第七章 发动机有害排放

1、 第第七七章章 发动机有害发动机有害排放与噪声排放与噪声主要内容主要内容第一节第一节 汽车发动机汽车发动机有害排放物的生成有害排放物的生成机理机理与影响因素与影响因素第二节第二节 汽油机的排放控制汽油机的排放控制第三节第三节 柴油机的排放控制柴油机的排放控制第四节第四节 发动机排放标准与测试发动机排放标准与测试（自学）（自学）第五节第五节 发动机噪声来源与控制发动机噪声来源与控制 （了解）（了解）内燃机的排放特性（有害排放、噪声）内燃机的排放特性（有害排放、噪声）形成原理与性能分析，对动力经济性形成原理与性能分析，对动力经济性的影响的影响-优化（燃烧系统和调节参数）优化（燃烧系统和调节参数）

2、注意注意 发动机内的化学过程通常是不平衡发动机内的化学过程通常是不平衡的，它受化学反应速度、反应物浓的，它受化学反应速度、反应物浓度、温度以及催化剂存在与否的影度、温度以及催化剂存在与否的影响，所以属于化学动力学范畴。响，所以属于化学动力学范畴。 第一节第一节 汽车发动机汽车发动机有有害排放物的生成害排放物的生成机理与机理与影响因素影响因素一、内燃机排气中的污染物一、内燃机排气中的污染物 POLLUTANTSPOLLUTANTS燃烧过程产生，排气管排出燃烧过程产生，排气管排出CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）等）CO2、CH4PM SOX、醇类、醛类、醇类、醛类(RCHO)3,4苯并

3、芘苯并芘 其他未知污染物，其他未知污染物，e.g. odor, et al. SI engine SI engine NOx 5002000 ppm 20g/kg fuel CO 1%2% 200g/kg fuel HC 3000 ppm 25g/kg fuel CI engineCI engine NOx 5002000 ppm 20g/kg fuel CO+ HC ( 1/5 ) 80g/kg fuel PM (0.20.5)% 25g/kg fuel CO CO 内燃机不完全燃烧产物，对人体有内燃机不完全燃烧产物，对人体有害，大大降低血液的输氧能力。害，大大降低血液的输氧能力。 COCO

4、2 2 内燃机完全燃烧产物，内燃机完全燃烧产物，温室气体。温室气体。 该项指标在汽车排放标准中不予限制，传该项指标在汽车排放标准中不予限制，传统内燃机汽车是无法解决的，因而不仅从能统内燃机汽车是无法解决的，因而不仅从能源短缺的角度，也从环境治理的角度，提出源短缺的角度，也从环境治理的角度，提出了新能源汽车的急迫发展要求。了新能源汽车的急迫发展要求。 NONOx x（NONO、NONO2 2、N N2 2O O）大量的是）大量的是NONO，NONO2 2少量，少量，N N2 2O O极少。极少。NONO直接毒性不大，在大气直接毒性不大，在大气中缓慢氧化生成中缓慢氧化生成NONO2 2；NONO2

5、 2 对人体有害，比对人体有害，比COCO更阻碍血液输氧；更阻碍血液输氧；N N2 2O O温室气体。温室气体。NONOx x是是光化学烟雾的主要成分；在大气中生成硝光化学烟雾的主要成分；在大气中生成硝酸，是酸雨的主要来源之一。酸，是酸雨的主要来源之一。 HC HC 未燃或未完全燃烧的燃油、润滑未燃或未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，成分众多，油及其裂解产物和部分氧化物，成分众多，其中部分对人体有害，也是能源浪费，其中部分对人体有害，也是能源浪费，HCHC是光化学烟雾的重要物质。是光化学烟雾的重要物质。 微粒及炭烟（微粒及炭烟（PMPM，particulate particul

6、ate mattermatter）成分为碳、有机物质、硫酸）成分为碳、有机物质、硫酸盐。汽油机盐。汽油机含铅汽油（已限制使含铅汽油（已限制使用），柴油机严重。用），柴油机严重。 粒径粒径0.10.110m10m，PMPM2.52.5对人体和大气对人体和大气环境危害最大。环境危害最大。 SO SOx x 来源于石油中的重质组分燃烧，来源于石油中的重质组分燃烧，对人体具有毒害作用，是形成酸雨的对人体具有毒害作用，是形成酸雨的主要成分，也影响能见度。主要成分，也影响能见度。微粒微粒的危害的危害 微粒对人体健康的危害和微粒的大小及其组成有关。微粒微粒对人体健康的危害和微粒的大小及其组成有关。微粒愈小，

7、悬浮在空气中的时间愈长，进入人体肺部后停滞在肺愈小，悬浮在空气中的时间愈长，进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例愈大，危害也就愈大，小于部及支气管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1m(微米，微米，10-6m)的微粒能在空气中作随机运动，进入肺部并附在肺细的微粒能在空气中作随机运动，进入肺部并附在肺细胞的组织中，有些还会被血液吸收。胞的组织中，有些还会被血液吸收。(0.10.5)m微粒能深微粒能深入肺部并粘附在肺叶表面的粘液中，随后会被绒毛所清除。入肺部并粘附在肺叶表面的粘液中，随后会被绒毛所清除。大于大于5m的微粒常在鼻处受阻，不能深入呼吸道，大于的微粒常在鼻处受阻，不能深入呼吸道，大

8、于10m的微粒可排出体外。的微粒可排出体外。 微粒能粘附微粒能粘附SO2、未燃、未燃HC、NO2等有毒物质或苯丙芘等等有毒物质或苯丙芘等致癌物，因而对人体健康造成更大危害。由于柴油机的微粒致癌物，因而对人体健康造成更大危害。由于柴油机的微粒直径大多小于直径大多小于0.3m，而且数量比汽油机高出，而且数量比汽油机高出3060倍，成倍，成分更为复杂，因而柴油机排出的微粒危害更大。分更为复杂，因而柴油机排出的微粒危害更大。 二、内燃机排放的二次污染二、内燃机排放的二次污染Secondary PollutionSecondary Pollution光化学烟雾光化学烟雾 photochemical sm

9、ogphotochemical smog空气能见度空气能见度 visibilityvisibility酸雨酸雨 acid rain acid rain 地表水酸化地表水酸化 water acidificationwater acidification 光化学烟雾（光化学烟雾（photo-chemical smogphoto-chemical smog） NONOx x、HCHC在强烈阳光（高温、日照强烈、在强烈阳光（高温、日照强烈、湿度低、风速低）照射下经过一系列链湿度低、风速低）照射下经过一系列链式光化学反应，生成式光化学反应，生成3 3和过氧酰基硝酸和过氧酰基硝酸盐（盐（PANPAN），属

10、于二次污染物，对生态危），属于二次污染物，对生态危害极大，强氧化剂，特殊臭味，刺激眼害极大，强氧化剂，特殊臭味，刺激眼睛和咽喉，橡胶开裂，植物枯死等。睛和咽喉，橡胶开裂，植物枯死等。 这里的这里的3 3存在的范围离地面约存在的范围离地面约0 012m12m，处于对流层大气中，与大气平流层的臭处于对流层大气中，与大气平流层的臭氧层不是同一概念。氧层不是同一概念。p 在我国大中型城市，机动车尾气排放已经在我国大中型城市，机动车尾气排放已经 成为主要的大气污染源。成为主要的大气污染源。p 其中氮氧化物排放量约占总量的其中氮氧化物排放量约占总量的50%50%，一，一 氧化碳约占氧化碳约占85%85%，

11、同时尾气中还含有大量的，同时尾气中还含有大量的 碳氢化合物。碳氢化合物。p 据预测，据预测，20152015年城市机动车污染物排放量年城市机动车污染物排放量 将比将比20002000年上升一倍。年上升一倍。 汽车的分担率汽车的分担率 Motor vehicle contributionMotor vehicle contribution汽车污染分担率汽车污染分担率就是确定汽车排放的某种污染物就是确定汽车排放的某种污染物在城市大气污染中的贡献大小。在城市大气污染中的贡献大小。 燃烧是内燃机发展中的永恒课题，直燃烧是内燃机发展中的永恒课题，直到到2020世纪世纪6060年代为止，内燃机燃烧过程的年

12、代为止，内燃机燃烧过程的研究一直是以动力性和经济性为追求目标。研究一直是以动力性和经济性为追求目标。近几十年来，汽车排放污染所造成的大气近几十年来，汽车排放污染所造成的大气环境恶化成了重大社会问题之一，同时也环境恶化成了重大社会问题之一，同时也成了已有成了已有100100多年历史的内燃机能否继续多年历史的内燃机能否继续生存下去的生死攸关问题。为此，人类作生存下去的生死攸关问题。为此，人类作出了极大努力以降低内燃机排放污染，甚出了极大努力以降低内燃机排放污染，甚至不惜牺牲动力性和经济性指标。近年来，至不惜牺牲动力性和经济性指标。近年来，随着全球汽车保有量的持续增长和石油资随着全球汽车保有量的持续

13、增长和石油资源的日益枯竭以及对温室效应的关注，内源的日益枯竭以及对温室效应的关注，内燃机再次面临严重的能源和环境问题。燃机再次面临严重的能源和环境问题。排放指标排放指标 Emission IndexEmission Index排放物的浓度排放物的浓度质量排放量质量排放量比排放量比排放量排放率排放率 内燃机排放物的浓度内燃机排放物的浓度, ,从广义上讲从广义上讲, ,是指排放物在总排是指排放物在总排气量中所占的比例气量中所占的比例. .对于气态排放物如对于气态排放物如CO,HCCO,HC和和 (NO, )来说来说, ,常用体积分数常用体积分数 来表示来表示, ,一般内燃机的一般内燃机的气态排放物

14、都可作为理想气体处理。为了数据的普遍性气态排放物都可作为理想气体处理。为了数据的普遍性, ,气体的体积要换算到标准大气状态气体的体积要换算到标准大气状态( (内燃机工程标准的内燃机工程标准的大气状态为总压力大气状态为总压力101.3kPa,101.3kPa,水蒸气分压为水蒸气分压为1kPa,1kPa,温度温度273k)273k)。 内燃机固体排放物如柴油机的微粒等用质量浓度表示内燃机固体排放物如柴油机的微粒等用质量浓度表示, ,常用单位常用单位为为 ,对于排放物中的特殊微量物质对于排放物中的特殊微量物质, ,单位单位为为 。3/mg mxNO2NO3/g m 单位时间或按某排放标准规定单位时间

15、或按某排放标准规定, ,进行一次测试进行一次测试, ,在实在实验期内测出的污染物质量验期内测出的污染物质量, ,称为质量排放量称为质量排放量, ,通常以通常以g/hg/h或或g/g/测试测试(g/test)(g/test)表示表示。 安装内燃机的车辆按规定的工况组合安装内燃机的车辆按规定的工况组合( (称为测试循环称为测试循环) )行驶后折算到单位里程的排放量行驶后折算到单位里程的排放量, ,称为称为( (单位单位) )里程质量里程质量排放量排放量, ,常用单位为常用单位为g/kmg/km。 内燃机针对单机进行排放测量时内燃机针对单机进行排放测量时, ,每单位功排出每单位功排出的污染物质量的污

16、染物质量, ,常用常用g/(kwh)g/(kwh)表示表示, ,用以评价不同用以评价不同种类种类, ,排量的内燃机的排放性能排量的内燃机的排放性能。 比排放量与内燃机的燃料消耗率类似比排放量与内燃机的燃料消耗率类似, ,也可称为也可称为污染排放率污染排放率, ,比排放量可以根据测得的发动机功率比排放量可以根据测得的发动机功率, ,排气流量排气流量, ,污染物浓度污染物浓度, ,污染物密度等数据计算污染物密度等数据计算。 排放率定义为燃烧单位质量的燃料所排放的污排放率定义为燃烧单位质量的燃料所排放的污染物质量染物质量, , 理论上是个量纲一的量理论上是个量纲一的量, ,实践中为方便实践中为方便起

17、见常用起见常用g/kgg/kg表示。表示。 目前排放指标中用得较多的是单位里程质量排目前排放指标中用得较多的是单位里程质量排放量放量(g/km,(g/km,轻型车排放法规轻型车排放法规) )和比排放量和比排放量g/(kwh),g/(kwh),重型车排放法规重型车排放法规 。 现行汽车尾气排放法规主要限制现行汽车尾气排放法规主要限制COCO、HCHC、NONOx x、微粒。、微粒。逻辑概念是光化学烟逻辑概念是光化学烟雾来自于雾来自于HCHC、NONOx x，硫、铅化合物控制，硫、铅化合物控制办法是减少燃料自身的含量（燃料中办法是减少燃料自身的含量（燃料中限制），限制），COCO2 2是无法避免的

18、。是无法避免的。其它有机其它有机有害物质目前未予限制。有害物质目前未予限制。 二、有害排放物的生成机理二、有害排放物的生成机理 1 1、NO NO 三种生成途径三种生成途径高温高温NONO（thermal NOthermal NO）扩展捷式反应机）扩展捷式反应机理，理，16001600（也有观点（也有观点1 18 80000，我，我们书上们书上20200000），是，是NONO主要来源。主要来源。 高高温度时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分温度时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分子化合生成子化合生成NO，其反应机理如下，其反应机理如下: HNONOHONONONNOONOO2222反应最慢，决定

19、因素反应最慢，决定因素后人研究后人研究激发激发/ /瞬发瞬发NONO 不需要高温，活化不需要高温，活化能不高的系列反应产生。能不高的系列反应产生。燃料燃料途径途径NONO 一般计算只考虑高温一般计算只考虑高温NONO（占主要部分）（占主要部分）。其三要素：燃烧温度、氧浓度和整个燃其三要素：燃烧温度、氧浓度和整个燃烧反应时间。烧反应时间。 混合气过浓，参与混合气过浓，参与NONO反应的氧气不够，反应的氧气不够，NONO量不大；量不大； 氧浓度足够氧浓度足够时时，温度越高，温度越高，则则反应速反应速度越快，度越快，NONO平衡浓度越高，平衡浓度越高，NONO生成量越生成量越大；大； NO NO生成

20、的速度比生成其他成分的速度慢生成的速度比生成其他成分的速度慢得多，故高温反应时间越长，得多，故高温反应时间越长，NONO生成量越生成量越多多。存在。存在“冻结冻结”在高浓度水平的现象在高浓度水平的现象（可逆反应的逆反应速度缓慢）。（可逆反应的逆反应速度缓慢）。 根据扩展捷氏机理控制根据扩展捷氏机理控制NONO的基本原则：的基本原则：减少混合气中的减少混合气中的O O2 2（或（或N N2 2）的含量；尽可能）的含量；尽可能降低燃烧温度；缩短在高温燃烧带内滞留降低燃烧温度；缩短在高温燃烧带内滞留的时间。的时间。 内燃机高速燃烧，燃烧过程内燃机高速燃烧，燃烧过程5 510ms10ms，一，一般燃烧

21、终了时般燃烧终了时NONO还不能达到平衡浓度。作还不能达到平衡浓度。作为特例，为特例，NONO计算时应采用化学动力学计算，计算时应采用化学动力学计算，其他成分则采用化学平衡计算。其他成分则采用化学平衡计算。一、一、COCO生成机理生成机理 CO MechanismCO Mechanism222H O COHCO理论上，理论上，HCHC燃料完全燃烧时生成燃料完全燃烧时生成COCO2 2和和H H2 2OO。HCHC的氧化过程：的氧化过程： R-H R- R-O2RCHORCOCO+R- CO+OHCO2+H因此，因此，COCO是烃燃料燃烧的中间产物。是烃燃料燃烧的中间产物。aaa实际的燃烧过程在

22、于：实际的燃烧过程在于： 1 1）燃料浓度分布不均匀。）燃料浓度分布不均匀。 2 2）温度分布不均匀。）温度分布不均匀。 3 3）燃烧过程时间短，达不到化学平衡状态。）燃烧过程时间短，达不到化学平衡状态。当反应着的气体突然缺乏氧化剂、温度过低或反应当反应着的气体突然缺乏氧化剂、温度过低或反应时间过短时，时间过短时，COCO就以中间产物的形式生成了。就以中间产物的形式生成了。 因此因此COCO的排放是不可避免的。的排放是不可避免的。 CO CO是不完全燃烧产物，其生成主要受混是不完全燃烧产物，其生成主要受混合气浓度影响。合气浓度影响。 a a1 1，由于缺氧，由于缺氧，C C不能完全燃烧氧化不能

23、完全燃烧氧化成成COCO2 2，COCO作为中间产物产生；作为中间产物产生； a a1 1，理论上不产生，理论上不产生COCO，但由于局部混，但由于局部混合不均匀，局部合不均匀，局部a a1 1，产生，产生COCO；或生成；或生成的的COCO2 2在高温时发生热裂解反应，生成在高温时发生热裂解反应，生成COCO； 在排气过程中，未燃在排气过程中，未燃HCHC不完全氧化，生不完全氧化，生成成COCO，少量。，少量。燃烧终了时的燃烧终了时的COCO浓度一般取决于燃浓度一般取决于燃气温度，发动机膨胀作功过程缸内温气温度，发动机膨胀作功过程缸内温度下降很快，温度下降速度远快于气度下降很快，温度下降速度

24、远快于气体中各成分建立新的平衡过程的速度，体中各成分建立新的平衡过程的速度，COCO来不及建立平衡状态，实际的来不及建立平衡状态，实际的COCO浓浓度要高于排气温度相对应的化学平衡度要高于排气温度相对应的化学平衡浓度，浓度，这就是这就是“冻结冻结”现象（化学动现象（化学动力学）。一般经验，汽油机排气中的力学）。一般经验，汽油机排气中的COCO浓度取值为浓度取值为1700K1700K时的平衡浓度。时的平衡浓度。汽油机汽油机由于要控制空燃比在化学计量比附近，由于要控制空燃比在化学计量比附近，COCO排放浓度高。排放浓度高。 全负荷混合气加浓，全负荷混合气加浓，COCO排放增加。排放增加。 怠速运转

25、，废气多，加浓混合气，怠速运转，废气多，加浓混合气，COCO排放量大。排放量大。 起动暖机时起动暖机时COCO排放较多。排放较多。 多缸机中各缸间空燃比的变动使多缸机中各缸间空燃比的变动使COCO排放量增加。排放量增加。 柴油机柴油机COCO排放特点排放特点 柴油机的柴油机的COCO排放总体比较低。排放总体比较低。 燃烧接近或超过冒烟极限后，由于燃烧过程局部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，缺氧造成混合气过浓，缺氧造成COCO排放迅速增加。排放迅速增加。 柴油机小负荷时，稀混合气区体积增加，燃气温柴油机小负荷时，稀混合气区体积增加，燃气温度降低，度降低，COCO排放略微增加

26、。排放略微增加。 3 3、HCHC 由于汽油机和柴油机的混合气形由于汽油机和柴油机的混合气形成和燃烧方式不同，导致成和燃烧方式不同，导致HCHC生成机生成机理不同，必须分开讨论。理不同，必须分开讨论。 HCHC在汽油机中的生成机理在汽油机中的生成机理 HCHC是不完全燃烧的产物，与过量空气系数有是不完全燃烧的产物，与过量空气系数有密切关系，与燃烧微观过程和现象有关系：密切关系，与燃烧微观过程和现象有关系：（1 1）不完全燃烧：）不完全燃烧：A.A.怠速及高负荷工况，怠速及高负荷工况，a a1 1，过浓状态，过浓状态，且怠速时残余废气系数较大；且怠速时残余废气系数较大；B.B.失火状态；失火状态

27、；C.C.加速或减速，暂时混合气过浓或过稀；加速或减速，暂时混合气过浓或过稀；D.D.a a1 1，但油气混合不均匀。，但油气混合不均匀。（2 2）壁面淬熄效应）壁面淬熄效应及缝隙效应及缝隙效应： 燃烧过程中，燃气温度燃烧过程中，燃气温度20002000，而汽缸壁，而汽缸壁面温度面温度300300，由于传热的缘故，靠近壁面，由于传热的缘故，靠近壁面的混合气体温度较低，加之流动性较差，故的混合气体温度较低，加之流动性较差，故而燃烧强度下降，产生大量未燃而燃烧强度下降，产生大量未燃HCHC。这就是。这就是壁面淬熄效应，即温度较低的燃烧室壁面对壁面淬熄效应，即温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却（冷

28、激），使活化分子的能火焰的迅速冷却（冷激），使活化分子的能量被吸收，燃烧链反应中断，在壁面形成约量被吸收，燃烧链反应中断，在壁面形成约0.10.10.2mm0.2mm的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层。熄层。 淬熄层厚度随发动机工况、混合气湍淬熄层厚度随发动机工况、混合气湍流程度和壁温有关，小负荷特别是冷起动和流程度和壁温有关，小负荷特别是冷起动和怠速时，其值较大。怠速时，其值较大。在火焰传播过程中，燃烧室壁对火焰具有熄火作用，即紧靠壁面附近不可能形成火焰。这样，在熄火区内存在大量未燃烧的烃，它是排气中的主要来源。当左右时，熄火厚度最小；负荷减小时，熄火厚度显著增加；

29、燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。减少熄火厚度及燃烧室的面容比F/V，可以使汽油机HC排放量减少。 缝隙效应：燃烧室中各种狭窄的缝缝隙效应：燃烧室中各种狭窄的缝隙（活塞头部与气缸壁面之间、火花塞中隙（活塞头部与气缸壁面之间、火花塞中心电极周围、进排气门头部周围等），由心电极周围、进排气门头部周围等），由于面容比较大，淬熄效应强，火焰无法传于面容比较大，淬熄效应强，火焰无法传入其中继续燃烧，而在膨胀和排气过程中，入其中继续燃烧，而在膨胀和排气过程中，缸内压力下降，缝隙中的未燃混合气返回缸内压力下降，缝隙中的未燃混合气返回汽缸，并随排气一起排出，虽然缝隙容积汽缸，并随排气一起排出

30、，虽然缝隙容积小，但其中气体压力高、温度低，所以密小，但其中气体压力高、温度低，所以密度大，度大，HC的浓度极高。的浓度极高。 壁面淬熄效应及缝隙效应产生的壁面淬熄效应及缝隙效应产生的HC可占可占排气中的排气中的HC的的30%30%50%50%。 （3 3）壁面油膜和积碳的吸附：在进气和）壁面油膜和积碳的吸附：在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进以及沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进排气门上的多孔性积碳，会吸附未燃混排气门上的多孔性积碳，会吸附未燃混合气及燃料蒸气，而在膨胀和排气过程合气及燃料蒸气，而在膨胀和排气过程中逐步脱

31、附释放出来，这些中逐步脱附释放出来，这些HCHC少部分被少部分被氧化，大部分随已燃气体排除汽缸。氧化，大部分随已燃气体排除汽缸。这这部分部分HCHC占排气中占排气中HCHC的的35%35%50%50%。若清除。若清除积碳，积碳，HCHC可降低可降低20%20%30%30%。一、有害排放物种类一、有害排放物种类 原因：曲轴箱窜气和燃油系统油气原因：曲轴箱窜气和燃油系统油气挥发等。挥发等。 由于未参予燃烧或未完全经过燃烧由于未参予燃烧或未完全经过燃烧过程，过程，其有害成分主要是其有害成分主要是HCHC，占汽车总，占汽车总HCHC的的40%40%，其中曲轴箱窜气和燃油系统，其中曲轴箱窜气和燃油系统蒸

32、发各占蒸发各占50%50%。B B. .非排气污染物非排气污染物 非排气非排气HCHC的生成机理：的生成机理： （1 1）曲轴箱串气）曲轴箱串气 压缩、燃烧过程中，由活压缩、燃烧过程中，由活塞与汽缸间隙之间串入曲轴箱的油气混合塞与汽缸间隙之间串入曲轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸气混合后，由通风口排入大气的污染气体。气混合后，由通风口排入大气的污染气体。柴油机串气中柴油机串气中HCHC较少，汽油机串气中较少，汽油机串气中HCHC多。多。（为什么？（为什么？- -燃料燃烧方式）燃料燃烧方式） （2 2）燃油蒸发）燃油蒸发 由化油器浮子室、空气

33、滤由化油器浮子室、空气滤清器、油箱和燃油系统管接头处蒸发并排清器、油箱和燃油系统管接头处蒸发并排向大气的燃油蒸气。主要指汽油机（为什向大气的燃油蒸气。主要指汽油机（为什么？）。同时它也是一种燃料蒸发损失。么？）。同时它也是一种燃料蒸发损失。运转损失运转损失热浸损失热浸损失昼夜损失昼夜损失加油损失加油损失燃油蒸发损失燃油蒸发损失曲轴箱窜气曲轴箱窜气是指在压缩是指在压缩和燃烧过程中由活塞和和燃烧过程中由活塞和气缸之间的间隙窜入曲气缸之间的间隙窜入曲轴箱的油气混合气和已轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸汽混合后，的润滑油蒸汽混合后，由通风口排入大气的污由通风口排入

34、大气的污染气体。染气体。燃油蒸发燃油蒸发是指有油箱是指有油箱和燃油系统管接头处和燃油系统管接头处蒸发并排向大气的燃蒸发并排向大气的燃油蒸气。油蒸气。汽油机汽油机HCHC排放的来源排放的来源 HC SourcesHC Sources1) 1) 排气排气 55 5565%65%（机内排放）（机内排放）2) 2) 曲轴箱曲轴箱 20 2025%25%3) 3) 燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发 151520%20%柴油机燃烧及排放物生成的特点：柴油机燃烧及排放物生成的特点：v当油束喷入有进气涡流的当油束喷入有进气涡流的燃烧室中时，可大致分为燃烧室中时，可大致分为稀燃火焰熄

35、灭区、稀燃火稀燃火焰熄灭区、稀燃火焰区、油束心部，油束尾焰区、油束心部，油束尾部和后喷部以及壁面油膜，部和后喷部以及壁面油膜，从油束边缘到油束核心部从油束边缘到油束核心部分，局部空燃比可从无穷分，局部空燃比可从无穷大变到零。根据负荷不同，大变到零。根据负荷不同，各区排放物生成的性质也各区排放物生成的性质也不一样。不一样。v根据负荷，各区排放物生成的性质：根据负荷，各区排放物生成的性质：未燃未燃HC： 低负荷时低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区；，主要产生在稀燃火焰熄灭区； 高负荷时高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷喷 部及壁面油膜处。部及壁面油膜处。

36、CO： 低负荷时低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区及稀燃火，主要产生在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰焰 区的交界面上；区的交界面上； 高负荷时高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷喷 部。部。Nox ： 在燃烧完全、供养充分及温度较高的稀燃火焰在燃烧完全、供养充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。区及油束心部产生较多。碳烟：碳烟： 高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的氧浓度低，气体温度高，燃氧浓度低，气体温度高，燃油油分子容易发生高温裂分子容易发生高温裂解而形成碳烟。解而形成碳烟。醛类：醛类： 主要在稀燃火焰

37、熄灭区，由于低温氧化而产生主要在稀燃火焰熄灭区，由于低温氧化而产生醛类中间产物。醛类中间产物。 HCHC在柴油机中的生成机理在柴油机中的生成机理 扩散燃烧方式，燃油在燃烧室的停留时间短，扩散燃烧方式，燃油在燃烧室的停留时间短，绝大部分工况的过量空气系数绝大部分工况的过量空气系数a a远大于汽油机，远大于汽油机，混合气浓度梯度大，喷雾核心的混合气浓度梯度大，喷雾核心的a a00，燃烧室，燃烧室周边区域的周边区域的a a，因而壁面淬熄效应和油膜，因而壁面淬熄效应和油膜及积碳吸附作用小，所以，正常燃烧情况下，柴及积碳吸附作用小，所以，正常燃烧情况下，柴油机油机HCHC排放低于汽油机（除非燃油被喷射到

38、壁面排放低于汽油机（除非燃油被喷射到壁面上）。上）。 柴油机产生柴油机产生HCHC的主要原因：混合不均匀、燃烧的主要原因：混合不均匀、燃烧过程后期低速离开喷油器的燃油混合及燃烧不良。过程后期低速离开喷油器的燃油混合及燃烧不良。（1 1）混合不均匀）混合不均匀 由于混合气浓度分布不均匀，由于混合气浓度分布不均匀，在过浓和过稀的区域会产生局部失火。在过浓和过稀的区域会产生局部失火。（2 2）喷油器压力室容积的影响）喷油器压力室容积的影响 喷油器针阀密封座面下的压力室在喷油喷油器针阀密封座面下的压力室在喷油结束后充满燃油，在燃烧和膨胀过程时，结束后充满燃油，在燃烧和膨胀过程时，这部分燃油被加热和气化

39、，并以液态或气这部分燃油被加热和气化，并以液态或气态低速进入燃烧室，混合及燃烧速度都极态低速进入燃烧室，混合及燃烧速度都极为缓慢，故这部分燃油很难充分燃烧和氧为缓慢，故这部分燃油很难充分燃烧和氧化，进而产生化，进而产生HCHC。压力室容积。压力室容积，HCHC排放排放量量。这部分。这部分HCHC占总占总HCHC的的3/43/4。 不正常燃烧（二次喷射、后滴等）会不正常燃烧（二次喷射、后滴等）会增加增加HCHC。（为什么？）。（为什么？） 柴油机柴油机未燃未燃HCHC排放的来源排放的来源 1 1）完全由缸内燃烧过程产生。）完全由缸内燃烧过程产生。 2 2）没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。）没有曲轴

40、箱排放物和蒸发排放物。 柴油机未燃柴油机未燃HCHC来源来源 1 1）混合气不均匀。）混合气不均匀。 2 2）喷油器嘴部的压力室容积）喷油器嘴部的压力室容积 。 3 3）冷起动）冷起动 。 4 4）气缸壁温度影响）气缸壁温度影响HCHC排放，因为壁面排放，因为壁面激激 冷使冷使HCHC排放增加。排放增加。 4 4、 微粒的生成机理微粒的生成机理汽油机一般不产生微粒，除含铅汽汽油机一般不产生微粒，除含铅汽油（铅微粒）、二冲程发动机（润滑油（铅微粒）、二冲程发动机（润滑油混入汽油）外。油混入汽油）外。 柴油机柴油机的微粒排放量要比汽油机高几十的微粒排放量要比汽油机高几十倍。倍。 因此，研究微粒主要

41、集中于因此，研究微粒主要集中于柴油机柴油机。 可溶性有机物（可溶性有机物（SOFSOF，solubble solubble organic fractionorganic fraction）占）占35% 35% 45% 45%，其，其中来自未燃燃料和未燃润滑油约各占中来自未燃燃料和未燃润滑油约各占50%;50%; 硫酸盐硫酸盐 （来源于燃料中的含硫量）（来源于燃料中的含硫量）占占5% 5% 10% 10%。 （1 1）微粒成分）微粒成分 （干）（干）碳碳烟（烟（DSDS，dry sootdry soot）占）占40%40%50%50%，碳碳烟是微粒的组成之一，发烟是微粒的组成之一，发动机高负荷

42、工作时，动机高负荷工作时，碳碳烟在微粒中的比烟在微粒中的比例升高，部分负荷时下降。例升高，部分负荷时下降。 （2 2）碳碳烟和微粒的生成与氧化烟和微粒的生成与氧化 A.A.碳碳烟和微粒的生成烟和微粒的生成 简单理解为：烃类燃料在高温缺氧条件下简单理解为：烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成（类似炭黑生产工艺）其化学动力裂解生成（类似炭黑生产工艺）其化学动力学反应及物理变化过程十分复杂。当燃油喷学反应及物理变化过程十分复杂。当燃油喷射到高温空气中时，轻质烃蒸发气化，重质射到高温空气中时，轻质烃蒸发气化，重质烃以液态暂时存在，前者产生气相析出型碳烃以液态暂时存在，前者产生气相析出型碳粒，粒度较小；后者

43、直接脱氧碳化，成为焦粒，粒度较小；后者直接脱氧碳化，成为焦炭状液相析出型碳粒，粒度较大。炭状液相析出型碳粒，粒度较大。（成核成核） 重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附凝集，形成排气微粒。碳粒上吸附凝集，形成排气微粒。（聚集聚集） 碳烟的生成碳烟的生成 高温高温 缺氧缺氧碳烟的微观结构碳烟的微观结构 PM nanostructurePM nanostructure 500500，3030分钟后分钟后 碳烟颗粒的分布特性碳烟颗粒的分布特性 PM DistributionPM Distribution B.B.碳碳烟和微粒的氧化烟和微粒的氧化 已生成的已生

44、成的碳碳烟，如果在高温环境下烟，如果在高温环境下又能遇到足够的氧气，就会通过氧化又能遇到足够的氧气，就会通过氧化反应，使其体积缩小甚至完全氧化掉。反应，使其体积缩小甚至完全氧化掉。 图图8-4燃烧系统中碳烟粒子的形成过程燃烧系统中碳烟粒子的形成过程 碳碳烟和微粒的生成与氧化机理揭示烟和微粒的生成与氧化机理揭示了降低其排放量的思路：燃烧前期应避了降低其排放量的思路：燃烧前期应避免高温缺氧，以减少免高温缺氧，以减少碳碳烟的生成；燃烧烟的生成；燃烧后期应保证高温富氧和加强混合气体扰后期应保证高温富氧和加强混合气体扰流强度，以加速流强度，以加速碳碳烟的氧化。烟的氧化。 改善油气混合过程，采用柴油高压喷

45、改善油气混合过程，采用柴油高压喷射技术，微粒和射技术，微粒和碳碳烟的总排放量下降，烟的总排放量下降，但但PM2.5的微粒比重增大，也即粒径的微粒比重增大，也即粒径较大的部分减少较多。较大的部分减少较多。 （3 3）碳碳烟（微粒）与烟（微粒）与NONOX X的关系的关系定常燃烧定常燃烧装置在预混合火焰条件下的实装置在预混合火焰条件下的实验结果表明（具有参考意义）：验结果表明（具有参考意义）：a 0.60.6，a a碳碳烟烟；a a0.60.6，不产生，不产生碳碳烟。烟。 但是，但是，NONO随随a a而增加，在而增加，在a a=1.1=1.1时达到最大值，时达到最大值，因此同时降低因此同时降低碳

46、碳烟和烟和NONO出现了悖论。最佳的技术突破方案就是出现了悖论。最佳的技术突破方案就是在保证热效率的状况下，将在保证热效率的状况下，将a a控制在控制在0.6 0.6 0.9 0.9范围内。范围内。 三、有害排放物生成的影响因素三、有害排放物生成的影响因素 有害排放物是燃烧化学反应的有害排放物是燃烧化学反应的产物，燃烧与温度和过量空气系产物，燃烧与温度和过量空气系数密切相关，进而各种参数和降数密切相关，进而各种参数和降低排放的技术大都通过温度和过低排放的技术大都通过温度和过量空气系数来影响燃烧和有害物量空气系数来影响燃烧和有害物生成过程，所以生成过程，所以温度和过量空气温度和过量空气系数是终端

47、影响因素（各种影响系数是终端影响因素（各种影响因素分析的落脚点）。因素分析的落脚点）。 1 1、a a的影响的影响 COCO、HCHC随随a a增加而急剧下降，增加而急剧下降，a a11后，后，逐渐达到最低值；逐渐达到最低值；a a过大时，过大时，HCHC又有所回升又有所回升（为什么？）；（为什么？）；NONOx x在在a a=1.1=1.1附近出现最大附近出现最大值域（不在最高温度时），值域（不在最高温度时），a a过大和过小都过大和过小都迅速下降（为什么？）；从发动机的动力经迅速下降（为什么？）；从发动机的动力经济性能来看，最大功率时济性能来看，最大功率时a a=0.8=0.80.90.9

48、( (处于处于最佳燃烧的范围内，最佳燃烧的范围内，HCHC及油耗均为最低及油耗均为最低) )，这几个因素要结合起来选择这几个因素要结合起来选择a a优化范围。优化范围。A A 对汽油机的影响对汽油机的影响 另标出了稀燃发动机的曲线另标出了稀燃发动机的曲线车用汽油机在部分负荷下，过量空气系数车用汽油机在部分负荷下，过量空气系数 对燃油消耗率对燃油消耗率bebe和和NOxNOx、HCHC排放的影响排放的影响 B B 对柴油机的影响对柴油机的影响其燃烧方式为扩散燃烧其燃烧方式为扩散燃烧, ,a a1 1 1 1、COCO不到汽油机的不到汽油机的1/10, 1/10, a a1.5,1.5,急剧急剧增

49、加增加, , a a2 2后，缓慢增加（为什么？）；后，缓慢增加（为什么？）； 2 2、a a2 2，HCHC略微增加（原因？），但比略微增加（原因？），但比汽油机小得多；汽油机小得多； 3 3、a a2, 2, a a，碳碳烟烟（在柴油机实（在柴油机实际燃烧过程中际燃烧过程中a a 0.6 0.6的区域，由于混合气的区域，由于混合气浓度分布极不均匀，局部缺氧严重）；浓度分布极不均匀，局部缺氧严重）； 4 4、NONOx x生成机理与汽油机相同，但量小于生成机理与汽油机相同，但量小于汽油机，峰值略向汽油机，峰值略向a a大值方向移动。大值方向移动。a a极大地影响发动机有害排放物极大地影响发动

50、机有害排放物的产生，是最大的影响因素。的产生，是最大的影响因素。汽汽油机关键是控制油机关键是控制a a范围；柴油机范围；柴油机关键是既要控制平均关键是既要控制平均a a, ,还要注还要注意改善局部过浓。意改善局部过浓。2 2、点火、点火/ /喷油喷油提前角的影响提前角的影响 汽油机汽油机点火提前角减小点火提前角减小，NONOx x降低降低（燃烧温度降低），（燃烧温度降低），HCHC降低（后燃加降低（后燃加重，排气温度上升，排气行程以及在重，排气温度上升，排气行程以及在排气管道中排气管道中HCHC氧化反应加速），但油氧化反应加速），但油耗增加耗增加。 柴油机柴油机喷油提前角减小，喷油提前角减小，

51、NONOx x显著显著下降，但下降，但碳碳烟和微粒会明显增大（悖烟和微粒会明显增大（悖论）；同时动力、经济性能恶化。论）；同时动力、经济性能恶化。 减小点火提前角对降低HC及NOx均有利，但以牺牲动力性为代价。 点火正时点火正时 Ignition TimingIgnition Timing0.5c汽油机排放的影响因素汽油机排放的影响因素 燃烧温度柴油机柴油机喷油喷油时刻时刻喷油定时喷油定时 Injection Injection TimingTiming 柴油机排放的影响因素柴油机排放的影响因素 3 3、运转工况的影响（、运转工况的影响（a a、燃烧温度）、燃烧温度） 变工况：变工况：在加速和

52、高速行驶时，由于燃在加速和高速行驶时，由于燃烧温度高，所以烧温度高，所以NONOx x浓度高；在怠速和加浓度高；在怠速和加速时，由于速时，由于a a小（偏浓），且怠速温度小（偏浓），且怠速温度低，残余废气系数高，所以低，残余废气系数高，所以HCHC和和COCO高；高；化油器式汽油机减速时化油器式汽油机减速时HCHC急剧增加，急剧增加，COCO也较高（节气门关闭，进气管高真空状也较高（节气门关闭，进气管高真空状态，管壁上的液态燃油急剧蒸发，加之态，管壁上的液态燃油急剧蒸发，加之惯性作用使进气量比油减得快，导致混惯性作用使进气量比油减得快，导致混合气浓度瞬时增大）合气浓度瞬时增大），与喷射式和改进

53、，与喷射式和改进型减速断油化油器不同型减速断油化油器不同。负荷：负荷：汽油机稳定工况下：低、怠速汽油机稳定工况下：低、怠速HCHC、COCO大，而大，而NONOx x小，高负荷时反之。小，高负荷时反之。 柴油机柴油机负荷负荷变化的排放规律与图变化的排放规律与图8-118-11一致。一致。 转速转速：对汽、柴油机排放影响不大，对汽、柴油机排放影响不大，规律性也不强，但规律性也不强，但提高怠速转速提高怠速转速（缸内扰（缸内扰动加强）动加强），COCO及及HCHC的排放减少的排放减少 ，目前汽，目前汽油机大约在油机大约在800-1000r/min800-1000r/min；柴油机转速柴油机转速上升，

54、上升，碳碳烟和微粒增加。烟和微粒增加。 柴油机柴油机NONOX X排放的影响因素排放的影响因素 （自然吸气直喷柴油机，（自然吸气直喷柴油机，6 6102mm102mm118mm118mm， ）16.5c负荷与转速负荷与转速 Engine Load and SpeedEngine Load and Speed 碳烟的排放特性碳烟的排放特性 PM Emission Characteristics PM Emission Characteristics 柴油机排放的影响因素柴油机排放的影响因素 4 4、发动机类型的影响、发动机类型的影响 汽油机与柴油机排放特性对比汽油机与柴油机排放特性对比 柴油机柴

55、油机HCHC和和COCO排放仅为汽油机的排放仅为汽油机的1/51/51/101/10，NONOx x在中小负荷时远低于在中小负荷时远低于汽油机，大负荷时与汽油机接近，汽汽油机，大负荷时与汽油机接近，汽油机基本无微粒排放。油机基本无微粒排放。结论：汽油机主要控制结论：汽油机主要控制HCHC、COCO、NONOx x；柴油机主要控制柴油机主要控制NONOx x、微粒和碳烟。微粒和碳烟。 不同柴油机燃烧室的排放特性对比不同柴油机燃烧室的排放特性对比 非直喷式柴油机（非直喷式柴油机（IDIIDI）的气）的气体排放及噪声均比直喷式柴油机（体排放及噪声均比直喷式柴油机（DIDI）低，但低，但DIDI柴油机

56、的燃油经济性优越，柴油机的燃油经济性优越，是目前的发展主流，为降低其是目前的发展主流，为降低其NONOx x，现，现在试图把在试图把IDIIDI的浓稀两段式燃烧方式引的浓稀两段式燃烧方式引入。入。 第二节第二节 汽油机的排放控制汽油机的排放控制有害排放物的控制方法总体分为燃烧有害排放物的控制方法总体分为燃烧前、燃烧中、燃烧后处理。前、燃烧中、燃烧后处理。 总论总论 一、汽油机的机内净化技术一、汽油机的机内净化技术 推迟点火提前角推迟点火提前角 废气再循环废气再循环 改进发动机设计改进发动机设计 提高点火能量提高点火能量 电控汽油喷射技术电控汽油喷射技术 提高燃油品质提高燃油品质 以机外技术为主

57、，机内相对简单，要求以机外技术为主，机内相对简单，要求降低，机内仍以动力经济性能最佳为主要降低，机内仍以动力经济性能最佳为主要优化目标。优化目标。 推迟点火提前角推迟点火提前角 就是推迟点火时间，简单易行，就是推迟点火时间，简单易行，普遍应用。普遍应用。 在一定范围内，推迟点火提前在一定范围内，推迟点火提前角，使燃烧温度下降，存在后燃，角，使燃烧温度下降，存在后燃，NONOx x（减少（减少10%10%30%30%）、）、HCHC下降。下降。 因为有可能使动力性和燃油耗因为有可能使动力性和燃油耗率恶化，故要综合考虑，以确定最率恶化，故要综合考虑，以确定最佳点火提前角。佳点火提前角。 减小点火提

58、前角对降低HC及NOx均有利，但以牺牲动力性为代价。 废气再循环（废气再循环（EGREGR，exhaust gas exhaust gas recirculation)recirculation)，主要用于，主要用于降低降低NONOx x（50%50%70%70%），实质），实质是燃烧前处理（另一种常用是燃烧前处理（另一种常用的前处理技术是燃料中加入的前处理技术是燃料中加入添加剂，如乙醇）。添加剂，如乙醇）。 一部分排气流回进气系一部分排气流回进气系统，使进气的氧浓度下降，统，使进气的氧浓度下降，同时混合气的比热容提高，同时混合气的比热容提高，均使得燃烧温度降低，抑制均使得燃烧温度降低，抑制N

59、ONOx x。 废气再循环图-废气再循环系统工作原理 在本循环吸入的新鲜充量在本循环吸入的新鲜充量mm1 1中，若其中一部分是中，若其中一部分是来自发动机的排气，以稀释可燃混合气的浓度，控来自发动机的排气，以稀释可燃混合气的浓度，控制制NOxNOx的生成与排放，称为废气再循环。的生成与排放，称为废气再循环。废气再循环率的定义为参与再循环的废气量废气再循环率的定义为参与再循环的废气量mmEGREGR占占新鲜充量新鲜充量mm1 1的百分比，即的百分比，即1mmEGREGR废气再循（废气再循（EGREGR）率）率 (EGR Ratio)(EGR Ratio) 但但在在全负荷时最大功率下降；中负荷时燃

60、全负荷时最大功率下降；中负荷时燃油耗率增大、油耗率增大、HC上升；小负荷特别是怠速上升；小负荷特别是怠速时燃烧不稳定。时燃烧不稳定。故大负荷、起动、暖机、怠速、小负荷故大负荷、起动、暖机、怠速、小负荷时不使用时不使用EGREGR，其他工况，其他工况EGREGR率率20%20%。 为了精确控制为了精确控制EGREGR率，采用电子控制率，采用电子控制EGREGR阀系统。阀系统。 为了增强降低为了增强降低NONOx x效果，采用中冷效果，采用中冷EGREGR。 为了消除为了消除EGREGR对动力性和经济性的负面对动力性和经济性的负面影响，可同时采用快速燃烧和稳定燃烧的措影响，可同时采用快速燃烧和稳定