汽车发动机原理-周西河

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,有害排放物的生成与控制,有害排放物的生成机理,排放法规及测试方法,汽油机的机内净化技术,9.1有害排放物的生成机理,有害排放物的种类及危害,有害排放物的评价指标,有害排放物的生成机理,有害排放物生成的影响因素,有害排放物的生成机理,有害排放物的种类及危害,1、一氧化碳（,co,）,无色、无味、窒息性强气体，与血红蛋白亲和力比O2强，导致CO中毒（症状：恶心、心痛、昏迷等，甚至致死）,2、氮氧化物（NO,X,）,NO无色、无臭、轻度刺激、微毒NO2褐色，有毒、强刺激、恶臭（1*10,-6,）N2O光化学烟雾，酸雨,3、碳氢化合物（HC）,未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油、及其裂解产物和部分氧化物,4、光化学烟雾,NO+HC,光,化学反应,光化学烟雾,强光,照射,5、微粒及炭烟,微粒：碳、有机物质、硫酸盐为主。可吸入颗粒物（d1800k,1800k,激发NO,：佛尼莫尔：火焰前锋面上,a,=0.6-0.7 max 烃类燃烧中,CH+N,2,HCN+NCH,2,+N,2,HCN+NH,H=3.3kcal/mol燃料NO：含N化合物燃烧NO现不考虑700-900,0,C生成速率很高，,a,降，NO;,a,=1时NO不变实际发动机NO来源与生成条件高温NO,反应条件：温度。氧浓度。反应时间,NO,生成随,温度,升高而呈,指数函数,剧烈上升；,当温度低于,1800K,时，,NO,生成速率极低；,大致可以认为温度没升高,100K,，,NO,生成速率几乎翻一番；,氧含量,提高会使,NO,的生成量增加；,NO,生成反应比燃料燃烧反应慢，大部分,NO,在火焰离开之后的已燃气体中形成；,如果反应在,高温停留时间,不足，则,NO,达不到平衡，使,NO,排放减少。,NOx,生成规律,一氧化碳（CO）,CO,是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。,控制,CO,排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数,a(,图,71),。在浓混合气中，（,a1,），,CO,体积分数,co,随,a,的减小不断增加；在稀混合气中,(,a,1),，,co,很低，只是在,a,1.01.1,之间，,CO,随,a,略微变化点燃式内燃机部分负荷运转时，混合气的,a,接近,1,，,CO,排放量不高。但多缸机如各缸,a,不同仍会有的气缸,a,1,，增加,CO,排放量。全负荷运转特别是冷起动时，混合气是浓的，,a,可小到,0.8,甚至更低，,CO,排放量很大。发动机加速时如果加浓过多，或者减速时不断油，即在,瞬态运转工况,下供油量控制不精确，会导致,CO,排放量剧增。,碳氢化合物（HC）,汽油机中生成机理,不完全燃烧,壁面淬熄效应：,狭隙效应,壁面油膜和积碳的吸附效应,柴油机中生成机理,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,非排气HC的生成机理,曲轴箱窜气,燃油蒸发,微粒及炭烟的生成机理,汽油机：预混合燃烧，生成少,柴油机：扩散燃烧，不可避免,（,1,）柴油机微粒的基本特征：,构成：干碳烟、可溶性有机物、硫酸盐,碳烟以碳为主体的不完全燃烧产物,（,2,）,PM,的粒径与排放数量,柴油机,PM,排放粒径分布：,大小,：纳米、超细、细、,PM,10,四种微粒；,核形态,：核态、凝聚态、粗糙态,碳烟和微粒的生成机理三阶段：,碳烟生成,碳烟氧化,PM,形成碳烟生成阶段：烃类燃料高温氧化裂解生成，详细的说：从燃油分子到生成碳烟颗粒整个过程中的化学动力学反应及物理变化过程尚不十分清楚。,四种过程,：,积炭型碳烟,主要由积存在燃烧室壁面和喷油器表面的燃油受热气化后剩下的燃料在燃烧中形成，属于不正常现象；,雪片型碳烟,主要靠吸收排气中的硫酸而形成雪片状大粒颗粒微粒，对燃料含硫很低的内燃机不构成主要途径；,剩余型碳烟,也称残炭型碳烟，主要由粒径较大的燃油喷射到高温空气中，轻质烃很快蒸发气化，剩余液态重质烃高温缺氧条件下脱氢炭化形成多空状炭粒,气相析出型炭烟是现代柴油机炭烟生成的主要途径，目前主要有多环芳香烃中间体说和乙炔中间体说两种解释,多环芳香烃中间体说,：,3C2H4,C6H6+3H2C6H6,PAH,炭黑乙烯脱氢生成环烷烃，环烷烃脱氢成为芳烃，并进一步聚合成多环芳烃（PAH），PAH继续脱氢与缩合，形成高分子炭黑物质,乙炔中间体说,C2H4,C2H2+H2,C2H2,2C+H2,乙烯脱氢生成乙炔，并继续脱氢生成炭黑。,炭黑逐渐聚合成炭核（2nm左右），气相烃在炭核表面凝聚和脱氢炭化，使炭核增大至20,30nm的近球形基本炭粒，炭粒相互聚合集形成数十上百nm不等的链状多孔性聚合物，成核长大过程结束,上述气相反应过程加上成核长大过程构成了炭烟生成阶段,在扩散火焰中。燃烧成分会影响炭烟生成量，一般按烷烃、烯烃、炔烃、和芳香烃的顺序依次增加,碳烟氧化阶段前期燃烧已经生产的炭烟，如果在后期能遇到足够的氧化氛围和高温，也会通过氧化反应而缩小或完全氧化掉。右图给出了一系列在燃烧室内不同位置用直接采样方法得到的炭烟浓度随曲轴转角变化的过程，说明大部分炭烟在排出汽缸之前被氧化掉。炭烟一般在600摄氏度以上的温度就可以氧化，燃烧后期温度足够的，其氧化多少主要取决于是否有足够的氧气和反应时间。,（三）微粒形成阶段燃烧过程中产生的炭烟在膨胀和排气过程直至排入大气候，随周围气体温度降低，未燃HC化合物、硫酸盐以及水分等在炭烟上吸附凝集，形成排气微粒PM。其中，硫酸盐是由排气中的二氧化硫遇水变成硫酸盐而生成，随工况不同，有1%3%的二氧化硫在排气中转变为硫酸盐，称为PM的一部分，其余的二氧化硫以气体状态排入大气。大量实验表明，柴油机挥发性成分排放高时，旺旺随着PM中SOF的增多。,9.1.4有害排放物生成的影响因素,影响汽车有害排放物质生成的因素很多也很复杂。主要是过量空气系数（反应物浓度）和温度。,1.过量空气系数影响（一）对汽油机的影响汽油机CO、HC和氮氧化物排放以及动力性随过量空气系数或空燃比变化如右图：可以看出空燃比的增加有害气体排放减少，空燃比大于1时到最小。对降低CO和HC来说应避免过量空气系数小于1。,（二）对柴油机的影响，影响如下图所示。尽管柴油机偏西混合条件下运转，由于柴油机扩散燃烧，混合气分布不均，完全燃烧比预混合气体要多，与汽油机相比下，CO、HC和氮氧化物曲线有像西区平移，同时过量空气系数小于等于2以后，微粒急剧上升。还可以看出柴油机的CO排放一般很低，不到汽油机的十分之一。一般是高负荷下，混合不均造成的局部缺氧条件下产生的CO。,3.发动机的类型的影响（一）汽油机与柴油机排放特性的对比如图可知柴油机的HC和CO比汽油机少得多，甚至少于安了催化转换器的汽油机，而氮氧化物的排放量，柴油机中小负荷低于汽油机，大负荷与汽油机接近；但微粒排放是汽油机没有的。因此，汽油机以降低HC、CO、氮氧化物为主，柴油机主要降低微粒为主。（二）不同发动机的排放特性对比。如右图：,从图中可以看出不同燃烧室柴油机排放特性会显著不同。在不采取任何排放措施时，非直喷式柴油机的气体排放比直喷式排放低。但直喷柴油机的燃油经济性较好，称为了近年的主流。,