清华大学_汽车发动机原理_第9章1_有害排放物生成与控制1.pdf

18761876年世界上第一台内燃机诞生，至今已年世界上第一台内燃机诞生，至今已130130余年；余年； 19431943年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（photophoto- -chemical smogchemical smog）） 19521952年：加州工大年：加州工大A.H.SmitA.H.Smit博士提出博士提出SmogSmog生成机理：生成机理： HC HC ＋＋ NONO2 2→→ O→→ O3 3＋＋ PANPAN（（过氧酰基硝酸盐）过氧酰基硝酸盐） 19661966年：加州实施世界上第一个“汽车排放法规”年：加州实施世界上第一个“汽车排放法规”（（7 7工况）工况） 19681968年：日本实施“大气污染防止法”年：日本实施“大气污染防止法” （怠速检测（怠速检测COCO）） 19701970年：欧洲开始实施排放法规年：欧洲开始实施排放法规 （怠速检测（怠速检测COCO、、HCHC）） 19841984年：中国实施排放法规年：中国实施排放法规 （汽油车怠速（汽油车怠速CO、、HC 、柴油车自由加速烟度）、柴油车自由加速烟度） 19991999年：北京实施国年：北京实施国ⅠⅠ法规法规 20002000年：全国实施欧年：全国实施欧ⅠⅠ法规（与欧洲相差法规（与欧洲相差8 8年）年） 20082008年：北京实施国年：北京实施国ⅣⅣ法规，实现了国际接轨法规，实现了国际接轨 20102010年年: : 全国实施国全国实施国ⅣⅣ法规（汽油车）法规（汽油车） 序言序言—排气污染及其防治的历程排气污染及其防治的历程 第9章 有害排放物的生成与控制 第9章 有害排放物的生成与控制 9.1 9.1 有害排放物的生成机理与影响因素有害排放物的生成机理与影响因素 9.2 9.2 排放法规及测试方法排放法规及测试方法 9.3 9.3 汽油机的机内净化技术汽油机的机内净化技术 9.4 9.4 柴油机的机内净化技术柴油机的机内净化技术 9.5 9.5 汽油机排气后处理技术汽油机排气后处理技术 9.6 9.6 柴油机排气后处理技术柴油机排气后处理技术 第9章 有害排放物的生成与控制 9.1.1 9.1.1 有害排放物的种类与危害有害排放物的种类与危害 法规限制成份：法规限制成份： CO、HC、NOx、颗粒物（针对汽 油车和柴油车） 其他有害成份：其他有害成份： 硫化物硫化物SOxSOx、、铅化合物铅化合物、、醛类、醛类、 苯类、丁二烯、柴油机排气臭味苯类、丁二烯、柴油机排气臭味· · · · · 等，也称为等，也称为非非 常规排放物常规排放物。

9.1 9.1 有害排放物的生成机理与影响因素有害排放物的生成机理与影响因素 9.1.2 9.1.2 评定指标和单位评定指标和单位 分类分类定义定义单位单位备注 浓度排放量 体积分数 质量浓度 1010－ －6 6、 、1010－ －9 9 ％％ 、、mg/mmg/m3 3 仪表给值 环境监测 质量排放量 单位时间质量排放量 单位测试循环质量排放量 g/hg/h g/g/测试循环测试循环循环工况测试 比排放量 单位功率单位时间排放量 单位运转里程质量排放量 g/(kW.h)g/(kW.h) g/kmg/km 发动机测试 整车工况测试 ppm 9.1.3 9.1.3 有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理 1）Thermal NO 2）Prompt NO 3）Fuel NO NONO生成途径生成途径 1、、NOx = NO+NO2+N2O 燃烧中主要生成燃烧中主要生成NONO，少量，少量NONO2 2 1） Thermal NO Extended Zeldovich Reaction (1946~1973) ( O2 2O ) O ＋＋ N2 NO + N △△H＝＝75 Kcal· mol－ －1 (1) N ＋＋ O2 NO + O △△H＝－＝－31.4 Kcal· mol－ －1 (2) N ＋＋ OH  NO + H △△H＝＝40.8 Kcal· mol－ －1 (3) 生成条件：生成条件： T1800KT1800K（（1 1、、3 3式均为强烈的吸热反应）式均为强烈的吸热反应） ΦΦa a＞＞1.01.0，氧化氛围，氧化氛围 已燃气体区域（火焰前锋面后）已燃气体区域（火焰前锋面后） 控制反应控制反应 2） Prompt NO Fenimore. C P， 1971年 （（CnH2n CH、、CH2）） CH ＋＋ N2 HCN + N △△H＝＝3.3 Kcal· mol－ －1 (4) CH2＋＋ N2 HCN + NH  由由HCN  CN  NO  由由N经式（经式（2）、（）、（3））  NO  由由NH  N  NO 生成条件：生成条件： 相对低温相对低温 φa 1 时：局部缺氧时：局部缺氧 热离解热离解 —— CO2CO 排气中生成排气中生成 —— HC在排气中进一步氧化时生成在排气中进一步氧化时生成CO 3、、未燃未燃HC （（THC）） （（1））HC在汽油机中的生成机理在汽油机中的生成机理  不完全燃烧不完全燃烧—— φa1，，混合不均、减速、失火、循混合不均、减速、失火、循 环波动环波动  壁面淬熄效应壁面淬熄效应—— 低温、弱流动和弱湍流导致低温、弱流动和弱湍流导致淬熄层淬熄层 （Quenching layer） 窄缝处面容比大，火焰无法传入，窄缝处面容比大，火焰无法传入， 也称也称缝隙效应缝隙效应  油膜和积碳吸附油膜和积碳吸附—— 混合气形成过程中，吸附混合气形成过程中，吸附HC; 燃烧过程中，燃烧过程中，““躲过躲过””火焰火焰; 排气过程中，脱附释放，形成排放排气过程中，脱附释放，形成排放 Gaps Deposits Oil film Quenching at Wall 汽油机排气过程中HC排放变化 第一第一HC峰值：峰值： 来源于排气门周来源于排气门周 围淬熄层围淬熄层 第二第二HC峰值：峰值： 来源于壁面及环来源于壁面及环 岸部淬熄层岸部淬熄层 混合不均匀混合不均匀  过浓或过稀过浓或过稀 （（2））HC在柴油机中的生成机理在柴油机中的生成机理 油束核心区油束核心区 着火区着火区 混合过稀区混合过稀区 稀限稀限浓限浓限 HC在柴油机中的生成机理在柴油机中的生成机理 喷油器压力室容积喷油器压力室容积 燃油滞留于压力室燃油滞留于压力室  受热膨胀或汽化后低速受热膨胀或汽化后低速 进入燃烧室进入燃烧室  难以混难以混 合燃烧合燃烧 二次喷油或后滴二次喷油或后滴 4、、微粒及碳烟微粒及碳烟 PM – Particulate Matter, Soot(Smoke) 微粒的成分微粒的成分 近年来提出：近年来提出：PM10、、PM2.5、、汽汽 油机油机PM PM粒度越来越小，目前可认为绝大粒度越来越小，目前可认为绝大 部分在部分在0.1～～1μm范围（右图）范围（右图） 成分质量分数 干碳烟（DS） 可溶性有机成分（SOF） 硫酸盐(Sulfate) 40％～50％ 35％～45％ 5％～10％ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1.20.830.28 质量百分比 /%质量百分比 /% Pme /MPa E20 2.5um 某欧某欧2柴油机柴油机PM粒度分粒度分 布布 PM高度显微图例高度显微图例 思考题思考题 1. NOx生成的三个途径：生成的三个途径：( ) 、、( ) ( )。

2. 热热NO生成的三个影响因素：生成的三个影响因素：( )、、( )、（、（） 3. PM的三种组分为的三种组分为 ( )、（、（）、（）、（) 4. 汽油机汽油机THC生成的原因有：生成的原因有： ( )、、( ) ( ) 5. 不同类型汽车的排放测试方法不同，轿车采用（不同类型汽车的排放测试方法不同，轿车采用（），）， 10吨以上载重车采用（吨以上载重车采用（），城市公交车采用），城市公交车采用 （（）方法 ThermalPromptFuel 温度温度空然比空然比时间时间 DS SOFSulfate 过稀和过浓过稀和过浓 淬息效应淬息效应 油膜和积碳吸附效应油膜和积碳吸附效应 转鼓转鼓 ？？？？ 台架台架 PM （（ Soot））的生成过程的生成过程 SootSoot源于烃类燃料在高温缺氧下的裂解，详细机理尚不明确源于烃类燃料在高温缺氧下的裂解，详细机理尚不明确 碳粒氧化碳粒氧化 （燃烧后期）（燃烧后期） PM生成生成 （膨胀和排气）（膨胀和排气） 碳粒生成碳粒生成 （燃烧前期）（燃烧前期） 大的燃油颗粒汽化剩下的重质烃，高温脱氢碳化大的燃油颗粒汽化剩下的重质烃，高温脱氢碳化→焦炭焦炭 状大颗粒碳粒（状大颗粒碳粒（PM10）） 气相烃裂解、脱氢气相烃裂解、脱氢→乙烯（乙烯（CH2＝＝CH2））乙炔（乙炔（CH-CH）） →聚乙炔聚乙炔→原子级碳粒原子级碳粒→聚合生成碳核（约聚合生成碳核（约2nm ）） 遇充分的氧化氛遇充分的氧化氛 围，碳粒部分氧化围，碳粒部分氧化 小碳粒碰撞、聚合小碳粒碰撞、聚合→较大碳粒（不规则形状、多较大碳粒（不规则形状、多 孔聚合物孔聚合物）），吸附，吸附HC和硫酸盐和硫酸盐→ PM 柴油机柴油机PM排放的粒径分布排放的粒径分布 按粒径大小可分为四个区域：按粒径大小可分为四个区域： 纳米微粒（纳米微粒（Nanoparticles），）， 超细微粒（超细微粒（Ultrafine Particles），）， 细微粒（细微粒（Fine Particles），），PM2.5 其余，其余，PM10微粒。

微粒 按形态不同可分为三类：按形态不同可分为三类： 核态（核态（Nuclei Mode），）， 凝聚态（凝聚态（Accumulation Mode）） 粗糙态（粗糙态（Coarse Mode） 从分布特征上来看，呈现双峰形态，从分布特征上来看，呈现双峰形态， 分别对应核态及凝聚态，说明分别对应核态及凝聚态，说明: 质量排放的主体在凝聚态微粒质量排放的主体在凝聚态微粒 而数量排放的主体在核态微粒而数量排放的主体在核态微粒 8.1.4 有害排放物生成的影响因素 （1）汽油机 1 1、、φφa a的影响的影响 CO： φa ↑，，CO↓↓（单调）；（单调）； φa1，，逐渐达最低值逐渐达最低值 HC： φa ↑，，HC ↓↓ ；； φa 过大，过大，HC回升（过稀）回升（过稀） NO： φa1.1后，氧化气氛，但温度下降，后，氧化气氛，但温度下降，NO ↓↓ φa＝＝1.1左右，高温富氧同时具备，左右，高温富氧同时具备，NO达峰值 （（2 2）柴油机）柴油机 NONO：：与汽油机相似，与汽油机相似， 但注意区间但注意区间 碳烟：与汽油机碳烟：与汽油机COCO相相 似，但向稀区平移似，但向稀区平移 COCO：：与汽油机与汽油机COCO相似相似 ，过稀时回升，过稀时回升 HCHC：：φφa a＞＞2 2后，过稀后，过稀 和低温使和低温使HC ↑HC ↑ 随混合趋于均匀，柴油机随混合趋于均匀，柴油机NOx趋于汽油趋于汽油 机的规律机的规律 均质预混程度均质预混程度 φφa a的影响的影响 2 2、发动机类型的影响、发动机类型的影响 汽油机Vs柴油机： CO：汽汽柴（柴（10：：1）） HC：汽汽柴（柴（5：：1）） NO：汽汽柴（柴（2：：1）） PM：汽汽柴（柴（1：：10~100）） 直喷式柴油机直喷式柴油机Vs非直喷柴油机非直喷柴油机 3 3、使用工况影响、使用工况影响 排气成分排气成分怠速怠速加速加速定速定速减速减速 HC800××10－ 。