8-第八章-排气污染与控制解析

1、 第八章第八章 废气和噪声污染与控制废气和噪声污染与控制 发动机原理发动机原理排气污染与控制2第一节第一节 概述概述 发动机原理发动机原理排气污染与控制3环保与节能环保与节能n环境保护与节能是当今车用动力技术发展的两个主要着眼点。n以发动机为动力的汽车是城市大气污染和噪声的主要来源。据世界一些主要大城市的统计表明，在未治理前，汽车排放中的主要有害成分占城市大气该污染物总量中的比例是很高的。n此外，还有微粒、硫化物、铅、磷及醛等污染，这些污染物对人体的危害很大。发动机原理发动机原理排气污染与控制4一、内燃机排放污染物的危害一、内燃机排放污染物的危害1.一氧化碳（一氧化碳（Co）nCO主要是在缺氧

2、环境下的不完全燃烧产物缺氧环境下的不完全燃烧产物，是一种无色无臭无味的气体，它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍，人体吸入微量，将破坏造血功能，呈中毒症状；吸入含体积浓度0.3的CO气体，则可在30min内使人致命。汽车未采取净化措施以前，Co浓度为34，国产汽油机怠速时可达46；美国和日本的大气中CO，约9599来自汽车。发动机原理发动机原理排气污染与控制5CO是一种无色、无刺激的气体。各种浓度各种浓度CO的危害的危害CO浓度危害CO浓度危害0.001人慢性中毒，贫血，病人心脏、呼吸道恶化0.012人在1h内中毒0.003人在46h内中毒1使人死亡0.01使人头疼，恶心发动机

3、原理发动机原理排气污染与控制62.氮氧化物（氮氧化物（NOx）NOX主要是指NO和NO2，一般用NOX表示。发生在与燃料燃烧反应相伴的高温与富氧的环境中高温与富氧的环境中。NO的毒性比NO2小，但NO在大气中缓慢氧化形成NO2。NO2是褐色有刺激性的气体，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。发动机原理发动机原理排气污染与控制7NO2对人及生物的影响对人及生物的影响NO2的浓度的浓度影响影响NO2 的浓度的浓度影响影响0.5x10-6连续312月，患支气管炎部位有肺气肿出现50 x10-61min之内，人的呼吸异常，鼻受刺激1.0 x10-6闻到臭味80 x

4、10-635min引起胸痛2.5x10-6超过7h，西红柿等植物叶子变白色(100150)x10-6人在3060min因肺水肿而死亡5.0 x10-6闻到强烈臭味发动机原理发动机原理排气污染与控制83.碳氢化合物（碳氢化合物（HC） HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化产物。HC中的大部分对人体健康不产生直接影响，但其中的某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害。 HC可在阳光作用下与NOX进行光化学反应，形成一种毒性较大的光化学烟雾。其中最主要的生成物是臭氧O3，它具有很强的氧化力和特殊的臭味，使橡胶裂开，植物受损，可见度降低，并刺激眼睛及咽

5、喉。发动机原理发动机原理排气污染与控制9NOX和HC在太阳能的作用下进行光化学反应，生成的光化学过氧化物而形成的烟雾称光化学烟雾，主要产物是氧化能力很强的臭氧（O3）及过氧化腊矶硝酸盐等。 O3的浓度影响影响O3的浓度影响影响0.02x10-65min内多数人能觉察，1h内胶片脆化(12) x10-62h头痛、胸痛、肺活量减少、人慢性中毒0.2x10-6人肺的机能减弱，胸部有紧缩感，眼睛红痛(510) x10-6全身痛疼、麻痹、肺气肿(0.20.5) x10-636h使人视力减弱(1520) x10-6小动物2h内死亡(0.51.0) x10-61h内呼吸紧张，气哮病恶化50 x10-6以上人

6、在1h内死亡光化学烟雾对人体和生物的影响光化学烟雾对人体和生物的影响4.光化学烟雾光化学烟雾发动机原理发动机原理排气污染与控制105.颗粒（微粒、颗粒（微粒、PM）排气中的微粒是指经空气稀释后的废气，它是在低于52温度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上沉积的除水以外的物质，如柴油机的碳烟粒子，汽油机的铅及硫酸盐等。铅化物（Pb） 0.2m 碳烟燃料不完全燃烧的产物 0.110m 油雾6.臭气臭气 O3 、 No2 、甲醛、丙烯醛7.CO2的温室效应的温室效应发动机原理发动机原理排气污染与控制11排放指标排放指标n1排放物的浓度Cn在一定排气容积中，有害排放物所占的容积（或质量）比例，称为排放

7、物的浓度。体积分数通常以表示，质量浓度常用mg/m3计量。n2排放物的质量排放量Gn用单位时间内（或一次试验）有害排放物的质量排放量G来衡量，单位是g/h（或g/试验）。n3排放物的比排放量gn每单位功率小时排出污染物的质量称为比排放量 g/（kWh） 。发动机原理发动机原理排气污染与控制12第二节第二节 汽油机有害排放物的汽油机有害排放物的生成机理和影响因素生成机理和影响因素发动机原理发动机原理排气污染与控制13一、一、CO的生成机理n一氧化碳（CO）是碳氢燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。CO生成的机理比较复杂，但一般认为，燃料分子（RH）经高温氧化生成CO要经历如下步骤：nRHRRO

8、2RCHORCOCOn这里R代表碳氢根。CO在火焰中及火焰后，以缓慢的速率氧化成CO2。发动机原理发动机原理排气污染与控制14二、二、HC的生成机理n未燃碳氢化合物（HC）的生成与排出有三个渠道：n排气：占6O以上n曲轴箱窜气：占25n蒸发：占1520左右发动机原理发动机原理排气污染与控制15燃烧过程中燃烧过程中HC生成的主要途径生成的主要途径n1）缝隙效应n2）壁面激冷与淬熄n3）润滑油膜吸附n4）减速及怠速工况cui发动机原理发动机原理排气污染与控制16三、三、NOX的生成机理n发动机排出的氮氧化物（NOX）主要是NO，NO2排出量较少。nNO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生在燃料燃烧反

9、应所形成的环境中，其主导反应过程是：nON2 NONnNO2 NOO发动机原理发动机原理排气污染与控制17促使促使NOX生成的因素生成的因素n（1）高温n（2）富氧n（3）充足的反应时间发动机原理发动机原理排气污染与控制18 汽油机是一种预混燃烧，它靠电火花进行外源点火，火核形成以后，以火焰传播为特征，其可燃混合气浓度范围比较窄，混合气成分是影响排放的最主要的因素。 四、影响因素四、影响因素-混合气成分混合气成分发动机原理发动机原理排气污染与控制19影响因素影响因素-点火正时点火正时发动机原理发动机原理排气污染与控制20发动机原理发动机原理排气污染与控制21 EGR可以抑制燃烧的最高温度，有利

10、于抑制NO的生成。但燃烧的有效性降低，动力性变差。影响因素影响因素-吸入废气量吸入废气量(EGR)(EGR)发动机原理发动机原理排气污染与控制22影响因素影响因素-工况工况n从汽油机排放特性图看出，对于不同的运行工况，各种有害排放物的差异很大。n怠速与减速工况，是HC生成的主要工况。在怠速工况下，燃烧环境温度比较低，缸内残余废气量比较大，混合气比较浓，致使燃烧恶化，HC排放浓度增加；在减速工况下，很高的进气管真空度使进气管内沉积的燃料油膜大量蒸发，这是HC增加的重要原因。发动机原理发动机原理排气污染与控制23第三节第三节 汽油机有害排放物汽油机有害排放物控制技术控制技术发动机原理发动机原理排气

11、污染与控制24控制措施分类控制措施分类n1）以降低排放为目标，通过改进发动机燃烧过程为主的机内处理方法。n2）对燃烧排出的有害物，在排气系统等处进行后处理。n3）对曲轴箱窜气或油蒸气部分进行处理。 2）、3）又称为机外处理方法。发动机原理发动机原理排气污染与控制25发动机原理发动机原理排气污染与控制26 从空气滤清器引出一股新鲜空气进入曲轴箱，再经流量调节阀（PCV阀）把窜入曲轴箱的气体和空气的混合气一起吸入气缸烧掉。 当窜缸气体量大于阀门的流通能力时，曲轴箱中过量的窜气量将通过空气滤清器连接管2进入空气滤清器，进入气缸再次燃烧。 一、曲轴箱强制通风系统（一、曲轴箱强制通风系统（PCV系统）系

12、统）发动机原理发动机原理排气污染与控制27 n在发动机部分负荷正常工况时，曲轴箱内的所有窜缸气体通过PCV阀，进入进气歧管；n在怠速或低速时（a），进气歧管中相对真空度较高，真空吸力大，允许少量曲轴箱蒸气混合气通过；n当发动机转速或负荷加大时（b），进气管真空度下降，吸力减小，允许较多的气体通过；发动机全负荷工作时，PCV阀的弹簧使阀门开后到最大流量状态（b）；n发动机回火时PCV阀起保护作用，（c）。PCV阀的工作原理阀的工作原理发动机原理发动机原理排气污染与控制28 系统的主要组成有止回阀、净化控制阀、活性炭罐等 如燃料箱中压力变高时，止回阀开启，蒸发燃料被活性炭吸附。当由吸气压力控制的净

13、化控制阀打开时，被吸附在活性炭上的燃料蒸气和经过活性炭罐的空气滤清器的空气一起被吸入进气系统，再进入气缸燃烧 二、燃油蒸发净化装置二、燃油蒸发净化装置发动机原理发动机原理排气污染与控制29 三、废气再循环装置（三、废气再循环装置（EGR）发动机原理发动机原理排气污染与控制30n当发动机处于怠速时，无真空压力作用在EGR阀的隔膜上，弹簧保持阀门关闭，不进行EGR 。n随着负荷增大，真空口处真空增大，一般当真空度超过10kPa时，阀门开启，开始进行EGR。n真空度升到25kPa时，隔膜上升到最高位置。发动机原理发动机原理排气污染与控制31 当节气门全开时，真空口处的真空很小，EGR阀关闭，空气燃油

14、混合气不被稀释，以保证汽车发动机动力性能。 在暖车过程中，冷却液和发动机进气温度都较低，NO的排放量也很低，应关闭EGR阀。此时关闭EGR阀工作由温度控制开关实现。一般而言，发动机冷却液温度低于40时，应使EGR阀保持关闭。 发动机原理发动机原理排气污染与控制32 nEGR系统的主要工作参数为EGR率R，其定义为：RGr（GrGa）；式中Ga表示进入发动机的空气和燃油混合气的质量流量；Gr表示进入发动机的再循环废气质量流量。EGR率对发动机性能的影响率对发动机性能的影响 发动机原理发动机原理排气污染与控制33发动机原理发动机原理排气污染与控制34四、汽油机三效催化转化器四、汽油机三效催化转化器

15、发动机原理发动机原理排气污染与控制35222NOHCONOxHCCOTWC1、工作原理发动机原理发动机原理排气污染与控制362、催化器性能评价参数n（1）转换效率%100)1 (%催化器入口浓度催化器出口浓度）转换效率（n催化器出、入口浓度分别代表有害气体（HC、CO、NOx）的浓度。可见，转换效率表示把HC、CO、NOx等有害气体转换成无害气体的百分率。转换效率的测定一般在发动机试验台或装车试验中进行发动机原理发动机原理排气污染与控制37）催化器体积（）量（催化器排出气体体积流331/)(dmhdmhSVnSV简称空速，主要用于评价催化器的安装占用空间的程度。显然，在同样的排气流量下，排气催

16、化转化器所允许的空速SV越大，催化器的体积就越小。或者说，SV越小，在同样的排气流量下，反应气体在催化器中的停留时间越长，转换效率越高。n（2）空间速度发动机原理发动机原理排气污染与控制38（1）空燃比条件发动机原理发动机原理排气污染与控制39n一般称转化效率为50所对应的温度为催化剂的起燃（Light-off）温度。n一般三效催化剂对各种污染物的起燃温度在220一270之间。在发动机冷起动与暖机时，催化剂温度很低，净化效能很差。用美国FTP-75测试循环进行测试时，CO和HC的5080是在冷起动后1min内排放的。为缓解这个问题，正在研究用电加热催化剂加速它在冷起动后的起燃或采用紧耦型催化器

17、。 发动机原理发动机原理排气污染与控制404、车用三效催化剂的要求n起燃温度低；n有较高的储氧能力，以补偿空燃比的波动；n耐高温，不易热老化；n对杂质不敏感，不易中毒；n尽量不产生H2S、NH3等物质；n成本合理。 发动机原理发动机原理排气污染与控制415、催化转化器的结构（圆形） 外壳外壳减振密封垫减振密封垫载体与催化剂载体与催化剂发动机原理发动机原理排气污染与控制42催化转化器的结构（椭圆形） 发动机原理发动机原理排气污染与控制43不锈钢外壳催化转化器52发动机原理发动机原理排气污染与控制446、催化器的寿命与失效n催化转换器一般要求寿命在10万km以上。贵金属催化剂报废后，贵金属可以回收

18、再用。 发动机原理发动机原理排气污染与控制45催化转化器老化失效形式化学老化化学老化热老化热老化积垢老化积垢老化机械老化机械老化中毒：不可逆吸附或发生表面反应抑制：毒物的竞争可逆吸附毒物导致催化剂表面重构发生载体孔结构的阻塞 活性组分的烧结形成合金载体结构发生变化贵金属-贱金属的相互作用贵金属表面重组贵金属挥发碳沉积（结碳）热冲击磨损机械破坏 发动机原理发动机原理排气污染与控制46第二节第二节 内燃机噪声污染及防治内燃机噪声污染及防治一、内燃机噪声的主观评价与测定一.噪声的物理参数1）声压、声压级声波通过介质时，在与声波相垂直的单位表面上的压强增量值称为声压。 正常人刚刚听到的声压为210-5

19、Pa； 刚刚使人疼痛感觉的声压为20Pa。 声压级 （dB）0lg20ppLpLP声压级，单位dB，是Bel的110P0为1000Hz时的基准声压，即210-5Pa发动机原理发动机原理排气污染与控制47一.噪声的物理参数2）声强、声强级声强是在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能，通常用I表示，单位W/m2。 从听阈到痛阈，声强的变化范围为10-121W/m2声强级 （dB）oIIILlg10I某声音的声强I0为1000Hz时的基准声强，即10-12W/m23)声功率、声功率级声功率是声源在单位时间内辐射的总声能量，用W表示，单位w。声功率与声强的关系为dsIWsn声功率级 （d

20、B）0lg10WWLwW0基准声功率，为1012wyu发动机原理发动机原理排气污染与控制484)频率、频带 人们可听到的频率为2020000Hz，有1000倍的变化范围，为了方便常把宽广的声波频率范围分为几个频段，这就是频带或频程； 目前常用频程中心频率为31.5；63；125；250；500；1000；2000；4000；8000；16000Hz。 以频率为横坐标，以声压级（声强级、声功率级）为纵坐标，作出噪声测量图形，可以清楚地了解噪声的成分和性质，叫做频谱分析。发动机原理发动机原理排气污染与控制492.对噪声的主观评价 声压级越高，声音越强，声压级越低，声音越弱； 人耳对声音的感觉不仅与

21、升压有关，还和频率有关，人耳对高频声音如30004000Hz频率的声音感觉敏锐，对低频声音如100Hz以下感觉迟钝。 为了评价人耳听到的响度强弱仿照声压级提出了响度级的概念。 响度级是相对量，以方(phon)为单位，就是选取1000Hz的纯音作为基准声音，凡是听起来同该纯音一样响的噪声，其响度级就等于这个纯音声压级的dB数； 如噪声的声响人听起来与声压级为100dB、频率为1000Hz的基准声音同样响，则该噪声的响度级为100方。发动机原理发动机原理排气污染与控制50国际标准化组织（ISO）等响曲线 1000Hz、210-5Pa（1）人耳对30004000Hz的声音最敏感，在这一频率范围内同一声压级dB数的响度级最高；人耳对100Hz以下的低频率不敏感。发动机原理发动机原理排气污染与控制51国际标准