内燃机污染物排放机理(ppt 44页)
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环境管理-第七章内燃机污染物的生成与控制 精品
❖北京市环保局对2015年的北京市大气质量进行 了预测，假定2000年前机动车保有量按10%递 增，2000~2001年按7%递增，2010~2015年按 5%递增，2015年北京市机动车总量将达到323 万辆。如果不采取进一步的控制措施，那时 CO、HC、NOx排放总量将分别达到1992年排 放总量的6.87倍、6.63倍和5.03倍;
(一)汽油机
❖实际发动机中， 即使a =1 ，未 然HC也有相当 大的数值，并随 a的减小迅速增 加。
❖当混合气过稀， 由于燃烧恶化， 甚至有些循环缺 火会使HC急剧 增加。
图7-3 汽油机的排气污染物与a的关系
1．冷激效应
❖壁面对火焰的冷却使火焰不能传播到缸壁表面 ，留下厚0.05-0.4mm的末燃或不完全燃烧的混 合气。未燃HC在火焰掠过后会扩散到已燃气 体中氧化，极少一部分成为未燃HC。
❖一般认为光化学烟雾形成是参加反应的物质在 日光照射下产生以臭氧为主的过氧化物。这种 光化学烟雾刺激眼睛并影响神经系统。
(3)氮氧化物 NOx
❖NOx中绝大部分是NO，少量是NO2。 ❖NO是无色气体，本身毒性不大，在大气中缓
慢氧化成NO2， NO2呈褐色，有强烈的刺激味
❖和一氧化碳相似，氮的氧化物也趋向于存在血 液中，与肺中的水气结合而形成稀硝酸，经过 长时间后其后果将日趋严重。
内燃机排放评价指标
(1)排放物体积分数和质量浓度：单位排气体积中 排放污染物的体积，称为排故物的体积分数，通 常以％和10-6(百万分比)表示，质量浓度常用 mg/m3等计量。
(2)质量排放量：在要求对污染物进行总量控制时 。要确定运转单位时间、按某标准进行一次测试 或车辆按规定的工况组合行驶后折算到单位里程 的污染物排放置。质量排故量用g/h、g/试验或 g/km等单位表示。
(一)汽油机
❖实际发动机中， 即使a =1 ，未 然HC也有相当 大的数值，并随 a的减小迅速增 加。
❖当混合气过稀， 由于燃烧恶化， 甚至有些循环缺 火会使HC急剧 增加。
图7-3 汽油机的排气污染物与a的关系
1．冷激效应
❖壁面对火焰的冷却使火焰不能传播到缸壁表面 ，留下厚0.05-0.4mm的末燃或不完全燃烧的混 合气。未燃HC在火焰掠过后会扩散到已燃气 体中氧化，极少一部分成为未燃HC。
❖一般认为光化学烟雾形成是参加反应的物质在 日光照射下产生以臭氧为主的过氧化物。这种 光化学烟雾刺激眼睛并影响神经系统。
(3)氮氧化物 NOx
❖NOx中绝大部分是NO，少量是NO2。 ❖NO是无色气体，本身毒性不大，在大气中缓
慢氧化成NO2， NO2呈褐色，有强烈的刺激味
❖和一氧化碳相似，氮的氧化物也趋向于存在血 液中，与肺中的水气结合而形成稀硝酸，经过 长时间后其后果将日趋严重。
内燃机排放评价指标
(1)排放物体积分数和质量浓度：单位排气体积中 排放污染物的体积，称为排故物的体积分数，通 常以％和10-6(百万分比)表示，质量浓度常用 mg/m3等计量。
(2)质量排放量：在要求对污染物进行总量控制时 。要确定运转单位时间、按某标准进行一次测试 或车辆按规定的工况组合行驶后折算到单位里程 的污染物排放置。质量排故量用g/h、g/试验或 g/km等单位表示。
4第四章内燃机排放污染物
—
RCO3 （从碳氢化合物夺取氢 原子） R' H RCO3 H（过酸类） R' —
— RCO3 H (过酸分解 ) RCO2 （羧基）＋ OH（羟基） —
—
RCO2 （从碳氢化合物夺取氢 原子）＋ R' H RCO2 H（羧酸） R' —
17
—
第一节 汽油机排放污染物
三、HC的生成机理及影响因素
（三）影响因素
工况(过量空气系数)：
部分负荷(常用工况)：φa接近l，CO排放量不高。但多缸机 如各缸φa不同，有的气缸φa ＜1，CO排放量增加；
怠速和冷启动时：加浓过多会排放大量CO；
全负荷时：混合气是浓的，φa可小到0.8甚至更低， CO排放 量很大；
加速时：如果加浓过多，或者减速时不断油，即在瞬态运转
HC继续氧 化燃烧
CO2和H2O
29
第一节 汽油机排放污染物
三、HC的生成机理及影响因素
（五）影响HC生成的因素——（1）空燃比
1. HC 排 放 浓 度 和 数 量 有 随 混合气变稀而下降的趋势 ，A/F≈14.8 2. 当 A/F ＞ 17 时，混合气过 分稀薄，易发生火焰不完 全 传 播 以 致 断 火 ， HC 排 放迅速增加。
（四）未燃HC的生成机理
1、壁面火焰淬熄 2、燃烧室缝隙效应
3 、缸壁润滑油膜和积垢 的吸收和解吸 4、燃烧室沉积物影响
5、体积淬熄
18
第一节 汽油机排放污染物
三、HC的生成机理及影响因素
（四）未燃HC的生成机理—— （1）壁面火焰淬熄
冷激效应的定义：发动机的燃烧室表面受冷却介质的冷 却，温度比火焰低得多。壁面对火焰的迅速冷却称为冷 激效应。 淬熄层的定义：冷激效应使火焰中产生的活性自由基复 合，燃烧反应链中断，使反应变缓或停止。结果火焰不 能传播到燃烧室壁表面，在表面留下一薄层未燃烧或不 完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。
RCO3 （从碳氢化合物夺取氢 原子） R' H RCO3 H（过酸类） R' —
— RCO3 H (过酸分解 ) RCO2 （羧基）＋ OH（羟基） —
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RCO2 （从碳氢化合物夺取氢 原子）＋ R' H RCO2 H（羧酸） R' —
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第一节 汽油机排放污染物
三、HC的生成机理及影响因素
（三）影响因素
工况(过量空气系数)：
部分负荷(常用工况)：φa接近l，CO排放量不高。但多缸机 如各缸φa不同，有的气缸φa ＜1，CO排放量增加；
怠速和冷启动时：加浓过多会排放大量CO；
全负荷时：混合气是浓的，φa可小到0.8甚至更低， CO排放 量很大；
加速时：如果加浓过多，或者减速时不断油，即在瞬态运转
HC继续氧 化燃烧
CO2和H2O
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第一节 汽油机排放污染物
三、HC的生成机理及影响因素
（五）影响HC生成的因素——（1）空燃比
1. HC 排 放 浓 度 和 数 量 有 随 混合气变稀而下降的趋势 ，A/F≈14.8 2. 当 A/F ＞ 17 时，混合气过 分稀薄，易发生火焰不完 全 传 播 以 致 断 火 ， HC 排 放迅速增加。
（四）未燃HC的生成机理
1、壁面火焰淬熄 2、燃烧室缝隙效应
3 、缸壁润滑油膜和积垢 的吸收和解吸 4、燃烧室沉积物影响
5、体积淬熄
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第一节 汽油机排放污染物
三、HC的生成机理及影响因素
（四）未燃HC的生成机理—— （1）壁面火焰淬熄
冷激效应的定义：发动机的燃烧室表面受冷却介质的冷 却，温度比火焰低得多。壁面对火焰的迅速冷却称为冷 激效应。 淬熄层的定义：冷激效应使火焰中产生的活性自由基复 合，燃烧反应链中断，使反应变缓或停止。结果火焰不 能传播到燃烧室壁表面，在表面留下一薄层未燃烧或不 完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。
内燃机学课件第八章
（2）碳氢化合物
HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和 部分氧化产物。如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等 数百种成分。 烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。 烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢转 化会变成对基因有毒的氧化衍生物。烯烃是与氮氧化物 一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的“光化烟雾” 的罪魁祸首之一。 芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃 （PAH）及其衍生物有致癌作用。 醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。
三、氮氧化物
内燃机排故的氯氧化物NOx主要是一氧化氮NO。NO 的主要来源是参与燃烧的空气中的氮。汽油和轻柴油 本身含氮很少，不足以产生显著的NOx排放。从大气 氮生成NO的化学机理是泽耳多维奇(Zeldovitch)机 理。在化学当量混合比(Φa＝1)附近，导致生成和消 失NO的主要反应为：
缸内最高燃烧温度是决定NOx生成量的最重要因素； NOx排放随负荷的增加而增加； 转速对NOx的影响较小； 喷油正时对燃烧过程有较大影响，推迟喷油是最高 燃烧温度和压力下降，燃烧柔和，NOx生成量减小。 采用EGR也是降低NOx的重要手段。
负荷超过一定研读时， NOx下降，因为相对缺 氧导致燃烧恶化
汽油与空气的均匀混合气在过量 空气系数Φa=1时燃烧时，根据化 学反应动力学，基本上不产生未 燃HC，但实际发动机中不是这样 (图7—3)。即使Φa=1，HC也有 相当大的数值，并随Φa的减小而 迅速增加。当混合气过稀，由于 燃烧恶化，甚至有些循环缺火会 使HC急剧增加，只有采取特殊措 施(如组织快燃)才可能缓和这种 趋势。
第八章
内燃机污染物的生成与控制
第一节 概述 第二节 污染物的生成机理和影响因素 第三节 内燃机的排放控制 第四节 内燃机排气后处理 第五节 排放测量和排放法规
关于-内燃机污染物的生成与控制JIANGKE
❖ 在点燃式内燃机中，在某些工况（例如全负 荷运转时），为了获得最大功率而不得不用 浓混合气，导致CO排放大大增加；为了提高 冷起动的可靠性，也得加浓混合气。内燃机 最高燃烧温度达2000℃以上，又使空气中的 氮在高温下氧化生成各种氮的氧化物。
❖ 压燃式内燃机中，由于可燃混合气是在燃烧 前和燃烧中的极短时间内形成的，混合不均 匀程度比较严重，在高温高压环境下缺氧的 燃油会发生裂解、脱氢，最后生成碳烟粒子。 这些碳烟粒子又吸附了各种各样的未燃烧或 不完全燃烧的重质碳氢化合物，称为排气微 粒。
❖ 4．碳氢化合物的后期氧化
错过发动机主要燃烧过程的碳氢化合物，会重新扩散到高温的已燃气体 主流中，很快被氧化，至少是部分被氧化。所以，排放的HC是未燃的燃 油及其部分氧化产物的混合物。前者大约要占 40％左右。
(二) 柴油机
❖ 由于柴油机的工作原理是喷油压燃，燃油停 留在燃烧室中的时间比汽油机短很多．因而 受壁面冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉 积物吸附作用很小。这是柴油机HC排放较低 的原因。
引人进气管的废气可大大增加新鲜混合气中的已燃气比 例。当已燃气比例增大时，一方面减少可燃气的发热量，另 一方面增大了混合气的热容，均使最高燃烧温度下降，从而 使NO2排放下降。图7—4表示三种空燃比α下再循环废气量 与气缸总充量的质量比率（EGR率）对排气中NO体积分数 φNO的影响。图7—5表示发动机负荷和EGR率对NOx排放的影 响。可见，当EGR率达到发动机部分负荷下的最大允许值15 ％一20％时，NOx排放显著下降。不过，过分稀释新鲜可燃 气使燃烧恶化，导致缓慢燃烧、不完全燃烧甚至缺火(图7— 6)、循环变动增加和HC排放增加。为了保证油耗低，应在过 量空气系数Φa≈1的条件下用燃烧品质允许的最大EGR率获 得尽可能低的NOx排放。
❖ 压燃式内燃机中，由于可燃混合气是在燃烧 前和燃烧中的极短时间内形成的，混合不均 匀程度比较严重，在高温高压环境下缺氧的 燃油会发生裂解、脱氢，最后生成碳烟粒子。 这些碳烟粒子又吸附了各种各样的未燃烧或 不完全燃烧的重质碳氢化合物，称为排气微 粒。
❖ 4．碳氢化合物的后期氧化
错过发动机主要燃烧过程的碳氢化合物，会重新扩散到高温的已燃气体 主流中，很快被氧化，至少是部分被氧化。所以，排放的HC是未燃的燃 油及其部分氧化产物的混合物。前者大约要占 40％左右。
(二) 柴油机
❖ 由于柴油机的工作原理是喷油压燃，燃油停 留在燃烧室中的时间比汽油机短很多．因而 受壁面冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉 积物吸附作用很小。这是柴油机HC排放较低 的原因。
引人进气管的废气可大大增加新鲜混合气中的已燃气比 例。当已燃气比例增大时，一方面减少可燃气的发热量，另 一方面增大了混合气的热容，均使最高燃烧温度下降，从而 使NO2排放下降。图7—4表示三种空燃比α下再循环废气量 与气缸总充量的质量比率（EGR率）对排气中NO体积分数 φNO的影响。图7—5表示发动机负荷和EGR率对NOx排放的影 响。可见，当EGR率达到发动机部分负荷下的最大允许值15 ％一20％时，NOx排放显著下降。不过，过分稀释新鲜可燃 气使燃烧恶化，导致缓慢燃烧、不完全燃烧甚至缺火(图7— 6)、循环变动增加和HC排放增加。为了保证油耗低，应在过 量空气系数Φa≈1的条件下用燃烧品质允许的最大EGR率获 得尽可能低的NOx排放。
发动机排放污染物的形成共40页
燃烧室内缝隙的组成
活塞顶还岸缝隙中烃的排除过程
三、柴油机未燃HC的生成机理
CI Engine HC Emission
1.未燃HC排放的来源
1）完全由缸内燃烧过程 产生。
2）没有曲轴箱间也短，故其HC排放量比 汽油机少。
2.生成机理和影响因素
1、汽油机一氧化碳的生成机理
汽油机CO排放量与过量空气系数α的关系
由图可以看出： Φa <1时 ，因缺氧引起不完全燃烧，CO的排放量随Φa 的减小而增加。 Φa >1时 ，CO的排放量都很小。 Φa =1.0～1.1时，CO的排放量变化较复杂。
2、柴油机一氧化碳的生成机理
柴油机CO排放量xCO与 过量空气系数Φa的关系
由图可以看出 Φa =1.5～3， CO排放量要比汽油机低 得多。 Φa =1.2～1.3，
CO的排放量才大量增加。
小负荷时尽管Φa很大，
CO排放量反而上升。
柴油机CO排放分析
柴油机CO排放特点
1. 柴油机的CO排放总体比较低。 2. 燃烧接近或超过冒烟极限后，由于燃烧过程局部
混合气过浓，缺氧造成CO排放迅速增加。 3. 柴油机小负荷时，稀混合气区体积增加，燃气温
Oil Film Absorption and Desorption 3）燃烧室表面沉积物
Deposit Absorption and Desorption 4）壁面淬熄 Wall Quenching 5）大容积熄火 Bulk Gas Incomplete Combustion
汽油机未燃HC的生成机理
• 排放物体积分数(％和ppm)和质量浓度(mg/m3) • 质量排放量（g/h或g/㎏ ） • 比排放量（ g/kw.h ） • g/km ，g/test
内燃机排放与净化
混合气浓度
CO2热裂解
排气过程中未燃HC化合物的不完全燃烧
CO和HC的生成及影响因素 CO和HC的生成及影响因素 HC的生成影响因素：
混合气浓度 汽油机 燃料热裂解 淬熄效应 壁面油膜和积碳 蒸发排放 曲轴箱窜气
未燃HC化合物直接排放
柴油机主要是由于燃气混合不均匀造 成的燃烧不完全产生HC
NOx和 危害及生成机理， NOx和PM危害及生成机理，已做介绍不在赘述
燃油控制：
燃用清洁燃料 进气控制：利用进气谐振
机燃机排放物
各种排放物中，含量最大且对环境及人 体危害最大的是CO、HC、NOx和PM，内燃 机排放控制主要是针对以上污染物进行
CO和HC对人体的危害性及生成条件 CO和HC对人体的危害性及生成条件
CO：与血红蛋白结合造成组织缺氧
HC：成分复杂，多具有毒性或致癌作用
CO和HC的生成及影响因素 CO和HC的生成及影响因素 CO的生成影响因素：
汽油机排放控制技术
汽油机排放控制技术 排放控制
机内控制 配气系统控制 燃油喷射控制 燃烧室结控制 增压 EGR 稀薄燃烧 燃油控制： 燃用清洁燃料 进气控制：利用进气谐振 机外控制 尾气处理：三效催化器
柴油机排放控制技术 排放控制
机内控制 配气系统控制 燃油喷射控制 燃烧室结控制 EGR HCCI
山东大学内燃机研究所
内燃机排放与净化
目录
主要污染物的危害及生成机理
汽油机排放控制技术
柴油机排放控制技术
内燃机有害物危害及生成机理
内燃机排放物 理论上说，碳氢化合物燃料完全燃烧时 只产生CO2、H2O。
实际上，由于燃气混合、燃烧时间、及 空燃比等原因，缸内会产生不完全燃烧 的现象，进而生成CO和HC；由于缸内高 温高压的环境，缸内的N2也会和O2发生 反应升程NOx；此外，高温缺氧的环境使 得燃料发生裂解，脱氧生成碳烟（PM
CO2热裂解
排气过程中未燃HC化合物的不完全燃烧
CO和HC的生成及影响因素 CO和HC的生成及影响因素 HC的生成影响因素：
混合气浓度 汽油机 燃料热裂解 淬熄效应 壁面油膜和积碳 蒸发排放 曲轴箱窜气
未燃HC化合物直接排放
柴油机主要是由于燃气混合不均匀造 成的燃烧不完全产生HC
NOx和 危害及生成机理， NOx和PM危害及生成机理，已做介绍不在赘述
燃油控制：
燃用清洁燃料 进气控制：利用进气谐振
机燃机排放物
各种排放物中，含量最大且对环境及人 体危害最大的是CO、HC、NOx和PM，内燃 机排放控制主要是针对以上污染物进行
CO和HC对人体的危害性及生成条件 CO和HC对人体的危害性及生成条件
CO：与血红蛋白结合造成组织缺氧
HC：成分复杂，多具有毒性或致癌作用
CO和HC的生成及影响因素 CO和HC的生成及影响因素 CO的生成影响因素：
汽油机排放控制技术
汽油机排放控制技术 排放控制
机内控制 配气系统控制 燃油喷射控制 燃烧室结控制 增压 EGR 稀薄燃烧 燃油控制： 燃用清洁燃料 进气控制：利用进气谐振 机外控制 尾气处理：三效催化器
柴油机排放控制技术 排放控制
机内控制 配气系统控制 燃油喷射控制 燃烧室结控制 EGR HCCI
山东大学内燃机研究所
内燃机排放与净化
目录
主要污染物的危害及生成机理
汽油机排放控制技术
柴油机排放控制技术
内燃机有害物危害及生成机理
内燃机排放物 理论上说，碳氢化合物燃料完全燃烧时 只产生CO2、H2O。
实际上，由于燃气混合、燃烧时间、及 空燃比等原因，缸内会产生不完全燃烧 的现象，进而生成CO和HC；由于缸内高 温高压的环境，缸内的N2也会和O2发生 反应升程NOx；此外，高温缺氧的环境使 得燃料发生裂解，脱氧生成碳烟（PM