第八章燃燒與有害物的生成與排放

1、第八章 燃燒與有害物的生成與排放8.1.1 有害排放物的種類與危害法規(guī)限制成份：CO、HC、NOx、PM（針對汽油車和柴油車）其他有害成份： 硫化物SOx、鉛化合物、醛類、苯類、丁二烯、柴油機(jī)排氣臭味等8.1 有害排放物的生成機(jī)理與影響因素2）Prompt NO3）Fuel NONO生成途徑8.1.3 有害排放物的生成機(jī)理1、NOx = NO、NO2、N2O燃燒中主要生成NO，少量NO21）Thermal NO影響NOx生成的三要素溫度 T，則NO平衡濃度 ，NO生成速率，則NO （其中，生成速率影響最大）氧濃度 溫度一定時(shí)，氧濃度，則NO 反應(yīng)時(shí)間 如圖所示（甲烷CH4火焰），相對CO、H2

2、O等，NO反應(yīng)較慢，因此在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒結(jié)束時(shí)尚達(dá)不到平衡濃度反應(yīng)時(shí)間（S）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 a 1 時(shí)：局部缺氧熱離解 CO2 CO排氣中生成 HC在排氣中進(jìn)一步氧化時(shí)生成CO3、未燃HC （THC）（1）HC在汽油機(jī)中的生成機(jī)理不完全燃燒 a1，混合不均、減速、失火、循環(huán)波動(dòng)壁面淬熄效應(yīng) 低溫、弱流動(dòng)和弱湍流導(dǎo)致淬熄層（Quenching layer） 窄縫處面容比大，火焰無法傳入，也稱縫隙效應(yīng)油膜和積碳吸附 混合氣形成過程中，吸附HC;燃燒過程中，“躲過”火焰;排氣過程中，脫附釋放，形成排放GapsDepositsQuenchingat WallOi

3、l film混合不均勻 過濃或過稀（2）HC在柴油機(jī)中的生成機(jī)理成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)干碳煙（DS）可溶性有機(jī)成分（SOF）硫酸鹽(Sulfate)40503545510質(zhì)量百分比/%4、微粒及碳煙PM Particulate Matter, Soot(Smoke)微粒的成分PM10、PM2.5、汽近年來提出：油機(jī)PMPM粒度越來越小，目前可認(rèn)為絕大部分在0.11m范圍（右圖）01009080706050403020101.20.280.83Pme /MPaE202.5um某歐2柴油機(jī)PM粒度分布PM （ Soot）的生成過程Soot源于烴類燃料在高溫缺氧下的裂解，詳細(xì)機(jī)理尚不明確。碳粒氧化（燃燒后期）

4、PM生成（膨脹和排氣）碳粒生成（燃燒期間）大的燃油顆粒汽化剩下的重質(zhì)烴，高溫脫氫碳化焦炭狀大顆粒碳粒（PM10）氣相烴裂解、脫氫乙烯（CH2CH2）乙炔（CH-CH）聚乙炔原子級碳粒聚合生成碳核（約2nm ）遇充分的氧化氛圍，碳粒部分氧化小碳粒碰撞、聚合較大碳粒（不規(guī)則形狀、多孔聚合物），吸附HC和硫酸鹽 PM8.1.4 有害排放物生成的影響因素（1）汽油機(jī)1、a的影響CO： a ，CO（單調(diào)）；a1，逐漸達(dá)最低值HC： a ，HC ；a 過大，HC回升（過?。㎞O： a1.1后，氧化氣氛，但溫度下降，NO （2）柴油機(jī)NO：與汽油機(jī)相似，但注意區(qū)間碳煙：與汽油機(jī)CO相似，但向稀區(qū)平移CO：與

5、汽油機(jī)CO相似，過稀時(shí)回升HC：a2后，過稀和低溫使HC 注意：CO、HC遠(yuǎn)低于汽油機(jī)，一般不超標(biāo)（注意a范圍！與汽油機(jī)比較）8.2 排放法規(guī)及其測試方法1、排放法規(guī)體系排放法規(guī)排放限值檢測方法整車排放限值（如表87）發(fā)動(dòng)機(jī)排放限值（如表810）怠速法（自由加速煙度）循環(huán)工況法2、檢測方法 怠速法（自由加速煙度）：環(huán)保檢測、汽車修理 工況法輕型車（總重3.5T）發(fā)動(dòng)機(jī)測試（臺(tái)架）（1）輕型車工況法測試美國FTP-75 瞬 態(tài) 工 況模擬城市行駛工況分成：冷起動(dòng)熱穩(wěn)定停車熱起動(dòng)四個(gè)階段，分別采氣分析（加權(quán)）3、工況法測試輕型車排放測試轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)稀 釋 - 定容（ CVS）轉(zhuǎn)鼓測功機(jī)排氣分析儀PM

6、 采 樣歐洲NEDC（中國）相對穩(wěn)定工況模擬城市區(qū)（city cycle）和郊區(qū)（Extra Urban Driving Cycle）行駛工況起動(dòng)后40s后開始采氣分析（歐后取消40s，并加-7起動(dòng)），全過程采氣1袋歐洲工況被我國和世界上大多數(shù)國家采用，有可能成為 國際標(biāo)準(zhǔn)。日本10-15工況也是由市區(qū)工況和郊區(qū)工況組成（2）重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試循環(huán)13工況法（ECE R49）適用于重型車（柴油車）額定轉(zhuǎn)速5工況 +最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速5工況 +怠速3工況，各點(diǎn)加權(quán)作和需要在有反拖功能的電力測功機(jī)上試驗(yàn)詳見：王建昕等編，汽車排氣污染治理及催化轉(zhuǎn)化器，化工出版社，1999年（1）標(biāo)準(zhǔn)排氣分析儀 CO

7、、CO2 THC NO、NOx（2）怠速排氣分析 CO、CO2 、HC NO、NOxNDIR電化學(xué)法（3）氣相色普儀（實(shí)驗(yàn)室分析）通過更換色普柱，可以測量CO、CO2 、HC、NO、NO2及非常規(guī)氣體，但時(shí)間周期長。3、分析方法和儀器CEB-型排氣分析儀總碳?xì)浠衔锊环止饧t外分析儀NDIR氫火焰離子分析儀FID化學(xué)發(fā)光法CLD碳?xì)浠衔锓至飨♂?溫控濾紙采集干碳DS可溶有機(jī)成分SOF硫酸鹽0.2-0.5m;0.5-1m;1-2.5m;2.5mParticulate Size Classifier成分分析（研究用）PM總質(zhì)量（恒溫濕，g天平）粒徑分析0.2m;（4）微粒分析質(zhì)量檢測（按法規(guī)）稀釋

8、通道二次稀釋通道稀釋通道稀釋空氣CVS 分流稀釋通道兩種微粒稀釋采集系統(tǒng)稀釋空氣CVS 全流稀釋通道（4）微粒分析8.3 排放污染物的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)機(jī)內(nèi)凈化（燃燒）清潔燃料（燃料）柴油機(jī)汽油機(jī)柴油機(jī)污染技術(shù) （后處理） 汽油機(jī)氣體燃料：CNG、LNG LPG餾分輕，降低排煙液體含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、甲酯（植物油酯化）非排氣污染控制技術(shù)燃油系統(tǒng)蒸發(fā)曲軸箱竄氣右圖是氣體排放控制的基本依據(jù) 宏觀a應(yīng)盡量大于1 加強(qiáng)氣體擾動(dòng)（渦流、湍流），避免局部a過濃 抑制壁面/淬熄效應(yīng)、循環(huán)波動(dòng)及各缸不均勻 汽油機(jī)主要靠三效催化劑（見后） 柴油機(jī)CO排放 柴/汽 1/10HC排放 柴/汽 1/3 1/5因此

9、，正常工作的柴油機(jī)CO和HC不超標(biāo)（從混合氣形成和燃燒機(jī)理來考慮為什么？）1、CO、HC排放的控制2、NOx排放的控制（1）推遲噴油（點(diǎn)火）時(shí)間主放熱避開上止點(diǎn) 燃燒等容度下降溫度降低（對汽、柴油機(jī)都適用）接近上止點(diǎn)時(shí)噴油滯燃期縮短初期dQB/dt 降低燃燒溫度降低（柴油）問題：過度推遲會(huì)使i、PM等惡化，即Trade off關(guān)系（右下圖），可調(diào)范圍有限汽油機(jī)柴油機(jī)（2）廢氣再循環(huán)EGR（Exhaust Gas Recirculation）機(jī)理： CO2不活性氣體 、氧濃度下降 燃燒速度下降溫度下降（如下圖） 混合氣的比熱容上升溫度下降內(nèi)部EGR？如何實(shí)現(xiàn)？3、噴油規(guī)律優(yōu)化燃燒特性控制基本思路前緩后急（1）初期噴油速率高；（2）初期噴油速率低；（3）預(yù)噴射（Pilot)）；（4）預(yù)噴射低初噴率。噴油規(guī)律控制基本思路前緩后急4、降低PM的基本原則高溫富氧 （如右圖）提高燃燒速度（高溫），增壓但容易導(dǎo)致與NO的Tradeoff關(guān)系混合均勻 柴油機(jī)本來不缺氧、但非均質(zhì) 加強(qiáng)霧化、混合，高壓噴射、減小噴孔徑同樣與NO產(chǎn)生Tradeoff強(qiáng)化后期氧化 （如右下圖）無NO的Trade off關(guān)系減少潤滑油消耗增壓EGR中冷降低PM降低NOx降低NOx現(xiàn)代低排放柴油機(jī)-實(shí)例DPF降低PM噴油后0.14ms柴油機(jī)噴霧燃燒高