发动机原理之有害排放物的生成与控制

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1、汽车发动机原理汽车发动机原理Automotive EngineFundamentals有害排放物的生成与控制有害排放物的生成与控制9.1有害排放物的生成机理9.7非排放污染物控制技术9.2排放法规及测试方法9.6柴油机排放后处理技术9.3汽油机的机内净化技术9.5汽油机排放后处理技术9.4柴油机的机内净化技术有害排放有害排放物的生成物的生成与平控制与平控制9.1有害排放物的生成机理9.1.19.1.1有害排放物的种类及危害有害排放物的种类及危害内燃机在燃烧过程中产生的有害成分主要为一氧化碳（内燃机在燃烧过程中产生的有害成分主要为一氧化碳（CO）、碳氢化）、碳氢化合物（合物（HC）、氮氧化合物（

2、）、氮氧化合物（NOx）、硫氧化合物（）、硫氧化合物（SOx）、铅化合物和微）、铅化合物和微粒等称为排气污染物或排放物。粒等称为排气污染物或排放物。因曲轴箱窜气和燃油系统油气挥发等原因排向大气的有害成分称为非因曲轴箱窜气和燃油系统油气挥发等原因排向大气的有害成分称为非排气污染物。排气污染物。有害排放物包括排气污染物和非排气污染物。有害排放物包括排气污染物和非排气污染物。目前排放法规限制的是目前排放法规限制的是CO、NOx、HC和微粒四种。和微粒四种。9.1有害排放物的生成机理9.1.19.1.1有害排放物的种类及危害有害排放物的种类及危害1.一氧化碳（一氧化碳（CO）成分：成分：CO是一种无色

3、、无臭、窒息性很强的气体。是一种无色、无臭、窒息性很强的气体。危害：危害：CO与血液中作为输氧载体的血红素蛋白（与血液中作为输氧载体的血红素蛋白（Hb）的亲和力比）的亲和力比O2 高高200300倍很容易结合成碳氧血红丝蛋白（倍很容易结合成碳氧血红丝蛋白（CO-Hb），使血液的输氧），使血液的输氧能力大大降低，导致心脏、大脑等重要器官严重缺氧。轻度能力大大降低，导致心脏、大脑等重要器官严重缺氧。轻度CO中毒时，中毒时，会出现头晕、头痛、呼吸障碍等症状，中枢神经系统将受到损害；严会出现头晕、头痛、呼吸障碍等症状，中枢神经系统将受到损害；严重重CO中毒时，会出现恶心、心痛、昏迷等症状、甚至死亡。大

4、气中的中毒时，会出现恶心、心痛、昏迷等症状、甚至死亡。大气中的CO浓度超过浓度超过0.3%时，时，30min之内可致人死亡。之内可致人死亡。9.1有害排放物的生成机理9.1.19.1.1有害排放物的种类及危害有害排放物的种类及危害2.氮氧化物（氮氧化物（NOx）成分：内燃机排放物的当氧化物包括一氧化氮（成分：内燃机排放物的当氧化物包括一氧化氮（NO）、二氧化氮）、二氧化氮（NOx）和一氧化二氮（氧化亚氮）和一氧化二氮（氧化亚氮N2O），总称），总称NOx.。危害：危害：Nox在大气中反应生成硝酸，称为酸雨的主要成分之一，同在大气中反应生成硝酸，称为酸雨的主要成分之一，同时是光化学烟雾的主要成分

5、。时是光化学烟雾的主要成分。9.1有害排放物的生成机理9.1.19.1.1有害排放物的种类及危害有害排放物的种类及危害3.碳氢化合物（碳氢化合物（HC）成分：成分：HC包括未然和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物包括未然和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，如苯、醛、酮、烯烃、多环芳烃（和部分氧化物，如苯、醛、酮、烯烃、多环芳烃（PHA）等）等200多多种成分。种成分。危害：饱和烃对人体危害不大。烯烃又麻醉作用，对粘膜又刺激，危害：饱和烃对人体危害不大。烯烃又麻醉作用，对粘膜又刺激，经代谢转换会成对基因有毒的环氧衍生物，也是形成光化学烟雾的经代谢转换会成对基因有毒的环氧衍生物，

6、也是形成光化学烟雾的重要物质。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳烃重要物质。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳烃（PAH）及其衍生物（如苯并芘等）有强烈的致癌作用。醛类是）及其衍生物（如苯并芘等）有强烈的致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害作用。刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害作用。9.1有害排放物的生成机理9.1.19.1.1有害排放物的种类及危害有害排放物的种类及危害4.光化学烟雾光化学烟雾成因：成因：Nox和和HC在强烈阳光照射下经过一些列链式光化学反应，会在强烈阳光照射下经过一些列链式光化学反应，会生成臭氧（生成臭氧（O3）和过氧乙酰硝酸盐（）和过氧乙酰

7、硝酸盐（PAN），即生成二次污染物的光），即生成二次污染物的光化学烟雾。这一反应在温度高、日照强烈、湿度较低、风速不大的天化学烟雾。这一反应在温度高、日照强烈、湿度较低、风速不大的天气最为剧烈。气最为剧烈。危害：这种氧化性很强的烟雾，使人感到眼睛刺痛，呼吸道感到强危害：这种氧化性很强的烟雾，使人感到眼睛刺痛，呼吸道感到强烈刺激，头晕呕吐。光化学烟雾中的烈刺激，头晕呕吐。光化学烟雾中的O3是强氧化剂，能使植物变黑直是强氧化剂，能使植物变黑直至枯死，有特殊的臭味，暴露在至枯死，有特殊的臭味，暴露在0.000001的条件下的条件下1h会引起气喘和会引起气喘和慢性中毒，暴露在慢性中毒，暴露在0.000

8、05的条件下能致人死亡。的条件下能致人死亡。9.1有害排放物的生成机理9.1.19.1.1有害排放物的种类及危害有害排放物的种类及危害5.微粒及碳烟微粒及碳烟成分：内燃机排气微粒（成分：内燃机排气微粒（particulate mater，PM）的主要成分是碳、）的主要成分是碳、有机物质和硫酸盐，也称颗粒物。有机物质和硫酸盐，也称颗粒物。危害：微粒对人体健康有危害，并降低大气能见度，给人以不快感。危害：微粒对人体健康有危害，并降低大气能见度，给人以不快感。小于小于10m的微粒易被人体吸入，称为可吸入颗粒物；小于的微粒易被人体吸入，称为可吸入颗粒物；小于2.5 m的的微粒对人体和大气环境的危害最大

9、，它悬浮于里地面微粒对人体和大气环境的危害最大，它悬浮于里地面12m的空气中，的空气中，最容易被人体吸入并积存在支气管和肺部。微粒除对呼吸系统有害，最容易被人体吸入并积存在支气管和肺部。微粒除对呼吸系统有害，引发哮喘等病症外，还因含有苯并芘等多种引发哮喘等病症外，还因含有苯并芘等多种PAH，具有不容程度的致，具有不容程度的致癌作用。癌作用。9.1有害排放物的生成机理9.1.19.1.1有害排放物的种类及危害有害排放物的种类及危害6.硫氧化物（硫氧化物（SO x）成分：内燃机排放的硫氧化物主要是成分：内燃机排放的硫氧化物主要是SO 2,也有少量的也有少量的SO3，总称，总称SOx。危害：危害：S

10、ox直接对人体有毒害作用，排放到大气中的直接对人体有毒害作用，排放到大气中的Sox出了是形出了是形成酸雨的主要成分外，还会有成酸雨的主要成分外，还会有50%变成硫酸盐，形成二次微粒。变成硫酸盐，形成二次微粒。9.1有害排放物的生成机理9.1.29.1.2有害排放物的评价指标有害排放物的评价指标1.浓度排放量浓度排放量发动机的浓度排放量是指排放物在总排气量中所占的比例。发动机的浓度排放量是指排放物在总排气量中所占的比例。对固态排放物如柴油机颗粒物等，常用质量浓度表示，单位为对固态排放物如柴油机颗粒物等，常用质量浓度表示，单位为mg/m或或g/m。2.质量排放量质量排放量排放物在单位时间内排出的质

11、量，称为排放物质量流量。排放物在单位时间内排出的质量，称为排放物质量流量。通常用通常用g/h表示。表示。3.比排放量比排放量发动机每单位功排出的排放物质量。单位为发动机每单位功排出的排放物质量。单位为g/(kWh)。4.排放率排放率燃烧单位质量的燃料所排出的排放物质量，也称为排放指数。燃烧单位质量的燃料所排出的排放物质量，也称为排放指数。常用常用g/kg表示。表示。9.1有害排放物的生成机理9.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理1.氮氧化物（氮氧化物（NOx）发动机燃烧过程中主要生成发动机燃烧过程中主要生成NO，另外有少量的，另外有少量的NO2。NO2。的生成量随的生成量

12、随过量空气系数过量空气系数a而变，汽油机的而变，汽油机的a较小，一般较小，一般NO2占占NOx的的1%10%；而；而柴油机由于柴油机由于a较大，一般为较大，一般为5%15%。燃烧过程中产生的。燃烧过程中产生的NO经排气管经排气管排至大气中，在大气条件下缓慢地与排至大气中，在大气条件下缓慢地与O2反应，最终生成反应，最终生成NO2。关于关于NO的生成途径有三种：高温的生成途径有三种：高温NO、激发、激发NO和燃料和燃料NO。9.1有害排放物的生成机理9.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理1）高温）高温NO（thermal NO）特点：高温富氧特点：高温富氧N2+O N+NO

13、，H=75kcal/mol （控制反应）（控制反应）N+O2 O+NO，H=-31.4kcal/molN+OH H+NO，H=40.8kcal/mol2）激发）激发NO（prompt NO）CH+N2 HCN+NCH2+N2 HCN+NH3）燃料）燃料NO（fuel NO）燃料中所含氮化合物在燃烧中会生成燃料中所含氮化合物在燃烧中会生成NO。燃料中的氮化合物在高温。燃料中的氮化合物在高温下首先生成下首先生成HCN、CN、NH2和和NH等中间产物，然后通过上述激发等中间产物，然后通过上述激发NO相似的途径生成相似的途径生成NO。4）实际发动机中的）实际发动机中的NO来源与生成条件来源与生成条件综

14、上所述，在综上所述，在NO的三个生成途径中，由于内燃机很少用过浓混合气的三个生成途径中，由于内燃机很少用过浓混合气工作，以及用燃料的含氮率极低，因而可以暂不考虑激发工作，以及用燃料的含氮率极低，因而可以暂不考虑激发NO和燃料和燃料NO，高温，高温NO是内燃机和车用发动机是内燃机和车用发动机NO的排放的主要来源。根据高的排放的主要来源。根据高温温NO反应机理，产生反应机理，产生NO的条件是温度、氧浓度和反应时间，称其的条件是温度、氧浓度和反应时间，称其为为NO生成三要素。生成三要素。9.1有害排放物的生成机理9.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理9.1有害排放物的生成机理9

15、.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理2.一氧化碳（一氧化碳（CO）生成机理：生成机理：1）局部燃烧不完全；）局部燃烧不完全；2）已成为完全燃烧产物的）已成为完全燃烧产物的CO2在高温时产生热离解反应，生在高温时产生热离解反应，生成成CO；3）未燃碳氢化合物在排气过程中进行的不完全氧化反应也会）未燃碳氢化合物在排气过程中进行的不完全氧化反应也会产生少量产生少量CO9.1有害排放物的生成机理9.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理3.碳氢化合物（碳氢化合物（HC）碳氢化合物也是一种不完全燃烧产物，包含上百种成分，因此也称碳氢化合物也是一种不完全燃烧产物，包

16、含上百种成分，因此也称为总碳氢化合物。为总碳氢化合物。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；壁面淬熄效应；壁面淬熄效应；壁面油膜和积碳的吸附效应；壁面油膜和积碳的吸附效应；2）HC在柴油机中的生成机理在柴油机中的生成机理混合不均匀；混合不均匀；喷油器压力室容积的影响；喷油器压力室容积的影响；二次喷射或后滴；二次喷射或后滴；3）非排气）非排气HC的生成机理的生成机理曲轴箱窜气；曲轴箱窜气；燃油蒸发。燃油蒸发。9.1有害排放物的生成机理9.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理4.微粒及碳烟的生成机理微粒及碳烟的生成机理由于汽油机采用预混合燃烧方

17、式，除了因使用高含铅量汽油而引起由于汽油机采用预混合燃烧方式，除了因使用高含铅量汽油而引起含铅微粒排放，以及将润滑油混入汽油中进行润滑的二冲程发动机含铅微粒排放，以及将润滑油混入汽油中进行润滑的二冲程发动机外，一般可以认为汽油机很少产生微粒。而柴油机采用扩散燃烧方外，一般可以认为汽油机很少产生微粒。而柴油机采用扩散燃烧方式，这就决定了柴油机产生碳烟和微粒是不可避免的。式，这就决定了柴油机产生碳烟和微粒是不可避免的。9.1有害排放物的生成机理9.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理1）柴油机微粒的基本特征）柴油机微粒的基本特征微粒的构成及主要成分微粒的构成及主要成分柴油机微粒

18、主要由三部分构成，即柴油机微粒主要由三部分构成，即（干）碳烟、可溶性有机物和硫酸（干）碳烟、可溶性有机物和硫酸盐。盐。PM的粒径和排放数量的粒径和排放数量20世纪世纪80年代前的车用柴油机微年代前的车用柴油机微粒粒径在粒粒径在110m范围内，后来随范围内，后来随高压喷射技术的采用和汽油混合过高压喷射技术的采用和汽油混合过程的改善，粒径已基本在程的改善，粒径已基本在1m以下以下。9.1有害排放物的生成机理9.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理2）碳烟和微粒的生成机理）碳烟和微粒的生成机理9.1有害排放物的生成机理9.1.39.1.3有害排放物的生成机理有害排放物的生成机理碳

19、烟生成阶段碳烟生成阶段：烃类燃料在在高温缺氧条件下裂解生烃类燃料在在高温缺氧条件下裂解生成；成；3C2H4 C6H6 C6H6 PAH 炭黑炭黑C2H4 C2H2+H2 C2H2 2C+H2碳烟氧化阶段：碳烟氧化阶段：前期燃烧已经生成的碳烟，如果在后前期燃烧已经生成的碳烟，如果在后期遇到足够的氧化分为和高温，也会期遇到足够的氧化分为和高温，也会通过过氧化反应而缩小甚至完全氧化通过过氧化反应而缩小甚至完全氧化掉。掉。微粒形成阶段微粒形成阶段燃烧过程中生成的碳烟在膨胀和排气燃烧过程中生成的碳烟在膨胀和排气过程直至排入大气后，随周围气体温过程直至排入大气后，随周围气体温度的降低，未燃碳氢化合物、硫酸

20、盐度的降低，未燃碳氢化合物、硫酸盐以及水分等在碳烟上吸附凝聚，形成以及水分等在碳烟上吸附凝聚，形成如图的排气微粒如图的排气微粒PM。9.1有害排放物的生成机理9.1.49.1.4有害排放物的生成的影响因素有害排放物的生成的影响因素1.过量空气系数过量空气系数a的影响的影响1）对汽油机的影响）对汽油机的影响2）对柴油机的影响）对柴油机的影响9.1有害排放物的生成机理9.1.49.1.4有害排放物的生成的影响因素有害排放物的生成的影响因素2.运转工况的影响运转工况的影响发动机在不同工况下运转时，其过量空气系数发动机在不同工况下运转时，其过量空气系数a和燃烧温度不同，和燃烧温度不同，因而造成有害排放

21、物的生成量不同。因而造成有害排放物的生成量不同。3.发动机类型的影响发动机类型的影响1）汽油机与柴油机排放特性的对比（图）汽油机与柴油机排放特性的对比（图1）2）不同类型柴油机的排放特性对比（图）不同类型柴油机的排放特性对比（图2）9.1有害排放物的生成机理9.1.49.1.4有害排放物的生成的影响因素有害排放物的生成的影响因素排放成分排放成分汽油机汽油机柴油机柴油机CO0.5%2.5%0.2%HC0.020.050.01NOX0.0250.040.02碳烟/(g/m)0.0050.050.25图图19.1有害排放物的生成机理9.1.49.1.4有害排放物的生成的影响因素有害排放物的生成的影响

22、因素图图29.2排放法规及测试方法9.2.19.2.1排放法规分类排放法规分类1.怠速法与工况法怠速法与工况法怠速法：怠速法：测量汽车在怠速工况下排放污染物的一种方法，一般仅测测量汽车在怠速工况下排放污染物的一种方法，一般仅测CO和和HC，测量仪器采用便携式排放分析仪。这种方法具有简便易行、测，测量仪器采用便携式排放分析仪。这种方法具有简便易行、测试设备价廉以及试验时间短等优点，但测量精度低，测量结果缺乏安试设备价廉以及试验时间短等优点，但测量精度低，测量结果缺乏安全性和代表性。全性和代表性。工况法：工况法：将若干汽车常用工况和排放污染较重的工况组合成一个或若将若干汽车常用工况和排放污染较重的

23、工况组合成一个或若干个测试循环，试验时测取汽车或发动机在整个测试循环中的比排放干个测试循环，试验时测取汽车或发动机在整个测试循环中的比排放量。与怠速法相比，工况法可以全面地反映汽车排放水平，一般用于量。与怠速法相比，工况法可以全面地反映汽车排放水平，一般用于新车的型式认证和一致性检测。新车的型式认证和一致性检测。2.世界汽车排放体系世界汽车排放体系目前世界上的汽车排放法规主要有三个体系，即美国、欧洲和日本排目前世界上的汽车排放法规主要有三个体系，即美国、欧洲和日本排放体系。中国和其他大多数国家是参照欧洲排放法规制定并实施的或放体系。中国和其他大多数国家是参照欧洲排放法规制定并实施的或的排放法规

24、。的排放法规。9.2排放法规及测试方法9.2.19.2.1排放法规分类排放法规分类9.2排放法规及测试方法9.2.29.2.2轻型车排放法规轻型车排放法规1.美国美国世界上最早的工况法排放法规于世界上最早的工况法排放法规于1966年诞生在美国加利福尼亚州，用年诞生在美国加利福尼亚州，用7个循环组成一个测试循环，称为加州标准测试循环，并与个循环组成一个测试循环，称为加州标准测试循环，并与1968年被年被美国联邦政府采纳作为联邦排放法规。美国联邦排放法规定义了不同美国联邦政府采纳作为联邦排放法规。美国联邦排放法规定义了不同阶段的轻型车标准：第一阶段（阶段的轻型车标准：第一阶段（Tier）标准从）标

25、准从1994年到年到1997年逐步实年逐步实施；第二阶段（施；第二阶段（Tier 2）标准从）标准从2004年到年到2009年逐步实施年逐步实施。2.欧盟欧盟欧盟由欧洲欧盟由欧洲27个成员国组成，个成员国组成，制定统一的汽车排放法规，制定统一的汽车排放法规，由各成员国参照执行。由各成员国参照执行。欧洲轻型车排放测试循环如欧洲轻型车排放测试循环如图，它由若干等加速、等减图，它由若干等加速、等减速、等速和怠速工况组成。速、等速和怠速工况组成。9.2排放法规及测试方法9.2.29.2.2轻型车排放法规轻型车排放法规3.日本日本日本从日本从1966年开始对汽车排放进行控制，规定汽车尾气中的年开始对汽车

26、排放进行控制，规定汽车尾气中的CO浓度在浓度在3%以下，这是世界上第一个国家级排放法规。日本轻型车排放法规采以下，这是世界上第一个国家级排放法规。日本轻型车排放法规采用用10-15工况测试，工况测试，10-15工况循环类似工况循环类似NEDC循环，循环里程循环，循环里程4.16km，平均车速平均车速22.7km/h，持续时间，持续时间660秒。秒。4.中国中国我国于我国于1984年年4月月1日考试实施汽车排放法规，最初的日考试实施汽车排放法规，最初的GB 38423844-83分别为汽车怠速污染物、柴油车自由加速烟度、汽车柴油机全负荷烟度分别为汽车怠速污染物、柴油车自由加速烟度、汽车柴油机全负

27、荷烟度排放标准，仅规定了单一工况下的排放限制，也未控制排放标准，仅规定了单一工况下的排放限制，也未控制NOX排放。排放。9.2排放法规及测试方法9.2.39.2.3重型车排放法规重型车排放法规1.美国美国2000年年12月月21日，美国日，美国EPA颁布了颁布了2007年及以后的重型柴油机排放标准，排放限值年及以后的重型柴油机排放标准，排放限值进一步加严，进一步加严，PM为为0.01g/bhp-hr，NOX为为0.2g/bhp-hr，非甲烷碳氢，非甲烷碳氢NMHC排放为排放为0.14g/bhp-hr。2.欧盟欧盟从欧从欧到欧到欧标准，重型柴油机排放测试采用由标准，重型柴油机排放测试采用由13个

28、工况组成的稳态测试循环个工况组成的稳态测试循环（ECE R-49）。从欧）。从欧排放标准开始，这种排放标准开始，这种13工况的测试循环倍欧洲稳态循环工况的测试循环倍欧洲稳态循环（ESC）取代，并增加了负荷响应（）取代，并增加了负荷响应（ELR）循环，而对带先进后处理装置的柴油机）循环，而对带先进后处理装置的柴油机还要增加瞬态循环（还要增加瞬态循环（ETC）。对欧）。对欧及其以后的排放标准，柴油机则全部采用及其以后的排放标准，柴油机则全部采用ESC、ELR和和ETC测试循环。测试循环。3.日本日本日本从日本从2005年开始对重型柴油车排放测试采用年开始对重型柴油车排放测试采用JE05瞬态循环，而

29、瞬态循环，而2005年之前是采年之前是采用稳态的用稳态的13或或6工况法进行测试。工况法进行测试。4.中国中国我国我国1983年颁布了柴油车自由加速烟度排放标准，年颁布了柴油车自由加速烟度排放标准，1993年对该标准进行了一次修年对该标准进行了一次修订，加严了标准限制。订，加严了标准限制。2001年颁布了柴油机工况排放标准，参照欧盟年颁布了柴油机工况排放标准，参照欧盟91/542/EEC指令制定了对压燃式发动机指令制定了对压燃式发动机CO、HC、NOX和颗粒物排放同时进行控制的污染排和颗粒物排放同时进行控制的污染排放标准。放标准。2000年执行国年执行国标准，标准，2003年执行国年执行国标准

30、，测试工况为标准，测试工况为R49。从。从2005年颁布的国年颁布的国、国、国和国和国标准开始，采用欧洲标准开始，采用欧洲ESC、ETC和和ELR测试循环。测试循环。9.2排放法规及测试方法9.2.49.2.4采样系统及方法采样系统及方法1.整车转股试验的采样系统整车转股试验的采样系统用于轻型车排放测试的转鼓试验台，其采样系统被规定用定容取样系统用于轻型车排放测试的转鼓试验台，其采样系统被规定用定容取样系统2.发动机台架试验的采样系统发动机台架试验的采样系统在发动机台架上进行排放测试时，对气体排放用直接采样方法，即被测样在发动机台架上进行排放测试时，对气体排放用直接采样方法，即被测样气不经稀释直接进入排放分析仪进行浓度测试。气不经稀释直接进入排放分析仪进行浓度测试。9.2排放法规及测试方法9.2.59.2.5有害排放物的测试方法有害排放物的测试方法1.气体排放物的测试方法气体排放物的测试方法1）不分光红外分析仪）不分光红外分析仪2）化学发光分析仪）化学发光分析仪3）氢火焰离子分析仪）氢火焰离子分析仪2.微粒及烟度的测量微粒及烟度的测量1）柴油机排气微粒）柴油机排气微粒2）排气烟度）排气烟度3.非常规排放测试非常规排放测试演讲完毕，谢谢观看！