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1、2023/1/16,内燃机原理,第八章,排气污染与控制,2023/1/16,内燃机原理,8-1 概述,环保与节能,环境问题能源危机,2023/1/16,内燃机原理,汽车排放占大气污染物比例,2023/1/16,内燃机原理,1、CO：无色无臭无味的气体，破坏造血功能，呈中毒症状。2、NOx：指NO和NO2，NO2是褐色有刺激性的气体。3、HC：包括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产物。某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害。光化学烟雾：其中最主要的生成物是臭氧O3，它具有很强的氧化力和特殊的臭味，使橡胶裂开，植物受损，可见度降低，并刺激眼睛及咽喉。,汽车的主要排放污染物,202
2、3/1/16,内燃机原理,排气中的微粒是指经空气稀释后的排气，它是在低于52温度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上沉积的除水以外的物质，如柴油机的碳烟粒子，汽油机的铅及硫酸盐等。,微粒排放,2023/1/16,内燃机原理,1排放物的浓度C 在一定排气容积中，有害排放物所占的容积（或质量）比例，称为排放物的浓度。ppm、或mgm3，浓度较大时用，而浓度较小时用ppm（1ppm=0.0001）。2排放物的质量排放量G 用单位时间内（或一次试验）有害排放物的质量排放量G来衡量，单位是 gh（或 g试验）。3排放物的比排放量g 每单位功率小时排出污染物的质量称为比排放量g（kWh）。,排放指标,20
3、23/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,第二节 有害排放物的生成,主要是NO，NO2排出量较少。NO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生在燃料燃烧反应所形成的环境中，其主导反应过程是,一、氮氧化物,ON2NON NO2NOO,2023/1/16,内燃机原理,（1）高温（2）富氧（3）充足的反应时间,促使NO生成的因素,2023/1/16,内燃机原理,燃烧过程中生成的重要的中间产物。生成的机理比较复杂，一般经历如下步骤：RHRRO2RCHORCOCOCO在火焰中及火焰后，以缓慢的速率氧化成CO2。主要影响因素：混合气浓度。,二、一氧化碳CO,2023/1/16,内燃机原理,生成
4、与排出有三个渠道：废气（尾气）：占6O以上 曲轴箱窜气由排出：占25 燃油蒸气漏泄：占1520左右,三、未燃碳氢化合物（HC）,2023/1/16,内燃机原理,HC的生成与排出有三个渠道，其中HC总量的60%以上由废气排出，25%由曲轴箱窜气，15%20%左右从油箱、化油器等处漏泄。,燃烧过程中HC生成的主要途径,2023/1/16,内燃机原理,1)活塞顶端气环与气缸壁之间形成的夹缝内的可燃混合气因火焰不能及时到达，而不能完全燃烧。2)相对冷态的气缸壁对火焰产生的热与活化基物质起着吸收的作用，促使火焰传播中断，即火焰在气缸壁表面产生激冷与淬熄现象。3)烧机油(润滑油）。4)发动机瞬变工况时，点
5、火定时、空燃比以及排气再循环值均不处于最佳状态，燃烧恶化，HC排放量增加，尤其是减速及怠速工况。5)燃烧室中沉积物的影响。,2023/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,柴油机微粒的主要成分：碳烟粒子。它是燃料在燃烧过程中经历了一系列物理化学变化后形成的。,四、微粒,2023/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,第三节 影响汽油机有害排放物生成的主要因素,汽油机：预混燃烧，其可燃混合气浓度范围比较窄，在一些工况下（如怠速、满负荷等）经常处于浓混合气工作，因而混合气成分是影响排放的最主要的因素。,一、混合气成分,2023/1/16,内燃机原理,CO：空燃比AF
6、增加，CO浓度逐渐下降；NOx：浓度两头低，中间高，NO生成必须兼具高温、富氧两个条件。HC：两头高，中间低，与燃油消耗率的变化趋势基本一致。,2023/1/16,内燃机原理,减少点火提前角：降低NO及HC均有利，但以牺牲动力性为代价。,二、点火正时,2023/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,废气再循环：NO浓度逐渐下降，但燃烧的有效性降低，动力性变差。,三、吸入废气量的影响,2023/1/16,内燃机原理,对于不同的运行工况，各种有害排放物的差异很大。怠速与减速工况，是HC生成的主要工况。,四、工况,2023/1/16,内燃机原理,五、负荷,负荷是通过混合气成分对燃烧产
7、物中有害物质产生影响的。怠速与小负荷，混合气偏浓，是HC、CO生成的主要工况。中等负荷，供给经济混合气，HC、CO含量低，但NOx生成量增多。大负荷，供给浓混合气，HC在排气中燃烧了，CO、NOx排放增多。,2023/1/16,内燃机原理,六、转速,随着转速的升高，混合气经过进气系统的流速及活塞运动速度升高，CO、HC排放减少。NOx与混合气的成分有关，浓混合气时缸内温度较高，NOx含量增加，稀混合气时，缸内温度较低，NOx生成量减少。提高怠速转速使混合气变稀，CO、HC排放减少。,2023/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,第四节 影响柴油机有害排放物生成的主要因素,柴油
8、机燃烧：一种多相非均匀混合物的不稳定的燃烧过程。喷雾过程、油束形成、混合气的浓度与分布以及燃烧室形式等，对排放物生成均有复杂的影响。,一、柴油机燃烧及排放物生成的特点,2023/1/16,内燃机原理,由于油雾及油蒸气在空间浓度分布不同，可大致分为稀燃火焰熄灭区、稀燃火焰区、油束心部，油束尾部和后喷部以及壁面油膜，从油束边缘到油束核心部分，局部空燃比可从无穷大变到零。根据负荷不同，各区排放物生成的性质也不一样。,2023/1/16,内燃机原理,未燃HC：在低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区；在高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处。CO：低负荷时，主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火
9、焰区的交界面上生成CO；高负荷时，在油束心部、油束尾部及后喷部，因局部缺氧而产生CO。NOx：在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。碳烟：高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。醛类：主要在稀燃火焰熄灭区，由于低温氧化而产生醛类中间产物。,2023/1/16,内燃机原理,二、影响因素,1、混合气成分,2023/1/16,内燃机原理,CO：柴油机过量空气系数1，加上柴油蒸发性比汽油小，因此柴油机的 HC及CO排放浓度一般比汽油机低得多，但在接近满负荷时（AF减小），CO浓度骤增。NO：生成率最高处仍出现在油量较大的
10、高负荷工况。与汽油机不同的是，柴油机NO2的生成浓度较高。NO2浓度随 AF增加而减少。碳烟：混合气变浓，排烟浓度增多。,2023/1/16,内燃机原理,2、喷油时刻,2023/1/16,内燃机原理,延迟喷油是降低NOx的主要措施之一。为了在延迟喷油以后燃烧不致恶化，加强缸内气流运动、促进混合气形成、提高喷油速率以及改善喷雾质量是很有必要的。延迟喷油的同时提高喷油速率，要比单纯延迟喷油定时的效果好。,2023/1/16,内燃机原理,3、燃烧室类型,2023/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和碳烟的排放浓度
11、均低于直喷式的，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右。,原因：这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。,2023/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,第五节 有害排放物的控制,1）以降低排放为目标，通过改进发动机燃烧过程为主的机内处理方法。2）对燃烧排出的有害物，在排气系统等处进行后处理。3）对曲轴箱窜气或油蒸气部分进行处理。2）、3）又称为机外处理方法。,控制措施分类,2023/1/16,内燃机原理,一、汽油机机内净化技术,1、废气再循环,2023/1/16,内燃机原理,使少量废气（520）再次循环进入气缸，降低燃烧温度，可抑制NOx生成。应根据不同工况
12、决定是否采用废气再循环，或确定废气再循环量的多少。,2023/1/16,内燃机原理,2、改进发动机设计,1）冷起动、暖机和怠速,尽量缩短冷起动时间，使暖机时混合气、冷却液和机油尽快热起来，提高怠速转速。,2）压缩比,压缩比增加，使燃烧室内温度增加，使NOx排放增加。,2023/1/16,内燃机原理,3）燃烧系统,燃烧室的形状主要影响未燃混合气的HC排放物浓度。,4）进气系统,进气系统设计影响发动机动力性和经济性外也影响污染物的生成，特别是HC。,理想的燃烧室形状应紧凑、表面积小，并带有一定的进气旋流。,2023/1/16,内燃机原理,2023/1/16,内燃机原理,5）活塞组件,活塞、活塞环与
13、气缸壁之间的间隙，对汽油机的HC排放有很大的影响，主要是HC。,6）分层稀薄燃烧,NOx排放增加,2023/1/16,内燃机原理,3、电子控制燃油喷射系统,4、提高燃油的品质,2023/1/16,内燃机原理,二、汽油机机外净化技术,1、曲轴箱通风系统,2023/1/16,内燃机原理,2、燃油蒸发控制系统,2023/1/16,内燃机原理,3、三元催化转化器,2023/1/16,内燃机原理,三、柴油机机内净化技术,1、增压中冷技术,采用增压中冷技术可以降低混合气的浓度，降低HC、CO和NOx的排放。,2023/1/16,内燃机原理,2、改进进气系统,1）进气组织2）多气门,2023/1/16,内燃机原理,3、改进喷油系统,1）高压喷射2）推迟喷油提前角3）减小喷孔直径4）减小喷嘴压力室容积5）高压共轨电控燃油喷射,2023/1/16,内燃机原理,4、改进燃烧系统,1）燃烧室容积比2）燃烧室口径比3）燃烧室形状4）适当提高压缩比,2023/1/16,内燃机原理,5、降低机油消耗,6、废气再循环,7、提高燃油品质,2023/1/16,内燃机原理,四、柴油机机外净化技术,1、微粒捕集器,2023/1/16,内燃机原理,2、氧化催化转化器,3、NOx还原催化转化器,4、四元催化转化器,2023/1/16,内燃机原理,
