发动机原理B-第六、九章-2011刘志恩

1、第六章第六章发动机的特性发动机的特性第一节 发动机工况2021-12-14发动机原理3发动机的运行工况n发动机的运行情况（简称工况）是以其发出的功率P Pe e和转速n n来表示；n只有当发动机发出的转矩与工作机械消耗的转矩相等时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作（A点）；n当工作机械阻力矩增加(TR)，若发动机油量控制机构不变，则其转速就要降低，直至B点达到新的平衡，发动机再次稳定工作；n由于发动机稳定工作必须满足转矩与转矩与工作机械阻力矩相等工作机械阻力矩相等的条件，因而发动机工况变化规律与所带动的工作机械的工作情况有关。 2021-12-14发动机原理4发动机的使用条件根据内燃机的

2、用途，其使用条件大致可分为：n恒速工作恒速工作( (曲线曲线1,1,线工况线工况) )。如带动发电机工作；n流体阻力负荷流体阻力负荷( (曲线曲线2 2，螺旋桨，螺旋桨工况工况) )。发动机功率与转速成一定函数关系，如带动螺旋桨工作的船用主机；n陆上运输陆上运输( (曲线曲线3 3，面工况，面工况) )。发动机功率和转速都独立地在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。如驱动汽车等陆上运输车辆。2021-12-14发动机原理5发动机的特性n发动机性能指标随调整情况及运转工况而变化的关系称为发动机特性发动机特性； n随调整情况而变化的又称调整特性，如柴油机供油提前角调整特性、汽油机点火提前角调整

3、特性、化油器调整特性等；n性能指标随运行工况而变化的又称性能特性；n特性用曲线表示称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。 2021-12-14发动机原理6发动机的有效指标 n平均有效压力：vmimeKpn有效功率：nKpimve1n有效转矩：imvtqKT2n有效燃油消耗率：imeKb13n每小时耗油量：nKBv4第二节 发动机台架试验2021-12-14发动机原理8一、台架试验装置 n试验台架n辅助系统n各种测量仪器、仪表及操纵台2021-12-14发动机原理92021-12-14发动机原理92021-12-14发动机原理10三、耗油率的测量耗油率的测量可分容积法

4、和质量法：n容积法：通过测定消耗一定容积的燃油所需的时间，通常用于汽油机的油耗测量；n计算公式：n质量法：通过测量消耗一定质量的燃油所花费的时间，通常用于柴油机的油耗测量；n计算公式：10006 . 3eefTpBbtVB10006 . 3eepBbtmB2021-12-14发动机原理11 容积法 n试验时操作如下： 打开油箱开关，三通阀处于位置A； 测量前将三通阀旋至位置B，油箱同时向发动机和量瓶供油，直到量瓶油面高于选定圆球容积的刻线，将三通阀仍置于位置A等待测量； 测量时，将三通阀旋至位置C，发动机直接由量瓶供油，量瓶油面下降，记录燃油流过所选圆球上下部刻线间容积VT所用时间t，同时测量

5、功率Pe ； 将量瓶再次充满燃油（三通阀旋至位置B）后准备下一次测量。2021-12-14发动机原理12 质量法 n试验时操作如下： 打开油箱开关，三通阀处于位置A； 测量前将三通阀旋至位置B，油箱同时向发动机和量杯供油，直到天平接近平衡，将三通阀仍置于位置A等待测量； 将天平调平衡； 测量时，拿去质量为m m的砝码。将三通阀旋至位置C，发动机直接由量杯供油，并开始计时； 量杯油面下降，直至天平再次平衡。记录所用时间t，同时测量功率Pe 。2021-12-14发动机原理13四、台架试验综述 n台架试验内容十分广泛，我国规定有统一的试验标准： 1984年颁布了机械工业部汽车发动机试验方法的标准（

6、JB374384） 1987年制定了内燃机台架试验方法（GB1105.11105.387）n发动机使用中的最大功率与下列外界因素有关： 发出相应功率的持续时间 测定时的大气状况 发动机所带附件 进气管和空气滤清器阻力、排气背压等n各标准对上述问题都作了严格规定，并且对测量仪器的精度、重要参数的测量精度等也有规定。 2021-12-14发动机原理14功率标定 n在发动机铭牌上标定的功率，均为使用中允许的最大功率。国家标准（GB1105.187）规定，按用途和使用特点，功率可分为以下四种： 15min功率：可用于汽车、摩托车、摩托艇等发动机的功率标定； 1h功率：可用于拖拉机、工程机械、船舶等发动

7、机的功率标定； 12h功率：可用于拖拉机、农业排灌、电站等发动机的功率标定； 持续功率：可用于农业排灌、电站、船舶、铁路牵引等发动机的功率标定。 2021-12-14发动机原理15大气修正 n大气状况是指发动机运行地点的环境大气压力、大气温度和相对湿度；n同一台发动机由于在不同大气状况下使用，其性能差别很大。需要规定一种标准大气状况，并且还应有一种办法，把在不同大气状况下试验所得的结果，换算成标准大气状况下的数值；n国家标准（GB1105.187）规定了一般用途的往复活塞式柴油机和汽油机的标准环境状况是：大气压p0=100kPa，相对湿度0=30，环境温度T T0 0=298K=298K或25

8、25（Page132）。第三节 发动机负荷特性2021-12-14发动机原理17发动机负荷特性 n负荷特性是指发动机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系；n以曲线表示，则称为负荷特性曲线；n当汽车以一定的速度沿阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。此时必须改变发动机油门来调整有效转矩，以适应外界阻力矩的变化，保持发动机转速不变；n当转速不变时，有效功率P Pe e与有效转矩T Ttqtq、平均有效压力p pmeme互为正比，因此负荷特性横坐标负荷可用P Pe e、T Ttqtq或p pmeme表示；n纵坐标主要是每小时燃料消耗量B B 或燃料消耗率b be e。 2021-12-14发动机原

9、理18一、汽油机负荷特性 n汽油机保持某一转速不变，而逐渐改变节气门开度（同时调节测功器负荷，以保持转速不变），每小时耗油量B B 和耗油率b be e随功率P Pe e（或转矩T Ttqtq、平均有效压力p pmeme）变化的关系称为汽油机负荷特性；n测取前应将化油器、点火提前角调整完好；n测取时应按规定保持冷却水温、润滑油温度在最佳状态； n由于汽油机负荷调节是靠改变节气门开度来直接改变进入气缸的混合气量，变化不大，故这种负荷调节方法称为“量调节” 。2021-12-14发动机原理19汽油机负荷特性曲线 nb be e的变化取决于m m 和i i的变化；imeKb13n随着负荷增加，m m

10、 和i i的变化如右图；n逐渐增大节气门开度（负荷增加），b be e迅速下降。当节气门开度增至全开度的80左右，为了保证最大功率，供给=0.80.9的浓混合气，燃烧不完全，使b be e又重新上升；n汽油机负荷特性实例如右图。2021-12-14发动机原理20二、柴油机负荷特性 n柴油机保持某一转速不变，而移动喷油泵齿条或拉杆位置，改变每循环供油量bb时，每小时耗油量B B 和耗油率b be e随功率P Pe e（或转矩T Ttqtq、平均有效压力p pmeme）变化的关系称为柴油机负荷特性；n测取时，应将柴油机的供油提前角、冷却水温度、润滑油温度等调整到最佳状态； n由于柴油机只是改变循环

11、供油量（空气量变化不大）来调节负荷，因此，也改变了缸内混合气的浓度，即过量空气系数，这种负荷调节方法称为“质调节”。2021-12-14发动机原理21柴油机负荷特性曲线 nbe的变化取决于m 和i的变化；imeKb13n随着负荷增加，m 和i的变化如右图；n逐渐增加供油量，由于m迅速上升，be下降；再继续增加供油量时，由于过量空气系数的减少，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃增加，致使be升高；n柴油机负荷特性实例如右图。2021-12-14发动机原理22三、汽、柴油机负荷特性比较 n负荷特性是发动机的基本特性，用以评价发动机工作的经济性；n由负荷特性可以看出： 由于柴油机i 较高，be 较汽油机低；

12、 汽油机在低负荷区曲线变化得更快一些，汽油机曲线变化比柴油机陡。即柴油机曲线变化较平坦，经济区较宽；第四节 发动机速度特性2021-12-14发动机原理24发动机速度特性 n发动机性能指标随转速变化的关系称为速度特性 ；n以曲线表示，则称为速度特性曲线；n若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽车行驶速度也会改变，这时发动机即沿速度特性工作；n发动机转速作为速度特性横坐标；n纵坐标主要有效功率Pe、转矩Ttq、耗油率be、每小时耗油量B 等 。 2021-12-14发动机原理25一、汽油机速度特性 n汽油机节气门（油门）开度固定不动，其有效功率Pe、转矩Ttq、耗油率be、每小时耗

13、油量B 等随转速变化的关系称为汽油机速度特性；n此时是通过调整测功器，如逐渐改变水力测功器水量，来改变汽油机的转速；n测取前，应将点火提前角、化油器调整完好；n测取时，应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态； n节气门保持全开，所测得的速度特性称为外特性外特性；节气门部分开启时所测得的速度特性称部分速度特性部分速度特性。2021-12-14发动机原理26汽油机外特性曲线 nTtq的变化取决于m、i和v /随n的变化；nbe的变化取决于m 和i的变化；nPe的的变化受Ttq和n n 的共同影响；n随着转速增加，m 、i和v的变化如右图；n汽油机速度外特性实例如右图；n汽油机速度外特性是在节

14、气门全开时测得，曲线上每一点表示它在此转速下的最大功率及转矩，代表发动机最高动力性能。imeKb13nKpimve1imvtqKT22021-12-14发动机原理27汽油机部分速度特性曲线 n汽车大部分时间是在部分负荷下工作；n随着节气门关小，节流损失增大，进气终了的压力pa下降，从而引起v下降；n随着转速提高，v下降的速度更快；n节气门开度愈小，转矩Ttq随转速增加而下降得愈快，最大转矩点及最大功率点均向低转速方向移动。2021-12-14发动机原理28二、柴油机速度特性 n喷油泵的油量调节机构（油门拉杆或齿条）位置固定不动，柴油机性能指标（主要是有效功率Pe、转矩Ttq、耗油率be、每小时

15、耗油量B 等）随转速变化的关系称为柴油机速度特性；n测取时，应将供油提前角、冷却水温、润滑油温度等调整在最佳状态；n当油量调节机构固定在标定（或称额定）功率循环供油量位置时，测得的速度特性为标定功率速度特性，习惯上亦称外特性外特性；n当油量调节机构固定在小于标定功率循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为部分速度特性。2021-12-14发动机原理29柴油机标定功率速度特性曲线 nTtq的变化取决于m、i和b随n的变化；nbe的变化取决于m 和i的变化；nPe的的变化受Ttq和n n 的共同影响；n随着转速增加，m 、i和v的变化如右图；n柴油机速度外特性实例如右图；n标定功率速度特性代表该

16、机在使用中允许达到的最高性能 。2tqmiTKbimeKb13nKBv42021-12-14发动机原理30柴油机部分速度特性曲线 n随着油量调节机构固定位置的减小，循环供油量减小，但b随n的变化趋势基本相似；n柴油机部分特性Ttq的变化基本与外特性上Ttq平行，即Ttq随转速变化不大；n对于经常在部分负荷下工作的汽车发动机，还应作负荷为90、75、50、25的部分负荷速度特性或作万有特性 。2021-12-14发动机原理31三、转矩特性 n汽车拖拉机经常会遇到像爬坡这样阻力突然增大的情况，为减少换档次数，要求发动机的转矩随转速的降低而增加；n要求发动机转矩有适应这种变化的能力，衡量指标包括：

17、转矩储备系数转矩储备系数 转速储备系数转速储备系数 n由于油泵速度特性，柴油机转矩曲线平坦，难以满足汽车拖拉机的工作需要，应予以校正。2021-12-14发动机原理32转矩储备系数 n充分表明发动机的动力性能，引入转矩储备系数转矩储备系数和适应性系数和适应性系数K的概念：nTtqmax外特性曲线上的最大转矩（N Nm m）；nTtq标定工况（或最大功率）时的转矩（N Nm m）；）； n或K值大，表明两转矩之差值大，即随着转速的降低，转矩Ttq增加较快，从而在不换档的情况下，爬坡能力、克服短期超载能力强；n汽油机的值在1030范围，K值达1.21.4，可以满足汽车的使用要求；n柴油机转矩曲线平

18、坦，若不予以校正，则值在510范围，K值只有1.05左右，难以满足汽车拖拉机的工作需要。 %100maxtqtqtqTTTtqtqTTKmax2021-12-14发动机原理33转速储备系数 n标定工况（或最大功率）时的转速n1与最大转矩时的转速n2之比称转速储备系数转速储备系数；n转速储备系数的大小也影响到克服阻力的潜力； n例如，有A、B两台发动机，它们的转矩储备系数和最大功率时的转速n1相同，但最大转矩时的转速n2不等，如右图所示； n发动机的转速由于外界阻力的增加而下降；n发动机B可以克服外部阻力矩TR2；n发动机A可以克服外部阻力矩TR3；n发动机A比B克服障碍的潜力大； n转速储备系

19、数（n1/n2）愈大，在不换档情况下，发动机克服阻力的潜力愈强；n汽油机转速储备系数为1.151.152.O2.O，柴油机在2.0范围。2021-12-14发动机原理34柴油机转矩校正 n为了防止柴油机的负荷超过冒烟限值，在喷油泵的油量调节机构上均有一触止装置，限制每循环的最大供油量；n这个最大供油量的调整，必须在最大工作转速工况下进行。如右图的A点，以避免在其它转速下超过冒烟界限供油量；n由于油泵速度特性的影响，未校正的柴油机在转速降低时空气得不到充分利用；n为适应汽车拖拉机对转矩储备的要求，应采用油量校正装置来改造外特性转矩曲线；n常用校正方法： 出油阀式校正机构 附加在

20、调速器上的弹簧校正机构 第七节 万有特性2021-12-14发动机原理36发动机万有特性 n负荷特性和速度特性只能表示某一转速或某一齿条位置（或节气门开度）时发动机参数间的变化规律；n汽车、拖拉机的工况变化范围很广，要分析各种工况下的性能就需要许多张负荷特性或速度特性图，这样做极不方便；n为了能在一张图上较全面地表示发动机的性能，经常应用多参数的特性曲线，称为万有特性；n万有特性万有特性是以转速为横坐标，以平均有效压力（或转矩）为纵坐标，在图上画出许多等耗油率曲线和等功率曲线，根据需要还可以画出等过量空气系数曲线、等进气管真空度曲线、冒烟极限等。2021-12-14发动机原理37典型万有特性2

21、021-12-14发动机原理38万有特性等耗油率曲线的制取 n将不同转速的负荷特性以pme为纵坐标，be为横坐标，用同一比例尺画在一张坐标图上；n在万有特性图的横坐标轴上，以一定比例标出转速数值。纵坐标pme的比例应与负荷特性pme的比例相同；n将负荷特性图横放在万有特性图左方，并将与负荷特性曲线上耗油率be相等的各点移至万有特性图中，标上记号，再将be值相等的各点连成光滑曲线，即等耗油率线；2021-12-14发动机原理39汽、柴油机万有特性(经济性)比较 n柴油机的最低油耗值较小，而且经济区范围较宽（负荷特性）；n汽油机经济区偏上(v 特性)，处于较高负荷区；n经济区在万有特性图的移动。2

22、021-12-14发动机原理40万有特性的对比n首先，汽油机的燃油消耗率比柴油机高汽油机的燃油消耗率比柴油机高；n其次，汽油机的最经济区域处在汽油机的最经济区域处在偏上的位置，即高负荷区高负荷区，随负荷降低，油耗增加较快，而柴油机的最经济区则比较适中柴油机的最经济区则比较适中，负荷改变时经济性能变化不大。n由于车用汽油机常在较低负荷下工作，燃油消耗率较大，故其使用经济性能不佳。n对于车用柴油机而言，由于多数用于载货汽车、工程机械、矿山车辆等场合，负荷率高，从万有特性上可以看出其使用经济性较好。 2021-12-14发动机原理41万有特性的应用n在万有特性图上，最内层的等燃油消耗率曲线相当于内燃

23、机运转的最经济区域，等值曲线越向外，经济性越差。n等燃油消耗率曲线的形状与位置对内燃机的实际使用经济性能有重要的影响。n如果该曲线的形状在横向上较长，则表示内燃机在如果该曲线的形状在横向上较长，则表示内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下工作时，燃负荷变化不大而转速变化较大的情况下工作时，燃油消耗率变化较小。油消耗率变化较小。n如果曲线形状在纵向较长，则表示内燃机在负荷变如果曲线形状在纵向较长，则表示内燃机在负荷变化较大而转速变化不大的情况下工作时，油耗率变化较大而转速变化不大的情况下工作时，油耗率变化较小。化较小。第九章第九章 排气污染与控制排气污染与控制 第一节第一节 概述概述 202

24、1-12-14发动机原理44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题。n以发动机为动力的汽车是城市大气污染的主要来源。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。COHCNOX88-99%63-95%31-53%2021-12-14发动机原理45CO排放nCO主要是在缺氧环境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

25、30min内使人致命。2021-12-14发动机原理46HC排放nHC包括未燃和未完全燃烧未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物裂解产物和部分氧化产物氧化产物。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。nHC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。2021-12-14发动机原理47NOX排放nNOX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高温与富氧的环境中。nNO的毒性比NO2小，但NO在大气中缓慢氧化形成NO2。nNO2

26、是褐色有刺激性的气体，对肺和心肌有很强的毒害作用。nNOX是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一。2021-12-14发动机原理48微粒（PM）排放n排气中的微粒是指经空气稀释后的排气，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。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2021-12-14发动机原理50一、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：nRH

27、RRO2RCHORCOCOn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。nCO的生成受混合气浓度的影响。2021-12-14发动机原理51二、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发动机废气排出：占6O以上n曲轴箱窜气：占25n从油箱、化油器等处油的蒸汽泄漏：占1520左右2021-12-14发动机原理52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（主要来源）n2）壁面激冷与淬熄n3）润滑油膜吸附n4）减速及怠速工况2021-12-14发动机原理53三、三、NOX的生成机理n发动机排出的氮氧化物（NOX）主要是NO，N

28、O2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应所形成的环境中，其主导反应过程是：nON2 NONnNO2 NOO2021-12-14发动机原理54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2021-12-14发动机原理55 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，混合气成分是混合气成分是影响排放的最主要的因影响排放的最主要的因素素。 四、影响因素四、影响因素-混合气成分混合气成分2021-12-14发动机原理56影响因素影响因素-点火正时点火正时2021-12-14发

29、动机原理57影响因素影响因素-点火正时点火正时2021-12-14发动机原理58 EGR可以抑制燃烧的最高温度，有利于抑制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)2021-12-14发动机原理59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。第三节第三节

30、 汽油机有害排放物汽油机有害排放物控制技术控制技术2021-12-14发动机原理61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机外处理方法。2021-12-14发动机原理62汽油机净化系统基本构成汽油机净化系统基本构成2021-12-14发动机原理63 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

31、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）系统）2021-12-14发动机原理64 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2021-12-14发动机原理65 三、废气再循环装置（三、废气再循环装置（EGR）2021-12-14发动机原理66四、汽油机三效催化转化器四、汽油机三

32、效催化转化器2021-12-14发动机原理67222NOHCONOxHCCOTWC1、工作原理2021-12-14发动机原理682、催化器性能评价参数n（1）转换效率%1001%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。2021-12-14发动机原理69）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，排气催化转

33、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）空间速度催化器性能评价参数2021-12-14发动机原理70（1）空燃比条件2021-12-14发动机原理71n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起燃温度在220220一一270270之间。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

34、它在冷起动后的起燃或采用紧耦型催化器。 2021-12-14发动机原理724、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。 2021-12-14发动机原理73n第一代：陶瓷颗粒式n第二代：陶瓷蜂窝式（整体式，超薄壁多目化，1200目/in2）n第三代：金属蜂窝式n第四代：热管式（快速起燃）5、催化转化器的结构2021-12-14发动机原理74 催化转化器的结构（整体式与颗粒式）2021-12-14发动机原理75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

35、化剂载体与催化剂2021-12-14发动机原理76催化转化器的结构（椭圆形） 2021-12-14发动机原理77不锈钢外壳催化转化器2021-12-14发动机原理78载体与催化剂贵金属Pt,Rh,Pd氧化铝助催化剂催化剂涂层载体2021-12-14发动机原理79 n载体：由于汽车尾气净化用的催化剂价格比较昂贵，故催化剂一般都涂抹在称之为载体的物体上，使催化剂成为具有保持有催化作用的催化剂层。n陶瓷载体：堇青石n金属载体：一般用厚度不超过0.1mm的极薄不锈钢带，一层带波纹一层不带波纹地交替叠合，卷成螺线形或S形，焊装在金属圆筒内。载体技术2021-12-14发动机原理80载体技术金属载体n优点

36、：n结构紧凑，热容量小，有利于提高内燃机冷起动时的净化效果；n机械强度和热强度高，工作可靠；n和排出气体的接触几何表面积大，有利于催化反应；n流通阻力小，对发动机性能的影响小；n缺点：n质量大，成本高，涂敷活性层困难。n一般做成小的，安装在陶瓷主催化转化器前，用来改善冷起动净化性能，或用于振动较大的场合，如摩托车。 2021-12-14发动机原理81催化剂n三效催化剂的主要活性材料是贵金属铂Pt和铑Rh。Pt主要催化CO和HC的氧化反应，Rh催化NOx的还原反应。一般贵金属的用量为每升载体1g，Pt/Rh比为5:1左右。由于Pt很贵，也有研究用钯Pd部分或全部代替Pt。Pd的氧化活性不错，但其

37、晶体结构容易容纳杂质，易受杂质中毒。2021-12-14发动机原理82n汽车催化转化器的应用加剧了对贵金属铂、铑、钯的需求。已探明的贵金属资源主要集中在南非和俄罗斯，中国大陆已探明储量仅331吨，占世界总储量的0.3%。n近年来贵金属市场价格上涨很快，进一步刺激了车用催化剂企业改进配方，降低催化器贵金属含量和成本的需求。催化剂2021-12-14发动机原理83近三年来国内贵金属价格变动情况2021-12-14发动机原理84助催化剂n为进一步降低成本，正在大力研究用钙钛矿型稀土催化剂(或加上过渡金属氧化物催化剂)代替贵金属的可能性，但尚未大量用于汽车发动机。n为了改善三效催化剂的性能，除了氧化铝

38、和贵金属外，三效催化剂中还可能含有各种各样的添加剂或助催化剂，如镍Ni、铈Ce、镧La、钡Ba、锆Zr、铁Fe和硅Si等。它们起多种多样的作用，如加强催化活性、稳定载体以及防止贵金属烧结等。 2021-12-14发动机原理856、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，贵金属可以回收再用。 2021-12-14发动机原理86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

39、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 2021-12-14发动机原理877、汽油机排气后处理之未来2021-12-14发动机原理88快速起燃技术电加热催化转化器（EHC）2021-12-14发动机原理89快速起燃技术紧耦合型催化转化器（CCC）2021-12-14发动机原理90作业三n1、名词解释：（1）点火提前角调整特性；（2）负荷特性；（3）转矩储备系数；（4）机械效率；（5）转速储备系数。 n2、汽油机燃烧室一般应满足哪些要求？n3、分析比较柴油机半开式燃烧室和涡流室燃烧室的性能特点。n4、在一张图上画出汽油机HC、CO和NOX的排放量和与过量空气系数（或空燃

40、比A/F）之间的关系，并进行简要分析。 第四节第四节 柴油机有害排放物的柴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2021-12-14发动机原理92一、柴油机中的主要污染物n1、主要成分：柴油机排气的有害成分主要有CO、HC、NOX 、硫化物以及颗粒物（或称微粒物）等。2021-12-14发动机原理93n2、特性：由于柴油机使用的混合气的平均空燃比较理论空燃比大，所以：n（1）CO及HC排放明显低于汽油机n（2）柴油机NO的排放几乎与汽油机相当n（3）颗粒物排量远高于汽油机n（4）柴油机的排放特性与燃烧室的形式等有很大关系，特别是直喷式与间接喷射式柴油机的排放有较大的不同。涡流燃烧

41、室柴油机的NO、CO、HC和烟度普遍低于直喷式柴油机，特别是NOX排放浓度一般比直喷式柴油机的低1312。但是，涡流室柴油机的燃油消耗率比直喷柴油机的高 ，冷起动性差，工作平稳，噪声小。2021-12-14发动机原理94二、二、CO的生成机理n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。n低负荷时，缸内温度低，部分燃油难以氧化形成CO2，主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上生成CO；高负荷时，在油束心部、油束尾部及后喷部，因局部缺氧而产生CO。2021-12-14发动机原理95 n柴油机与汽油机相比燃油中含有

42、高沸点（高相对分子含有高沸点（高相对分子质量）的碳氢化合物成分质量）的碳氢化合物成分。n由于在燃烧过程油注中大量的燃油化合物发生高温分解，因此柴油机排出的碳氢化合物的成分要比汽油机中的复杂。n在柴油机中，燃烧进行的同时，发生着燃油的蒸发，燃料与空气、燃烧产物与未燃气体的混合，这就使HC化合物的产生变得非常复杂。n一般认为柴油机中HC排放物的产生主要有两种途径：n（1）低负荷时，由于混合气过稀以致在燃烧室内不能满足自燃及扩散火焰传播的条件；n（2）高负荷时，燃油空气混合气过浓而不能着火及燃烧。三、三、HC的生成机理2021-12-14发动机原理962021-12-14发动机原理97 nNOx在燃

43、烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。四、四、 NO的生成机理2021-12-14发动机原理982021-12-14发动机原理99n图中的试验数据取自直喷式柴油机（缸径95mm、冲程110mm）活塞顶边缘附近测量结果。n在燃烧开始以后，测量点的NO含量开始上升，当燃气当量比由富油转变为贫油（此时CO浓度达最大值），NO含量达到最高点。n当活塞顶燃烧室里NO含量达最大值时（上止点后15o CA），火焰已传播到燃烧室内大部分空间，随后燃气因与过量空气混合而变稀，NO含量也随着稀释作用的发生，形成速度变缓而下降。2021-12-14发动机原理100五、微粒的生成机理n柴油机排气中

44、微粒的主要成分是碳烟粒子。n首先燃料分子在高温中裂解或氧化裂解，生成乙炔，接着形成碳烟核心，以上为成核阶段成核阶段，成核后同时经历表面增长和凝聚两个过程。当碳烟粒子长大到某一尺寸时，增长速度急剧下降。以后便以集聚方式形成链状结构物。从核的萌发到成长、集聚这一系列生成过程，都伴随着碳烟的氧化。因此，排气管排出的碳烟浓度是碳烟生成和氧化相竞争的结果。2021-12-14发动机原理101六、影响因素-混合气成分n从宏观上讲，柴油机在运转中总有一定数量的过量空气，加上柴油蒸发性比汽油小，因此柴油机柴油机的的 HCHC及及COCO排放浓度一般比汽油机排放浓度一般比汽油机低得多低得多（图89）。但在接近满

45、负荷时（AF减小），CO浓度骤增。n如图所示，NONO生成率最高处仍出生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷工况现在油量较大的高负荷工况。与汽油机不同的是，柴油机NO2的生成浓度较高。NO2浓度随 AF增加而减少。n柴油机排气中有碳烟排出排气中有碳烟排出，随着混合气变浓，排烟浓度增多。2021-12-14发动机原理102影响因素-喷油时刻n延迟喷油是降低NOx的主要措施之一。n为了在延迟喷油以后燃烧不致恶化，加强缸内气流运动、促进混合气形成、提高喷油速率以及改善喷雾质量是很有必要的。n延迟喷油的同时提高喷油速率，要比单纯延迟喷油定时的效果好。2021-12-14发动机原理103影响因素-燃烧室类

46、型2021-12-14发动机原理1042021-12-14发动机原理1052021-12-14发动机原理106n由排放特性可知：分隔式燃烧室生成的分隔式燃烧室生成的NONOx x、COCO、HCHC和和碳烟的排放浓度均低于直喷式的碳烟的排放浓度均低于直喷式的，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右。n原因：这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行进行。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CO及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成NOx仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空

47、气，使来自副燃烧室的CO及HC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NOx的生成。第五节第五节 柴油机有害排放物柴油机有害排放物控制技术控制技术2021-12-14发动机原理108一、柴油机机内净化措施 n燃烧过程的优化措施n优化增压和增压中冷 n降低机油消耗量 n优化发动机冷却 n低含硫燃油 n减少喷嘴压力室容积 n预喷射燃油 2021-12-14发动机原理109 n1 1、燃烧过程的优化措施、燃烧过程的优化措施 n采用可变定时的高效燃油喷射系统 n低涡流燃烧过程n可变涡流的4气门机构n优化喷油规律n排气再循环（EGR）n喷水2021-12-14发动机原理110 n2 2、

48、优化增压和增压中冷、优化增压和增压中冷 n除了优化燃烧的措施外，为满足现代载重汽车的排放要求，采用增压系统也是很重要的。很早人们就得知采用提高充气效率的增压措施，结合有效的增压空气中冷，可达到节省燃油耗，同时降低有害物排放的目的。因而近年的柴油机几乎全部采用增压中冷，这就是一个明显的例证。 2021-12-14发动机原理111n3 3、降低机油消耗量、降低机油消耗量 n除了上述优化燃烧过程以降低颗粒排放和氮氧化物排放措施外，降低机油耗对满足低颗粒排放限值也降低机油耗对满足低颗粒排放限值也是很重要的。是很重要的。若对满足美国1991年排放限值发动机总的颗粒排放进行分析，则可发现总的颗粒排放量中，

49、约有25来自机油，含硫部分占15。n自1994年起美国燃油含硫量降低到0.05 ，因此含硫量显著下降，显然颗粒排放控制的重点必须放在降低机油颗粒上。为满足美国94年法规限值，颗粒物排放中机油颗粒约为0.014g/（kWh）。2021-12-14发动机原理112 n4 4、优化发动机冷却、优化发动机冷却 n为满足低氮氧化物排放限值的另一个不可忽视的方面就是优化发动机机体和缸盖的冷却边界条件。这方面的试验表明：在不改变燃烧的边界条件下，优在不改变燃烧的边界条件下，优化冷却后，氮氧化物排放下降化冷却后，氮氧化物排放下降15，其中绝大部分是由于加强缸套冷却所得到的（下降约占10），而缸盖温度下降只能使

50、氮氧化物下降 5。 n图433所示为喷油定时、增压空气温度和发动机零件温度变化对颗粒和氮氧化物排放的影响。可见颗粒和氮氧化物排放性能相互矛盾，零件温度变化和增压空气温度变化所产生的影响基本一致。总之，优化发动机的冷却对降低排放具有明显的意义。 2021-12-14发动机原理1132021-12-14发动机原理114 n5 5、低含硫燃油、低含硫燃油n确保颗粒排放降低的基本前提是采用高十六烷采用高十六烷值和低含硫量的燃油值和低含硫量的燃油。特别是采用氧化催化器在高负荷工况进行试验时，低含硫量的燃油对降低排放更具有关键的意义 。2021-12-14发动机原理115 n6 6、减少喷嘴压力室容积、减

51、少喷嘴压力室容积n喷嘴压力室容积中的燃油在燃烧后期，受热膨胀后，有可能滴漏入燃烧室中，此时油滴不能完全燃烧，HC排放量会增加，因此应尽可能减少这一容积。n图4-35a所示为通常的压力室容积，图4-35b所示的是减小容积的喷嘴结构。底特律柴油机公司的试验表明，压力室容积愈小，HC排放浓度愈低。n图4-36为HC的排放浓度随压力室室容积的变化，曲线1、2、3、4依次表示压力室容积3.5mm3、0.7mm3、0.5mm3和无压力室容积时的试验结果。图a的试验转速为2100rmin，图b的试验转速为1200rmin。可见，当压力室容积由3.5mm3减少到0.5mm3时，HC含量可降低75以上。另外，对

52、燃油经济性、排烟及NO也没有不良的影响。 2021-12-14发动机原理1162021-12-14发动机原理117 n7 7、预喷射燃油、预喷射燃油 n里卡图公司在单缸形燃烧室柴油机上，采用双泵喷射系统的试验表明，在上止点前45预喷1015的循环供油量，能较好地降低 NO量。向进气管预喷部分轻质油或柴油，亦可降低排气烟度及NO排放量n图4-37所示的为在直喷柴油机上向进气管预喷柴油的试验结果。试验表明，要严格控制喷量及预喷时间，方能取得降低排放的效果。可见，缸内预喷燃油的排放比进气管预喷燃油时的排放高，但发动机的平均有效压力较高 2021-12-14发动机原理118n不同国家不同排放标准下对于

53、柴油机的应对措施 n柴油机排放综合控制技术（DPF+SCR）FUEL TIMELINE2005: EU ULSD 50ppm S2005: Japan ULSD 50ppm S2006: EPA/CARB ULSD 15ppm S2007: US Non-road LSD 500ppm S2009: EU SULSD 10ppm S2010: US Non-road ULSD 15ppm S(2000)(2005)(2008)China 2010China 2007Nothing, orDOC to control odorDOC+DPF+FBC, orDOC+CDPF, orDOC, SCR

54、DOC+CDPFDOC+CDPF+ SCR2021-12-14发动机原理119三、柴油机排气微粒捕集器（DPF）nDPFDPF主要用于净化柴油机排气中的微粒主要用于净化柴油机排气中的微粒。n目前正在开发的DPF有体积型和表面型两大类，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。n体积型DPF的滤芯用泡沫陶瓷、钢丝棉或陶瓷纤维筒等较疏松的材料制成。它们受热均匀，在热再生过程中不易损坏，但捕集效率不高，一般在50一70之间，特别在气流速度较高时效率下降；另一个缺点是阻力大，因而紧凑性不好。n表面型DPF主要用与汽油机三效催化剂整体蜂窝陶瓷载体类似的堇青石蜂窝陶瓷块作为滤芯。n柴油

55、机微粒再生技术是DPF应用的关键。2021-12-14发动机原理120主要内容n1、微粒捕集器的结构原理n2、微粒捕集器的再生方法n3、柴油机排气后处理之未来2021-12-14发动机原理1211、微粒捕集器的结构原理-体积型2021-12-14发动机原理122微粒捕集器的结构原理-表面型2021-12-14发动机原理1232021-12-14发动机原理124典型的微粒捕集装置OutletSectionFilterSectionCatalyst SectionInlet SectionV-Clamps2021-12-14发动机原理125微粒捕集系统车载安装图2021-12-14发动机原理126试验后的微粒捕集器进口进口出口出口2021-12-14发动机原理127试验后微粒捕集器外壳进口部分进口部分出口部分出口部分2021-12-14发动机原理128l喷油助燃再生l电加热再生l微波加热再生l催化再生l连续再生l添加剂再生l进气节流再生l排气节流再生l后燃再生l逆向喷气再生l机械振动再生利用外部热源再生（主动再生）降低微粒活化能再生（被动再生）利用发动机热能再生（主动再生）非加热机械式再生（主动再生）再生方法2、微粒捕集器的再生方法2021-12-14发动机原理129陶瓷纤维缠绕微粒捕集及催化再生过程2021-12-14发动机原理130电加热再生