发动机的排放与噪声
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发动机的排放<br />
与噪声
第一节 排放物及危害<br />
有害排放: CO, HC, NO X, PM<br />
交通噪声<br />
电波公害<br />
水质、土壤等污染<br />
CO2、氟氯烃等温室气体<br />
指标:<br />
体积分数<br />
质量浓度<br />
质量排放量<br />
比排放量
柴油机排放与过量空气系数<br />
汽油机排放与过量空气系数
CO的生成机理<br />
1.CO生成机理详细过程尚未完全弄清,<br />
一般认为,生成步骤如下:<br />
其中:<br />
RH R RO2<br />
RCHO RCO CO<br />
2.是一种中间产物,最终生成情况视氧气浓度而定<br />
O2<br />
<br />
<br />
OH<br />
RCO<br />
CO ......<br />
O<br />
<br />
<br />
H
CO排放与燃料、空燃比的关系
HC的生成机理<br />
1.冷激效应<br />
2.油膜与沉积物吸附<br />
3.容积淬熄<br />
4.碳氢化合物的后期氧化
NOx的生成机理<br />
O<br />
N<br />
O<br />
2<br />
2<br />
2<br />
OH<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
O<br />
N<br />
2O<br />
N<br />
<br />
<br />
<br />
NO<br />
NO<br />
<br />
<br />
NO<br />
N<br />
O<br />
<br />
H<br />
高温、富氧、均是NOx生成的有利条件<br />
Newhall发现:在燃烧过程中,NO的生成速率是比较慢的,在<br />
膨胀过程中,NO的分解速率也是相当慢,因此,对NO排放的<br />
分析不能用化学平衡的方法,必须用动力学方法。
PM排放物<br />
一.汽油机中,PM的主要成分是硫酸盐<br />
二.柴油机中,PM的主要成分是碳烟
二 排放物的危害<br />
1 对大气环境的主要危害:温室效应、臭氧层破坏和酸雨<br />
主要由汽车排放的CO2、硫化物SOx(指一氧化硫和二氧化硫)、<br />
氮氧化物NOx(指一氧化氮和二氧化氮)、氟氯烃等产生
祁连山冰川开始消融 专家称2050年前基本消失
祁连山冰川开始消融 专家称2050年前基本消失
祁连山冰川开始消融 专家称2050年前基本消失
二 排放物的危害<br />
2 柴油车的微粒PM<br />
PM =可溶性组分(SOF)+不可溶性组分(IOF)<br />
SAE2000-01-0473
二 排放物的危害<br />
微粒物中PAHs的排放量/ μg/(kW·h)<br />
PAHs 中文名称 A11-3 A12 A21<br />
Acenaphthene 苊 0 1 1<br />
Acenaphthylene 苊烯 6 23 7<br />
Anthracene 蒽 51 80 30<br />
Benzo(a)Anthracene 苯并(a)蒽 114 85 47<br />
Benzo(a)pyrene 苯并[a]芘 109 83 41<br />
Benzo(b)fluoranthene 苯并(b)荧蒽 50 36 22<br />
Benzo(g,h,i)perylene 苯并[g,h,i]苝 597 328 300<br />
Benzo(k)fluoranthene 苯并(k)荧蒽 41 29 17<br />
Chrysene 屈 65 46 32<br />
Dibenz(a,h)anthracene 二苯并[a,h]蒽 3 1 1<br />
Fluoranthene 荧蒽 581 562 203<br />
Fluorene 芴 82 118 30<br />
Indeno(1,2,3-cd)pyrene 茚并[1,2,3-cd]芘 135 100 42<br />
Nphthalene 萘 1 1 0<br />
Phenanthrene 菲 205 270 95<br />
Pyrene 芘 835 730 374<br />
Nitropyrene 硝基芘 3 0 2<br />
Benzo(E)pyrene 苯并[e]芘 78 58 33
二 排放物的危害<br />
3 光化学烟雾(photochemical smog)<br />
① 光化学烟雾:指HC和NO x 在太阳紫外线作用下产生的一种具有刺激性的<br />
浅蓝色烟雾。它包含有臭氧(O 3 )、醛类、硝酸酯类(PAN)等多种复杂化<br />
合物。<br />
② 发生条件:逆温层、低风速(空气接近停滞状态)、阳光充足<br />
③ 光化学烟雾的主要危害<br />
第一:甲醛、过氧化苯甲醛酰硝酸酯(PBzN)、PAN和丙烯醛刺激眼睛<br />
第二:损害有机物和植物等(如橡胶、棉布、尼龙和聚酯等)。<br />
第三:影响呼吸系统,使哮喘病增多。<br />
第四:臭氧引起的胸部压缩、刺激粘膜、头痛、咳嗽、疲倦等症状
二 排放物的危害<br />
3 光化学烟雾(photochemical smog)<br />
④ 光化学烟雾的主要化学反应<br />
例如:C 3 H 6<br />
或
4 交通噪声问题<br />
二 排放物的危害<br />
噪声危害: 引起人体的生理改变和损伤,对心理、生活和工作<br />
产生不利影响。使人听力减弱、视觉功能下降、神经衰弱、<br />
血压变化和产生胃肠道消化功能障碍,影响人的睡眠、谈话、<br />
学习、工作和情绪等。<br />
车辆噪声的特点:<br />
中等强度,移动性, 影响范围大,干扰时间长,受害人员多<br />
大约为60~90dB(decibel)。公共汽车为80dB左右,摩托车90dB左右。<br />
实例:北京市2000年对303条, 总长485.36公里道路的监测结果表明, 交<br />
通噪声平均值为71.0dB, 其中城区、近郊区分别为68.1和72.6dB.
源<br />
头<br />
控<br />
制<br />
法<br />
三、汽车环境问题的对策<br />
改进策<br />
改良策<br />
替代策<br />
稀燃技术、缸内直喷技术、HCCI技术 ,连续可变机构、<br />
柴油机直喷化、降低摩擦损失、提高传动系效率、降低<br />
行驶阻力、轻量化、使用新型空调制冷剂、循环利用技<br />
术、燃料<br />
混合动力车、新燃料汽车等<br />
二次电池电动汽车、燃料电池汽车等<br />
合理使用 自动停止怠速和起动法、合理驾驶。<br />
后治理<br />
汽车环境问题的对策<br />
三(四)效催化净化器、微粒捕捉器和吸附还原催化<br />
净化器、消声器等
Toyota: Prius emissions less harmful than a sheep's, um, emissions<br />
Toyota Prius Sheep Advertisement<br />
http://green.autoblog.com/2011/01/03/toyo<br />
ta-prius-emissions-less-harmful-sheep/
参考文献<br />
李兴虎.北京航空航天大学交通科学与工程学院.<br />
汽车环保技术进展(北航博士生讲座), 2009. [来<br />
源于网络]<br />
网络资料<br />
多本教材
本节结束<br />
下一节
柴油车的排放对策
SAE-2006-01-0030-Diesel Emission Control<br />
SAITO20060822 World Trend of Exhaust Emission
源<br />
头<br />
控<br />
制<br />
法<br />
改进策<br />
改良策<br />
替代策<br />
稀燃技术、缸内直喷技术、HCCI技术 ,连续可变机构、<br />
柴油机直喷化、降低摩擦损失、提高传动系效率、降低<br />
行驶阻力、轻量化、使用新型空调制冷剂、循环利用技<br />
术、燃料<br />
混合动力车、新燃料汽车等<br />
二次电池电动汽车、燃料电池汽车等<br />
合理使用 自动停止怠速和起动法、合理驾驶。<br />
后治理<br />
汽车环境问题的对策<br />
三(四)效催化净化器、微粒捕捉器和吸附还原催化<br />
净化器、消声器等
发动机排放控制技术分类<br />
排放后处理技术
一、柴油机机内净化技术<br />
柴油机的CO和HC排放量相对汽油机来说要少得多,但NOx<br />
与汽油机在同一数量级,而微粒和碳烟的排放要比汽油机大<br />
几十倍甚至更多。因此,设计低排放柴油机,重点是控制<br />
NOx与微粒,其次是HC。<br />
柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好。混合<br />
不好导致局部缺氧,使碳烟大量生成。同时存在很多<br />
Фa=1.0~1.1的高NOx生成区。所以低排放柴油机的设计要围<br />
绕改善油气混合这一中心任务,防止局部Фa超过0.9(这有<br />
利于NOx生成)和低于0.6(这有利于碳烟生成)。
机<br />
内<br />
净<br />
化<br />
措<br />
施<br />
一、柴油机机内净化技术<br />
降低车用柴油机排放的技术措施
一、柴油机机内净化技术<br />
1. 燃烧方式和燃烧室<br />
2. 喷油系统<br />
3. 气流组织和多气门技术<br />
4. 排气再循环及冷却技术<br />
5. 增压及中冷技术
1. 燃烧方式和燃烧室<br />
由于直喷技术的进步以及降低油耗和CO2排放的<br />
要求,柴油机大多采取直接喷射燃烧方式。其燃<br />
烧室设计要点如下:<br />
①燃烧室容积比<br />
②燃烧室口径比<br />
③燃烧室形状<br />
④压缩比
① 燃烧室容积比<br />
燃烧室容积对气缸余隙容积之比即为燃烧室容积比,应<br />
力求提高此容积比,以提高柴油机的冒烟界限,降低柴<br />
油机的碳烟和微粒排放。<br />
②燃烧室口径比<br />
燃烧室口径小增加喷雾碰壁量,造成HC排放增加。因<br />
此除缸径很小的柴油机外,尽量用口径比较大的浅平燃<br />
烧室(dk/D=0.6~0.8),配合小孔径的多喷孔喷嘴。
③燃烧室形状<br />
用缩口燃烧室加强燃烧室口部的气体湍流,促进扩散混合<br />
和燃烧。<br />
燃烧室底部中央的凸起适当加大,以进一步提高空气的利<br />
用率。<br />
用带圆角的方形或五瓣梅花形(分别配4孔和5孔喷嘴)代<br />
替圆形燃烧室,加强燃烧室中的微观湍流,加速燃烧,减<br />
少碳烟生成。
④ 压缩比<br />
适当提高柴油机压缩比可降低HC和CO排放,并结合推迟喷<br />
油获得动力经济性能与NOx排放之间较好的折中。
2. 喷油系统<br />
低排放柴油机对喷油系统要求:加强雾化效果,优<br />
化喷油规律<br />
①提高喷油压力<br />
②增加喷油器的喷孔数,减小孔径<br />
③控制燃油喷射规律,如靴形喷射、预喷射<br />
④根据柴油机工况优化喷油定时
着火点当量比4附近<br />
碳烟生成于喷雾之中<br />
NO产生于雾注外壳<br />
柴油机的喷雾燃烧与排放
① 提高喷油压力
喷油压力对柴油机烟度排放的影响
③ 控制燃油喷射规律,如靴形喷射、预喷射<br />
共轨燃油系统的多次喷射技术<br />
超前预喷射(pilot injection)和前喷射(pre-injection):减少噪声;<br />
高压初期喷射的目的:减少噪声和NOx排放;<br />
高压喷射过程:用于控制PM的生成和改善燃烧;<br />
后喷射的目的:减少PM和控制PDF装置;<br />
后补喷射(post injection)的目的:控制NOx的催化净化。
3. 气流组织和多气门技术<br />
多气门技术<br />
采用多气门技术,配合多孔数、小孔径喷油器来<br />
获得良好的混合气。
4. 排气再循环及冷却技术<br />
EGR: Exhaust Gas Recirculation 废气再循环,降低NOx排放。<br />
EGR+DPF
对于EGR来说,一部分废气取自排气歧管,在EGR冷却器中冷却后再混入<br />
进气中。EGR总的废气流量由EGR阀门控制。将废气与进气混合可以降低<br />
缸内氧气浓度,并且废气的热容度要比O 2大,从而在燃烧过程中降低气体<br />
的最高温度同时降低氮氧化物的排放。但是同时由于燃烧相对不完全且因<br />
缸内O2的含量降低后,PM的排放随着EGR率的增大极具增大。
此外,目前中国的燃油中S的含量基本是大于500ppm,<br />
当EGR率高时,会出现燃油和润滑油中的硫在参与燃<br />
烧后形成的SOx与水蒸气会形成酸性腐蚀物,对EGR<br />
管路和发动机内的金属结构出现较为严重的腐蚀磨损。<br />
因此EGR发动机的换油周期相对与其他尾气后处理系<br />
统来讲要短的多(即使加上DPF尾气处理系统)!
所以国际上对EGR发动机的排放控制都有控制策略<br />
1)由于NOx排放量随负荷增大而增大,因此废气回流量应随负荷而<br />
增大。<br />
2)暖机过程中,冷却水温度和进气温度均较低,NOx排放不高。为<br />
防止废气回流破坏燃烧的稳定性,一般在发动机冷却水温度低于50oC<br />
时,不进行EGR。<br />
3)怠速和小负荷时,NOx排放也不高,也不进行EGR。<br />
4)接近全负荷时,为保证发动机保持足够的动力性能,即使NOx排<br />
放很高,也不允许进行EGR。<br />
5)必须使用含硫量低于50ppm的清洁柴油及高级的低磷、低硫、低<br />
灰份合成机油。<br />
因此,普通EGR技术只能在中等负荷时使用,一般最大的EGR率不<br />
超过20%。此外,要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀。
5. 增压及中冷技术<br />
采用增压中冷技术来降低碳烟和NOx排放。
二、机外净化技术<br />
1. 颗粒过滤器DPF<br />
2. 四效催化器<br />
3. SCR
1. 颗粒过滤器DPF<br />
二、机外净化技术<br />
DPF的过滤效率:车辆行驶每单位里程或单位时间在过滤器中收集到的颗<br />
粒质量与车辆行驶每单位里程或单位时间进入过滤器的颗粒质量之比。<br />
DPF的过滤效率一般应不低于50~80%。
Upstream Catalyst Diesel Particulate Filter<br />
PM在NO 2 和O 2 氛围中的燃烧特性
2. 四效催化器<br />
DPNR(Diesel Particulate-NOx Reduction System)
2. 四效催化净化器
http://www.shokubai.org/topics/93/2.pdf#search=‘%E3%83%88%E3%83%A8%E3%82%BF%20DPNR'
NOx吸附净化原理<br />
Catalyst-Based Diesel Particulate Filters and NOx Absorbers
3. SCR<br />
SCR: selective catalytic reduction选择性催化还原<br />
SCR的一个最大的特点是发动机的内部燃烧允许最<br />
大优化方案,就是说尽可能的让柴油在较高温度下<br />
富氧充分燃烧,这样产生的NO X虽然含量较高但是<br />
PM的含量会较大幅度的降低,通过SCR的催化还<br />
原效应,可以使尾气的NO 2含量大幅度降低(减少<br />
温室效应)。
选择性催化还原的效率取决于气体温度:如果在<br />
200-500℃的温度范围内工作,氮氧化合物到氮和<br />
水的转化率可达85%,这种条件基本上就是实际车<br />
辆运行的条件。通过内部优化燃烧,燃油所含的硫<br />
只有极少部分转化为微粒,典型的转化率是1.5%。<br />
即使含硫量为350ppm时(即欧III燃油),也能够满<br />
足欧IV/V微粒排放限值这意味着,在市场推广阶段,<br />
如果欧IV燃油供应未能覆盖全国时,这种车辆也可<br />
以行驶于城市之间和国家之间。
3. SCR<br />
SCR<br />
SCR:Selective catalytic reduction,选择性催化还原。
H2N-CO-NH2+H2O->2NH3+CO2<br />
NOx反应式:<br />
4NO+4NH3+O2->4N2+6H2O<br />
6NO2+8NH3->7N2+12H2O
3. SCR<br />
冷却系<br />
空气压力
Technology Pathways for 2007 and 2010 Timelines of different emission strategies
参考文献<br />
李兴虎.北京航空航天大学交通科学与工程学院.<br />
汽车环保技术进展(北航博士生讲座), 2009. [来源<br />
于网络]<br />
http://www.360che.com/tech/090611/6332_2.ht<br />
ml
本节结束<br />
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