第10章 发动机排放与噪声(2003版)

1、第三篇第三篇 燃烧与排放燃烧与排放： 介绍有害排放物的危害及生成、影响排放物生成的主要因素与常用的有害排放物控制技术、排放标准与测试技术及发动机噪音来源与控制方法。： 掌握有害排放物的生成机理，影响因素与控制技术；了解排放标准与测试技术以及发动机噪声来源与控制方法。第第1010章章 发动机排放与噪声控制发动机排放与噪声控制 10.2 影响汽油机有害排放物生成的影响汽油机有害排放物生成的 主要因素及控制主要因素及控制 10.1 发动机有害排放物的种类与危害发动机有害排放物的种类与危害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 主要因素及控制措施主要因素及控制措施10.5发动机

2、噪声来源与控制发动机噪声来源与控制 1、发动机排放物的组成、发动机排放物的组成一氧化碳一氧化碳氮氧化物氮氧化物碳氢化合物碳氢化合物光化学烟雾光化学烟雾微粒微粒一氧化碳是燃料在空气不足的情况下的燃烧一氧化碳是燃料在空气不足的情况下的燃烧产物，是发动机排放中有害浓度最大的成分。产物，是发动机排放中有害浓度最大的成分。CO 是无色无臭有窒息性的毒性气体。是无色无臭有窒息性的毒性气体。 氮氧化物中氮氧化物中最重要的最重要的是是NO和和NO2. 发动机排放中的氮氧化物是由于燃烧室内发动机排放中的氮氧化物是由于燃烧室内高温燃烧而产生的，空气的氮经过氧化首先高温燃烧而产生的，空气的氮经过氧化首先生成生成NO

3、NO，然后与大气中的氧相遇又成为，然后与大气中的氧相遇又成为NONO2 2。NONO是无色无味的气体，只有轻度刺激性，是无色无味的气体，只有轻度刺激性，毒性不大，高浓度时会造成中枢神经有轻度毒性不大，高浓度时会造成中枢神经有轻度障碍。障碍。 NO2是一种褐色气体，有特殊刺激性臭味，是是一种褐色气体，有特殊刺激性臭味，是发动机排放中恶臭物质之一。它使人中毒的症发动机排放中恶臭物质之一。它使人中毒的症状是在发生肺水肿的同时，引起支气管炎等。状是在发生肺水肿的同时，引起支气管炎等。 碳氢化合物（碳氢化合物（HC）包括未燃和未完全包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧燃烧的燃油、润滑油及其

4、裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛等。化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛等。 是刺激性物质，对眼、呼吸道、血是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。液有毒害。 排气中二氧化硫（SO2）的含量与燃料中的含硫量有关。 SO2对发动机在使用催化净化装置 有破坏作用，降低催化剂的使用寿命。是生成柴油机排气微粒的原因之一。4. 4.二氧化硫二氧化硫 微粒微粒是指存在于大气中的，除掉未化合的水以外的是指存在于大气中的，除掉未化合的水以外的任何分散物质。这种分散物质可能是任何分散物质。这种分散物质可能是固态的固态的，也可，也可能是能是液态的液态的。 微粒包括微粒包括原始颗粒原始颗粒和和二次颗粒二次颗

5、粒。原始颗粒原始颗粒是指直接是指直接来自发动机燃烧产物的颗粒。来自发动机燃烧产物的颗粒。二次颗粒二次颗粒是指在大气是指在大气条件下，因气态、液态和固态的各化学反应之间发条件下，因气态、液态和固态的各化学反应之间发生化学和物理变化所产生的颗粒。生化学和物理变化所产生的颗粒。和和所排放的颗粒是不同的。所排放的颗粒是不同的。主要是铅化物、硫酸、硫酸盐和低分主要是铅化物、硫酸、硫酸盐和低分子物质。子物质。的颗粒在数量上要比汽油机多。成分的颗粒在数量上要比汽油机多。成分也复杂。主要有含碳物质（炭烟）和一些有机也复杂。主要有含碳物质（炭烟）和一些有机物。物。臭味是由多种成分引起的，臭味是由多种成分引起的，

6、除除O O3 3和和NONO2 2外，燃料的外，燃料的不完全燃烧产物甲醛、丙烯醛等是有臭味。臭味使不完全燃烧产物甲醛、丙烯醛等是有臭味。臭味使人感觉难受，刺激人的眼睛和黏膜。人感觉难受，刺激人的眼睛和黏膜。 发动机排放中，氮氧化合物和发动机排放中，氮氧化合物和HC在太阳在太阳 能的作用下进行光化学反应生成的光化学过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为氧化物而形成的烟雾称为光化学烟雾光化学烟雾。 光化学过氧化物的主要物质是光化学过氧化物的主要物质是臭氧臭氧（O3）. 作为温室气体使地球表面温度升高，即作为温室气体使地球表面温度升高，即所谓的温室效应。大气层中所谓的温室效应

7、。大气层中COCO2 2层加厚，太阳光层加厚，太阳光照射在地球表面的能量受到照射在地球表面的能量受到COCO2 2层的阻隔难以逸层的阻隔难以逸出，热量经多年累积使全球气候变暖，造成全球出，热量经多年累积使全球气候变暖，造成全球气候变化反常。气候变化反常。发动机排放主要和混合气形成、燃烧过发动机排放主要和混合气形成、燃烧过程及燃烧结束后的排气过程中的化学反程及燃烧结束后的排气过程中的化学反应有关应有关与燃油的蒸发有关与燃油的蒸发有关汽油汽油：易挥发、化学稳定性好、着火温度：易挥发、化学稳定性好、着火温度高、靠点燃形成火焰核心传播火焰高、靠点燃形成火焰核心传播火焰柴油柴油：不易挥发、着火温度低、化

8、学稳定：不易挥发、着火温度低、化学稳定性差、易自燃性差、易自燃汽油机和柴油机的燃烧特点不同，污染汽油机和柴油机的燃烧特点不同，污染物生成机理不同物生成机理不同汽油机污染物汽油机污染物：COCO、HCHC、NoxNox柴油机污染物柴油机污染物：NoxNox、微粒、微粒1 1、COCO的生成的生成：汽油机：汽油机：过量空气系数过量空气系数 =1=1（空燃比（空燃比 =14.7=14.7），），燃料完全燃烧，生成燃料完全燃烧，生成COCO2 2、H H2 2O O过量空气系数过量空气系数 1 1（空燃比（空燃比 14.714.7），燃料），燃料不完全燃烧，生成不完全燃烧，生成COCO过量空气系数过量

9、空气系数 1 1 （空燃比（空燃比 14.714.7），），COCO不存在。由于混合不均、燃烧后高温，排气中不存在。由于混合不均、燃烧后高温，排气中有少量有少量COCO存在存在2 2、氮氧化物的生成、氮氧化物的生成生成生成NONO的因素：的因素：1 1）氧的浓度氧的浓度 高温条件下，氧的浓度是生高温条件下，氧的浓度是生成成NONO的重要因素的重要因素2 2）温度温度 燃烧放热集中在上止点附近，燃燃烧放热集中在上止点附近，燃烧温度很高，烧温度很高，NONO生成量愈多。生成量愈多。3 3）反应滞留时间反应滞留时间 燃气在高温富氧条件下燃气在高温富氧条件下滞留时间长，滞留时间长，NONO生存量增加。

10、生存量增加。3 3、碳氢化合物的生成、碳氢化合物的生成l汽油机汽油机未燃未燃HCHC的生成：的生成：1 1）燃烧生成燃烧生成随排气排出随排气排出2 2）曲轴箱排放物曲轴箱排放物 燃烧室通过活塞与汽缸间间隙燃烧室通过活塞与汽缸间间隙漏入曲轴箱的窜气，含大量漏入曲轴箱的窜气，含大量HCHC3 3）汽油箱、燃油供给系统汽油箱、燃油供给系统等处蒸发的汽油蒸汽等处蒸发的汽油蒸汽（1 1）冷激效应）冷激效应 燃烧室壁面对火焰的迅速冷却（称为冷激、淬冷）使火焰不能传播的缸壁表面，在表面上留下薄层未燃烧或不完全燃烧的混合气。 缝隙效应是冷激效应的主要表现。（2 2）油膜和沉积物吸附）油膜和沉积物吸附 缸套壁面

11、和活塞顶面上的润滑油膜吸附未燃混合气的燃油蒸汽，当混合气燃油浓度因燃烧降到零时，油膜释放油气少部分被氧化造成HC排放(3)(3)火焰淬熄火焰淬熄l冷启动和暖机温度较低燃油雾化、蒸发和混合气形成变差，燃烧变慢、不稳定，火焰因膨胀缸内温度压力下降造成可燃混合气大容积淬熄，HC排放激增l混合气过稀过浓，排放再循环率大，怠速、小负荷下发生。(4)(4)未燃碳氢化合物的氧化未燃碳氢化合物的氧化 未燃碳氢化合物扩散到高温已燃气体中部分被氧化，HC是未燃的燃油及其部分氧化产物的混合物。 在排气管路中氧化。最高排气温度和最长停留时间使HC降低最多推迟点火以提高排气温度有利于HC后期氧化降低排气歧管热损失增大横

12、断面积，壁面进行绝热柴油机柴油机 喷油初期滞燃期内滞燃期内混合气过稀造成未燃HC 喷油后期高温燃气中混合气过浓或燃烧淬熄随排气排出，HC多被碳烟微粒吸附。柴油机未燃HC排放主要来自柴油喷注外缘过稀混合气地区，怠速或小负荷时的HC排放高 喷油器残油容积对HC排放有影响4 4、微粒的形成、微粒的形成l汽油机中汽油中的铅、硫造成的硫酸盐汽油机中汽油中的铅、硫造成的硫酸盐是排气微粒的主要成分。是排气微粒的主要成分。l柴油机微粒排放量大于汽油机几十倍，柴油机微粒排放量大于汽油机几十倍，燃烧生成的含碳粒子及其表面吸附有机燃烧生成的含碳粒子及其表面吸附有机物组成。局部缺氧导致碳烟生成，尾气物组成。局部缺氧导

13、致碳烟生成，尾气中碳烟的浓度是碳烟生成速率与碳烟氧中碳烟的浓度是碳烟生成速率与碳烟氧化速率之差。化速率之差。5 5、光化学烟雾、光化学烟雾l产生产生光化学烟雾光化学烟雾：大气中：大气中HCHC的浓度大于的浓度大于NONOx x浓度的浓度的3 3倍时，在强烈的阳光照射的诱倍时，在强烈的阳光照射的诱发下产生发下产生O O3 3和和过氧化酰基硝酸盐过氧化酰基硝酸盐（PANPAN) )组组成的光化学烟雾成的光化学烟雾 二次有害污染物二次有害污染物 10.2 影响汽油机有害排放物生成的影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制措施主要因素及控制措施10.2.1 影响因素影响因素10.2.2 机内净化技术机

14、内净化技术10.2.3 机外净化技术机外净化技术 10.2.1 影响因素影响因素1、混合气成分、混合气成分2、点火正时、点火正时3、负荷、负荷4、转速、转速5、过渡工况、过渡工况6、废气再循环率、废气再循环率1、混合气成分、混合气成分混合比和各有害气体排放量的关系混合比和各有害气体排放量的关系图10-81、混合气成分、混合气成分由上图可知，随着空燃比下降混合气变浓，由上图可知，随着空燃比下降混合气变浓，燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧生成物增燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧生成物增加，使加，使CO、HC迅速迅速增加增加。在在空燃比空燃比大于大于14.7以后以后,CO浓度已经很低了，浓度已经很低了，

15、但是随着空燃比的增加，因混合气不均匀造但是随着空燃比的增加，因混合气不均匀造成局部缺氧仍有少量成局部缺氧仍有少量CO生成。生成。1、混合气成分、混合气成分在在空燃比空燃比大于大于14.7以后，随着空燃比的增以后，随着空燃比的增加，因加，因CO氧化反应速度慢，燃烧温度下降，氧化反应速度慢，燃烧温度下降，使使HC排放量也增加排放量也增加。HC的走向是两头高，的走向是两头高，中间低。中间低。NOx浓度峰值靠理论空燃比稀的一侧，高的浓度峰值靠理论空燃比稀的一侧，高的NONO生存率必须生存率必须高温高温、富氧富氧两个条件。两个条件。HCHC是两头高中间低浓混合气变稀是两头高中间低浓混合气变稀HCHC量减

16、少，最量减少，最佳空燃比范围内佳空燃比范围内HCHC、油耗最低；混合气过稀，火、油耗最低；混合气过稀，火焰可能熄灭，焰可能熄灭，HCHC生存量上升。生存量上升。 2、点火正时、点火正时图10.9 点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响点火提前角点火提前角减小减小时，后燃时，后燃增加，膨胀时的温度升高，增加，膨胀时的温度升高，促进了未燃烧成分的氧化，促进了未燃烧成分的氧化，对对降低降低HCHC和和NOxNOx有利。有利。减小减小点火提前角对降低点火提前角对降低HCHC和和NOxNOx有利，但以牺牲动力有利，但以牺牲动力性为代价性为代价。2、点火正时、点火正时图10.10 气缸内燃烧压力与点火时

17、刻的关系减小点火提前角降低燃烧减小点火提前角降低燃烧最高温度、减少燃烧反应最高温度、减少燃烧反应滞留时间，降低滞留时间，降低NOx. .。以。以牺牲动力性能为代价。牺牲动力性能为代价。3、负荷、负荷在在怠速怠速和和小负荷小负荷时，新鲜空气进入少，废气相对较时，新鲜空气进入少，废气相对较多，供给的混合气偏浓，燃烧速度慢，易引起不完多，供给的混合气偏浓，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧。使全燃烧。使CO和和HC排放量多。排放量多。在在中等负荷中等负荷时，容易完全燃烧，废气中时，容易完全燃烧，废气中CO 含量最含量最少，少，HC含量也较低。含量也较低。在在满负荷满负荷时，供给浓混合气，使时，供给浓混合气

18、，使NO生成量生成量增多增多；同时同时HC排放量排放量减少减少，但因混合气过浓，使，但因混合气过浓，使CO排放排放量量增多增多。4、转速、转速随着随着转速转速的升高，缸内的紊流增强，促进混的升高，缸内的紊流增强，促进混合，改善了缸内的燃烧，使合，改善了缸内的燃烧，使CO、HC排放排放减少减少。NOx的生成量与混合气成分有关。当的生成量与混合气成分有关。当混合气浓混合气浓时，时， NOx生成量生成量增多增多；当混合气；当混合气稀时稀时， NOx生生成量成量减少减少。5、过渡工况、过渡工况发动机主要在不稳定的工况下工作，包括怠速、发动机主要在不稳定的工况下工作，包括怠速、加速、定速、减速等。不同的

19、工况由于混合气的加速、定速、减速等。不同的工况由于混合气的浓度不同，有害物的排放量相差较大。（浓度不同，有害物的排放量相差较大。（ P251:表表10-2 不同工况下各种排放的浓度不同工况下各种排放的浓度 ）怠速怠速与与减速减速是生成是生成HC的主要工况的主要工况 废气混入的多少用废气混入的多少用EGREGR率表示，率表示，废气再循环废气再循环率率（EGREGR率率）定义如下：）定义如下：100%EGR返回废气量率= 进气量+返回废气量 6、废气再循环率、废气再循环率6、废气再循环率、废气再循环率将一部分排气回送至燃烧室，利用排气中的气将一部分排气回送至燃烧室，利用排气中的气体比热大的特点，可

20、以抑制燃烧的体比热大的特点，可以抑制燃烧的最高温度最高温度，将有利于抑制将有利于抑制NOx的生成。的生成。在在中高速工况下中高速工况下选择恰当的选择恰当的废气再循环率废气再循环率能有能有效抑制效抑制NOx的排放量。的排放量。废气再循环废气再循环（EGR）技术是控制氮氧化合物排放）技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧燃烧。仅对降低仅对降低NOx有效有效 汽油机大负荷、启动、暖机、怠速、小负荷不使汽油机大负荷、启动、暖机、怠速、小负荷不使用

21、用图10-11图10-121) 1)冷启动、暖机和怠速冷启动、暖机和怠速： 冷启动时温度低，空燃比小，CO和HC排放高，应缩短启动时间；暖机要尽快使混合气、机油、冷却水热起来；怠速残余废气量大，混合气加浓，CO和HC排放高，为降低怠速排放提高怠速转速至800-1000rpm2) 2)压缩比压缩比： 提高压缩比以提高热效率，汽油机根据最易发生爆燃的工况选择压缩比3 3）燃烧系统燃烧系统： 燃烧室形状影响未燃燃烧室形状影响未燃HCHC排放物浓度；排放物浓度； 燃烧室内火花塞位置是影响排放物生成和燃烧室内火花塞位置是影响排放物生成和油耗的另一重要因素油耗的另一重要因素； 汽油机燃烧室形状紧凑燃烧过程

22、快，汽油机燃烧室形状紧凑燃烧过程快，COCO和和HCHC排放量下降；燃烧快导致温度增高排放量下降；燃烧快导致温度增高NONOx x增大增大4 4）进气系统）进气系统： 用三、四或五气门，涡轮增压代替自燃吸用三、四或五气门，涡轮增压代替自燃吸气，降低气，降低CO2、HC排放排放 凸轮形状决定开启关闭时刻及升程曲线，凸轮形状决定开启关闭时刻及升程曲线，影响充气过程。影响充气过程。 5 5）活塞组设计：）活塞组设计： 活塞、活塞环与汽缸壁间的间隙，对汽油的活塞、活塞环与汽缸壁间的间隙，对汽油的HCHC排放影响很大。缩小活塞头部与汽缸的间隙，排放影响很大。缩小活塞头部与汽缸的间隙，缩小顶环到活塞顶的距

23、离。缩小顶环到活塞顶的距离。6 6）分层稀薄燃烧：）分层稀薄燃烧： 在火花塞附近浓混合气，为可靠点火；其它区在火花塞附近浓混合气，为可靠点火；其它区域供给稀薄混合气，实现分层稀薄燃烧。为此采域供给稀薄混合气，实现分层稀薄燃烧。为此采用分隔燃烧室用分隔燃烧室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措施主要因素及控制措施1稀燃火稀燃火焰熄灭区焰熄灭区2稀燃火稀燃火焰区焰区3油束心油束心部部4油束尾油束尾部和后喷部部和后喷部图10-21图10.22混合气成分与柴油 机排放的关系图10.23喷油定时对排放的影响响直喷式直喷式和和分隔式分隔式两类燃烧室的排放特性不同。

24、两类燃烧室的排放特性不同。表表10-3所示两种燃烧室有害排放物的比较。所示两种燃烧室有害排放物的比较。分隔式分隔式燃烧室生成的燃烧室生成的NOx、CO、HC和炭烟和炭烟的排放浓度均低于直喷式，特别是的排放浓度均低于直喷式，特别是NOx排放排放浓度一般比直喷式燃烧室的低浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右。左右。分隔式分隔式燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进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，从而形成小，氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的较多的CO及未燃烃。

25、及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成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。仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的CO及及HC进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，温度有所下降，抑制了温度有所下降，抑制了NOx的生成的生成 。l进气旋流的强弱用压缩终了缸内旋流转速与发进气旋流的强弱用压缩终了缸内旋流转速与发动机转速的比值动机转速的比值涡流比涡流比表示。表示。l涡流比大小与进气阻力成正比。涡流比大小与进气阻力成正比。l强涡流降低循环进气量降低动力性，增加烟度强涡流降低循环进气量降低动力性，增加烟度l倾向加大喷油压力，适当降低涡流比组织燃烧倾向加大喷油压力，适当降低涡流比组织燃烧进气组织进气组织多气门多气门发展多气门技术，加大循环充气量以改善动力、发展多气门技术，加大循环充气量以改善动力、经济性和