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1、 第八章 发动机排放与噪声第一节第一节有害排放物的生成及危害有害排放物的生成及危害一、发动机排放污染的现状二、发动机排放污染物的危害1、一氧化碳2、碳氢化合物3、氮氧化物4、微粒三、三、发动机排放污染物生成机理发动机排放污染物生成机理n1、一氧化碳、一氧化碳n控控制制CO排排放放量量的的主主要要因因素素是是可可燃燃混混合合气气的的过过量量空空气气系系数数an全全负负荷荷运运转转特特别别是是冷冷起起动动时时，混混合合气气是是浓浓的的，a可可小小到到0.8甚甚至至更更低低，CO排排放放量量很很大大。发发动动机机加加速速时时如如果果加加浓浓过过多多，或或者者减减速速时时不不断断油油，即即在在瞬瞬态态
2、运运转转工工况况下下供供油油量量控控制制不不精精确确，会会导导致致CO排排放放量量剧剧增增n柴油机总是在稀混合气下运柴油机总是在稀混合气下运转，转，CO排放量要比点燃机排放量要比点燃机低得多，只有在负荷很大接低得多，只有在负荷很大接近冒烟界限时才急剧增加近冒烟界限时才急剧增加n2、碳氢化合物、碳氢化合物n点点燃燃式式内内燃燃机机未未燃燃HC的的生生成与排放有三个渠道：成与排放有三个渠道：n1)燃烧过程中生成和扫气燃烧过程中生成和扫气n2)曲轴箱的窜气曲轴箱的窜气n3)从从汽汽油油箱箱、化化油油器器蒸蒸发发的汽油蒸气的汽油蒸气n柴柴油油机机排排放放的的未未燃燃HC完完全全由燃烧过程产生由燃烧过程
3、产生n内燃机燃烧排放内燃机燃烧排放HC的机理的机理n(一一)点燃式内燃机点燃式内燃机n1.冷激效应冷激效应n2.油膜和沉积物吸附油膜和沉积物吸附n3.容积淬熄容积淬熄n4.碳氢化合物的后期氧化碳氢化合物的后期氧化n(二二)柴油机柴油机n柴油机未燃柴油机未燃HC的排放主要来自的排放主要来自n柴油喷注的外缘混合过度造成的柴油喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气地区，结果造成柴油过稀混合气地区，结果造成柴油机怠速或小负荷运转时的机怠速或小负荷运转时的HC排排放高于全负荷工况放高于全负荷工况n喷油器的残油腔容积喷油器的残油腔容积n火焰在壁面上淬熄也是柴油机火焰在壁面上淬熄也是柴油机HC排放的来源，特别是
4、在冷起排放的来源，特别是在冷起动时，未燃动时，未燃HC以微粒状排出，以微粒状排出，排气冒排气冒“白烟白烟”n3、氮氧化物、氮氧化物n内内燃燃机机排排放放的的氮氮氧氧化化物物NOx主主要要是是一一氧氧化化氮氮NO。从从大大气气氮氮生生成成NO的的化化学学机机理理是是泽泽耳耳多多维维奇奇机机理理。在在化化学学当当量量混混合合比比（a=1）附附近近，导导致致生生成成和和消消失失NO的主要反应为：的主要反应为：n22nN2+ONO+NnO2+NNO+OnOH+NNO+HnNO的生成强烈地依的生成强烈地依赖温度赖温度，当反应物温，当反应物温度从度从2500K提高到提高到2600K时，时，NO的生的生成速
5、率几乎翻一番。成速率几乎翻一番。氧浓度提高也使氧浓度提高也使NO生成量增加生成量增加(一一)点燃式内燃机点燃式内燃机n控制点燃式内燃机控制点燃式内燃机NO排放量的主要排放量的主要因素因素n1.空燃比的影响空燃比的影响n2.已燃气体量的已燃气体量的影响影响n3.点火定时的影点火定时的影响响柴油机燃烧过程中缸内氮氧化物浓度的分布柴油机燃烧过程中缸内氮氧化物浓度的分布n(二二)柴油机柴油机n柴柴油油机机气气缸缸内内达达到到的的最最高高燃燃烧烧温温度度也也控控制制NOx的的生生成成。预预混混合合燃燃烧烧比比例例对对NOx的的生生成有很大影响成有很大影响n喷喷油油较较迟迟时时NO较较低低，因因为为最最高
6、高燃燃烧烧温温度度较较低低，但但代代价价是是燃燃油油消消耗耗率率有有所所提提高高，排排气气烟度增大烟度增大再循环的废气再循环的废气也能降低柴油也能降低柴油机已燃气体的机已燃气体的温度，从而减温度，从而减小小NO的排放量的排放量n4、微粒、微粒n柴柴油油机机的的微微粒粒排排放放量量要要比比汽汽油油机机大大几几十十倍倍。这这种种微微粒粒由由在在燃燃烧烧时时生生成成的的含含碳碳粒粒子子（碳碳烟烟）及及其其表表面面上上吸吸附附的的多多种种有有机机物物组组成成，后后者者称称为为有机可溶成分（有机可溶成分（SOF）n碳碳烟烟生生成成的的条条件件是是高高温温和和缺缺氧氧第三节第三节影响汽油机有害排放物生成的
7、主要因素影响汽油机有害排放物生成的主要因素一、混合气成分二、点火正时三、吸入废气量四、工况第四节第四节影响柴油机有害排放物生成的主要因素影响柴油机有害排放物生成的主要因素一、燃烧过程二、混合气成分三、喷油时刻四、燃烧室类型内燃机的排放特性内燃机的排放特性n一、点燃式内燃机一、点燃式内燃机n1.稳定运转状态稳定运转状态n在稳定运转状态下，各种污染在稳定运转状态下，各种污染物排放量随发动机主要运转参物排放量随发动机主要运转参数即转速数即转速n和平均有效压力和平均有效压力pme的变化称为的变化称为发动机的排放特性发动机的排放特性n2.瞬态运转状态瞬态运转状态n(1)冷起动冷起动HC的大量排放，的大量
8、排放，NOx排放量很低排放量很低n(2)暖机过程暖机过程CO和和HC排放排放很高，很高，NOx的排放随温度的的排放随温度的提高逐渐增大提高逐渐增大第二节第二节影响汽油机有害排放物生成影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制的主要因素及控制n1.对对CO、HC、NOx和和排排放放的的影响影响n含氧燃料是低排放燃料，燃含氧燃料是低排放燃料，燃油中的氮则容易生成油中的氮则容易生成Noxn2.对碳烟和微粒排放的影响对碳烟和微粒排放的影响n作为微粒核心的碳烟，其生作为微粒核心的碳烟，其生成条件是高温和缺氧成条件是高温和缺氧n燃料中燃料中C/H和和C/O比越大，比越大，越容易生成碳烟越容易生成碳烟n3.对
9、臭氧形成的影响对臭氧形成的影响n烷烃和醇类的生成臭氧烷烃和醇类的生成臭氧活性活性MIR较低，不饱和较低，不饱和链烃和芳香烃的链烃和芳香烃的MIR较较高高n4.燃料产生的二氧化碳燃料产生的二氧化碳n燃料的燃料的C/H原子比越大，原子比越大，释放单位热量二氧化碳释放单位热量二氧化碳的排放量越大的排放量越大5、运转因素的影响、运转因素的影响一、影响因素一、影响因素二、机内净化技术二、机内净化技术1、废气再循环、废气再循环2、改动发动机设计、改动发动机设计3、电子控制燃油喷射系统、电子控制燃油喷射系统4、提高燃油品质、提高燃油品质5、增压中冷技术、增压中冷技术三、机外净化技术三、机外净化技术1、曲轴强
10、制通风系统、曲轴强制通风系统2、燃油蒸发控制系统、燃油蒸发控制系统3、三元催化转化器、三元催化转化器4、微粒捕集器、微粒捕集器第五节第五节有害排放物的控制有害排放物的控制(一一)曲曲轴轴箱箱排排放放物物控控制制系统系统(二二)蒸发排放物控制系统蒸发排放物控制系统(三三)排气再循环排气再循环n采用排气再循环（采用排气再循环（EGR）能有能有效地降低点燃式内燃机效地降低点燃式内燃机NOx排排放放，但但n全负荷用全负荷用EGR使最大功率降低使最大功率降低n中等负荷用较大的中等负荷用较大的EGR率使燃率使燃油消耗率增大，油消耗率增大，HC排放上升排放上升n小负荷特别是怠速用小负荷特别是怠速用EGR使燃
11、使燃烧不稳定，甚至导致缺火烧不稳定，甚至导致缺火n应用应用EGR的关键是控制的关键是控制EGR率率(四四)发动机设计的低排放考虑发动机设计的低排放考虑n1.冷起动和暖机冷起动和暖机n2.怠速怠速n3.混合气形成和空燃比混合气形成和空燃比n4.点火系统点火系统n5.燃烧系统燃烧系统排气后处理排气后处理n一、三效催化转换器一、三效催化转换器n它的主要化学反应如下：它的主要化学反应如下：2CO+O22CO2CO+H2OCO2+H22CxHy+(2x+0.5y)O2yH2O+2xCO22NO+2CO2CO2+N22NO+2H22H2O+N22CxHy+(2x+0.5y)NO0.5yH2O+xCO2+(
12、x+0.25y)N2NO+2.5H2NH3+H2On三效催化转换器同时净化三种排放物的效果，只有在化学当量燃烧，三效催化转换器同时净化三种排放物的效果，只有在化学当量燃烧，也就是过量空气系数也就是过量空气系数a=1时才能实现时才能实现n二、柴油机排气微粒捕集器二、柴油机排气微粒捕集器n目前正在开发的微粒捕集器有目前正在开发的微粒捕集器有体积型体积型和和表面型表面型两大类，前者被捕集两大类，前者被捕集的微粒沉积在过滤材料体内，后者则大部分沉积在表面上的微粒沉积在过滤材料体内，后者则大部分沉积在表面上 柴油机微粒捕集器一、评定指标：一、评定指标：n(1)排排放放物物体体积积分分数数和和质质量量浓浓
13、度度单单位位排排气气体体积积中中排排放放污污染染物物的的体体积积，称称为为排排放放物物的的体体积积分分数数，通通常常以以%和和10-6（百万分比）表示，质量浓度常用（百万分比）表示，质量浓度常用mg/m3等计量等计量n(2)质质量量排排放放量量运运转转单单位位时时间间、按按某某标标准准进进行行一一次次测测试试或或车车辆辆按按规规定定的的工工况况组组合合行行驶驶后后折折算算到到单单位位里里程程的的污污染染物排放量。质量排放量用物排放量。质量排放量用g/h、g/测试或测试或g/km等单位表示等单位表示n(3)比排放量比排放量内燃机每作单位功所排放的污染物质量，内燃机每作单位功所排放的污染物质量，用
14、用g/(kWh)作单位表示，当然可以更客观地评价内燃机作单位表示，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污染物排放率第四节第四节发动机排放标准与测试发动机排放标准与测试n二、排放法规二、排放法规n轻型车的排放法规要求整轻型车的排放法规要求整车在底盘测功机上进行测车在底盘测功机上进行测试，结果用单位行驶里程试，结果用单位行驶里程的排放质量的排放质量(g/km)表示。表示。重型车的排放法规不要求重型车的排放法规不要求整车测量，而只要求在内整车测量，而只要求在内燃机实验台上进行内燃机燃机实验台上进行内燃机
15、测试，结果用内燃机排放测试，结果用内燃机排放量量g/(kwh)表示表示n1.轻型车内燃机轻型车内燃机n美国轻型车排放测试用美国轻型车排放测试用1975年颁布的美国城市标年颁布的美国城市标准测试循环准测试循环FTP75n欧洲现行轻型车排放测试欧洲现行轻型车排放测试循环由若干等加速、等减循环由若干等加速、等减速、等速、怠速段落组成速、等速、怠速段落组成 2.重重型车内燃机型车内燃机n美国从美国从1974年起用十年起用十三工况测试重型车用柴三工况测试重型车用柴油机的排放，油机的排放，1984年改年改为瞬态法为瞬态法n欧洲现行重型车用柴油欧洲现行重型车用柴油机排放测试循环为机排放测试循环为ECER49
16、十三工况法十三工况法n3.其他其他内燃机内燃机n对于各种不同用途的内对于各种不同用途的内燃机，国际标准化组织燃机，国际标准化组织制定了制定了ISO8178标准，标准，规定了不同的排放测试规定了不同的排放测试循环循环n4.我国的汽车排放我国的汽车排放法规法规n我国从我国从1983年起陆年起陆续颁布了一系列的续颁布了一系列的有关排放污染物排有关排放污染物排放标准和对应的测放标准和对应的测量法规，并于量法规，并于1994年开始在全国强制年开始在全国强制执行。如：轻型汽执行。如：轻型汽车排气污染物测试车排气污染物测试方法。方法。三、三、排放物测定排放物测定1、实验规范、实验规范2、取样系统、取样系统各
17、国的排放法规都规定用各国的排放法规都规定用定容（定容（CVS）系统取样系统取样3.气体成分的测量原理气体成分的测量原理n世界各国的排放法规规定，世界各国的排放法规规定，CO和和CO2用不分光红外用不分光红外分析仪分析仪(NDIR)测量测量,Nox用用化学分光分析仪化学分光分析仪(CLD)测测量，量，HC用氢火焰离子化用氢火焰离子化分析仪分析仪(FID)测量，用气测量，用气相色谱仪测量甲烷相色谱仪测量甲烷CH4(1)不分光红外分析仪不分光红外分析仪(NDIR)n(2)化学分光分析仪化学分光分析仪(CLD)n(3)氢火焰离子化分析仪氢火焰离子化分析仪(FID)n3.柴油机排气微粒的测量和分析柴油机
18、排气微粒的测量和分析n(1)微粒的质量测量微粒的质量测量n把柴油机排气中的微粒收集在把柴油机排气中的微粒收集在滤纸上，滤纸上，用用g级精密天平称得级精密天平称得滤纸在收集微粒前后的质量差，滤纸在收集微粒前后的质量差，就可以得到微粒的质量。微粒就可以得到微粒的质量。微粒用稀释风道系统取样，根据柴用稀释风道系统取样，根据柴油机排气流过稀释风道的比例，油机排气流过稀释风道的比例，可分为全流式和分流式两种可分为全流式和分流式两种n(2)微粒成分分析微粒成分分析n1）热解质量分析法）热解质量分析法(TG)n2)索氏萃取法索氏萃取法n(3)烟度测量烟度测量n1）滤纸式烟度剂）滤纸式烟度剂n2)消光式烟度剂
19、消光式烟度剂n(4)气相色谱仪气相色谱仪(GC)n(5)顺磁分析仪顺磁分析仪第五节 发动机噪声来源与控制一、发动机噪声的来源一、发动机噪声的来源1、燃烧噪声、燃烧噪声2、机械噪声、机械噪声3、进、排气噪声、进、排气噪声4、风扇噪声、风扇噪声二、噪声控制二、噪声控制1、燃烧爆发压力和不正常燃烧、燃烧爆发压力和不正常燃烧2、转速及惯性力、转速及惯性力3、零件配合及撞击、振动、零件配合及撞击、振动4、隔声、方振、隔声、方振思考与练习思考与练习1.点燃式与压燃式内燃机之间在CO、HC和氮氧化物生成机理方面有何异同？2.柴油机的微粒与氮氧化物排放之间存在什么矛盾？如何缓解此矛盾？3.为降低柴油机的排放，对喷油系统的最新发展进行评述。4.合理应用三效催化转化器的前提是什么？5.柴油机排气微粒捕集器的技术关键是什么？6.为降低内燃机的排放，对汽油和柴油要作哪些改进?