汽車發(fā)動機原理9章1(王建昕)

1、18761876年世界上第一臺內(nèi)燃機誕生，至今已年世界上第一臺內(nèi)燃機誕生，至今已130130余年；余年；19431943年：美國洛杉磯市出現(xiàn)光化學煙霧（年：美國洛杉磯市出現(xiàn)光化學煙霧（photo-chemical smogphoto-chemical 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生成機理：生成機理：HC HC NO NO2 2 O O3 3 PAN PAN（過氧?；跛猁}）過氧酰基硝酸鹽）19661966年：加州實施世界上第一個年：加州實施世界上第一個“汽車排放法規(guī)汽車排放法規(guī)” ” （7 7工況）工況）19

2、681968年：日本實施年：日本實施“大氣污染防止法大氣污染防止法” ” （怠速檢測（怠速檢測COCO）19701970年：歐洲開始實施排放法規(guī)年：歐洲開始實施排放法規(guī) （怠速檢測（怠速檢測COCO、HCHC）19841984年：中國實施排放法規(guī)年：中國實施排放法規(guī) （汽油車怠速（汽油車怠速CO、HC 、柴油車自由加速煙度）、柴油車自由加速煙度）19991999年：北京實施國年：北京實施國法規(guī)法規(guī)20002000年：全國實施歐年：全國實施歐法規(guī)（與歐洲相差法規(guī)（與歐洲相差8 8年）年）20082008年：北京實施國年：北京實施國法規(guī)，實現(xiàn)了國際接軌法規(guī)，實現(xiàn)了國際接軌20102010年年: :

3、 全國實施國全國實施國法規(guī)（汽油車）法規(guī)（汽油車）序言序言排氣污染及其防治的歷程排氣污染及其防治的歷程第9章 有害排放物的生成與控制第9章 有害排放物的生成與控制9.1 9.1 有害排放物的生成機理與影響因素有害排放物的生成機理與影響因素9.2 9.2 排放法規(guī)及測試方法排放法規(guī)及測試方法9.3 9.3 汽油機的機內(nèi)凈化技術(shù)汽油機的機內(nèi)凈化技術(shù)9.4 9.4 柴油機的機內(nèi)凈化技術(shù)柴油機的機內(nèi)凈化技術(shù)9.5 9.5 汽油機排氣后處理技術(shù)汽油機排氣后處理技術(shù)9.6 9.6 柴油機排氣后處理技術(shù)柴油機排氣后處理技術(shù)第9章 有害排放物的生成與控制9.1.1 9.1.1 有害排放物的種類與危害有害排放物

4、的種類與危害l法規(guī)限制成份：法規(guī)限制成份： CO、HC、NOx、顆粒物（針對汽油車和柴油車）l其他有害成份：其他有害成份： 硫化物硫化物SOxSOx、鉛化合物鉛化合物、醛類、醛類、苯類、丁二烯、柴油機排氣臭味苯類、丁二烯、柴油機排氣臭味等，也稱為等，也稱為非非常規(guī)排放物常規(guī)排放物。9.1 9.1 有害排放物的生成機理與影響因素有害排放物的生成機理與影響因素9.1.2 9.1.2 評定指標和單位評定指標和單位分類分類定義定義單位單位備注濃度排放量體積分數(shù)質(zhì)量濃度10106 6、10109 9 、mg/mmg/m3 3儀表給值環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量排放量單位時間質(zhì)量排放量單位測試循環(huán)質(zhì)量排放量g/hg/hg

5、/g/測試循環(huán)測試循環(huán)循環(huán)工況測試比排放量單位功率單位時間排放量單位運轉(zhuǎn)里程質(zhì)量排放量g/(kW.h)g/(kW.h)g/kmg/km發(fā)動機測試整車工況測試ppm9.1.3 9.1.3 有害排放物的生成機理有害排放物的生成機理1）Thermal NO2）Prompt NO 3）Fuel NONONO生成途徑生成途徑1、NOx = NO+NO2+N2O 燃燒中主要生成燃燒中主要生成NONO，少量，少量NONO2 21） Thermal NOExtended Zeldovich Reaction (19461973)( O2 2O )O N2 NO + N H75 Kcalmol1 (1)N O2

6、 NO + O H31.4 Kcalmol1 (2)N OH NO + H H40.8 Kcalmol1 (3)生成條件：生成條件：T1800KT1800K（1 1、3 3式均為強烈的吸熱反應(yīng)）式均為強烈的吸熱反應(yīng)）a a1.01.0，氧化氛圍，氧化氛圍已燃氣體區(qū)域（火焰前鋒面后）已燃氣體區(qū)域（火焰前鋒面后）控制反應(yīng)控制反應(yīng)2） Prompt NOFenimore. C P， 1971年（CnH2n CH、CH2 ）CH N2 HCN + N H3.3 Kcalmol1 (4)CH2 N2 HCN + NH 由由HCN CN NO 由由N經(jīng)式（經(jīng)式（2）、（）、（3） NO 由由NH N NO

7、生成條件：生成條件：相對低溫相對低溫a1.0 ，0.60.7時出現(xiàn)最大值，還原氣氛時出現(xiàn)最大值，還原氣氛燃燒中的氣體燃燒中的氣體 （火焰前鋒面上）（火焰前鋒面上）3）Fuel NO燃料中的氮化合物燃料中的氮化合物HCN、CN、NH2、NHNO生成條件：生成條件：低溫，小于低溫，小于1800K，700900K時有很高生成速率；時有很高生成速率；a影響不明顯，影響不明顯，a1.0時，時，NO生成速率幾乎不變；生成速率幾乎不變；隨燃料含氮量的增加，隨燃料含氮量的增加，NO幾乎直線上升。幾乎直線上升。影響NOx生成的三要素溫度溫度 T，則則NO平衡濃度平衡濃度 ，NO生成速率生成速率，則則NO （其中

8、，生成速率影響最大）其中，生成速率影響最大）氧濃度氧濃度 溫度一定時，氧濃度溫度一定時，氧濃度，則則NO 反應(yīng)時間反應(yīng)時間 如圖所示（甲烷如圖所示（甲烷CH4火焰），火焰）， 相對相對CO、H2O等，等，NO 反應(yīng)較慢反應(yīng)較慢，因此在實際，因此在實際 發(fā)動機燃燒結(jié)束時尚達發(fā)動機燃燒結(jié)束時尚達 不到平衡濃度不到平衡濃度反應(yīng)時間（反應(yīng)時間（S）p熱熱NO NO 是內(nèi)燃機燃燒中的是內(nèi)燃機燃燒中的NOxNOx主要來源主要來源汽油機中汽油機中NONO生成過程例：生成過程例：A A點點：較早燃燒達高溫：較早燃燒達高溫（圖（圖b b，XbXb=0=0）； 受絕熱壓縮，溫度進一步提高；受絕熱壓縮，溫度進一步提

9、高； 高溫及長時間高溫及長時間 NO。B B點點： 相反相反（圖（圖b b，XbXb=1=1）凍結(jié)：凍結(jié)：導致在化學平衡濃度和實際濃度之導致在化學平衡濃度和實際濃度之間出現(xiàn)差別（圖間出現(xiàn)差別（圖c c），），保持較高濃度排出。保持較高濃度排出。AB火花塞火花塞曲柄轉(zhuǎn)角（曲柄轉(zhuǎn)角（CACA）平衡濃度平衡濃度實際濃度實際濃度2、CO不完全燃燒產(chǎn)物，主要受混合氣濃度影響不完全燃燒產(chǎn)物，主要受混合氣濃度影響不完全燃燒不完全燃燒 a a 1 1 1 時：局部缺氧時：局部缺氧熱離解熱離解 CO2 CO 排氣中生成排氣中生成 HC在排氣中進一步氧化時生成在排氣中進一步氧化時生成CO3、未燃未燃HC （THC

10、）（1）HC在汽油機中的生成機理在汽油機中的生成機理p 不完全燃燒不完全燃燒 a1，混合不均、減速、失火、循混合不均、減速、失火、循環(huán)波動環(huán)波動p 壁面淬熄效應(yīng)壁面淬熄效應(yīng) 低溫、弱流動和弱湍流導致低溫、弱流動和弱湍流導致淬熄層淬熄層（Quenching layer）窄縫處面容比大，火焰無法傳入，窄縫處面容比大，火焰無法傳入，也稱也稱縫隙效應(yīng)縫隙效應(yīng) p 油膜和積碳吸附油膜和積碳吸附 混合氣形成過程中，吸附混合氣形成過程中，吸附HC;燃燒過程中，燃燒過程中，“躲過躲過”火焰火焰;排氣過程中，脫附釋放，形成排放排氣過程中，脫附釋放，形成排放GapsDepositsOil filmQuenchin

11、gat Wall 汽油機排氣過程中HC排放變化第一第一HC峰值：峰值： 來源于排氣門周來源于排氣門周圍淬熄層圍淬熄層第二第二HC峰值：峰值： 來源于壁面及環(huán)來源于壁面及環(huán)岸部淬熄層岸部淬熄層 混合不均勻混合不均勻 過濃或過稀過濃或過?。?）HC在柴油機中的生成機理在柴油機中的生成機理油束核心區(qū)油束核心區(qū)著火區(qū)著火區(qū)混合過稀區(qū)混合過稀區(qū)稀限稀限濃限濃限HC在柴油機中的生成機理在柴油機中的生成機理 噴油器壓力室容積噴油器壓力室容積燃油滯留于壓力室燃油滯留于壓力室 受熱膨脹或汽化后低速受熱膨脹或汽化后低速進入燃燒室進入燃燒室 難以混難以混合燃燒合燃燒 二次噴油或后滴二次噴油或后滴4、微粒及碳煙微粒及

12、碳煙PM Particulate Matter, Soot(Smoke) 微粒的成分微粒的成分近年來提出：近年來提出： PM10、PM2.5、汽汽油機油機PMPM粒度越來越小，目前可認為絕大粒度越來越小，目前可認為絕大部分在部分在0.11m范圍（右圖）范圍（右圖）成分質(zhì)量分數(shù)干碳煙（DS）可溶性有機成分（SOF）硫酸鹽(Sulfate)4050354551001020304050607080901001.20.830.28質(zhì)量百分比 /%質(zhì)量百分比 /%Pme /MPaE20 2.5um某歐某歐2柴油機柴油機PM粒度分粒度分布布PM高度顯微圖例高度顯微圖例思考題思考題1. NOx生成的三個途徑

13、：生成的三個途徑：( ) 、( ) ( )。2. 熱熱NO生成的三個影響因素：生成的三個影響因素：( )、( )、（、（ ）。）。3. PM的三種組分為的三種組分為 ( )、（、（ ）、（）、（ )。4. 汽油機汽油機THC生成的原因有：生成的原因有： ( )、( ) ( )5. 不同類型汽車的排放測試方法不同，轎車采用（不同類型汽車的排放測試方法不同，轎車采用（ ），），10噸以上載重車采用（噸以上載重車采用（ ），城市公交車采用），城市公交車采用（ ）方法。）方法。ThermalPromptFuel 溫度溫度空然比空然比時間時間DS SOFSulfate過稀和過濃過稀和過濃淬息效應(yīng)淬息效應(yīng)

14、油膜和積碳吸附效應(yīng)油膜和積碳吸附效應(yīng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)鼓？臺架臺架PM （ Soot）的生成過程的生成過程SootSoot源于烴類燃料在高溫缺氧下的裂解，詳細機理尚不明確。源于烴類燃料在高溫缺氧下的裂解，詳細機理尚不明確。碳粒氧化碳粒氧化（燃燒后期）（燃燒后期）PM生成生成（膨脹和排氣）（膨脹和排氣）碳粒生成碳粒生成（燃燒前期）（燃燒前期）l大的燃油顆粒汽化剩下的重質(zhì)烴，高溫脫氫碳化大的燃油顆粒汽化剩下的重質(zhì)烴，高溫脫氫碳化焦炭焦炭狀大顆粒碳粒（狀大顆粒碳粒（PM10）l氣相烴裂解、脫氫氣相烴裂解、脫氫乙烯（乙烯（CH2CH2）乙炔（乙炔（CH-CH）聚乙炔聚乙炔原子級碳粒原子級碳粒聚合生成碳核（約聚合生

15、成碳核（約2nm ）l遇充分的氧化氛遇充分的氧化氛圍，碳粒部分氧化圍，碳粒部分氧化l小碳粒碰撞、聚合小碳粒碰撞、聚合較大碳粒（不規(guī)則形狀、多較大碳粒（不規(guī)則形狀、多孔聚合物孔聚合物），吸附，吸附HC和硫酸鹽和硫酸鹽 PM柴油機柴油機PM排放的粒徑分布排放的粒徑分布p按粒徑大小可分為四個區(qū)域：按粒徑大小可分為四個區(qū)域：納米微粒（納米微粒（Nanoparticles），），超細微粒（超細微粒（Ultrafine Particles），），細微粒（細微粒（Fine Particles），），PM2.5其余，其余，PM10微粒。微粒。p按形態(tài)不同可分為三類：按形態(tài)不同可分為三類：核態(tài)（核態(tài)（Nucle

16、i Mode），），凝聚態(tài)（凝聚態(tài)（Accumulation Mode）粗糙態(tài)（粗糙態(tài)（Coarse Mode）。）。p從分布特征上來看，呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，從分布特征上來看，呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，分別對應(yīng)核態(tài)及凝聚態(tài)，說明分別對應(yīng)核態(tài)及凝聚態(tài)，說明:質(zhì)量排放的主體在凝聚態(tài)微粒質(zhì)量排放的主體在凝聚態(tài)微粒而數(shù)量排放的主體在核態(tài)微粒而數(shù)量排放的主體在核態(tài)微粒8.1.4 有害排放物生成的影響因素（1）汽油機1 1、a a的影響的影響 CO： a ，CO（單調(diào)）；（單調(diào)）； a1，逐漸達最低值逐漸達最低值 HC： a ，HC ； a 過大，過大，HC回升（過?。┗厣ㄟ^?。?NO： a1.1后，氧化氣氛，但溫度下降

17、，后，氧化氣氛，但溫度下降，NO a1.1左右，高溫富氧同時具備，左右，高溫富氧同時具備，NO達峰值。達峰值。（2 2）柴油機）柴油機lNONO：與汽油機相似，與汽油機相似，但注意區(qū)間但注意區(qū)間l碳煙：與汽油機碳煙：與汽油機COCO相相似，但向稀區(qū)平移似，但向稀區(qū)平移lCOCO：與汽油機與汽油機COCO相似相似，過稀時回升，過稀時回升lHCHC：a a2 2后，過稀后，過稀和低溫使和低溫使HC HC 隨混合趨于均勻，柴油機隨混合趨于均勻，柴油機NOx趨于汽油趨于汽油機的規(guī)律機的規(guī)律均質(zhì)預(yù)混程度均質(zhì)預(yù)混程度a a的影響的影響2 2、發(fā)動機類型的影響、發(fā)動機類型的影響n汽油機Vs柴油機： 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（1：10100）n直噴式柴油機直噴式柴油機Vs非直噴柴油機非直噴柴油機3 3、使用工況影響、使用工況影響排氣成分排氣成分怠速怠速加速加速定速定速減