发动机的排放与噪声控制

1、第第1010章章 发动机的排放与噪声控制发动机的排放与噪声控制 10.1.110.1.1发动机排放污染的现状发动机排放污染的现状( (世界问题）世界问题） 10.1.2 10.1.2 发动机排放污染物的危害发动机排放污染物的危害 1.1.一氧化碳一氧化碳- -中毒中毒 、死亡、死亡2.2.氮氧化物氮氧化物 危害植物危害植物3.3.碳氢化合物碳氢化合物形成光化学烟雾形成光化学烟雾 4.4.光化学烟雾光化学烟雾5.5.微粒微粒 铅化物铅化物( (PbPb) ) 、炭烟炭烟 10.1 10.1 发动机有害排放物的生成及危害发动机有害排放物的生成及危害10.1.3 10.1.3 发动机排放污染物的生成

2、机理发动机排放污染物的生成机理 1.1.一氧化碳的生成一氧化碳的生成 图图10.1 10.1 不同空然比下废气中的各成分变化不同空然比下废气中的各成分变化 图图10.210.2混合气浓度对有害气体排放量影响混合气浓度对有害气体排放量影响2.2.氮氧化物的生成氮氧化物的生成 生成生成NONO的影响因素：的影响因素：1)1)氧的浓度氧的浓度2)2)温度温度 3)3)反应滞留时间反应滞留时间 3.3.碳氢化合物的生成碳氢化合物的生成 1)1)冷激效应冷激效应 （缝隙）（缝隙）2)2)油膜和沉积物吸附油膜和沉积物吸附 3)3)火焰淬熄火焰淬熄 4)4)未燃碳氢化合物的氧化未燃碳氢化合物的氧化 生成生成

3、HCHC的渠道：的渠道：1.1.在燃烧室中产生在燃烧室中产生2.2.由曲轴箱窜出由曲轴箱窜出3.3.燃油箱系统蒸发出燃油箱系统蒸发出图图10.3燃烧室内缝隙的组成燃烧室内缝隙的组成 图图10.4 活塞顶环岸缝隙中烃的排出过程活塞顶环岸缝隙中烃的排出过程 图图10.5 压力室结构对压力室结构对HC排放的影响排放的影响 4.4.微粒的生成微粒的生成 图图10.6燃烧系统中燃烧系统中炭炭烟粒子的形成过程烟粒子的形成过程 燃油燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙炔及其较高的同解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙炔及

4、其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭为主的系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭为主的直径直径2nm2nm左右的炭烟核心左右的炭烟核心 5. 5. 光化学烟雾光化学烟雾 HC HC与与NOxNOx一次污染物的存在，在强烈阳一次污染物的存在，在强烈阳光照射下，生成光照射下，生成O3O3和和PANPAN光化学烟雾，光化学烟雾，对人体的呼吸有伤害。对人体的呼吸有伤害。10.2 10.2 影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制制 o 1.1.混合气成分混合气成分 o 2.2.点火正时点火正时 o 3.3.负荷负荷 o 4.4.转速转速 o 5

5、.5.过渡工况过渡工况o 6.6.废气再循环废气再循环 10.2.1 10.2.1 影响因素影响因素 1.1.混合气成分混合气成分 图图10.8 有害排放物浓度与有害排放物浓度与 的关系的关系 图10.9 点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响 图10.10 气缸内燃烧压力与点火时刻的关系 2.2.点火正时点火正时 3.3.负荷负荷o 低负荷或怠速：供浓混合气，低负荷或怠速：供浓混合气，CO,HCCO,HC含量高；含量高；o 中等负荷：经济混合气，中等负荷：经济混合气，CO,HCCO,HC含量低，但含量低，但NOxNOx含量高；含量高；o 大负荷与满负荷：较浓混合气，燃烧压力与温大负荷与满负

6、荷：较浓混合气，燃烧压力与温度很高，度很高，NOxNOx量增多；使量增多；使COCO量增加；量增加；4.4.转速转速o 转速增加，促进混合，转速增加，促进混合，CO,HC CO,HC 含量降低；含量降低；o 浓混合气时，转速增加，散热时间减少，温浓混合气时，转速增加，散热时间减少，温度较高，度较高，NOxNOx含量增加。含量增加。 稀混合气时，转速增加，稀混合气时，转速增加，NOxNOx含量减少。含量减少。5.5.过渡工况过渡工况怠速与减速，是怠速与减速，是HC HC 生成的主要工况；生成的主要工况；怠速：燃烧温度比较低，缸内残余废气比较多，混合器怠速：燃烧温度比较低，缸内残余废气比较多，混合

7、器比较浓，导致燃烧恶化，比较浓，导致燃烧恶化，HCHC量较多。量较多。减速，进气歧管真空度较大，使得进气管内沉积的燃料减速，进气歧管真空度较大，使得进气管内沉积的燃料油膜大量蒸发，混合气较浓。油膜大量蒸发，混合气较浓。其他过渡工况见表其他过渡工况见表10.710.76.废气再循环废气再循环EGR 将一部分废气回送燃烧室，利用排气中的气体比将一部分废气回送燃烧室，利用排气中的气体比热容大的特点，可以抑制燃烧的最高温度，将有利热容大的特点，可以抑制燃烧的最高温度，将有利于抑制于抑制NOxNOx产生。但产生。但EGREGR率过大，率过大，NOxNOx产生下降，但产生下降，但过量空气系数减少，使得动力

8、性差。过量空气系数减少，使得动力性差。10.2.2 10.2.2 机内净化技术机内净化技术 1 1废气再循环（降低废气再循环（降低NOxNOx） 图图10.1110.11废气再循环系统工作原理废气再循环系统工作原理 原理和作用：原理和作用：一部分排一部分排气经气经EGREGR阀还流回进气阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑度的降低，因而可以抑制制NONOx x的生成。的生成。 图图10.12 EGR1

9、0.12 EGR降低降低NONOx x的效果的效果 图图10.13 EGR10.13 EGR于与其他措施合用的效果于与其他措施合用的效果AA仅采用仅采用EGR BEGR+EGR BEGR+增强进气涡流增强进气涡流 CEGR+CEGR+增强进气涡流增强进气涡流+ +双火花塞点火双火花塞点火 EGR与其他措施合用的效果与其他措施合用的效果2.2.改进发动机设计改进发动机设计 1)1)冷起动、暖机和怠速冷起动、暖机和怠速 2)2)压缩比压缩比 3)3)燃烧系统燃烧系统4)4)进气系统进气系统5)5)活塞组设计活塞组设计 6)6)分层稀薄燃烧分层稀薄燃烧 图10.14火花塞位置对油耗和HC排放物的影响

10、 1火花塞在燃烧室侧面 2火花塞在燃烧室中心 图图10.1510.15四气门和二气门发动机对油耗和四气门和二气门发动机对油耗和HCHC排排放物的影响放物的影响11二气门发动机二气门发动机22四气门发动机四气门发动机 图图10.1610.16稀燃发动机混合气浓度工作极限稀燃发动机混合气浓度工作极限11采用三效催化转化器采用三效催化转化器=14.7=14.7时发动机控制时发动机控制22用稀燃传感器控制发动机用稀燃传感器控制发动机33用燃烧压力传感器控制发动机用燃烧压力传感器控制发动机44发动机处于工作极限下运行发动机处于工作极限下运行55工作极限工作极限66燃油消耗燃油消耗77发动机运行不稳定发动

11、机运行不稳定3.3.电子控制燃油喷射系统电子控制燃油喷射系统(EFI)(EFI) 混合气形成的空燃比特性是决定点燃式内燃混合气形成的空燃比特性是决定点燃式内燃机性能和排放的关键因素。采用氧传感器机性能和排放的关键因素。采用氧传感器闭环控制的闭环控制的EFIEFI模式。模式。4.4.提高燃油品质提高燃油品质 采用辛烷值高的燃油。采用辛烷值高的燃油。10.2.310.2.3机外净化技术机外净化技术 1.1.三效催化转化器（三效催化转化器（TWCTWC） 图图10.1710.17催化转化器结构催化转化器结构 随汽油机电子控制燃油喷随汽油机电子控制燃油喷射系统的不断完善和无铅射系统的不断完善和无铅化低

12、硫汽油的燃用，化低硫汽油的燃用，TWCTWC是控制汽车排放最理想和是控制汽车排放最理想和最重要的措施。最重要的措施。1外壳外壳 2载体与催化剂载体与催化剂 3减振密封衬垫减振密封衬垫图图10.18 10.18 过量空气系数对过量空气系数对TWCTWC转化效率的影响转化效率的影响 在过量空气系数在过量空气系数 =1=1附近，三效催化剂对附近，三效催化剂对COCO、HCHC和和NONOX X能同时达到较好能同时达到较好的净化效果的净化效果 a2.2.曲轴箱强制通风系统曲轴箱强制通风系统 曲轴箱强制通风系统曲轴箱强制通风系统(PCV）3.3.燃油蒸发控制系统燃油蒸发控制系统 图图10.2010.20

13、燃油蒸发控制系统燃油蒸发控制系统 11空气滤清器空气滤清器 22控制器控制器 33储气罐储气罐 44油箱油箱 55炭罐炭罐 66进气管进气管 10.3 10.3 影响柴油机有害排放物生成的影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制主要因素及控制 10.3.110.3.1柴油机有害柴油机有害排放物排放物生成特点生成特点 (1) (1) 未燃未燃HC HC (2) CO (2) CO (3) NO(3) NOx x (4)(4)炭烟炭烟 (5)(5)醛类醛类 1 1稀燃火焰熄灭区稀燃火焰熄灭区2 2稀燃火焰区稀燃火焰区3 3油束心部油束心部 4 4油束尾部和后喷部油束尾部和后喷部10.3.210.3

14、.2影响因素影响因素 1.混合气成分混合气成分图图10.2210.22混合气成分与柴油机排放的关系混合气成分与柴油机排放的关系2. 喷油时刻喷油时刻图图10.2310.23喷油定时对排放的影喷油定时对排放的影响响 分隔式燃烧室生成的分隔式燃烧室生成的NONOx x、COCO、HCHC和炭烟的排放浓度均低和炭烟的排放浓度均低于直喷式，特别是于直喷式，特别是NONOx x排放浓度一般比直喷式燃烧室的低排放浓度一般比直喷式燃烧室的低5050左右左右 。 原因是，这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段原因是，这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。在喷油开始和燃烧初期，副燃烧室的空燃比较小，进

15、行。在喷油开始和燃烧初期，副燃烧室的空燃比较小，氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的COCO及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成对生成NONOx x仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的气，使来自副燃烧室的COCO及及HCHC进一步氧化。高温燃气进进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，温度有所下降，抑制了入主燃烧室后，温度有所下降，抑制了NONOx x的生成的生成 3.3.燃烧室排放比较燃烧室排放比较10.3.31

16、0.3.3机内净化技术机内净化技术 1.1.增压中冷技术增压中冷技术最现实的办法是增加空气量最现实的办法是增加空气量 2.2.改进进气系统改进进气系统 1)1)进气组织进气组织 2)2)多气门多气门 图图10.2410.24缸内的各种有组织气流缸内的各种有组织气流(a)(a)切向进气道及其产生的旋流切向进气道及其产生的旋流 (b)(b)螺旋进气道及其产生的旋流螺旋进气道及其产生的旋流 (c)(c)纵向滚流纵向滚流(d)(d)压缩时的挤流压缩时的挤流 (e)(e)膨胀时的逆流膨胀时的逆流 图图10.2510.25两气门及四气门柴油机性能指标比较图两气门及四气门柴油机性能指标比较图 3.3.改进喷

17、油系统改进喷油系统 1)1)高压喷射高压喷射 2)2)推迟喷油提前角推迟喷油提前角 3)3)减小喷孔直径，增加喷孔数目减小喷孔直径，增加喷孔数目 4)4)减小喷嘴压力室容积减小喷嘴压力室容积 5)5)高压共轨电控燃油喷射高压共轨电控燃油喷射 三三种燃油系统的种燃油系统的喷油压力对烟度及喷油压力对烟度及性能的影响性能的影响 试验试验条件：转速条件：转速1000r/min1000r/min， 1717， NONOx x1200120010106 6 4.4.改进燃烧系统改进燃烧系统 1)1)燃烧室容积比燃烧室容积比燃烧室容积对气缸余燃烧室容积对气缸余隙容积之比隙容积之比 2)2)燃烧室口径比燃烧室

18、口径比 口径比口径比d dk k/ /D D小的深燃小的深燃烧室可在室中产生较强的涡流烧室可在室中产生较强的涡流 3)3)燃烧室形状燃烧室形状 缩口燃烧室已经取代应缩口燃烧室已经取代应用最广直边不缩口的用最广直边不缩口的形燃烧室形燃烧室 4) 4) 适当提高压缩比适当提高压缩比 图图10.2710.27挤流口型与标准型燃烧室的排放特性挤流口型与标准型燃烧室的排放特性 不缩口不缩口型型缩口缩口型型图图10.2810.28三种燃烧室的烟度及燃油消耗率三种燃烧室的烟度及燃油消耗率1-1-形燃烧室形燃烧室2-2-四角型燃烧室四角型燃烧室3-3-微涡流燃烧室微涡流燃烧室 5.5.降低机油消耗降低机油消耗

19、 6.6.废气再循环废气再循环 7.7.提高燃油品质提高燃油品质 10.3.410.3.4机外净化技术机外净化技术 主要是降低微粒中主要是降低微粒中的有机可溶成分的有机可溶成分SOFSOF，但柴油中的硫将影但柴油中的硫将影响响SOFSOF的降低。的降低。图图10.2910.29柴油机氧化催化剂使用效果柴油机氧化催化剂使用效果 1.1.氧化催化转化器氧化催化转化器图图10.3010.30微粒捕集器的过滤材料微粒捕集器的过滤材料( (a)a)陶瓷蜂窝载体陶瓷蜂窝载体( (b)b)陶瓷纤维编织物陶瓷纤维编织物( (c)c)金属线纤维编织物金属线纤维编织物2 .2 .微粒捕集器微粒捕集器微粒捕集器也称

20、微粒捕集器也称排气微粒过滤器，排气微粒过滤器，用来滤除微粒。用来滤除微粒。3 .3 .柴油机柴油机NoNox x还原催化剂还原催化剂主要去除主要去除NOxNOx，方法是用还原，方法是用还原剂还原剂还原NOxNOx。目前存在的困难：目前存在的困难：o 在高浓度氧氛围进行在高浓度氧氛围进行NOxNOx还原，对催化剂要求高。还原，对催化剂要求高。o 排气问对较低。排气问对较低。o 柴油机排气中含有柴油机排气中含有SoxSox和和微粒，催化剂中毒。微粒，催化剂中毒。常用催化剂：尿素常用催化剂：尿素10.410.4发动机排放法规与测试发动机排放法规与测试 10.4.110.4.1排放法规排放法规 详见板书详见板书10.4.210.4.2排放物测定排放物测定 1.1.试验规范试验规范 在底盘测功机上模拟其特定行驶循环，并在底盘测功机上模拟其特定行驶循环，并测定所排出有害物质的量，通过调节测功机可模拟在实测定所排出有害物质的量，通过调节测功机可模拟在实际到路上行驶的功率，而用惯性质量模拟汽车质量。际到路