第7章 发动机有害排放

第七章发动机有害排放与噪声主要内容第一节汽车发动机有害排放物的生成机理与影响因素第二节汽油机的排放控制第三节柴油机的排放控制第四节发动机排放标准与测试（自学）第五节发动机噪声来源与控制（了解）内燃机的排放特性（有害排放、噪声）形成原理与性能分析，对动力经济性的影响----优化（燃烧系统和调节参数）

注意

发动机内的化学过程通常是不平衡的，它受化学反应速度、反应物浓度、温度以及催化剂存在与否的影响，所以属于化学动力学范畴。

第一节汽车发动机有害排放物的生成机理与影响因素

内燃机排气污染物ENGINEEMISSIONS一、内燃机排气中的污染物POLLUTANTS燃烧过程产生，排气管排出CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）CO2、CH4PMSOX、醇类、醛类(RCHO)﹑3,4－苯并芘其他未知污染物，e.g.odor,etal.SIengine

NOx500~2000ppm20g/kgfuelCO1%~2%200g/kgfuelHC3000ppm25g/kgfuelCIengine

NOx500~2000ppm20g/kgfuelCO+HC(1/5)80g/kgfuelPM(0.2~0.5)%2~5g/kgfuel

♦CO内燃机不完全燃烧产物，对人体有害，大大降低血液的输氧能力。♦CO2

内燃机完全燃烧产物，温室气体。该项指标在汽车排放标准中不予限制，传统内燃机汽车是无法解决的，因而不仅从能源短缺的角度，也从环境治理的角度，提出了新能源汽车的急迫发展要求。

♦NOx（NO、NO2、N2O）大量的是NO，NO2少量，N2O极少。NO直接毒性不大，在大气中缓慢氧化生成NO2；NO2

对人体有害，比CO更阻碍血液输氧；N2O温室气体。NOx是光化学烟雾的主要成分；在大气中生成硝酸，是酸雨的主要来源之一。♦HC未燃或未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，成分众多，其中部分对人体有害，也是能源浪费，HC是光化学烟雾的重要物质。♦微粒及炭烟（PM，particulatematter）成分为碳、有机物质、硫酸盐。汽油机—含铅汽油（已限制使用），柴油机严重。粒径0.1～10µm，PM2.5对人体和大气环境危害最大。♦SOx来源于石油中的重质组分燃烧，对人体具有毒害作用，是形成酸雨的主要成分，也影响能见度。微粒的危害

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部及支气管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1µm(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胞的组织中，有些还会被血液吸收。(0.1～0.5)µm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。大于5µm的微粒常在鼻处受阻，不能深入呼吸道，大于10µm的微粒可排出体外。微粒能粘附SO2、未燃HC、NO2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。由于柴油机的微粒直径大多小于0.3µm，而且数量比汽油机高出30～60倍，成分更为复杂，因而柴油机排出的微粒危害更大。

二、内燃机排放的二次污染SecondaryPollution光化学烟雾photochemicalsmog空气能见度visibility酸雨acidrain地表水酸化wateracidification

……

♦光化学烟雾（photo-chemicalsmog）NOx、HC在强烈阳光（高温、日照强烈、湿度低、风速低）照射下经过一系列链式光化学反应，生成Ｏ3和过氧酰基硝酸盐（PAN），属于二次污染物，对生态危害极大，强氧化剂，特殊臭味，刺激眼睛和咽喉，橡胶开裂，植物枯死等。这里的Ｏ3存在的范围离地面约0～12m，处于对流层大气中，与大气平流层的臭氧层不是同一概念。

在我国大中型城市，机动车尾气排放已经

成为主要的大气污染源。

其中氮氧化物排放量约占总量的50%，一

氧化碳约占85%，同时尾气中还含有大量的

碳氢化合物。

据预测，2015年城市机动车污染物排放量

将比2000年上升一倍。

内燃机的排放对大气的污染AIRPOLLUTION汽车的分担率MotorvehiclecontributionPollutantsXi’anBeijingShanghaiCO84%80.3％61.8％NOx75%54.8％20.9％HC80%79.1％56.7％汽车污染分担率就是确定汽车排放的某种污染物在城市大气污染中的贡献大小。

燃烧是内燃机发展中的永恒课题，直到20世纪60年代为止，内燃机燃烧过程的研究一直是以动力性和经济性为追求目标。近几十年来，汽车排放污染所造成的大气环境恶化成了重大社会问题之一，同时也成了已有100多年历史的内燃机能否继续生存下去的生死攸关问题。为此，人类作出了极大努力以降低内燃机排放污染，甚至不惜牺牲动力性和经济性指标。近年来，随着全球汽车保有量的持续增长和石油资源的日益枯竭以及对温室效应的关注，内燃机再次面临严重的能源和环境问题。排放指标

EmissionIndex排放物的浓度质量排放量比排放量排放率内燃机排放物的浓度,从广义上讲,是指排放物在总排气量中所占的比例.对于气态排放物如CO,HC和(NO,)来说,常用体积分数来表示,一般内燃机的气态排放物都可作为理想气体处理。为了数据的普遍性,气体的体积要换算到标准大气状态(内燃机工程标准的大气状态为总压力101.3kPa,水蒸气分压为1kPa,温度273k)。内燃机固体排放物如柴油机的微粒等用质量浓度表示,常用单位为,对于排放物中的特殊微量物质,单位为。排放物的浓度单位时间或按某排放标准规定,进行一次测试,在实验期内测出的污染物质量,称为质量排放量,通常以g/h或g/测试(g/test)表示。安装内燃机的车辆按规定的工况组合(称为测试循环)行驶后折算到单位里程的排放量,称为(单位)里程质量排放量,常用单位为g/km。质量排放量比排放量内燃机针对单机进行排放测量时,每单位功排出的污染物质量,常用g/(kw·h)表示,用以评价不同种类,排量的内燃机的排放性能。比排放量与内燃机的燃料消耗率类似,也可称为污染排放率,比排放量可以根据测得的发动机功率,排气流量,污染物浓度,污染物密度等数据计算。排放率(或排放指数)

排放率定义为燃烧单位质量的燃料所排放的污染物质量,理论上是个量纲一的量,实践中为方便起见常用g/kg表示。

目前排放指标中用得较多的是单位里程质量排放量(g/km,轻型车排放法规)和比排放量[g/(kw·h),重型车排放法规]。

现行汽车尾气排放法规主要限制CO、HC、NOx、微粒。逻辑概念是光化学烟雾来自于HC、NOx，硫、铅化合物控制办法是减少燃料自身的含量（燃料中限制），CO2是无法避免的。其它有机有害物质目前未予限制。

二、有害排放物的生成机理

1、NO三种生成途径⑴高温NO（thermalNO）扩展捷式反应机理，＞1600℃（也有观点＞1800℃，我们书上＞2000℃），是NO主要来源。高温度时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分子化合生成NO，其反应机理如下:←反应最慢，决定因素←后人研究⑵激发/瞬发NO不需要高温，活化能不高的系列反应产生。⑶燃料途径NO一般计算只考虑高温NO（占主要部分）。其三要素：燃烧温度、氧浓度和整个燃烧反应时间。

♦混合气过浓，参与NO反应的氧气不够，NO量不大；♦氧浓度足够时，温度越高，则反应速度越快，NO平衡浓度越高，NO生成量越大；

♦NO生成的速度比生成其他成分的速度慢得多，故高温反应时间越长，NO生成量越多。存在“冻结”在高浓度水平的现象（可逆反应的逆反应速度缓慢）。根据扩展捷氏机理控制NO的基本原则：减少混合气中的O2（或N2）的含量；尽可能降低燃烧温度；缩短在高温燃烧带内滞留的时间。内燃机高速燃烧，燃烧过程5～10ms，一般燃烧终了时NO还不能达到平衡浓度。作为特例，NO计算时应采用化学动力学计算，其他成分则采用化学平衡计算。2、CO生成机理和排放特点一、CO生成机理

COMechanism理论上，HC燃料完全燃烧时生成CO2和H2O。HC的氧化过程：R-HR-R-O2RCHORCOCO+R-

CO+OHCO2+H因此，CO是烃燃料燃烧的中间产物。实际的燃烧过程在于：

1）燃料浓度分布不均匀。2）温度分布不均匀。3）燃烧过程时间短，达不到化学平衡状态。当反应着的气体突然缺乏氧化剂、温度过低或反应时间过短时，CO就以中间产物的形式生成了。

因此CO的排放是不可避免的。CO是不完全燃烧产物，其生成主要受混合气浓度影响。♦Φa＜1，由于缺氧，C不能完全燃烧氧化成CO2，CO作为中间产物产生；♦Φa＞1，理论上不产生CO，但由于局部混合不均匀，局部Φa＜1，产生CO；或生成的CO2在高温时发生热裂解反应，生成CO；♦在排气过程中，未燃HC不完全氧化，生成CO，少量。

燃烧终了时的CO浓度一般取决于燃气温度，发动机膨胀作功过程缸内温度下降很快，温度下降速度远快于气体中各成分建立新的平衡过程的速度，CO来不及建立平衡状态，实际的CO浓度要高于排气温度相对应的化学平衡浓度，这就是“冻结”现象（化学动力学）。一般经验，汽油机排气中的CO浓度取值为1700K时的平衡浓度。汽油机由于要控制空燃比在化学计量比附近，CO排放浓度高。全负荷混合气加浓，CO排放增加。怠速运转，废气多，加浓混合气，CO排放量大。起动暖机时CO排放较多。多缸机中各缸间空燃比的变动使CO排放量增加。

柴油机CO排放特点

柴油机的CO排放总体比较低。燃烧接近或超过冒烟极限后，由于燃烧过程局部混合气过浓，缺氧造成CO排放迅速增加。柴油机小负荷时，稀混合气区体积增加，燃气温度降低，CO排放略微增加。

3、HC♦由于汽油机和柴油机的混合气形成和燃烧方式不同，导致HC生成机理不同，必须分开讨论。

HC在汽油机中的生成机理

HC是不完全燃烧的产物，与过量空气系数有密切关系，与燃烧微观过程和现象有关系：（1）不完全燃烧：A.怠速及高负荷工况，Φa＜1，过浓状态，且怠速时残余废气系数较大；B.失火状态；C.加速或减速，暂时混合气过浓或过稀；D.Φa＞1，但油气混合不均匀。（2）壁面淬熄效应及缝隙效应：♦燃烧过程中，燃气温度＞2000℃，而汽缸壁面温度＜300℃，由于传热的缘故，靠近壁面的混合气体温度较低，加之流动性较差，故而燃烧强度下降，产生大量未燃HC。这就是壁面淬熄效应，即温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却（冷激），使活化分子的能量被吸收，燃烧链反应中断，在壁面形成约0.1～0.2mm的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层。

淬熄层厚度随发动机工况、混合气湍流程度和壁温有关，小负荷特别是冷起动和怠速时，其值较大。在火焰传播过程中，燃烧室壁对火焰具有熄火作用，即紧靠壁面附近不可能形成火焰。这样，在熄火区内存在大量未燃烧的烃，它是排气中ＨＣ的主要来源。当α＝１左右时，熄火厚度最小；负荷减小时，熄火厚度显著增加；燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。减少熄火厚度及燃烧室的面容比F/V，可以使汽油机HC排放量减少。

♦缝隙效应：燃烧室中各种狭窄的缝隙（活塞头部与气缸壁面之间、火花塞中心电极周围、进排气门头部周围等），由于面容比较大，淬熄效应强，火焰无法传入其中继续燃烧，而在膨胀和排气过程中，缸内压力下降，缝隙中的未燃混合气返回汽缸，并随排气一起排出，虽然缝隙容积小，但其中气体压力高、温度低，所以密度大，HC的浓度极高。♦壁面淬熄效应及缝隙效应产生的HC可占排气中的HC的30%～50%。

（3）壁面油膜和积碳的吸附：在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进排气门上的多孔性积碳，会吸附未燃混合气及燃料蒸气，而在膨胀和排气过程中逐步脱附释放出来，这些HC少部分被氧化，大部分随已燃气体排除汽缸。这部分HC占排气中HC的35%～50%。若清除积碳，HC可降低20%～30%。一、有害排放物种类

♦原因：曲轴箱窜气和燃油系统油气挥发等。

♦

由于未参予燃烧或未完全经过燃烧过程，其有害成分主要是HC，占汽车总HC的40%，其中曲轴箱窜气和燃油系统蒸发各占50%。B.非排气污染物

♦非排气HC的生成机理：（1）曲轴箱串气压缩、燃烧过程中，由活塞与汽缸间隙之间串入曲轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸气混合后，由通风口排入大气的污染气体。柴油机串气中HC较少，汽油机串气中HC多。（为什么？-燃料燃烧方式）

（2）燃油蒸发由化油器浮子室、空气滤清器、油箱和燃油系统管接头处蒸发并排向大气的燃油蒸气。主要指汽油机（为什么？）。同时它也是一种燃料蒸发损失。运转损失热浸损失昼夜损失加油损失燃油蒸发损失曲轴箱窜气是指在压缩和燃烧过程中由活塞和气缸之间的间隙窜入曲轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸汽混合后，由通风口排入大气的污染气体。燃油蒸发是指有油箱和燃油系统管接头处蒸发并排向大气的燃油蒸气。汽油机HC排放的来源HCSources1)排气—55～65%（机内排放）2)曲轴箱—20～25%3)燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发—15～20%柴油机燃烧及排放物生成的特点：当油束喷入有进气涡流的燃烧室中时，可大致分为稀燃火焰熄灭区、稀燃火焰区、油束心部，油束尾部和后喷部以及壁面油膜，从油束边缘到油束核心部分，局部空燃比可从无穷大变到零。根据负荷不同，各区排放物生成的性质也不一样。根据负荷，各区排放物生成的性质：未燃HC：

低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区；

高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处。CO：

低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上；

高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部。Nox：

在燃烧完全、供养充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。碳烟：

高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。醛类：

主要在稀燃火焰熄灭区，由于低温氧化而产生醛类中间产物。

HC在柴油机中的生成机理♦扩散燃烧方式，燃油在燃烧室的停留时间短，绝大部分工况的过量空气系数Φa远大于汽油机，混合气浓度梯度大，喷雾核心的Φa→0，燃烧室周边区域的Φa→∝，因而壁面淬熄效应和油膜及积碳吸附作用小，所以，正常燃烧情况下，柴油机HC排放低于汽油机（除非燃油被喷射到壁面上）。♦柴油机产生HC的主要原因：混合不均匀、燃烧过程后期低速离开喷油器的燃油混合及燃烧不良。（1）混合不均匀由于混合气浓度分布不均匀，在过浓和过稀的区域会产生局部失火。（2）喷油器压力室容积的影响

喷油器针阀密封座面下的压力室在喷油结束后充满燃油，在燃烧和膨胀过程时，这部分燃油被加热和气化，并以液态或气态低速进入燃烧室，混合及燃烧速度都极为缓慢，故这部分燃油很难充分燃烧和氧化，进而产生HC。压力室容积↓，HC排放量↓。这部分HC占总HC的3/4。♦不正常燃烧（二次喷射、后滴等）会增加HC。（为什么？）

柴油机未燃HC排放的来源1）完全由缸内燃烧过程产生。2）没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。柴油机未燃HC来源1）混合气不均匀。2）喷油器嘴部的压力室容积。3）冷起动。4）气缸壁温度影响HC排放，因为壁面激冷使HC排放增加。

4、微粒的生成机理

汽油机一般不产生微粒，除含铅汽油（铅微粒）、二冲程发动机（润滑油混入汽油）外。

柴油机的微粒排放量要比汽油机高几十倍。

因此，研究微粒主要集中于柴油机。

♦可溶性有机物（SOF，solubbleorganicfraction）占35%～45%，其中来自未燃燃料和未燃润滑油约各占50%;♦硫酸盐（来源于燃料中的含硫量）占5%～10%。

（1）微粒成分♦（干）碳烟（DS，drysoot）占40%～50%，碳烟是微粒的组成之一，发动机高负荷工作时，碳烟在微粒中的比例升高，部分负荷时下降。

（2）碳烟和微粒的生成与氧化

A.碳烟和微粒的生成简单理解为：烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成（类似炭黑生产工艺）其化学动力学反应及物理变化过程十分复杂。当燃油喷射到高温空气中时，轻质烃蒸发气化，重质烃以液态暂时存在，前者产生气相析出型碳粒，粒度较小；后者直接脱氧碳化，成为焦炭状液相析出型碳粒，粒度较大。（成核）重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附凝集，形成排气微粒。（聚集）

碳烟的生成

高温

缺氧碳烟的微观结构PMnanostructure

500℃，30分钟后

碳烟颗粒的分布特性PMDistribution

B.碳烟和微粒的氧化已生成的碳烟，如果在高温环境下又能遇到足够的氧气，就会通过氧化反应，使其体积缩小甚至完全氧化掉。

图8­4燃烧系统中碳烟粒子的形成过程

碳烟和微粒的生成与氧化机理揭示了降低其排放量的思路：燃烧前期应避免高温缺氧，以减少碳烟的生成；燃烧后期应保证高温富氧和加强混合气体扰流强度，以加速碳烟的氧化。

改善油气混合过程，采用柴油高压喷射技术，微粒和碳烟的总排放量下降，但＜PM2.5的微粒比重增大，也即粒径较大的部分减少较多。

（3）碳烟（微粒）与NOX的关系

定常燃烧装置在预混合火焰条件下的实验结果表明（具有参考意义）：Φa

≤0.6，Φa↓碳烟↑；Φa＞0.6，不产生碳烟。但是，NO随Φa↑而增加，在Φa=1.1时达到最大值，因此同时降低碳烟和NO出现了悖论。最佳的技术突破方案就是在保证热效率的状况下，将Φa控制在0.6～0.9范围内。

三、有害排放物生成的影响因素

有害排放物是燃烧化学反应的产物，燃烧与温度和过量空气系数密切相关，进而各种参数和降低排放的技术大都通过温度和过量空气系数来影响燃烧和有害物生成过程，所以温度和过量空气系数是终端影响因素（各种影响因素分析的落脚点）。

1、Φa的影响

CO、HC随Φa增加而急剧下降，Φa≥1后，逐渐达到最低值；Φa过大时，HC又有所回升（为什么？）；NOx在Φa=1.1附近出现最大值域（不在最高温度时），Φa过大和过小都迅速下降（为什么？）；从发动机的动力经济性能来看，最大功率时Φa=0.8～0.9(处于最佳燃烧的范围内，HC及油耗均为最低)，这几个因素要结合起来选择Φa优化范围。A对汽油机的影响

另标出了稀燃发动机的曲线车用汽油机在部分负荷下，过量空气系数对燃油消耗率be和NOx、HC排放的影响

B对柴油机的影响

其燃烧方式为扩散燃烧,Φa＞11、CO不到汽油机的1/10,Φa＜1.5,急剧增加,Φa＞2后，缓慢增加（为什么？）；2、Φa＞2，HC略微增加（原因？），但比汽油机小得多；3、Φa≤2,Φa↓，碳烟↑↑（在柴油机实际燃烧过程中Φa＞0.6的区域，由于混合气浓度分布极不均匀，局部缺氧严重）；4、NOx生成机理与汽油机相同，但量小于汽油机，峰值略向Φa大值方向移动。Φa极大地影响发动机有害排放物的产生，是最大的影响因素。汽油机关键是控制Φa范围；柴油机关键是既要控制平均Φa,还要注意改善局部过浓。

2、点火/喷油提前角的影响♦汽油机点火提前角减小，NOx降低（燃烧温度降低），HC降低（后燃加重，排气温度上升，排气行程以及在排气管道中HC氧化反应加速），但油耗增加。♦柴油机喷油提前角减小，NOx显著下降，但碳烟和微粒会明显增大（悖论）；同时动力、经济性能恶化。

减小点火提前角对降低HC及NOx均有利，但以牺牲动力性为代价。

点火正时IgnitionTiming汽油机排放的影响因素燃烧温度柴油机喷油时刻喷油定时InjectionTiming

柴油机排放的影响因素

3、运转工况的影响（Φa、燃烧温度）

变工况：在加速和高速行驶时，由于燃烧温度高，所以NOx浓度高；在怠速和加速时，由于Φa小（偏浓），且怠速温度低，残余废气系数高，所以HC和CO高；化油器式汽油机减速时HC急剧增加，CO也较高（节气门关闭，进气管高真空状态，管壁上的液态燃油急剧蒸发，加之惯性作用使进气量比油减得快，导致混合气浓度瞬时增大），与喷射式和改进型减速断油化油器不同。

负荷：汽油机稳定工况下：低、怠速HC、CO大，而NOx小，高负荷时反之。柴油机负荷变化的排放规律与图8-11一致。

转速：对汽、柴油机排放影响不大，规律性也不强，但提高怠速转速（缸内扰动加强），CO及HC的排放减少，目前汽油机大约在800-1000r/min；柴油机转速上升，碳烟和微粒增加。

柴油机NOX排放的影响因素

（自然吸气直喷柴油机，6×102mm×118mm，）负荷与转速EngineLoadandSpeed

碳烟的排放特性PMEmissionCharacteristics

柴油机排放的影响因素

4、发动机类型的影响◆汽油机与柴油机排放特性对比柴油机HC和CO排放仅为汽油机的1/5～1/10，NOx在中小负荷时远低于汽油机，大负荷时与汽油机接近，汽油机基本无微粒排放。结论：汽油机主要控制HC、CO、NOx；柴油机主要控制NOx、微粒和碳烟。

◆不同柴油机燃烧室的排放特性对比

非直喷式柴油机（IDI）的气体排放及噪声均比直喷式柴油机（DI）低，但DI柴油机的燃油经济性优越，是目前的发展主流，为降低其NOx，现在试图把IDI的浓稀两段式燃烧方式引入。

第二节汽油机的排放控制有害排放物的控制方法总体分为燃烧前、燃烧中、燃烧后处理。总论

一、汽油机的机内净化技术◆推迟点火提前角◆废气再循环◆改进发动机设计◆提高点火能量◆电控汽油喷射技术◆提高燃油品质以机外技术为主，机内相对简单，要求降低，机内仍以动力经济性能最佳为主要优化目标。◆推迟点火提前角就是推迟点火时间，简单易行，普遍应用。在一定范围内，推迟点火提前角，使燃烧温度下降，存在后燃，NOx（减少10%～30%）、HC下降。因为有可能使动力性和燃油耗率恶化，故要综合考虑，以确定最佳点火提前角。

减小点火提前角对降低HC及NOx均有利，但以牺牲动力性为代价。

◆废气再循环（EGR，exhaustgasrecirculation)，主要用于降低NOx（50%～70%），实质是燃烧前处理（另一种常用的前处理技术是燃料中加入添加剂，如乙醇）。一部分排气流回进气系统，使进气的氧浓度下降，同时混合气的比热容提高，均使得燃烧温度降低，抑制NOx。废气再循环图９-３废气再循环系统工作原理

在本循环吸入的新鲜充量m1中，若其中一部分是来自发动机的排气，以稀释可燃混合气的浓度，控制NOx的生成与排放，称为废气再循环。废气再循环率的定义为参与再循环的废气量mEGR占新鲜充量m1的百分比，即废气再循（EGR）率(EGRRatio)但在全负荷时最大功率下降；中负荷时燃油耗率增大、HC上升；小负荷特别是怠速时燃烧不稳定。

故大负荷、起动、暖机、怠速、小负荷时不使用EGR，其他工况EGR率＜20%。为了精确控制EGR率，采用电子控制EGR阀系统。为了增强降低NOx效果，采用中冷EGR。为了消除EGR对动力性和经济性的负面影响，可同时采用快速燃烧和稳定燃烧的措施。若增大残余废气系数（排气过程增加汽缸内滞留废气量），这就是内部EGR。EGRRatio

汽油机排放的影响因素排气再循环

（充量系数0.5，转速1600r/min，MBT）⑴冷启动、暖机和怠速

采用进气自动加热系统；

机油冷却器应有自动控制温度的装置；

冷却系统除了用节温器控制冷却液的循环外，还广泛应用温控硅油离合器风扇或温控电动风扇，改善冷却系对温度的适应性；

提高怠速转速。⑵压缩比

在汽油辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比，以获得较好的功率和油耗指标。用电控单元适当推迟点火消除爆燃。

◆改进发动机设计

（3）燃烧系统优化设计

理想的燃烧室形状应是紧凑、表面积小，并带有一定强度的进气旋流。

火花塞布置在燃烧室中心位置，可使未燃的HC排放物较低。

1）紧凑的燃烧室形状—燃烧快速和充分，淬熄效应减小，降低HC和CO。紧凑燃烧室圆盘形、浴盆形、楔形燃烧室越来越让位于更加紧凑的半球形、帐篷形燃烧室。紧凑燃烧室快速燃烧，加上优化的点火正时和EGR，给出动力性、经济性、NOX排放之间的最佳折衷。较大的行程缸径比S/D

多采用S/D=1.0－1.1的稍长行程结构。

2）改善缸内气体流动—加强油气混合；3）改善燃烧时的循环波动—减少HC，提高动力经济性；4）减小不参与燃烧的缝隙容积（减小缝隙效应）—降低HC。如活塞组设计：要在工作可靠的前提下尽量缩小活塞头部与气缸的间隙，尽量缩小顶环到活塞顶的距离。图９-６采用高位活塞环的降低ＨＣ效果⑷进气系统：采用每缸3、4或5气门（多气门）；采用涡轮增压代替自然进气。理想的气门正时，应根据发动机转速和负荷而变化，采用可变配气相位方法；将进气道设计成与气门正时协调，在进气结束前瞬间，压力波峰值到达进气门。对排气道的设计也类似。（5）分层稀薄燃烧分隔式燃烧室稀薄燃烧是当今发动机发展的方向之一。◆提高点火能量

提高着火的可靠性，减小循环波动，扩大混合气的着火界限。采用无触点的高能电子点火系统。低排放点火系统

适当提高点火能量，保证可靠点火

优化开环控制MAP

闭环反馈控制

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(极间电压一般为１０～２０ｋＶ，但最高的有３５ｋＶ)、增大火花塞间隙(如由０.８ｍｍ增大至１.１ｍｍ)以及延长放电时间等方法。电子燃油喷射系统EFI：小负荷时，提供浓混合气；在常用的中等负荷时，提供略稀混合气；在大负荷时，提供浓混合气。◆提高燃油品质提高燃油辛烷值；采用代用燃料。◆电控汽油喷射技术

精确控制，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，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。

非排气污染物控制技术

前面说过非排气HC占总量的40%，因此必须控制。二、汽油机机外净化技术1.曲轴箱强制通风系统PCV新鲜空气与曲轴箱窜气混合后进入进气管，被吸入汽缸燃烧；同时使曲轴箱内保持负压，减缓润滑油窜入燃烧室（窜机油）和通过密封面的渗漏。

新鲜空气由空滤器进入曲轴箱，与窜气混合后，经PCV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。曲轴箱通风有自然通风和强制通风两种形式。自然通风是将曲轴箱直接与大气相通。这种方式结构简单，但浪费燃油，也污染空气，所以现代汽车多采用强制通风。强制通风是用一根管子将曲轴箱与进气系统连接起来，借助活塞将曲轴箱里的气体吸入汽缸烧掉。通风管将曲轴箱与进气管相连，从摇臂室罩上的小空滤器进入的新鲜空气补充到曲轴箱里。为防止可燃混合气倒流入曲轴箱，在通风管上设有单向阀。

2、燃油蒸发控制系统汽油蒸发主要来自化油器和油箱，最常用的是活性炭罐式油蒸气吸附装置：油蒸气流入炭罐被吸附，在进气管真空度作用下，与空气一起被吸进气管，进入气缸燃烧。活性炭罐式油蒸气吸附装置3、热反应器在紧靠排气总管出口处安装，保持温度，提供空间，同时加入二次空气，使CO、HC在排气过程中继续氧化，减少HC、CO的排放。现汽车少用，多用于摩托车。

4、催化转换器目前应用最广泛（1）结构由壳体、减振垫、载体及催化剂涂层四部分组成。一般把后二者成为催化剂，是核心部分，决定其主要性能指标，作用是催化氧化CO、HC的氧化反应，提高化学反应速度，降低反应的起始温度，而本身不消耗。

起催化作用的活性材料是三种贵金属铂（Pt）、铑（Rh）、钯（Pd），起助催化作用的是稀土材料：铈（Ce）、镧（La）、镨（Pr）、钕（Nd）等。这些材料构成涂层，90%的车用载体为陶瓷。（2）催化剂的分类及工作原理◆氧化型催化剂（OC,oxidationcatalyst）：2CO＋O2＝2CO24HC＋5O2

＝4CO2

＋2H2O2H2

＋O2

＝2H2OCO和HC与氧气进行氧化反应，生成CO2和H2O，但对NOx无净化效果。氧化催化转化器OC四冲程汽油机：早期，氧化HC+CO二冲程汽油机：催化氧化器&二次空气喷射（HC）稀燃汽油机：催化氧化器（HC）汽油机的催化氧化器◆三效催化剂（TWC，threewaycatalyst）2CO＋2NO＝2CO2

＋N24HC＋10NO＝4CO2

＋2H2O＋5N22H2

＋2NO＝2H2O＋N2

当混合气浓度正好为化学计量比时，CO和HC与NOx互为氧化剂和还原剂，生成CO2、H2O及N2，剩余的CO和HC则进行前述氧化型催化剂反应。三效催化转化器（TWC）

三效催化转化器的结构

在过量空气系数=1附近，三效催化剂对CO、HC和NOX能同时达到较好的净化效果

催化转化器的起燃特性（Light-off）

起燃特性：起燃时间；起燃温度

三效催化剂同时净化CO、HC、NO，因此目前是汽油机最主要的排气净化技术。◆NOx吸附还原催化剂适用于稀燃汽油机，所以也叫稀燃催化剂。其活性成分是贵金属和碱土金属（或碱土金属和稀土金属）。稀燃时，排气处于氧化气氛：NO＋O2→NO2→MNO3（硝酸盐）吸附在碱土金属上；CO、HC→CO2、H2O

在化学计量比或浓混合气状态下，（发动机隔50～60秒空燃比短时间由稀变浓一次）MNO3分解析出NO2和NO，再与CO、HC反应→CO2、H2O、N2，同时M再生。

第三节柴油机的排放控制压燃式内燃机的排放控制

ControlofCIEngineEmissions一、柴油机的排放特点

CO和HC相对均燃的汽油机来说要少得多。

碳烟/微粒排放高。

排放的NOX与汽油机在同一数量级。NOx与PM排放存在Trade–off关系。燃油与空气的混合不均匀。,碳烟大量生成,同时生成大量的CO。,NOX大量生成。

外围稀混合气产生HC和CO。二、产生机理

如果后氧化不足，则形成PM、HC和CO排放。

柴油机排放控制难度大，以机内净化技术为主，机外净化技术还在研究发展阶段。

由于燃烧过程复杂，控制有害生成物的燃烧特性参数多，故寻求综合考虑排放、热效率等各种性能的理想烧燃放热规律是柴油机排放控制的核心。理想的喷油规律、理想的混合气运动规律以及与之匹配的燃烧室形状是必需的。

各项排放控制技术的指导思想：抑制预混合燃烧以降低NOx，促进扩散燃烧以降低微粒和改善热效率，也就是燃烧过程控制，主要涉及燃烧改善和燃料改善。

燃烧改善技术：A降低NOx推迟喷油时间（减小喷油提前角）、EGR、改善喷油规律；B降低碳烟和微粒增压技术、高压喷射。

根据排放要求（排放法规），合理组合多种技术，以免造成单一技术过度使用而带来其他负面影响，最经济适用的达到降低污染的目的。一、柴油机的机内净化技术◆减小喷油提前角◆EGR◆增压及增压中冷◆改善喷油特性◆改进燃烧方式和燃烧室◆改善燃料特性及采用新型清洁燃料◆降低机油消耗

◆推迟喷油时间（减小喷油提前角）

简单易行有效地抑制NOx，但燃油耗率和微粒恶化。

机理与汽油机不完全相同：一是使燃烧过程避开上止点进行，燃烧等容度下降，因而燃烧温度降低；二是越接近上止点喷油，缸内温度越高，着火落后期缩短，燃烧初期的放热速率降低，导致燃烧温度降低。从而都抑制了NOx生成。柴油机延迟喷油是降低NOx

的主要措施之一。喷油提前角对油耗及排气污染的影响图4-3柴油机全负荷时动态喷油定时图

非直喷式柴油机（IDI）在一定范围内减小喷油提前角会出现NOx和微粒同时降低的现象。但燃油经济性和HC恶化。

◆EGR因为排气中的氧含量高、CO2浓度低，因此EGR率比汽油机大，直喷式＞40%，非直喷式＞25%。由于大量惰性气体阻碍了燃烧的快速进行、混合气的比热容增大，导致燃烧温度降低；EGR对进气加热和稀释，导致实际过量空气系数Φa下降（氧含量↓）。这都使NOx显著下降，但碳烟和燃油耗率恶化，故采用冷却EGR。

但大中负荷时，由于对发动机性能有所影响，故适量减少EGR量。

使用EGR会带来H2SO4腐蚀及微粒异常磨损，主要对策是降低柴油中的硫含量。

◆增压和增压中冷增压：通过增加进气密度，使Φ

a↑，保证完全燃烧，碳烟和微粒被抑制，HC、CO进一步降低；功率增加30%～100%；燃油经济性↑（燃烧完全＋泵气过程做正功）。但缺点是NOx↑,故增加中冷以降低燃烧温度→增压中冷。

实用中，涡轮增压型（TC），满足欧1标准；增压中冷型（TCi），满足欧2标准；可变喷嘴涡轮增压（VNTi），满足欧3及以上标准。

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。

增压中冷对排放的影响1－进气温度108℃，排气烟度1.45FSN，EGR率0.022－进气温度76℃，排气烟度1.04FSN，EGR率0.02

◆改善喷油特性（1）合理的喷油规律初期缓慢，中期急速，后期快断。初期喷油速率不要过高，以抑制着火落后期内混合气生成量降低初期燃烧速率，达到降低燃烧温度抑制NOx生成及降低噪音的目的；中期应急速喷油，即采用高压喷油和高喷油速率以加速扩散燃烧速度，防止微粒排放和热效率恶化；后期迅速结束喷射，以避免低的喷油压力和喷油速率使雾化质量变差，导致燃烧不完全和碳烟及微粒排放增加。134

合理的喷油规律理想的燃烧放热规律实现方法：改变喷油泵凸轮型线或供油段（如采用凹弧凸轮，喷油速率初期低，中期高，可比切线凸轮降低NOx5%～10%，中小负荷微粒排放降低8%～13%）；预喷射（在主喷射前，少量的预先喷射，在着火落后期可燃混合气体少，进而初期燃烧放热较弱，可明显降低NOx）；多段喷射（促进燃烧后期的混合气形成及加速燃烧，导致燃烧压力高，燃烧持续期缩短，碳烟降低）。（2）提高喷油压力使燃油喷雾颗粒细化，燃油与空气接触表面积增大。现在高压喷射技术达150～180MPa，喷雾索特直径SMD达10µm。高压喷射技术带来高温高速以及混合能量很大的燃烧过程，微粒（碳烟）排放降低，热效率提高。但NOx会增加，因此可与推迟喷油时间或EGR配合使用，让微粒与NOx同时降低。

高压喷射

改善燃油雾化及其与空气的混合;

推迟喷油，降低NOX的排放.电控高压共轨喷油系统（CR）Pinj,max≤100~150MPa

泵―管―嘴式（P－L－N）Pinj,max≤100MPa

泵喷嘴（UI）Pinj,max≤180MPa改进喷油系统高压喷射推迟喷油提前角减小喷孔直径，增加喷孔数目高压共轨电控燃油喷射标准压力室喷嘴小压力室喷嘴无压力室喷嘴低排放喷油器

（3）柴油机电控喷油系统将传统的机液喷油系统改造为电脑控制、机电一体化的喷油系统，达到更加精密的控制喷油定时、喷油率和喷油压力的目的。该技术是柴油机的又一个里程碑，最终实现以控制喷油系为主的整机电脑综合控制和管理。

◆改进燃烧方法和燃烧室合理的混合气形成和燃烧过程：滞燃期内不形成过多的混合气，合理组织涡流和湍流运动，加强燃烧后期的扰流等，寻求油、气、燃烧室三者间的最佳匹配。

气流组织和多气门技术

可调进气涡流。

重视挤流和湍流对燃烧的促进作用。

重载柴油机采用低涡流、无涡流设计。

四气门技术，喷油器中央安装。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。改进燃烧系统燃烧室容积比：燃烧室容积对气缸余隙容积之比。燃烧室口径比：

采用较大口径比的浅平燃烧室，配合小孔径的多喷孔喷嘴。燃烧室形状缩口燃烧室已取代应用最广的直边不缩口燃烧室。用缩口燃烧室加强燃烧室口部的气体湍流，促进扩散混合和燃烧。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。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

燃烧室设计

小型高速柴油机燃烧室

高速重载柴油机燃烧室重型车用柴油机各种燃烧系统燃料经济性和排放性的比较（6缸，排量10L，每缸4气门，增压中冷）方案Ⅰ：缩口深坑燃烧室5孔喷嘴，有进气涡流方案Ⅱ：缩口深坑燃烧室7孔喷嘴，进气涡流减半方案Ⅲ：敞口浅平燃烧室8孔喷嘴，进气涡流减半方案Ⅳ：敞口浅平燃烧室零涡流，因为减排NOx与减排微粒碳烟相矛盾，为了同时减排两者，开发了新的燃烧方式，如低温燃烧技术和均质压燃技术。

◆燃料改善：改善燃料特性及新型清洁燃料

提高柴油的十六烷值至55以上，以减少噪声及NOx（十六烷值过低，燃料的自燃性差，不易着火，着火延迟期增加，使得预混合燃烧的可燃混合气量增加，工作粗暴，NOx增加；但十六烷值过高，在喷射过程初期喷射的燃料在喷嘴附近就着火，而后续喷射的燃料喷在已燃烧的火焰面上，容易造成高温缺氧而冒黑烟。所以，要根据发动机的压缩比等，合理选择燃料的十六烷值）；

提高烷烃含量，降低芳香烃、炔烃含量，以减少碳烟的生成；降低含硫量，以减少微粒的生成,并提高催化剂的使用寿命；提高氧含量，以减少HC、CO、碳烟。含氧燃料是低排放燃料，是未来的发展方向，我国已正式推广应用醇类燃料，生物柴油和二甲醚（DME）也已有应用。◆降低机油消耗

随着燃烧改善，微粒排放明显下降后，为了降低微粒中由未燃润滑油带来的微粒成分，应严格控制润滑油耗量。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。

二、柴油机排气后处理技术正在研究开发，将逐步进入使用1、氧化催化转化器用于降低SOF、HC、CO2、微粒捕集器用于过滤和除去排气微粒3、NOx还原催化转化器用于降低NOx排放4、四元催化转化器将前三种结合为一体，在类似汽油机三效催化转化器的基础上，同时降低HC、CO、NOx和微粒。氧化催化转化器OC

降低CO、HC和SOF(PAH)inPM以及醛类排放,同时可减轻柴油机排气臭味。主要目的是降低微粒中的可溶性有机物质SOF。但柴油中的硫含量即同时生成更多的硫酸盐（抵消了SOF的减少，甚至反而使微粒排放增加），也会使催化剂中毒劣化。所以减少柴油中的硫含量成了氧化催化器实用化的前提条件。柴油机的催化氧化器柴油机排气微粒捕集（DPF）一）、微粒过滤器(DPF)

采用过滤的方法对柴油机排气中的微粒进行净化。（物理方法）

1.DPF的热再生

二）、DPF的再生DPFRegeneration定义：热再生就是由外界提供热量，提高滤芯的温度，使沉积在滤芯中的PM燃烧，恢复滤芯的洁净状态。热量可由燃烧器、电阻加热器、微波发生器、红外发射器等产生。（消耗外能）

DPF装置本身增加了排气阻力（尾部装置都要注意），更为严重的是捕集的微粒积累增加了排气阻力，使排气背压增加，导致发动机动力经济性恶化。所以必须除去DPF中的微粒，这就是DPF再生。原理：氧化催化反应器把排气中的NO氧化成NO2,利用NO2的氧化能力，氧化DPF中积聚的碳烟颗粒。燃油要求：柴油硫含量≤35ppm（欧4）2.连续再生捕集器（CRT）

1)氧化催化后处理（DieselOxidationCatalyst，简称为DOC）可以氧化微粒中大部分的SOF，使SOF下降40％～90％。2)微粒捕捉器(DieselParticulateFilter,DPF)与其上游

的特殊氧化催化反应器（DOC）组成催化连续再生

（CatalyticContinuousRegenerationTrap,简称CRT）。

在DOC催化器中：2NO＋O2＝2NO2

在DPF中：2NO2＋C＝CO2＋2NO

利用NO2的氧化能力，氧化DPF中积聚的碳烟颗粒。

DOCDPFHC，CO，NO，PM

连续再生捕集器实质是将柴油机的催化氧化器和微粒捕捉器相结合163NOx还原催化转化器柴油机排气中的CO和HC比汽油机少得多，又由于柴油机的过量空气系数大，排气中的氧含量也远远高于汽油机，所以柴油机尾气中氧化量是还原量的30倍，在高度氧化氛围中进行还原反应，对催化剂性能要求很高；柴油机排气温度明显低于汽油机；柴油机中含有大量SOx和微粒，容易导致催化剂中毒劣化。故而NOx还原催化转化器的实用遇到很大障碍。为了改善使用效果，不得不从外部补充还原剂，如HC、NH3（尿素）等（下图中增加一个柴油喷射器）。研究开发的技术方案很多，但与稀燃汽油机差别在于难于营造吸附还原催化剂再生所需的还原氛围。四元催化转化器---已有实例，CO、HC、PM与NOx互为氧化剂和还原剂第四节排放法规及测试方法简介REGULATION&TESTCYCLES

排放测试规范

取样方法

测量技术

排放法规限值主要学习内容第五节发动机噪声来源与控制内燃机的噪声有三个主要来源：进排气口和风扇等引起的气体噪声；由于往复运动和零部件间隙等引起的机械噪声；由燃烧过程中压力等参数的急剧变动引起的燃烧噪声。由于柴油机燃烧的冲击性和运动部件惯性质量明显大于汽油机，因而其噪声也高于汽油机，这使柴油机的用途受到限制，也是研究的主要对象。一、发动机噪声的来源：1.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、曲轴和主轴承经由气缸体下部向外辐射。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。在功率相同的条件下，柴油机比汽油机燃烧噪声大得多。2.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、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增大而增大。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、排气消声器。4.风扇噪声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，如采用叶片不均匀分布的风扇、用塑料风扇代替钢板风扇、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。二、影响噪声的主要因素(１)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。

(２)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。

(３)转速发动机转速主要影响机械噪声的大小。

(４)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)影响机械噪声的主要因素:１).活塞敲击噪声２).配气机构噪声３).齿轮噪声４).喷油泵的噪声图９-３３柴油机的噪声及振动随活塞冷态间隙的变化

ａ)噪声ｂ)振动

１—１０５ｍｍ缸径单缸机２—８５ｍｍ缸径单缸机三、噪声控制1.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2）选用十六烷值较高的柴油和辛烷值较高的汽油3）改变燃烧室形式2.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零件的质量，采用平衡轴减小惯性力，尽量使发动机平衡，可达到降低噪声的目的。3.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、减小油泵压力脉动、减小喷油泵凸轮与滚轮体之间的冲击和摩擦等，降低