bx发动机原理排放

1、汽车发动机原理排气污染与控制8.1 有害排放物的生成机理与影响因素8.1.1 有害排放物的种类与危害法规限制成份：法规限制成份： CO、HC、NOx、PM其他有害成份：其他有害成份： SOxSOx、铅化合物铅化合物、醛类、苯类、醛类、苯类、丁二烯、柴油机排气臭味丁二烯、柴油机排气臭味光化学烟雾是一种淡蓝色的烟雾，汽车尾气和工厂废气里含大量氮氧化物和碳氢化合物，这些气体在阳光和紫外线作用下，会发生光热化学反应，光化学烟雾由此而生。它的主要成分是一系列氧化剂，如臭氧、醛类、酮等，它的毒性很大，对人体有强烈的刺激作用，严重时会使人出现呼吸困难，视力衰退，手足抽搐等症。在上世纪世界环境污染八大公害事件

2、中，光化学烟雾事件便占了5起。1955年，洛杉矶发生的高浓度光化学烟雾导致了两天内400多名65岁以上老人的死亡。 8.1.2 评定指标和单位评定指标和单位分类分类定义定义单位单位备注浓度排放量体积分数质量浓度10106 6、10109 9mg/mmg/m3 3仪表给值环境监测质量排放量单位时间质量排放量单位测试循环质量排放量g/hg/hg/g/测试循环测试循环循环工况测试比排放量单位功率单位时间排放量单位运转里程质量排放量g/(kW.h)g/(kW.h)g/kmg/km发动机测试整车工况测试8.1.3 有害排放物的生成机理1）Thermal NO2）Prompt NO 3）Fuel NONO

3、x生成途径1、NOx生成生成1） Thermal NOExtended Zeldovich Reaction (19461973)( O2 2O )O N2 NO + N H75 Kcalmol1 (1)N O2 NO + O H31.4 Kcalmol1 (2)N OH NO + H H40.8 Kcalmol1 (3)生成条件：T1800K （1、3式均为强烈的吸热反应）a1.0已燃气体 （火焰前锋面后）2） Prompt NOFenimore. C P， 1971年（CnH2n CH、CH2 ）CH N2 HCN + N H3.3 Kcalmol1 (4)CH2 N2 HCN + NH

4、由HCN CN NO由N经式（2）、（3） NO由NH N NO生成条件：生成条件：相对低温相对低温a1.0 （还原气氛）（还原气氛）燃烧中的气体燃烧中的气体 （火焰前锋面上）（火焰前锋面上）* 并不需要很高的温度（活化能），中间生成物并不需要很高的温度（活化能），中间生成物HCN是关键是关键3）Fuel NO燃料中的氮化合物HCN、CN、NH2、NHNO生成条件：生成条件：可以小于可以小于1800Ka影响不明确影响不明确影响NOx生成的三要素温度温度 T，则则NO平衡浓度平衡浓度 ，NO生成速率生成速率， （其中，生成速率影响最大）其中，生成速率影响最大）氧浓度氧浓度 温度一定时，氧浓度温度

5、一定时，氧浓度，则则NO 反应时间反应时间 相对相对CO、H2O等，等，NO 反应较慢，因此在实反应较慢，因此在实 际际 发动机燃烧结束时尚达不到平衡浓度发动机燃烧结束时尚达不到平衡浓度,故即使在高温下故即使在高温下,若反若反应停留时间短应停留时间短,NO生成的量受限生成的量受限冻结：导致在化学平衡浓度和实际浓度之间出现差别冻结：导致在化学平衡浓度和实际浓度之间出现差别，保持保持较高浓度排出较高浓度排出2、CO不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响不完全燃烧不完全燃烧 a1时：局部缺氧时：局部缺氧热离解热离解 CO2 CO 排气中生成排气中生成 HC在排气中进

6、一步氧化时生成在排气中进一步氧化时生成CO3、未燃未燃HC （THC）（1）HC在汽油机中的生成机理在汽油机中的生成机理不完全燃烧不完全燃烧 a1，混合不均、减速、失火、循环波动混合不均、减速、失火、循环波动壁面淬熄效应壁面淬熄效应 低温、弱流动和弱湍流导致低温、弱流动和弱湍流导致淬熄层淬熄层（Quenching layer），窄缝处面容比大，火焰无法窄缝处面容比大，火焰无法 传入，也称传入，也称缝隙效应缝隙效应 油膜和积碳吸附油膜和积碳吸附 混合气形成过程中，吸附混合气形成过程中，吸附HC燃烧过程中，燃烧过程中，Unburnt，排气过程中，脱附释放排气过程中，脱附释放GapsDeposits

7、Oil filmQuenchingat Wall 燃烧室内缝隙的组成 活塞顶环岸缝隙中烃的排出过程 混合不均匀混合不均匀 过浓或过稀过浓或过稀（2）HC在柴油机中的生成机理在柴油机中的生成机理HC在柴油机中的生成机理在柴油机中的生成机理 喷油器压力室容积喷油器压力室容积燃油滞留于压力室燃油滞留于压力室 受热受热膨胀或汽化后低速进入燃烧膨胀或汽化后低速进入燃烧室室 难以混合燃烧难以混合燃烧 二次喷油或后滴二次喷油或后滴4.微粒的生成微粒的生成 燃烧系统中炭烟粒子的形成过程 燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热燃油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

8、、乙炔及其较高裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭为主的直径为主的直径2nm左右的炭烟核心左右的炭烟核心 PM高度显微图例8.1.4 有害排放物生成的影响因素（1）汽油机1 1、 a a的影响的影响 CO： a ，CO（单调）；（单调）； a1，逐渐达最低值逐渐达最低值 HC： a ，HC ； a 过大，过大，HC回升（过稀）回升（过稀） NO： a1.1后，氧化气氛，但温度下降，后，氧化气氛，但温度下降，NO 点火提前角对燃油消耗点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响量和有害排放物的影响

9、气缸内燃烧压力气缸内燃烧压力与点火时刻的关系与点火时刻的关系 2 2、 点火提前角的影响点火提前角的影响3 3、工况影响、工况影响排气成分怠速加速定速减速HC8001065401064851065000106NOx23106154310612701066106CO4.9%1.8%1.7%3.4%CO210.2%12.1%12.4%6.0%汽油机在不同工况下排气成分的体积分数汽油机在不同工况下排气成分的体积分数4 废气再循环 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：一部一部分排气经分排气经EGREGR阀还流回阀还流回进气系统，稀释了新鲜进气系统，稀释了新鲜混合气中的

10、氧浓度，导混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可烧温度的降低，因而可以抑制以抑制NONOx x的生成。的生成。 EGR降低NOx的效果 影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制 柴油机有害排放物生成特点柴油机有害排放物生成特点 未燃HC 1;3、4 CO 1、2界面；3、4 Nox 2、3 炭烟 3、4 醛类 11 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（2

11、）柴油机NO：与汽油机相似，但注意区间碳烟碳烟：与汽油机CO相似，但向稀区平移CO：与汽油机CO相似，过稀时回升HC： a2后，过稀和低后，过稀和低温使温使HC 注意：CO、HC远低于汽油机，一般不超标（注意（注意a范围！与汽油机比较）范围！与汽油机比较）影响因素影响因素 1.混合气成分混合气成分 2. 喷油时刻喷油时刻 3.燃烧室类型燃烧室类型 混合气成分与柴油机排放的关系喷油定时对排放的影响3.燃烧室排放比较燃烧室排放比较 分隔式燃烧室生成的分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC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NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低排放浓

12、度一般比直喷式燃烧室的低50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进行。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，氧浓度较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，从而形成较多的低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的CO及未燃烃。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，使来自副燃烧室的室的CO及及HC进一步氧化。高温燃气进入

13、主燃烧室后，温度进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，温度有所下降，抑制了有所下降，抑制了NOx的生成的生成 8.3 排放污染物的机内净化技术降低排气污染降低排气污染技术分类技术分类机内净化机内净化（燃烧）（燃烧）机外净化机外净化（后处理）（后处理）清洁燃料清洁燃料（燃料）（燃料）柴油机柴油机汽油机汽油机柴油机柴油机汽油机汽油机气体燃料：气体燃料：CNG、LNG LPG馏分轻，降低排烟馏分轻，降低排烟液体含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、液体含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、甲酯（植物油酯化）甲酯（植物油酯化）非排气污染非排气污染控制技术控制技术燃油系统蒸发燃油系统蒸发曲轴箱窜气曲轴箱窜气1废气再循环

14、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：一部一部分排气经分排气经EGREGR阀还流回阀还流回进气系统，稀释了新鲜进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可烧温度的降低，因而可以抑制以抑制NONOx x的生成。的生成。 汽油机机内净化技术汽油机机内净化技术 图10.12 EGR降低NOx的效果 2.改进发动机设计改进发动机设计 燃烧系统 进气系统 活塞组设计 分层稀薄燃烧 火花塞位置对油耗和火花塞位置对油耗和H

15、CHC排放物的影响排放物的影响 1 1火花塞在燃烧室侧面火花塞在燃烧室侧面 2 2火花塞在燃烧室中心火花塞在燃烧室中心 3.电子控制燃油喷射系统(EFI)4.提高燃油品质 5.推迟点火提前6.提高点火能量柴油机机内净化技术柴油机机内净化技术 1.增压中冷技术最现实的办法是增加空气量 2.改进进气系统 1)进气组织 2)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螺旋进气道及其产生的旋流旋流 ( (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)

16、e)膨胀时的逆流膨胀时的逆流 3.改进喷油系统改进喷油系统 1)高压喷射高压喷射 2)推迟喷油提前角推迟喷油提前角 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)减小喷嘴压力室容积减小喷嘴压力室容积 5)高压共轨电控燃油喷射高压共轨电控燃油喷射 三种燃油系统的喷油压力对烟度及性能的影响 试验条件：转速1000r/min， 17， NOx1200106 4.改进燃烧系统改进燃烧系统 1)燃烧室容积比燃烧室容积对气缸余隙容积之比 2)燃烧室口径比 口径比dk/D小的深燃烧室可在室中产生较强的涡流 3)燃烧室形状 缩口燃烧室已经取代应用最广直边不缩口的形燃烧室 4) 适当提高压缩比

17、图图10.27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 不缩口型缩口型三种燃烧室的烟度及燃油消耗率1-形燃烧室2-四角型燃烧室3-微涡流燃烧室 5.降低机油消耗 6.废气再循环 7.提高燃油品质 排气污染的机外净化技术三效催化转化器的净化效果三效催化转化器的净化效果排放控制技术的一次革排放控制技术的一次革命命三效催化剂三效催化剂催化转化器的冷起动催化转化器的冷起动HC排放排放70708080的的HCHC排放排放是在催化器起燃之是在催化器起燃之前产生，因此降低前产生，因此降低冷起动冷起动HCHC排放是满排放是满足更加严格排放法足更加严格排放法规的关键。规的关键。措施：降低

18、措施：降低T50 、 50三效催化转化器结构载体载体氧化铝球、陶瓷蜂窝载体和氧化铝球、陶瓷蜂窝载体和金属载体金属载体3种。种。 孔密度孔密度=200-600（孔（孔/in2） 壁厚壁厚=0.150.10mm（陶瓷）陶瓷） 氧化型催化剂、还原型催化剂、三效催化剂和稀燃催化剂。氧化型催化剂、还原型催化剂、三效催化剂和稀燃催化剂。 氧化型催化剂（氧化型催化剂（OC，Oxidation Catalyst） 2CO + O2 2CO2 （1-1） 4HC5O2 4CO2 + 2H2O （1-2） 2H2 + O2 2H2O （1-3）汽油车催化剂工作原理三效催化剂三效催化剂（TWC，Three Way

19、Catalyst） 2CO + 2NO2CO2 + N2 （1-4） 4HC + 10NO4CO22H2O5N2 （1-5） 2H2 + 2NO 2H2O + N2 （1-6）转化效率转化效率 空燃比特性（空燃比特性（Sweep ） 起燃特性（起燃特性（Light off）起燃温度特性（起燃温度特性（Light-off Temperature) T50T起燃时间特性（起燃时间特性（Light-off Time) 50TWC性能催化转化器的冷起动催化转化器的冷起动HC排放排放70708080的的HCHC排放排放是在催化器起燃之是在催化器起燃之前产生，因此降低前产生，因此降低冷起动冷起动HCHC排

20、放是满排放是满足更加严格排放法足更加严格排放法规的关键。规的关键。措施：降低措施：降低T50 、 50例例ZLEV排放控制系统排放控制系统在传统汽油机上可以实现在传统汽油机上可以实现“近零近零”排放，满足未来十年的排放要求排放，满足未来十年的排放要求本田本田19981998年年 多级催化剂多级催化剂 吸附预热吸附预热. . 1010万英里老化后，排放仅有加州超低万英里老化后，排放仅有加州超低排放法规（排放法规（ULEVULEV）限值得限值得1/101/10，在市区，在市区行驶时的行驶时的NMHCNMHC排放低于周围大气中的浓排放低于周围大气中的浓度。相当于考虑发电厂排污在内的电动度。相当于考虑

21、发电厂排污在内的电动车排放水平。车排放水平。( (暖机后暖机后1 1ppmHC,ppmHC,而环境而环境3 34 4ppm,ppm,自动车自动车技术，技术，20032003，9 9，村中，村中) )在传统汽油机上可以实现在传统汽油机上可以实现“近零近零”排放，满足未来十年的排放要求排放，满足未来十年的排放要求4. 空速特性（空速特性（SV） SV5. 耐久性耐久性6. 流阻特性流阻特性TWC性能小时排气量（小时排气量（m3/h）催化剂容积（催化剂容积（m3）（h1）SV越大，反应气体在越大，反应气体在Cat.中的停留时间越短。中的停留时间越短。柴油机机外净化技术柴油机机外净化技术 1.氧化催化

22、转化器 2 .微粒捕集器 3 .柴油机Nox 还原催化剂 柴油机氧化催化剂使用效果柴油机氧化催化剂使用效果 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.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，positivecrankcaseventilationsystem) 3.燃油蒸发控制系统燃油蒸发控制系统 图图10.2010.20燃油蒸发控制系统燃油蒸发控制系统 1 1空气滤清器空气滤清器2 2控制器控制器3 3储气罐储气罐4 4油箱油箱 5 5炭罐

23、炭罐6 6进气管进气管 8.5 排放法规及其测试方法1、排放法规体系、排放法规体系排放法规排放法规排放限值排放限值检测方法检测方法整整 车排放限值车排放限值发发 动机排放限值动机排放限值怠速法（自由加速烟度）怠速法（自由加速烟度）循环工况法循环工况法2、检测方法、检测方法 怠速法（自由加速烟度）：环保检测、汽车修理怠速法（自由加速烟度）：环保检测、汽车修理 工况法工况法轻型车（总重轻型车（总重3.5T）发动机测试（台架）发动机测试（台架）1、排气污染与排放法规的历史1943年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（photo-chemical smog）1952年：加州工

24、大年：加州工大A.H.Smit博士提出博士提出Smog生成机理生成机理HC NO2 O3 PAN（过氧酰基硝酸盐）过氧酰基硝酸盐）1966年：加州实施世界上第一个年：加州实施世界上第一个“汽车排放法规汽车排放法规” （7工况）工况）1968年：日本实施年：日本实施“大气污染防止法大气污染防止法” （怠速测（怠速测CO）1970年：欧洲开始实施排放法规年：欧洲开始实施排放法规 （怠速测（怠速测CO、HC）1984年：中国实施排放法规年：中国实施排放法规 （汽油车怠速、柴油车自由加速烟度）（汽油车怠速、柴油车自由加速烟度）1999年：北京实施欧年：北京实施欧法规法规2000年：全国实施欧年：全国实

25、施欧法规法规2006年：全国全面实施欧年：全国全面实施欧法规（禁止生产和销售国法规（禁止生产和销售国排放轻型车）排放轻型车）2007年：北京、上海、广州开始实行欧年：北京、上海、广州开始实行欧法规法规 怠速法分为单怠速法和双怠速法。怠速法对于发现化油器轿车中的高排怠速法分为单怠速法和双怠速法。怠速法对于发现化油器轿车中的高排放车非常有效，对于装备电子燃油喷射系统和三元催化转化器的轿车则效放车非常有效，对于装备电子燃油喷射系统和三元催化转化器的轿车则效率明显降低。率明显降低。 我国装用点燃式发动机的新生产汽车，在用汽车排放限值见下表我国装用点燃式发动机的新生产汽车，在用汽车排放限值见下表1.怠速

26、法 工况法测试举例工况法测试举例相对稳定工况相对稳定工况ECE15 EUDC适用于适用于轻型车轻型车模拟城市区（模拟城市区（city cycle）和郊区（和郊区（Extra Urban Driving Cycle）行驶工况行驶工况全过程采气全过程采气1袋袋起动后起动后40s后开始采气分析（欧后开始采气分析（欧后要取消后要取消40s，并加并加-7起动）起动）类似有日本类似有日本10、15工况工况欧洲循环工况被我国和世界上欧洲循环工况被我国和世界上 大多数国家采用，有可能成为大多数国家采用，有可能成为 国际统一标准。国际统一标准。我国轻型汽车污染物排放限值及测量方法我国轻型汽车污染物排放限值及测量

27、方法(GB 18352.32005)中规定运转循环是由中规定运转循环是由1部部(包含包含4个市区运个市区运转循环转循环)和和2部部(市郊运转循环市郊运转循环)组成，共持续组成，共持续1180秒。市区秒。市区运转循环单元示意图如图运转循环单元示意图如图12.3所示，包含所示，包含15 个工况个工况(怠速、怠速、加速、匀速、减速等加速、匀速、减速等)；市郊循环包含；市郊循环包含13 个工况个工况(怠速、怠速、加速、匀速、加速、匀速、减速等减速等)。 2.排气取样系统(直接取样全量取样 变稀释浓度取样法) 3.测试仪器 1) 不分光红外线分析仪不分光红外线分析仪 NDIRNDIR的工作原理的工作原理

28、 NDIR(Nondisperisve Infrared Analyzer)红外线分析仪的测量红外线分析仪的测量原理，是建立在气体具有吸收电磁辐射的特性的基础上。不同原理，是建立在气体具有吸收电磁辐射的特性的基础上。不同的气体在红外波段的气体在红外波段(0.8600m)内都有其特定的吸收带内都有其特定的吸收带(如如CO为为4.55m，CO2为为44.5m等等)，而且气体浓度愈高，吸收，而且气体浓度愈高，吸收能力愈强。辐射吸收强度是衡量气体浓度的尺度。能力愈强。辐射吸收强度是衡量气体浓度的尺度。不分光红外不分光红外线吸收型分线吸收型分析仪析仪NDIR)NDIR)- -测量测量COCO、HCHC不分光红外线吸收型分析仪（不分光红外线吸收型分析仪（NDIR)NDIR)气体流动路线气体流动路线 氢火焰离子分析仪氢火焰离子分析仪 FID（Flame Ionization Detertor）的工作原理的工作原理 3.化化 学发光气体分析仪学发光气体分析仪(CLD) CLD(Chemiluminescent Detector)是目前测定是目前测定 NOx