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1、内燃机原理内燃机的排放与控制内燃机原理内燃机的排放与控制1 1内燃机排放与环境污内燃机排放与环境污染染 内燃机排放主要是指内燃机燃料燃烧后的产物内燃机排放主要是指内燃机燃料燃烧后的产物向大气环境的扩散。向大气环境的扩散。第1页/共58页v完全燃烧产物完全燃烧产物的基本成分是：的基本成分是：（1 1）二氧化碳）二氧化碳（2 2）水蒸汽）水蒸汽（3 3）剩余的氧气）剩余的氧气（4 4）残留的氮气）残留的氮气对人类无直接危害，是对人类无直接危害，是无害排放物无害排放物。第2页/共58页v不完全燃烧产物不完全燃烧产物和和燃烧中间产物燃烧中间产物的基本成分是：的基本成分是：1、CO2、HC3、NOx5、
2、颗粒物、颗粒物6、醛类、醛类4、SO2对人类有直接或间接危害，是对人类有直接或间接危害，是有害排放物有害排放物。第3页/共58页一、内燃机排气中有毒成分的危一、内燃机排气中有毒成分的危害害1、CO2、HC3、NOx4、微粒、微粒5、臭气、臭气6、硫的氧化物、硫的氧化物第4页/共58页1、CO CO是无色、无味的易燃有毒气体，也是空气中是无色、无味的易燃有毒气体，也是空气中最主要的污染物。最主要的污染物。CO在氧气不足的情况下产生，其浓度主要受到在氧气不足的情况下产生，其浓度主要受到过量空气系数过量空气系数的影响。的影响。第5页/共58页2、HC 城市中城市中HC对人体健康无害，但能导致生成有害
3、对人体健康无害，但能导致生成有害的光化学烟雾。的光化学烟雾。（1）在燃烧过程中生成并随排气排出；）在燃烧过程中生成并随排气排出；（2）曲轴箱窜气；）曲轴箱窜气；（3）燃油蒸发。）燃油蒸发。第6页/共58页3、NOx NOx种类繁多，内燃机排气中最重要的是种类繁多，内燃机排气中最重要的是NO和和NO2，两者都具有毒性，对环境会造成危害，是值得，两者都具有毒性，对环境会造成危害，是值得重视的有害排放物。重视的有害排放物。NO2是一种褐色气体，有特殊刺激性臭味，是构是一种褐色气体，有特殊刺激性臭味，是构成内燃机排气臭味的物质成分之一。成内燃机排气臭味的物质成分之一。在燃烧高温期，燃烧室空气中的氧和氮
4、化合形成。在燃烧高温期，燃烧室空气中的氧和氮化合形成。NO和血红素的结合比和血红素的结合比CO还要强烈，高浓度的还要强烈，高浓度的NO能引起中枢神经痉挛及瘫痪。能引起中枢神经痉挛及瘫痪。第7页/共58页4、微粒、微粒 微粒是指空气中分散的液态或固态物质，其粒度在分子级，微粒是指空气中分散的液态或固态物质，其粒度在分子级，包括气溶胶、烟、尘、雾和炭烟等。包括气溶胶、烟、尘、雾和炭烟等。炭烟是在高温和缺氧的条件下生成的。炭烟是在高温和缺氧的条件下生成的。一般肉眼可分辨的微粒直径在一般肉眼可分辨的微粒直径在100m以上。以上。气溶胶是悬浮于空气中的固态微粒，其直径一般小于气溶胶是悬浮于空气中的固态微
5、粒，其直径一般小于1m；烟是指小于烟是指小于1 m的固体微粒；的固体微粒；尘是指大于尘是指大于10 m的固体微粒迅速沉降而形成；的固体微粒迅速沉降而形成；雾是液体微粒，其直径可达雾是液体微粒，其直径可达100 m；炭烟炭烟是指极细的可集成一串的微粒，粒径是指极细的可集成一串的微粒，粒径0.110 m（2.5）。第8页/共58页5、臭气、臭气构成排气中臭气的成分：构成排气中臭气的成分：一是，一是，O3、NO2；二是，燃料的不完全燃烧产物，如甲醛、丙烯醛二是，燃料的不完全燃烧产物，如甲醛、丙烯醛等。等。刺激人的眼粘膜，产生不舒服感。刺激人的眼粘膜，产生不舒服感。第9页/共58页6、硫的氧化物、硫的
6、氧化物 主要是主要是SO2，其数量由燃料的含硫量决定。，其数量由燃料的含硫量决定。一般来说，柴油机比汽油机排气中的一般来说，柴油机比汽油机排气中的SO2多。多。第10页/共58页二、光化学烟雾二、光化学烟雾 上述排气中所含的有毒物质都是内燃机直接排出上述排气中所含的有毒物质都是内燃机直接排出的污染物，称为的污染物，称为一次污染物一次污染物。当其中的当其中的HC和和NOx排入大气后，在太阳光作用排入大气后，在太阳光作用下经光化学反应而生成的刺激性产物，成为下经光化学反应而生成的刺激性产物，成为二次污染二次污染物物，即，即光化学烟雾光化学烟雾。光化学烟雾一般发生在逆温层和低风速、空气接光化学烟雾一
7、般发生在逆温层和低风速、空气接近停滞状态、阳光充足的气象条件下。近停滞状态、阳光充足的气象条件下。第11页/共58页三、各种污染物危害比较三、各种污染物危害比较 最新的研究结果证实，对人体健康的影响以空气最新的研究结果证实，对人体健康的影响以空气中细小颗粒物中细小颗粒物PM2.5污染最为严重，其次是污染最为严重，其次是SO2污染，污染，NOx污染的影响相对较弱。污染的影响相对较弱。第12页/共58页四、大气质量和内燃机排放标准四、大气质量和内燃机排放标准 世界卫生组织将大气质量划分为四个等级，各国世界卫生组织将大气质量划分为四个等级，各国均以此为依据，按照本国的实际情况制定大气质量标均以此为依
8、据，按照本国的实际情况制定大气质量标准。准。我国于我国于1996年颁布了大气环境质量标准年颁布了大气环境质量标准GB309596，规定环境空气中主要污染物为：，规定环境空气中主要污染物为：SO2、总悬浮、总悬浮微粒微粒TSP、可吸入颗粒物、可吸入颗粒物IP、NOx、CO2、CO、O3、铅、苯并铅、苯并芘和氟化物。芘和氟化物。第13页/共58页 大气环境质量大气环境质量 标准标准GB309596把大气环境质量把大气环境质量标准分为三级：标准分为三级：一级标准指为保护自然生态和人群健康，在一级标准指为保护自然生态和人群健康，在长期长期接触接触情况下，不发生任何危害及影响的空气质量要求；情况下，不发
9、生任何危害及影响的空气质量要求；二级标准指为保护人群健康和城市、乡村动植物二级标准指为保护人群健康和城市、乡村动植物在在长期和短期接触长期和短期接触情况下，不发生伤害的空气质量要情况下，不发生伤害的空气质量要求；求；三级标准指为保护人群三级标准指为保护人群不发生急、慢性中毒不发生急、慢性中毒和城和城市一般动植物（敏感者除外）市一般动植物（敏感者除外）能正常生长能正常生长的空气质量的空气质量要求。要求。第14页/共58页目前，国际上主要有三种内燃机排放标准：目前，国际上主要有三种内燃机排放标准：1、美国联邦标准、美国联邦标准2、日本标准、日本标准3、欧洲经济委员会标准、欧洲经济委员会标准第15页
10、/共58页8.28.2内燃机的排气净化技术内燃机的排气净化技术一、排气净化净化的基本思路一、排气净化净化的基本思路二、机内净化的主要途径二、机内净化的主要途径三、机后净化的技术措施三、机后净化的技术措施第16页/共58页一、排气净化的基本思路一、排气净化的基本思路（1）燃料燃烧状况是影响内燃机排气）燃料燃烧状况是影响内燃机排气成分成分的决定性的决定性因素因素难点一：改善燃烧过程难点一：改善燃烧过程 CO、HC和颗粒物排放量减少；和颗粒物排放量减少；NOx排放量增加。排放量增加。第17页/共58页（2）燃料燃烧状况也是影响内燃机）燃料燃烧状况也是影响内燃机性能性能的决定性因的决定性因素素难点二：
11、降低燃烧温度难点二：降低燃烧温度 NOx排放量降低排放量降低 热效率下降，燃油消耗率增加热效率下降，燃油消耗率增加第18页/共58页（3）柴油机和汽油机在排气净化的）柴油机和汽油机在排气净化的侧重点侧重点上不同上不同v柴油机的排气净化主要针对柴油机的排气净化主要针对NOx和颗粒物；和颗粒物；v汽油机的排气净化主要针对汽油机的排气净化主要针对CO、HC和和NOx。第19页/共58页（4）净化方式）净化方式 机前处理对进入内燃机缸内的燃料或空气作有机前处理对进入内燃机缸内的燃料或空气作有利于减少有害排放物生成的预处理。利于减少有害排放物生成的预处理。机后处理对内燃机有害排放物在进入大气前所机后处理
12、对内燃机有害排放物在进入大气前所作的处理，以进一步降低排气中有害成分的含量。作的处理，以进一步降低排气中有害成分的含量。机内净化从有害排放物的源头着手，采取降低机内净化从有害排放物的源头着手，采取降低排气有害成分的有效措施。排气有害成分的有效措施。第20页/共58页二、机内净化的主要二、机内净化的主要途径途径 内燃机自身性能的改善对排放的控制十分重要。内燃机自身性能的改善对排放的控制十分重要。机内净化涉及内容较多，这里，只能介绍一些机机内净化涉及内容较多，这里，只能介绍一些机内净化的要点，更全面的内容可参阅有关文献和书籍。内净化的要点，更全面的内容可参阅有关文献和书籍。第21页/共58页1、汽
13、油机、汽油机 汽油机的排气净化主要针对汽油机的排气净化主要针对CO、HC和和NOx，其主要净化途径有：其主要净化途径有：（1）改进燃烧系统）改进燃烧系统（2）减小点火提前角）减小点火提前角（3）废气再循环）废气再循环（4）电控燃油喷射系统）电控燃油喷射系统第22页/共58页（1）改进燃烧系统）改进燃烧系统1）燃烧室形状）燃烧室形状 紧凑形燃烧室、快速燃烧加上优化的紧凑形燃烧室、快速燃烧加上优化的EGR率和点率和点火定时，使发动机的动力性、经济性、火定时，使发动机的动力性、经济性、排放性能之间排放性能之间获得最佳折中。获得最佳折中。采用多气门技术和涡轮增压技术，可以改善动力采用多气门技术和涡轮增
14、压技术，可以改善动力性和经济性，也可以降低性和经济性，也可以降低CO2和污染物的比排放量。和污染物的比排放量。第23页/共58页2）压缩比）压缩比3）火花塞位置）火花塞位置 较高的压缩比带来与紧凑形燃烧室类似的优点。较高的压缩比带来与紧凑形燃烧室类似的优点。把火花塞布置在气缸中央，缩短火焰传播路径，把火花塞布置在气缸中央，缩短火焰传播路径，加速燃烧过程，带来与紧凑形燃烧室同样的优点。加速燃烧过程，带来与紧凑形燃烧室同样的优点。4）采用稀薄燃烧系统）采用稀薄燃烧系统 必须采用分层燃烧技术和提高点火能量。必须采用分层燃烧技术和提高点火能量。燃烧温度降低，抑制了燃烧温度降低，抑制了NOx的生成；燃烧
15、较完全，的生成；燃烧较完全，减少了减少了HC和和CO的产生。的产生。第24页/共58页（2）减小点火提前角）减小点火提前角点火推迟，点火推迟，HC、CO和和NOx的排放量均可减少。的排放量均可减少。注意：注意：v在怠速工况时，可有效减少排污，也有利于怠速的在怠速工况时，可有效减少排污，也有利于怠速的稳定。稳定。v正常工作时，不能有过多的推迟。正常工作时，不能有过多的推迟。第25页/共58页（3）排气再循环）排气再循环 排气再循环（排气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）就是将发）就是将发动机排出的部分废气引入进气管，与新鲜混合气混合后进入气动机排出的部分废气引入
16、进气管，与新鲜混合气混合后进入气缸，利用废气中所含有大量的化学惰性气体（缸，利用废气中所含有大量的化学惰性气体（CO2、N2、H2O等）不参与燃烧却能吸收热量的特点，稀释混合气的氧浓度并等）不参与燃烧却能吸收热量的特点，稀释混合气的氧浓度并降低燃烧温度，从而减少降低燃烧温度，从而减少NOx的排放量。的排放量。第26页/共58页1、排气再循环系统的分类、排气再循环系统的分类 （1）内部废气再循环系统通过改变配气正时实现，即在）内部废气再循环系统通过改变配气正时实现，即在进排气门同时开启时，使一部分废气回流入气缸内。进排气门同时开启时，使一部分废气回流入气缸内。（2）外部废气再循环系统利用专用管道
17、将废气引入进气）外部废气再循环系统利用专用管道将废气引入进气歧管，使废气与新鲜充量在进入气缸前充分混合。歧管，使废气与新鲜充量在进入气缸前充分混合。第27页/共58页2、排气再循环系统的控制策略、排气再循环系统的控制策略 通常用排气再循环率来衡量废气的引入量，即：通常用排气再循环率来衡量废气的引入量，即：为了保证发动机运转性能良好的同时达到最佳的为了保证发动机运转性能良好的同时达到最佳的NOx净化净化效果，必须对发动机不同工况下的排气再循环量进行控制。效果，必须对发动机不同工况下的排气再循环量进行控制。第28页/共58页 EGR系统要随发动机工况、排放性能和经济性系统要随发动机工况、排放性能和
18、经济性的要求、控制系统的精度和可靠性等来调节的要求、控制系统的精度和可靠性等来调节EGR率，率，使发动机性能获得最佳折中，如：使发动机性能获得最佳折中，如：1）EGR率随汽油机负荷增加而增加，一般不超过率随汽油机负荷增加而增加，一般不超过20；2）在起动、怠速、暖机、小负荷和大负荷时，不进）在起动、怠速、暖机、小负荷和大负荷时，不进行行EGR过程；过程；3）采用电子控制）采用电子控制EGR阀系统精确地控制阀系统精确地控制EGR率。率。第29页/共58页（4）电控燃油喷射系统）电控燃油喷射系统 采用电子控制汽油喷射系统，可以精确控制汽油采用电子控制汽油喷射系统，可以精确控制汽油机在各种工况下的混
19、合气浓度，是减少车用汽油机排机在各种工况下的混合气浓度，是减少车用汽油机排放的最有效措施，还可以改善经济性和动力性。放的最有效措施，还可以改善经济性和动力性。第30页/共58页2、柴油机、柴油机 柴油机的排放控制，重点是柴油机的排放控制，重点是NOx和微粒，其次是和微粒，其次是HC，难度较大：，难度较大：一是，降低微粒和一是，降低微粒和HC排放与改善燃烧过程完全排放与改善燃烧过程完全一致，而一致，而NOx排放却与之矛盾；排放却与之矛盾；二是，排气后处理技术还未达到实用阶段，主要二是，排气后处理技术还未达到实用阶段，主要依靠机内净化技术来降低排放污染。依靠机内净化技术来降低排放污染。第31页/共
20、58页柴油机的燃烧过程可分为：柴油机的燃烧过程可分为：预混合燃烧预混合燃烧 NOx排放量排放量 扩散燃烧扩散燃烧 微粒排放量微粒排放量第32页/共58页 柴油机技术的发展趋势是提高喷油压力，降低进柴油机技术的发展趋势是提高喷油压力，降低进气涡流强度，以减小进气损失，配合多孔数、小孔径气涡流强度，以减小进气损失，配合多孔数、小孔径喷油器来获得良好的混合气。喷油器来获得良好的混合气。第33页/共58页（1）燃烧方式和燃烧室形状）燃烧方式和燃烧室形状如图所示，现代车用增压柴油机排放物的负荷特性：如图所示，现代车用增压柴油机排放物的负荷特性：第34页/共58页（2）喷油器）喷油器 在喷油嘴设计时应适当
21、减小或取消压力室容积。在喷油嘴设计时应适当减小或取消压力室容积。第35页/共58页（3）气流组织和多气门技术）气流组织和多气门技术 多气门技术扩大了进、排气门的总流通截面积，多气门技术扩大了进、排气门的总流通截面积，喷油器垂直布置在气缸轴线上，有利于燃油在燃烧室喷油器垂直布置在气缸轴线上，有利于燃油在燃烧室空间中均匀分布，改善了喷油器的冷却情况和活塞热空间中均匀分布，改善了喷油器的冷却情况和活塞热应力。应力。第36页/共58页 如图所示，是一台如图所示，是一台6缸、缸、10L、4气门增压重型车气门增压重型车用柴油机实现低排放和高经济性的技术措施：用柴油机实现低排放和高经济性的技术措施：第37页
22、/共58页（4）废气再循环）废气再循环柴油机也可以通过废气再循环来降低柴油机也可以通过废气再循环来降低NOx排放：排放：v柴油机所用柴油机所用EGR系统与汽油机类似。系统与汽油机类似。v柴油机允许并需要较大的柴油机允许并需要较大的EGR率来降低率来降低NOx排放，排放，如如 直喷式柴油机的直喷式柴油机的EGR率可以超过率可以超过40；非直喷式柴油机的非直喷式柴油机的EGR率可达率可达20。第38页/共58页注意：注意：1）为了防止产生较多的微粒，一般在中、低负荷时）为了防止产生较多的微粒，一般在中、低负荷时用较大的用较大的EGR率；率；3）为了保证较多的新鲜空气充量，当转速提高时要）为了保证较
23、多的新鲜空气充量，当转速提高时要降低降低EGR率；率；4）采用冷废气再循环，可以提高降低）采用冷废气再循环，可以提高降低NOx排放的效排放的效果。果。2）为了保证性能，在全负荷时不进行）为了保证性能，在全负荷时不进行EGR过程；过程；第39页/共58页（5）增压）增压 采用增压可以提高柴油机的过量空气系数和进气采用增压可以提高柴油机的过量空气系数和进气温度，因而温度，因而CO、HC及炭烟的排放均可降低，但及炭烟的排放均可降低，但NOx有所增加。有所增加。增压中冷技术，既能全面降低排污，又能提高性增压中冷技术，既能全面降低排污，又能提高性能指标。能指标。第40页/共58页（6）改善喷油特性）改善
24、喷油特性1）减小喷油提前角）减小喷油提前角 降低降低NOx生成量的主要措施就是推迟喷油。生成量的主要措施就是推迟喷油。缺点是经济性下降，全负荷时炭烟排放量增加；缺点是经济性下降，全负荷时炭烟排放量增加；分隔式燃烧室，低负荷时不易着火，导致分隔式燃烧室，低负荷时不易着火，导致HC排放量排放量增加。增加。第41页/共58页2）合理的喷油规律）合理的喷油规律 为促使理想的燃烧过程，喷油应该为促使理想的燃烧过程，喷油应该“先缓后急先缓后急”，即即第42页/共58页 为了实现为了实现“先缓后急先缓后急”的的喷油规律，以降低柴油机喷油规律，以降低柴油机NOx排放和燃烧噪声，可以采用双排放和燃烧噪声，可以采
25、用双弹簧喷油器弹簧喷油器:第43页/共58页3）提高喷油压力）提高喷油压力 高压喷射使混合气浓度分布更均匀，从而改善高压喷射使混合气浓度分布更均匀，从而改善了炭烟排放和热效率。但是，高压喷射也会使了炭烟排放和热效率。但是，高压喷射也会使NOx有有所增加。所增加。第44页/共58页4）电控燃油喷射系统）电控燃油喷射系统电控燃油喷射系统电控燃油喷射系统 可进行喷射系统各参数的调节，选定最佳的喷射定可进行喷射系统各参数的调节，选定最佳的喷射定时和喷油量；时和喷油量；可控制喷射特性，实现更为合理的喷油规律；可控制喷射特性，实现更为合理的喷油规律；可优化燃烧过程，使柴油机在动力性、经济性和可优化燃烧过程
26、，使柴油机在动力性、经济性和排放性能上达到最佳的折中；排放性能上达到最佳的折中；能实现高压喷射等，表现出无可比拟的优点。能实现高压喷射等，表现出无可比拟的优点。第45页/共58页三、机后净化的技术措施三、机后净化的技术措施 燃气从缸内排出后，机后处理可进一步减少排燃气从缸内排出后，机后处理可进一步减少排气中的有害成分，其中包括：气中的有害成分，其中包括：1、排气热反应器、排气热反应器2、排气催化反应器、排气催化反应器3、微粒过滤器、微粒过滤器4、防止汽油蒸发装置、防止汽油蒸发装置第46页/共58页1、排气热反应器、排气热反应器 热反应器装在内燃机排气道的出口处，它可以进热反应器装在内燃机排气道
27、的出口处，它可以进一步氧化排气中的一步氧化排气中的HC和和CO，常与外源空气喷射连用。，常与外源空气喷射连用。第47页/共58页2、排气催化反应器、排气催化反应器 一般内燃机起动后一般内燃机起动后2min内反应不会起作用，大致内反应不会起作用，大致预热预热45min后才起作用。后才起作用。第48页/共58页1）氧化催化反应器）氧化催化反应器 在欧洲的应用较为普遍，技术上比较成熟，主要在欧洲的应用较为普遍，技术上比较成熟，主要用来消除微粒中可溶性物质（用来消除微粒中可溶性物质（SOF）及）及HC、CO，一，一般用贵金属铂、钯作催化剂，浸渍在载体上。般用贵金属铂、钯作催化剂，浸渍在载体上。应用氧化
28、催化反应器后，应用氧化催化反应器后，HC、CO的氧化率可达的氧化率可达到到50左右，微粒物减少左右，微粒物减少40左右。左右。第49页/共58页2）还原催化反应器）还原催化反应器 利用排气中的利用排气中的CO、HC和和H2等作为还原剂，使等作为还原剂，使NOx完全还原。完全还原。催化剂有：金属氧化物、贵金属。催化剂有：金属氧化物、贵金属。第50页/共58页3）三效催化反应器）三效催化反应器 目前，常采用双床催化反应器同时对目前，常采用双床催化反应器同时对HC、CO和和NOx三种有害排放物进行处理：三种有害排放物进行处理：需要提高空燃比的控制精度，使其尽可能地维持需要提高空燃比的控制精度，使其尽
29、可能地维持在在理论空燃比为中心的非常狭窄的范围内理论空燃比为中心的非常狭窄的范围内。第51页/共58页 为了获得为了获得三元催化转化器三元催化转化器所要求的空燃比，必须所要求的空燃比，必须借助氧传感器送来的反馈信号，对空燃比进行反馈控借助氧传感器送来的反馈信号，对空燃比进行反馈控制。制。第52页/共58页3、微粒过滤器、微粒过滤器 工作原理：先用收集器过滤废气中的微粒物质，工作原理：先用收集器过滤废气中的微粒物质，然后，通过对收集的微粒的氧化来清洁捕集器。然后，通过对收集的微粒的氧化来清洁捕集器。第53页/共58页微粒过滤器的应用难点：微粒过滤器的应用难点：第一，过滤器的安装使排气背压增大，并
30、且随着第一，过滤器的安装使排气背压增大，并且随着收集微粒物的增加而增大，将导致柴油机性能下降；收集微粒物的增加而增大，将导致柴油机性能下降；第二，在一般柴油机运转条件下收集的微粒物不第二，在一般柴油机运转条件下收集的微粒物不能点燃及氧化；能点燃及氧化；第三，微粒物质被点燃之后，容易造成温度过高，第三，微粒物质被点燃之后，容易造成温度过高，损伤或烧坏过滤器。损伤或烧坏过滤器。第54页/共58页4、防止汽油蒸发装置、防止汽油蒸发装置第55页/共58页1）曲轴箱强制通风封闭系统）曲轴箱强制通风封闭系统（PCV）从空气滤清器引出一从空气滤清器引出一股新鲜空气进入曲轴箱，股新鲜空气进入曲轴箱，再经流量调节阀（再经流量调节阀（PCV阀）阀）把窜入曲轴箱的气体和空把窜入曲轴箱的气体和空气的混合气一起吸入气缸气的混合气一起吸入气缸烧掉。烧掉。第56页/共58页2）燃油蒸发排放控制系统）燃油蒸发排放控制系统 为了防止燃油蒸气扩散到空气中，常用活性炭罐为了防止燃油蒸气扩散到空气中，常用活性炭罐作为汽油蒸气的暂存空间，实现对汽油蒸发排放物的作为汽油蒸气的暂存空间，实现对汽油蒸发排放物的控制。控制。第57页/共58页