitch機理；一小部分“燃油NO”NO的生成隨溫度的升高而呈指數函數急劇增加已燃氣中NO2與NO相比可以忽略不計點燃式內燃機：過量空氣系數：影響燃燒溫度和氧含量點火正時：推遲點火排氣再循環(huán)負荷壓燃式內燃機：氣缸內達到的最高燃燒溫度是決定NOx的最重要因素NOx排放隨柴油機負荷增大而顯著增加NOx排放隨轉速的具體變化與燃燒系統特性有密切關系噴油正時對柴油機燃燒過程有很大影響：推遲噴油降低NOx排放四、微粒柴油機的微粒（ParticulateMatter，PM）排放量比汽油機大幾十倍轎車、輕型車：0.1～1.0g/km重型車：0.1～1.0g/(kW·h)柴油機PM的組成取決于運轉工況，尤其是排氣溫度超過約5000C時，碳煙（DrySoot）溫度較低時，有機可溶成分（SOF）柴油機排氣中的碳煙主要是由柴油中含有的碳產生，生成條件是高溫和缺氧混合氣成分不均勻，總體富氧，局部缺氧由于潤滑油造成PM排放：降低潤滑油消耗渦輪增壓提高空燃比，有利于降低PM排放增加噴油器噴孔數、提高噴油壓力，改善柴油霧化：有利于降低PM排放第三節(jié)內燃機的排放控制一、點燃式內燃機1、曲軸箱排放物：竄氣：通過活塞組與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱曲軸箱強制通風系統（PCV）2、蒸發(fā)排放物：源于運轉損失、熱烤損失、晝夜損失、加油損失活性碳罐：很強的吸附HC能力，易再生3、冷起動、暖機和怠速排放控制（1）冷起動和暖機排放控制大量CO和未燃HC化油器式最差，氣道電噴改善，缸內直噴幾乎不存在（2）怠速排放控制怠速工況：一般定義為發(fā)動機不輸出動力以最低轉速穩(wěn)定運轉的工況怠速排放測試（在用車、新車）現代高速車用汽油機：800－1000rpm影響因素：空燃比、點火正時4、低排放燃料供給系統：混合氣形成的空燃比特性：電噴三效催化轉化器：在當量空燃比效果最好稀燃NOx催化器：直噴汽油機、稀燃汽油機5、低排放點火系統點火正時對汽油機的性能和排放影響很大點火正時脈譜、點火能量特性6、低排放燃燒系統緊湊的半球形、帳篷形燃燒室7、排氣再循環(huán)降低NOx排放EGR使工作混合氣的總熱容大大增加，最高燃燒溫度下降適當控制EGR率，使之在各種不同工況下得到各種性能的最佳折中電控EGR系統的控制脈譜通過發(fā)動機的EGR標定試驗確定二、壓燃式內燃機1、排放生成及控制特點富氧燃燒：CO和HC相對汽油機少得多排放的NOx與汽油機同一數量級微粒和碳煙比汽油機多幾十倍以上柴油機排放控制：重點是PM和NOx，其次是HC柴油機污染物排放的根本原因是燃油和空氣混合氣的不均勻控制內燃機PM排放核心是改善柴油機混合氣形成和燃燒過程；柴油機燃燒過程的改善往往引起NOx排放增加均勻混合氣壓燃式發(fā)動機（HCCI）：均勻混合氣的制備和自燃的化學動力學控制2、降低柴油機排放設計要點（一）增壓增壓在柴油機上普遍應用：重型車、中型車、輕型車、甚至轎車主要特征：進氣量大，平均φa大，DS和PM排放下降增壓一般使NOx排放增加歐I：渦輪增壓型；歐II：增壓中冷型；歐III：可變噴嘴渦輪增壓器（二）低排放燃油噴射系統（1）噴射正時的控制：推遲噴油，但需綜合考慮PM排放和燃油消耗率（2）循環(huán)噴油量的控制：隨負荷增加而增大，根據轉速變化進行適當調節(jié)；各缸循環(huán)噴油量的均勻性；冷起動：逐次遞增（3）優(yōu)化噴油規(guī)律：初期緩慢、中期急速、后期快斷；預噴射和主噴射組成的二次噴射；有時進行后噴射（適應后處理）（4）低排放噴油器噴油器尺寸越來越小噴油器的偏心量和傾斜角盡可能小小壓力室噴嘴（5）提高噴油壓力提高噴油壓力泵－管－嘴式（100MPa）；泵噴嘴（180MPa）：隨柴油機轉速和負荷降低而降低；電控共軌噴油系統。（三）氣流組織和多氣門技術適當的缸內氣流運動有利于燃燒室中燃油噴霧與空氣的混合小缸徑柴油機：渦流運動，加速油膜蒸發(fā)四氣門柴油機：變渦流重型車用柴油機：低渦流甚至無渦流（四）低排放燃燒室非直噴式：逐漸淘汰直噴式：盡可能增大燃燒室有效容積比長行程、降轉速的柴油機經濟性和排放性好適當提高壓縮比（五）排氣再循環(huán)輕型車、轎車用柴油機：中小負荷工況，可采用較大的EGR率重型車用柴油機：EGR率較小排氣中含氧量高，可用較大的EGR率，最大EGR率為40～50％。綜合考慮NOx與PM排放增壓器后的進氣壓力高于排氣壓力，EGR驅動措施EGR冷卻EGR電子控制第四節(jié)內燃機的排氣后處理一、必要性機內凈化（改進內燃機本身設計和優(yōu)化運行參數）降低排放物有一定限度內燃機排放法規(guī)日益嚴格，兼顧動力性、經濟性、排放性等二、三效催化轉化器（一）催化反應機理催化劑：催化作用的核心HC、CO的氧化反應，NO的還原反應（二）催化轉化器的構造外殼、催化劑（載體和活性物質）、襯墊鉑Pt，鈀Pd，銠Rh（三）催化轉化器的工作特性性能指標：轉化效率、流動阻力、使用壽命空燃比特性起燃特性：起燃溫度、起燃時間空速特性：兩體積流量之比流動特性：細小孔道耐久特性：熱力因素、化學因素三、氧化催化轉化器氧化催化劑可以氧化PM中的大部分SOF降低柴油機的CO和HC，醛類和PAH低硫柴油四、富氧降NOx催化轉化器吸附還原催化器：稀燃儲存NOx，濃燃還原NOx，對柴油機，需電控共軌噴射系統選擇性催化還原（SCR）：NH3作為還原劑，尿素溶液開發(fā)SCR催化轉化器需注意減少N2O的生成四、柴油機排氣微粒捕集器（DPT）壁流式蜂窩陶瓷塊為濾芯的微粒濾清器DPF相鄰的兩個孔道：一個進口堵住，一個出口堵住DPF的再生：及時清除PM，降低排氣阻力脫機再生方法熱再生、催化再生燃燒器電阻加熱再生微波選擇性加熱再生周期的確定連續(xù)再生捕集器（CRT）:借助特殊催化劑把排氣中的NO氧化成為NO2，再使PM發(fā)生氧化反應第五節(jié)排放法規(guī)一、排放測試規(guī)范輕型車：整輛汽車在底盤測功機上測量，測量結果：g/km；瞬態(tài)循環(huán)：怠速、加速、等速、減速等行駛工況重型車：把內燃機裝在發(fā)動機測功機上測量排放，結果：g/(kW·h)13個穩(wěn)態(tài)工況組成，加權累積全負荷煙度：全負荷穩(wěn)定轉速二、取樣系統排氣分析儀：測量成分在排氣中的體積分數，根據內燃機的排氣總流量算出總排放量對內燃機排氣先用干凈空氣稀釋，然后再定容取樣柴油機PM排放測量：稀釋取樣系統三、測量技術簡介（一）氣體污染物的檢測排放法規(guī)規(guī)定：CO和CO2：不分光紅外線吸收型分析儀NOx：化學發(fā)光分析儀（CLD）或加熱型CLDHC：氫火焰離子化分析儀（FID）或加熱型FID分離甲烷：氣相色譜儀（GC）（二）微粒的測量和分析內燃機的排氣微粒：是指從溫度低于52oC的稀釋排氣中采集的沉積在用聚四氟乙烯處理過的玻璃纖維濾紙上的所有物質用取樣系統把PM收