汽车发动机原理课件.ppt
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1、汽车发动机原理排气污染与控制8.1 有害排放物的生成机理与影响因素8.1.1 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、PM其他有害成份:其他有害成份:SOxSOx、铅化合物铅化合物、醛类、苯类、醛类、苯类、丁二烯、柴油机排气臭味丁二烯、柴油机排气臭味光化学烟雾是一种淡蓝色的烟雾,汽车尾气和工厂废气里含大量氮氧化物和碳氢化合物,这些气体在阳光和紫外线作用下,会发生光热化学反应,光化学烟雾由此而生。它的主要成分是一系列氧化剂,如臭氧、醛类、酮等,它的毒性很大,对人体有强烈的刺激作用,严重时会使人出现呼吸困难,视力衰退,手足抽搐等症。在上世纪世界环境污染八大公害事件中,
2、光化学烟雾事件便占了5起。1955年,洛杉矶发生的高浓度光化学烟雾导致了两天内400多名65岁以上老人的死亡。8.1.2 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10106 6、10109 9mg/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/hg/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8.1.3 有害排放物的生成机理1)Thermal NO2)Prompt NO 3)Fuel NONOx生成
3、途径1、NOx生成生成1)Thermal NOExtended Zeldovich Reaction(19461973)(O2 2O)O N2 NO+N H75 Kcalmol1 (1)N O2 NO+O H31.4 Kcalmol1 (2)N OH NO+H H40.8 Kcalmol1 (3)生成条件:T1800K (1、3式均为强烈的吸热反应)a1.0已燃气体 (火焰前锋面后)2)Prompt NOFenimore.C P,1971年(CnH2n CH、CH2)CH N2 HCN+N H3.3 Kcalmol1 (4)CH2 N2 HCN+NH 由HCN CN NO由N经式(2)、(3)
4、NO由NH N NO生成条件:生成条件:相对低温相对低温a1.0(还原气氛)(还原气氛)燃烧中的气体燃烧中的气体 (火焰前锋面上)(火焰前锋面上)*并不需要很高的温度(活化能),中间生成物并不需要很高的温度(活化能),中间生成物HCN是关键是关键3)Fuel NO燃料中的氮化合物HCN、CN、NH2、NHNO生成条件:生成条件:可以小于可以小于1800Ka影响不明确影响不明确影响NOx生成的三要素温度温度 T,则则NO平衡浓度平衡浓度,NO生成速率生成速率,(其中,生成速率影响最大)其中,生成速率影响最大)氧浓度氧浓度 温度一定时,氧浓度温度一定时,氧浓度,则则NO 反应时间反应时间 相对相对
5、CO、H2O等,等,NO 反应较慢,因此在实反应较慢,因此在实 际际 发动机燃烧结束时尚达不到平衡浓度发动机燃烧结束时尚达不到平衡浓度,故即使在高温下故即使在高温下,若反若反应停留时间短应停留时间短,NO生成的量受限生成的量受限冻结:导致在化学平衡浓度和实际浓度之间出现差别冻结:导致在化学平衡浓度和实际浓度之间出现差别,保持保持较高浓度排出较高浓度排出2、CO不完全燃烧产物,主要受混合气浓度影响不完全燃烧产物,主要受混合气浓度影响不完全燃烧不完全燃烧 a1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CO3、未燃未
6、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 a1,混合不均、减速、失火、循环波动混合不均、减速、失火、循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,火焰无法窄缝处面容比大,火焰无法 传入,也称传入,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,Unburnt,排气过程中,脱附释放排气过程中,脱附释放GapsDepositsOil filmQuenchingat Wall 燃烧
7、室内缝隙的组成 活塞顶环岸缝隙中烃的排出过程 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 受热受热膨胀或汽化后低速进入燃烧膨胀或汽化后低速进入燃烧室室 难以混合燃烧难以混合燃烧 二次喷油或后滴二次喷油或后滴4.微粒的生成微粒的生成 燃烧系统中炭烟粒子的形成过程 燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解,生成各种不饱和烃类,如乙烯、乙炔及其较高裂解,生成各种不饱和烃类,如乙烯、乙炔及
8、其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭为主的直径为主的直径2nm左右的炭烟核心左右的炭烟核心 PM高度显微图例8.1.4 有害排放物生成的影响因素(1)汽油机1 1、a a的影响的影响 CO:a,CO(单调);(单调);a1,逐渐达最低值逐渐达最低值 HC:a,HC ;a 过大,过大,HC回升(过稀)回升(过稀)NO:a1.1后,氧化气氛,但温度下降,后,氧化气氛,但温度下降,NO 点火提前角对燃油消耗点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响量和有害排放物的影响 气缸内燃烧压力气缸内燃烧压力与点火时刻的关系与点火时刻的关系 2 2、点
9、火提前角的影响点火提前角的影响3 3、工况影响、工况影响排气成分怠速加速定速减速HC8001065401064851065000106NOx23106154310612701066106CO4.9%1.8%1.7%3.4%CO210.2%12.1%12.4%6.0%汽油机在不同工况下排气成分的体积分数汽油机在不同工况下排气成分的体积分数4 废气再循环 废气再循环系统工作原理废气再循环系统工作原理 原理和作用:原理和作用:一部一部分排气经分排气经EGREGR阀还流回阀还流回进气系统,稀释了新鲜进气系统,稀释了新鲜混合气中的氧浓度,导混合气中的氧浓度,导致燃烧速度降低,同时致燃烧速度降低,同时还使
10、新鲜混合气的比热还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃容提高。两者都造成燃烧温度的降低,因而可烧温度的降低,因而可以抑制以抑制NONOx x的生成。的生成。EGR降低NOx的效果 影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制 柴油机柴油机有害排放物生成特点有害排放物生成特点 未燃HC 1;3、4 CO 1、2界面;3、4Nox 2、3炭烟 3、4醛类 11 1稀燃火焰熄灭区稀燃火焰熄灭区2 2稀燃火焰区稀燃火焰区3 3油束心部油束心部4 4油束尾部和后喷部油束尾部和后喷部(2)柴油机NO:与汽油机相似,但注意区间碳烟碳烟:与汽油机CO相似,但向稀区平移CO
11、:与汽油机CO相似,过稀时回升HC:a2后,过稀和低后,过稀和低温使温使HC 注意:CO、HC远低于汽油机,一般不超标(注意(注意a范围!与汽油机比较)范围!与汽油机比较)影响因素影响因素 1.混合气成分混合气成分 2.喷油时刻喷油时刻 3.燃烧室类型燃烧室类型 混合气成分与柴油机排放的关系喷油定时对排放的影响3.燃烧室排放比较燃烧室排放比较 分隔式燃烧室生成的分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和炭烟的排放浓度均低和炭烟的排放浓度均低于直喷式,特别是于直喷式,特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右左右 原因是,这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段
12、进行。原因是,这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。在喷油开始和燃烧初期,副燃烧室的空燃比较小,氧浓度较在喷油开始和燃烧初期,副燃烧室的空燃比较小,氧浓度较低,燃料不可能燃烧完全,从而形成较多的低,燃料不可能燃烧完全,从而形成较多的CO及未燃烃。及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高,但氧浓度低,对生成副燃烧室在着火后温度较高,但氧浓度低,对生成NOx仍有仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气,使来自副燃烧不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气,使来自副燃烧室的室的CO及及HC进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后,温度进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后,温度有所下降,抑制了有所下降,抑制
13、了NOx的生成的生成 8.3 排放污染物的机内净化技术降低排气污染降低排气污染技术分类技术分类机内净化机内净化(燃烧)(燃烧)机外净化机外净化(后处理)(后处理)清洁燃料清洁燃料(燃料)(燃料)柴油机柴油机汽油机汽油机柴油机柴油机汽油机汽油机气体燃料:气体燃料:CNG、LNG LPG馏分轻,降低排烟馏分轻,降低排烟液体含氧燃料:甲醇、乙醇、二甲醚、液体含氧燃料:甲醇、乙醇、二甲醚、甲酯(植物油酯化)甲酯(植物油酯化)非排气污染非排气污染控制技术控制技术燃油系统蒸发燃油系统蒸发曲轴箱窜气曲轴箱窜气1废气再循环 废气再循环系统工作原理废气再循环系统工作原理 原理和作用:原理和作用:一部一部分排气经
14、分排气经EGREGR阀还流回阀还流回进气系统,稀释了新鲜进气系统,稀释了新鲜混合气中的氧浓度,导混合气中的氧浓度,导致燃烧速度降低,同时致燃烧速度降低,同时还使新鲜混合气的比热还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃容提高。两者都造成燃烧温度的降低,因而可烧温度的降低,因而可以抑制以抑制NONOx x的生成。的生成。汽油机机内净化技术汽油机机内净化技术 图10.12 EGR降低NOx的效果 2.改进发动机设计改进发动机设计 燃烧系统 进气系统 活塞组设计 分层稀薄燃烧 火花塞位置对油耗和火花塞位置对油耗和HCHC排放物的影响排放物的影响 1 1火花塞在燃烧室侧面火花塞在燃烧室侧面 2 2火花塞
15、在燃烧室中心火花塞在燃烧室中心 3.电子控制燃油喷射系统(EFI)4.提高燃油品质 5.推迟点火提前6.提高点火能量柴油机机内净化技术柴油机机内净化技术 1.增压中冷技术最现实的办法是增加空气量 2.改进进气系统 1)进气组织 2)多气门 图图10.2410.24缸内的各种有组织气流缸内的各种有组织气流(a)a)切向进气道及其产生的旋流切向进气道及其产生的旋流(b)b)螺旋进气道及其产生的螺旋进气道及其产生的旋流旋流 (c)c)纵向滚流纵向滚流(d)d)压缩时的挤流压缩时的挤流(e)e)膨胀时的逆流膨胀时的逆流 3.改进喷油系统改进喷油系统 1)高压喷射高压喷射 2)推迟喷油提前角推迟喷油提前
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