07第七章内燃机污染物的生成与控制精要.doc

内燃机污染物的生成与控制 第一节 概 述 内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时，将只产生CO2和H2O，没有其他有害产物。不过，高速内燃机燃烧过程占有的时间极短，可燃混合气不是完全均匀，燃料的氧化反应不可能完全。排气中会出现不完全燃烧产物，例如CO和未完全燃烧甚至完全未燃烧的碳氢化合物HC。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末燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物，称为排气微粒。 此外，燃油中含有的硫使内燃机排放构成酸雨因素之一的SO2和SO3，用含铅汽油的汽油机会排出对神经系统有严重毒性的铅化物。 对大气环境和人类健康影响最大的内燃机排放物是一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和微粒。这些污染物对人体的危害简述如下： （1） 一氧化碳CO CO是—种无色无味的气体，它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍。CO与血红蛋白结合生成碳基血红蛋白，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中CO的体积分数超过0．1％时．就会导致人体中毒；超过0．3％时，则可在30min内使人致命。 （2）碳氢化合物HC 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。 （3） 氮氧化物 内燃机排放的氮氧化物绝大部分是一氧化氮NO，少量是二氧化氮NO2。—般用NOx表示。NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成NO2。NO2呈褐色，具有强烈的刺激味。对肺和心肌有很强的毒害作用。NOx是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一。 （4） 微粒 排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到52℃后用涂有聚四氖乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。柴油机排出的微粒大多小于0.3μm，其主要成分是碳及其吸附的有机物质。吸附物中有多种PAH，具有不同程度的致癌作用。 为了评定内燃机对环境的污染程度或排放特性，常用下列指标： （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，称为排放物的体积分数，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 在环境保护实践中，要求对污染物进行总量控制。因此，作为污染源的内燃机或装内燃机的车辆，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。质量排放量用g/h、g／测试或g/km等单位表示。 （3） 比排放量 内燃机每作单位功所排放的污染物质量，用g／（kW·h）作单位表示，当然可以更客观地评价内燃机的排放性能。这个指标与燃油消耗率类似，也可以称为污染物排放率。 第二节 污染物的生成机理和主要影响因素 一氮化碳 CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。 控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数φa(图7—1)。在浓混合气中，（φa1），CO体积分数φco随Φa的减小不断增加；在稀混合气中(Φa＞1)，φco很低，只是在Φa＝1.0—1.1之间，CO随Φa略微变化。 点燃式内燃机部分负荷运转时，混合气的Φa接近l，CO排放量不高。但多缸机如各缸Φa不同．仍会有的气缸Φa＜1，增加CO排放量。全负荷运转特别是冷起动时，混合气是浓的，Φa可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。发动机加速时如果加浓过多，或者减速时不断油，即在瞬态运转工况下供油量控制不精确，会导致CO排放量剧增。 柴油机总是在稀混合气下运转(指平均过量空气系数大于1)，CO排放量要比点燃机低得多，只有在负荷很大接近冒烟界限时才急剧增加(图7—2)。 二、未燃碳氢化合物 点燃式内燃机未燃HC的生成与排放有三个渠道： 1)在气缸内的燃烧过程中生成并随排气排出。在二冲程汽油机中，由于用汽油空气混合气对气缸扫气，部分混合气通过气缸直接进入排气，导致未燃HC排放量比四冲程汽