汽车发动机原理与汽车理论基本课件-第九章

1、第一节排放物及危害第二节排放污染物的机内、机外净化技术第三节排放法规及测试方法第四节柴油机的噪声第五节工程应用实例(文摘)第九章发动机的排放与噪声空气：空气：恒定成分：氧气、氮气、稀有气体等可变成分：二氧化碳、水蒸气等不定部分：有害气体、尘埃等发动机废气污染发动机废气污染是空气中不定组分的最主要的来源，已成为城市污染的首要污染源。第一节排放物及危害一、排放物分类二、发动机排放污染物的危害：二、发动机排放污染物的危害：1.一氧化碳一氧化碳CO ： CO是无色无臭有窒息性的毒性气体，由于是无色无臭有窒息性的毒性气体，由于CO和血液中有和血液中有输氧能力的血红素蛋白输氧能力的血红素蛋白(Hb)的亲和

2、力比氧气和的亲和力比氧气和Hb的亲和力约的亲和力约大大300倍，能很快和倍，能很快和Hb结合形成碳氧血红素蛋白结合形成碳氧血红素蛋白(HbCO)，同，同时时HbCO的解离速度却比氧合血红蛋白的解离慢的解离速度却比氧合血红蛋白的解离慢3600倍，且倍，且HbCO的存在影响氧合血红蛋白的解离的存在影响氧合血红蛋白的解离,阻碍了氧的释放阻碍了氧的释放,导致导致低氧血症低氧血症,使心脏、头脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、使心脏、头脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、恶心、头痛等症状，轻度中毒将使中枢神经系统受损，严重恶心、头痛等症状，轻度中毒将使中枢神经系统受损，严重时会使心血管官能丧失，直至死亡。时会使

3、心血管官能丧失，直至死亡。 2.2.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、润滑包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、油及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。烯烃略上无味，对人体健康不产生直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的环氧衍生物。芳香烃转化会变成对基因有毒的环氧衍生物。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多

4、环芳香烃(PAH)及其衍生物有强致癌作用。醛类是刺激及其衍生物有强致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。烃类成性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。烃类成分还是引起光化学烟雾的主要物质。分还是引起光化学烟雾的主要物质。3.3.氮氧化物氮氧化物NOx： 氮氧化物是燃烧过程形成的多种氮氧化物，如氮氧化物是燃烧过程形成的多种氮氧化物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，总称为等，总称为NOx。在内燃机中主要是。在内燃机中主要是NO，约占，约占95，其次为，其次为NO2，占占5。NO是无色无味气体，只有轻度刺激性，毒性不大，高浓度时会造是无色无味气体，只有轻度刺激性，毒性不大，高浓度时会

5、造成中枢神经有轻度障碍，但成中枢神经有轻度障碍，但NO易被氧化成易被氧化成NO2。NO2是一种红棕色有刺是一种红棕色有刺激性气味的有毒气体。它对人体健康的影响见表激性气味的有毒气体。它对人体健康的影响见表83。NO2吸人人体后，吸人人体后，和血液中血红素蛋白和血液中血红素蛋白(Hb)结合，使血液输氧能力下降，对心脏、肝、肾都结合，使血液输氧能力下降，对心脏、肝、肾都会有影响。会有影响。NO2易溶于水，被人吸入肺部后，能与肺中的水分结合成稀硝易溶于水，被人吸入肺部后，能与肺中的水分结合成稀硝酸，引起支气管炎、肺气肿。酸，引起支气管炎、肺气肿。NO2是地面附近大气中形成光化学烟雾的主是地面附近大气

6、中形成光化学烟雾的主要因素，也是酸雨的来源之一。要因素，也是酸雨的来源之一。 4.光化学烟雾：光化学烟雾： HC和和NOx在太阳紫外线作用下会生成臭在太阳紫外线作用下会生成臭氧氧(O3)和过氧酰基硝酸盐和过氧酰基硝酸盐(PAN)，即一种具有，即一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，称为光化学烟雾，它是刺激性的浅蓝色烟雾，称为光化学烟雾，它是一种有强刺激性的二次污染物。臭氧对人体的一种有强刺激性的二次污染物。臭氧对人体的危害主要表现在刺激和破坏深部呼吸道粘膜和危害主要表现在刺激和破坏深部呼吸道粘膜和组织，对眼睛也有刺激组织，对眼睛也有刺激, 5.微粒：微粒： 微粒对人体健康的危害和微粒的大小及其组成有关。

7、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，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，106m)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，

8、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。 第二节排放污染物的机内、机外净化技术一、排放污染物的机内净化技术(一)汽油机的机内净化技术.推迟点火时间(点火提前角)

9、推迟点火提前角一直是最简单易行，也是最普遍应用的排放控制技术。汽油机推迟点火提前角，除因燃烧温度下降使的生成速度和生成量降低外，还会因后燃使的排放量也同时降低。但推迟点火提前角降低排放的效果是有限的，在不使动力性和燃油消耗率明显恶化的前提下，可降低。在实际应用中应综合考虑排放特性、动力性及经济性来确定最佳点火提前角。.废气再循环图-废气再循环系统工作原理.燃烧系统优化设计图-采用高位活塞环的降低效果.提高点火能量 提高点火能量可以提高着火的可靠性，减小循环波动率，扩大混合气的着火界限。特别是伴随着汽油机燃烧稀薄化，无触点的高能电子点火系统得到了广泛的应用。提高点火能量的措施有增大火花塞极间电压

10、(极间电压一般为，但最高的有)、增大火花塞间隙(如由.增大至.)以及延长放电时间等方法。.电控汽油喷射技术(F)电控汽油喷射系统由于能够更精确、更柔性地满足各工况的参数优化要求，从而可以实现排放特性、燃油经济性和动力性的综合优化。此外，三效催化转化器与电控喷射系统的组合，已成为当前和未来较长时期内汽油机排放控制的最有效和最主要技术。另外，可变进气系统、可变配气相位、可变排量、稀薄燃烧以及缸内直喷式燃烧方法等新技术，在改善汽油机动力性和经济性的同时，也不同程度地改善了排放特性。总之，汽油机的机内净化技术措施并不是很多、很复杂，这是由于汽油机目前主要采用以闭环电喷加三效催化剂为核心的排放控制技术，

11、因而大大减轻了对机内净化的要求，燃烧过程的组织仍可以动力性和经济性指标作为优化目标，而用燃烧以外的排气后处理技术来降低已生成的有害成分排放。机内净化技术机内净化技术1.增压中冷技术增压中冷技术将增压后空气再进行冷却的中冷技术，使得将增压后空气再进行冷却的中冷技术，使得进气温度降低，循环进气量更大。这样，增加进气温度降低，循环进气量更大。这样，增加空燃比改善了柴油机的燃烧，从而降低了微粒、空燃比改善了柴油机的燃烧，从而降低了微粒、NOx排放，而且功率进一步增加。排放，而且功率进一步增加。增压中冷柴油机参数选配得当，则柴油机大增压中冷柴油机参数选配得当，则柴油机大部分性能都会得到改善。部分性能都会

12、得到改善。(二)柴油机的机内净化技术.改进进气系统：改进进气系统：进气组织：组织一定强度的缸内旋流或紊流。多气门：多气门能加大循环充气量以改善动力、经济性和排放性能。 .改进喷油系统改进喷油系统高压喷射高压喷射推迟喷油提前角推迟喷油提前角减小喷孔直径，增加喷减小喷孔直径，增加喷孔数目孔数目高压共轨电控燃油喷射高压共轨电控燃油喷射.改进燃烧系统改进燃烧系统燃烧室容积比燃烧室容积比：燃烧室容积对气缸余隙容积之比。燃烧室口径比燃烧室口径比：采用较大口径比的浅平燃烧室，配合小孔径的多喷孔喷嘴。燃烧室形状燃烧室形状缩口燃烧室已取代应用最广的直边不缩口燃烧室。v用缩口燃烧室加强燃烧室口部的气体湍流，促进扩

13、散混合和燃烧。v燃烧室底部中央的凸起适当加大，以进一步提高空气的利用率。用带圆角的方形或五瓣梅花形（分别配4孔和5孔喷嘴）代替圆形燃烧室，加强燃烧室中的微观湍流，加速燃烧，减少碳烟生成。v适当提高柴油机压缩比可降低HC和CO排放，并结合推迟喷油获得动力经济性能与NOx排放之间较好的折中。 适当提高压缩比适当提高压缩比. 降低机油消耗降低机油消耗 尽可能减少窜入燃烧室的机油量；尽可能减少窜入燃烧室的机油量； 减少机油从气门杆的泄漏。减少机油从气门杆的泄漏。. 废气再循环废气再循环 柴油机可以使用比汽油机大得多的废气再柴油机可以使用比汽油机大得多的废气再循环量。循环量。. 提高燃油品质提高燃油品质

14、 提高柴油的十六烷值。提高柴油的十六烷值。机外净化技术机外净化技术.微粒捕集器微粒捕集器 采用过滤采用过滤的方法对柴油的方法对柴油机排气中的微机排气中的微粒进行净化。粒进行净化。 .氧化催化转化器氧化催化转化器. NOx还原催化转化器还原催化转化器. 四元催化转化器四元催化转化器三、非排气污染物控制技术.曲轴箱强制通风装置曲轴箱强制通风系统如图9-15所示。新鲜空气由空滤器进入曲轴箱与窜气混合后，经阀进入进气管，与空气或油气混合气一起被吸入气缸燃烧掉。阀可随发动机运转状况自动调节吸入气缸的窜气量。在怠速和小负荷时，由于进气管真空度较高，阀体被吸向上方(进气管侧)，阀口流通截面减少，吸入气缸的窜

15、气量减少，以避免混合气过稀，造成燃烧不稳定或失火；而在加速和大负荷时，窜气量增多，而进气管真空度变低，在弹簧作用下阀体下移，阀口流通截面增大，使大量的窜气进入气缸被燃烧掉；当发动机高速大负荷运转时，一旦窜气量过多而不能完全被吸净时，部分窜气会从闭式通气口进入空滤器，经化油器被吸入进气管。.燃油蒸发控制系统图-燃油蒸发控制系统图-电控燃油蒸发控制系统方框图电控单元空气滤清器发动机进气歧管电磁式清除阀泄漏检测泵活性炭罐油箱 不同工况由于混合气浓度不同，有害物不同工况由于混合气浓度不同，有害物的排放量相差很大。的排放量相差很大。 在怠速工况下，在怠速工况下， HC排放浓度增加排放浓度增加. 在减速工

16、况下，在减速工况下，HC增加。增加。一、概述第三节排放法规及测试方法.轻型车与重型车工况法又根据轻型车和重型车而采用不同的试验方法。对于轻型车和重型车的定义各国不完全统一，一般将总质量在()范围内，乘员在人以下的车辆定义为轻型车，为了与农用车区别，还规定其最高车速应在以上。而总质量在()以上的定义为重型车。.排放限值 工况法检测的排放限值一般分为两类，即产品认证试验限值和产品一致性试验限值。产品认证试验是指对新设计车型的认证试验；产品一致性试验是指对批量生产车辆的试验，要求从成批生产的车辆中任意抽取一辆或若干辆进行试验。一般来说，产品认证试验限值严于产品一致性试验限值，但这两种排放限值今后有合

17、二为一的趋势。二、排放法规.轻型车排放法规()美国排放法规世界上最早的工况法排放法规于年诞生在美国加利福尼亚州，用七个工况组成一个测试循环(称为加州标准测试循环)，并于年被美国联邦政府采纳作为联邦排放法规。()欧洲排放法规欧洲现行的轻型车排放测试循环如图-所示，它由若干等加速、等减速、等速和怠速工况组成。()日本排放法规日本于年起实施“大气污染防止法”，年起采用工况测试循环(热起动)，年起改用工况测试循环，如图-所示。()各种排放法规的对比表-给出了美国、欧洲、日本轻型车排放测试循环的主要参数对比。()我国排放法规我国于年月日开始实施排放法规。图-美国-测试循环图-欧洲测试循环(-)图-日本测

18、试循环表-美国、欧洲、日本轻型车排放测试循环的主要参数对比图-轻型车排放控制的进程表-欧洲重型车用柴油机排放限值(单位：().重型车排放法规三、排放检测的取样系统.轻型车工况法测试的取样系统图-用于轻型车工况法测试的定容采样系统(系统)底盘测功机空气取样袋积累流量计临界流文杜里管旋风分离器 稀释空气滤清器稀释排气抽气泵稀释风道过滤器流量控制器 流量计换热器加热过滤器压力表快接管接头快速作用阀稀释排气取样袋测量微粒排放质量的取样过滤器 取样泵温度控制器温度传感器.发动机台架测试时的采样系统图-加热采样系统取样探头粗滤器逆向清扫系统取样泵减压器气样冷却器冷凝液分离器细滤器四、有害气体成分分析目前，

19、用于汽车气体排放污染物分析的方法主要有三种，即，用不分光红外分析仪测量和；用氢火焰离子分析仪测量；用化学发光分析仪()测量。世界各国在其工况法检测标准中都严格规定必须采用上述测试方法。但怠速法检测标准中略有不同，可以用不分光红外法测量、和。在试验研究中，对排气气体的成分和浓度分析可采用气相色谱仪，上述分析方法及其原理在有关排放的专著中均有详细介绍。五、微粒及烟度的测量.柴油机排气微粒的采集图-微粒采集系统示意图.微粒成分的分析方法图-波许烟度计的检测仪.烟度的测量方法()波许()烟度计最早问世和目前使用最广泛的是波许烟度计，它主要由定容采样泵和检测仪两部分组成。()冯布兰德()烟度计冯布兰德烟

20、度计也是一种滤纸式烟度计。()哈特里奇()烟度计哈特里奇烟度计是一种典型的透光式烟度计，其测量原理如图-所示。图-哈特里奇烟度计基本结构光源排气入口排气测试管光电池转换手柄空气校正器鼓风机排气出口1.燃烧噪声燃烧噪声 燃烧噪声经由两条路径传播并辐射出来。一条是经过燃烧噪声经由两条路径传播并辐射出来。一条是经过气缸盖及气缸套经由气缸体上部向外辐射；另一条是气缸盖及气缸套经由气缸体上部向外辐射；另一条是经过曲柄连杆机构，即活塞、连杆、曲轴和主轴承经经过曲柄连杆机构，即活塞、连杆、曲轴和主轴承经由气缸体下部向外辐射。由气缸体下部向外辐射。 在功率相同的条件下，柴油机比汽油机燃烧噪声大得在功率相同的条

21、件下，柴油机比汽油机燃烧噪声大得多。多。 汽油机的爆燃、燃烧室积碳会使燃烧噪声增而加。柴汽油机的爆燃、燃烧室积碳会使燃烧噪声增而加。柴油机在转速升高，喷油推迟，负荷增大时还会引起工油机在转速升高，喷油推迟，负荷增大时还会引起工作粗暴产生噪声。作粗暴产生噪声。 转速升高，负荷加大而噪声增大，点火或喷油推迟噪转速升高，负荷加大而噪声增大，点火或喷油推迟噪声减小，加速和不正常燃烧时噪声增大。声减小，加速和不正常燃烧时噪声增大。一、噪声概述第四节柴油机的噪声2.机械噪声机械噪声 1）活塞敲缸噪声 2）配气机构噪声 3）正时齿轮噪声 4）不平衡惯性力引起的机械振动及噪声 5）喷油泵及其他机械噪声3.进、

22、排气噪声进、排气噪声 进排气噪声是由于发动机在进、排气过程中，气体压力波和气体流动所引起的振动而产生的噪声。主要包括吸气、排气部位放射出的空气声和排气系统的漏气声。 进气噪声主要包括空气在进气管中的压力脉动，产生低频噪声；空气以高速通过气门的流通截面，产生高频的涡流噪声；增压内燃机增压器中压气机的噪声。 排气噪声主要包括：排气在排气管中的压力脉动，产生低、中频噪声；排气门流通截面处的高频涡流噪声； 进排气噪声都随发动机的转速及负荷状态而变化。随发动机转速提高，进排气噪声增加；随发动机负荷增加，进排气噪声增大。 合理选择进、排气管，减少压力脉动及涡流强度，并避免发生共振；采用性能良好的进、排气消

23、声器。4.风扇噪声风扇噪声 风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声是由风扇叶片对空气分子的周期性扰动而产声是由风扇叶片对空气分子的周期性扰动而产生的，它的强弱与风扇转速和叶片数成正比；生的，它的强弱与风扇转速和叶片数成正比；而涡流噪声是空气在受叶片扰动后产生的涡流而涡流噪声是空气在受叶片扰动后产生的涡流所形成，它的强弱主要与风扇气流速度有关所形成，它的强弱主要与风扇气流速度有关。 对风扇型式、叶片形状、布置及材料的改进，对风扇型式、叶片形状、布置及材料的改进，如采用叶片不均匀分布的风扇、用塑料风扇代如采用叶片不均匀分布的风扇、用塑料风扇代替钢板风扇、

24、在车用内燃机上采用风扇自动离替钢板风扇、在车用内燃机上采用风扇自动离合器等措施可取得较好的降低噪声效果。合器等措施可取得较好的降低噪声效果。二、影响噪声的主要因素()燃烧室发动机燃烧室的结构型式及整个燃烧系统的设计，对其压力增长率、最高燃烧压力和气缸压力频谱曲线有明显的影响，故对燃烧噪声的影响很大，尤其对柴油机更是如此。()喷油提前角当喷油提前角变化时，滞燃期、压力升高比和最大燃烧压力等都随之发生变化，因而对发动机的低、中、高频率燃烧噪声都有影响。()转速发动机转速主要影响机械噪声的大小。()负荷随着负荷的增加，每循环的放热量增加，最大燃烧压力及压力升高比(对柴油机)升高，这会使噪声增大。(5

25、)影响机械噪声的主要因素:).活塞敲击噪声 ).配气机构噪声 ).齿轮噪声 ).喷油泵的噪声图-柴油机的噪声及振动随活塞冷态间隙的变化)噪声)振动缸径单缸机缸径单缸机1.控制燃烧爆发力和减少不正常燃烧控制燃烧爆发力和减少不正常燃烧 1）适当地推迟喷油或点火时间）适当地推迟喷油或点火时间 2）选用十六烷值较高的柴油和辛烷值较高）选用十六烷值较高的柴油和辛烷值较高的汽油的汽油 3）改变燃烧室形式）改变燃烧室形式 2.控制转速及减小惯性力控制转速及减小惯性力 合理设计发动机转速，减轻活塞等往复运动合理设计发动机转速，减轻活塞等往复运动零件的质量，采用平衡轴减小惯性力，尽量零件的质量，采用平衡轴减小惯

26、性力，尽量使发动机平衡，可达到降低噪声的目的使发动机平衡，可达到降低噪声的目的。三、降低噪声措施3.减小配合零件的撞击和震动减小配合零件的撞击和震动 减少活塞与缸壁、气门机构、轴与轴承、齿轮等些配合减少活塞与缸壁、气门机构、轴与轴承、齿轮等些配合零件在运动时的撞击和振动，可降低机械噪声。零件在运动时的撞击和振动，可降低机械噪声。 在柴油机供给系中，可通过提高泵体刚度、减小油泵压力在柴油机供给系中，可通过提高泵体刚度、减小油泵压力脉动、减小喷油泵凸轮与滚轮体之间的冲击和摩擦等，降低脉动、减小喷油泵凸轮与滚轮体之间的冲击和摩擦等，降低其噪声。其噪声。 适当增加曲轴刚度、减小曲轴转动惯量、合理排列发

27、火顺适当增加曲轴刚度、减小曲轴转动惯量、合理排列发火顺序、采用抗扭振性能好的球墨铸铁材料，以及加装扭转减振序、采用抗扭振性能好的球墨铸铁材料，以及加装扭转减振器等，可减小曲轴的扭转振动，也可降低机械噪声。器等，可减小曲轴的扭转振动，也可降低机械噪声。4.采用隔声、防振措施采用隔声、防振措施 可在机体侧壁加装隔声罩；采用双层油底壳；在壳体表面可在机体侧壁加装隔声罩；采用双层油底壳；在壳体表面涂敷减振涂层；进排气管设置防振支承等，可降低噪声。涂敷减振涂层；进排气管设置防振支承等，可降低噪声。第五节工程应用实例(文摘)一、优化燃烧的措施.采用可变定时的高效燃油喷射系统 在优化燃烧过程中，喷射系统占有重要地位。满足排放要求则需要燃油喷射系统具有高的液压效能，并能根据每一工况的需要改善喷油定时，这只有采用电子控制的喷射系统才能达到。.低涡流燃烧过程 采用可变喷油定时和高效燃油喷射系统可以降低进气涡流。通过高压喷射促进混合气形成，有利于降低的排放和燃油消耗量。低涡流进气系统因其换气机构具有良好的流通特性，则有较