排气污染与控制优秀教学课件

第八章排气污染与控制

2023/3/311发动机原理第一节概述

2023/3/312发动机原理环保与节能环境保护与节能是当今车用动力技术发展的两个主要着眼点。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。此外，还有微粒、硫化物、铅、磷及醛等污染，这些污染物对人体的危害很大。2023/3/313发动机原理HC排放HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化产物。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。HC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，使橡胶裂开，植物受损，可见度降低，并刺激眼睛及咽喉。2023/3/315发动机原理NOX排放NOX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的环境中。NO的毒性比NO2小，但NO在大气中缓慢氧化形成NO2。NO2是褐色有刺激性的气体，对肺和心肌有很强的毒害作用。NOX是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一。2023/3/316发动机原理微粒（PM）排放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。2023/3/317发动机原理第二节汽油机有害排放物的生成机理和影响因素2023/3/319发动机原理一、CO的生成机理一氧化碳（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：RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO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。2023/3/3110发动机原理二、HC的生成机理未燃碳氢化合物（HC）的生成与排出有三个渠道：排气：占6O％以上曲轴箱窜气：占25％蒸发：占15％～20％左右2023/3/3111发动机原理三、NOX的生成机理发动机排出的氮氧化物（NOX）主要是NO，NO2排出量较少。NO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：O＋N2NO＋NN＋O2NO＋O2023/3/3113发动机原理促使NOX生成的因素（1）高温（2）富氧（3）充足的反应时间2023/3/3114发动机原理

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，混合气成分是影响排放的最主要的因素。四、影响因素--混合气成分2023/3/3115发动机原理2023/3/3117发动机原理

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--吸入废气量(EGR)2023/3/3118发动机原理影响因素--工况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。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。2023/3/3119发动机原理第三节汽油机有害排放物

控制技术2023/3/3121发动机原理控制措施分类1）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。2）对燃烧排出的有害物，在排气系统等处进行后处理。3）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。2023/3/3122发动机原理2023/3/3123发动机原理

在发动机部分负荷正常工况时，曲轴箱内的所有窜缸气体通过PCV阀，进入进气歧管；在怠速或低速时（a），进气歧管中相对真空度较高，真空吸力大，允许少量曲轴箱蒸气混合气通过；当发动机转速或负荷加大时（b），进气管真空度下降，吸力减小，允许较多的气体通过；发动机全负荷工作时，PCV阀的弹簧使阀门开后到最大流量状态（b）；发动机回火时PCV阀起保护作用，（c）。PCV阀的工作原理2023/3/3125发动机原理

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2023/3/3126发动机原理

EGR系统的主要工作参数为EGR率R，其定义为：R＝Gr／（Gr＋Ga）；式中Ga表示进入发动机的空气和燃油混合气的质量流量；Gr表示进入发动机的再循环废气质量流量。EGR率对发动机性能的影响

2023/3/3129发动机原理

2023/3/3130发动机原理2023/3/3131发动机原理1、工作原理2、催化器性能评价参数3、催化反应条件4、车用三效催化剂的要求5、催化转化器的结构6、催化器的寿命与失效7、汽油机排气后处理之未来四、汽油机三效催化转化器2023/3/3132发动机原理HCCONOxH2OCO2N21、工作原理2023/3/3133发动机原理2、催化器性能评价参数（1）转换效率催化器出、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2023/3/3134发动机原理SV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。（2）空间速度2023/3/3135发动机原理3、催化反应的条件（1）空燃比条件2023/3/3136发动机原理（2）温度条件一般称转化效率为50％所对应的温度为催化剂的起燃（Light-off）温度。一般三效催化剂对各种污染物的起燃温度在220一270℃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。用美国测试循环进行测试时，CO和HC的50％—80％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它在冷起动后的起燃或采用紧耦型催化器。2023/3/3137发动机原理4、车用三效催化剂的要求起燃温度低；有较高的储氧能力，以补偿空燃比的波动；耐高温，不易热老化；对杂质不敏感，不易中毒；尽量不产生H2S、NH3等物质；成本合理。2023/3/3138发动机原理5、催化转化器的结构（圆形）

外壳减振密封垫载体与催化剂2023/3/3139发动机原理催化转化器的结构（椭圆形）

2023/3/3140发动机原理不锈钢外壳催化转化器2023/3/3141发动机原理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2023/3/3142发动机原理催化剂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，但其晶体结构容易容纳杂质，易受杂质中毒。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。2023/3/3143发动机原理助催化剂为了改善三效催化剂的性能，除了氧化铝和贵金属外，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。2023/3/3144发动机原理6、催化器的寿命与失效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。2023/3/3145发动机原理催化转化器老化失效形式化学老化热老化积垢老化机械老化中毒：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2023/3/3146发动机原理7、汽油机排气后处理之未来2023/3/3147发动机原理载体技术——催化器新型载体目前，也有用金属作为催化剂的载体材料。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。这种载体的优点是结构紧凑，热容量小，有利于提高内燃机冷起动时的净化效果，机械强度和热强度高，工作可靠；缺点是质量大，成本高，涂敷活性层困难。它一般做成小的，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。2023/3/3148发动机原理快速起燃技术—电加热催化转化器（EHC）2023/3/3149发动机原理快速起燃技术—紧耦合型催化转化器（CCC）2023/3/3150发动机原理第四节柴油机有害排放物的生成机理和影响因素2023/3/3151发动机原理一、柴油机中的主要污染物1、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。2023/3/3152发动机原理2、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：（1）CO及HC排放明显低于汽油机（2）柴油机NO的排放几乎与汽油机相当（3）颗粒物排量远高于汽油机（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1／3～1／2。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。2023/3/3153发动机原理二、CO的生成机理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。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。2023/3/3154发动机原理

柴油机与汽油机相比燃油中含有高沸点（高相对分子质量）的碳氢化合物成分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一般认为柴油机中HC排放物的产生主要有两种途径：（1）是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（2）是燃油空气混合气过浓而不能着火及燃烧。三、HC的生成机理2023/3/3155发动机原理由于过浓或过稀而避开正常燃烧的燃油，在膨胀过程中通过进一步的混合，进而发生缓慢的氧化而被烧掉，最后排出的HC是不完全混合的或氧化过程淬熄所造成的。这些排出的不完全燃烧产物HC的形成可由图4－2予以说明。2023/3/3156发动机原理2023/3/3157发动机原理

图4－2a表示滞燃期内喷入气缸的燃油形成不完全燃烧产物的路径。图4－2b表示燃烧开始之后喷入气缸的燃油形成HC的路径更为复杂，主要由燃油局部过浓造成。在滞燃期之后喷射的燃油，当与空气混合时燃油快速氧化或燃油高温分解的产物导致完全燃烧。燃油和热解产物缓慢与空气混合引起过浓混合气或者燃烧反应的淬熄，产生不完全燃烧产物、高温分解产物和出现在排气里的未燃烧的燃油。

2023/3/3158发动机原理

一旦燃油开始喷入气缸，喷注断面上燃油空气混合比的分布就产生变化。混合比低于贫油燃烧极限的燃油量，随时间迅速增加。图4－3表示了在着火时油注中的当量比φ分布。

未燃HC排放与点火延迟的长短关系如图4－4所示，图中的数据为柴油机转速2800r／min时，不同燃油、负荷、喷油定时、增压压力时的试验结果。可见，当滞燃期增长超出其最小值以上时（由于发动运转条件变化），HC排放以一定的增长速率上升。因此，在滞燃期中喷入燃油的过分稀释是碳氢化合物排放的重要来源，特别是在长滞燃期条件下尤其如此。

2023/3/3159发动机原理2023/3/3160发动机原理

在燃烧期间进入气缸并由于与空气缓慢或不良混合而导致HC排放的燃油有两种：一种是在燃烧过程后期以低速离开喷油嘴的燃油，主要是油嘴压力室容积所致，当然严重的二次喷射也会增加HC排放另一种是在过量喷射条件下进入缸内的多余燃油由此可见，在柴油机正常运转条件下，形成HC排放的原因有两个：其一是滞燃期中形成的过稀混合气；其二是在燃烧过程后期，低速离开喷油嘴的燃油的不良混合，燃油的低速和滞后喷射如二次喷射等是很值得注意的2023/3/3161发动机原理

柴油机燃烧期间的非均匀的燃油分布导致了非均匀的燃气成分及燃气温度，使燃油空气的混合和燃烧过程变得极为复杂在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多图4－5显示了直喷式柴油机的通过快速取样阀（开启时间lms）测取的整个燃烧过程中各主要物质的含量、压力、温度以及当量比等随时间的变化过程四、

NO的生成机理2023/3/3162发动机原理2023/3/3163发动机原理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。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。当活塞顶燃烧室里NO含量达最大值时（上止点后15oCA），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。2023/3/3164发动机原理五、微粒的生成机理柴油机排气中微粒的主要成分是碳烟粒子。它是燃料在燃烧过程中经历了一系列物理化学变化后形成的。首先燃料分子在高温中裂解或氧化裂解，所生成的裂解产物主要是乙炔，乙炔是生成碳烟的重要中间物，接着形成碳烟核心，以上为成核阶段，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。2023/3/3165发动机原理六、影响因素--混合气成分从宏观上讲，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，因此柴油机的HC及CO排放浓度一般比汽油机低得多（图8－9）。但在接近满负荷时（A／F减小），CO浓度骤增。如图8－9所示，NO生成率最高处仍出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A／F增加而减少。柴油机排气中有碳烟排出，随着混合气变浓，排烟浓度增多。2023/3/3166发动机原理影响因素--喷油时刻延迟喷油是降低NOx的主要措施之一。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。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。2023/3/3167发动机原理影响因素--燃烧室类型2023/3/3168发动机原理2023/3/3169发动机原理2023/3/3170发动机原理由排放特性可知：分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和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。原因：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。2023/3/3171发动机原理第五节柴油机有害排放物

控制技术2023/3/3172发动机原理一、柴油机机内净化措施

燃烧过程的优化措施优化增压和增压中冷降低机油消耗量优化发动机冷却低含硫燃油减少喷嘴压力室容积预喷射燃油

2023/3/3173发动机原理

1、燃烧过程的优化措施

采用可变定时的高效燃油喷射系统

低涡流燃烧过程可变涡流的4气门机构优化喷油规律排气再循环（EGR）喷水2023/3/3174发动机原理

2、优化增压和增压中冷

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。

2023/3/3175发动机原理3、降低机油消耗量

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，约有25％来自机油，含硫部分占15％。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/（kW·h）。2023/3/3176发动机原理

4、优化发动机冷却

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氮氧化物下降5％。

图4—33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。

2023/3/3177发动机原理2023/3/3178发动机原理

5、低含硫燃油确保颗粒排放降低的基本前提是采用高十六烷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。2023/3/3179发动机原理

6、减少喷嘴压力室容积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。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。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2100r／min，图b的试验转速为1200r／min。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，对燃油经济性、排烟及NO也没有不良的影响。

2023/3/3180发动机原理2023/3/3181发动机原理

7、预喷射燃油

里卡图公司在单缸ω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10％～15％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

2023/3/3182发动机原理柴油机机后净化措施

氧化催化器（DOC）

微粒捕集器（DPF）稀NOX催化还原器（LNC）NOX吸附器（LNT）选择性催化还原器（SCR）LNCNOxNOx/PMControlLNTOxidationCatalystCombinationPMSolidsSOFSCRActivePassiveDPF(DieselParticulateFilter)IntegratedSystemOff-Board/ReplaceFBCCatalystBasedDieselParticulateFiltersCSFEngineManagementNon-CatalyzedReusableActiveCDPFFBCTypeConcent.Cat.TypeLoadingCat.TypeLoadingIntakeRestric.ExhaustRestric.ExhaustHeatAdd.DPFApplicationExample1

–FBC+DOC+DPFSupplementalHCSCR4NO+O2+4NH3

4N2+6H2O2NO2+O2+4NH33N2+6H2OSCR4N2+2CO2+4H2O4NO+O2+2CO(NH2)2二、柴油机机后净化措施

2023/3/3183发动机原理不同国家不同排放标准下对于柴油机的应对措施

柴油机排放综合控制技术（DPF+SCR）FUELTIMELINE2005:EUULSD50ppmS2005:JapanULSD50ppmS2006:EPA/CARBULSD15ppmS2007:USNon-roadLSD500ppmS2009:EUSULSD10ppmS2010:USNon-roadULSD15ppmS(2000)(2005)(2008)China2010China2007Nothing,orDOCtocontrolodorDOC+DPF+FBC,orDOC+CDPF,orDOC,SCRDOC+CDPFDOC+CDPF+SCR2023/3/3184发动机原理三、柴油机排气微粒捕集器（DPF）DPF主要用于净化柴油机排气中的微粒。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。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。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。柴油机微粒再生技术是DPF应用的关键。2023/3/3185发动机原理主要内容1、微粒捕集器的结构原理2、微粒捕集器的再生方法3、柴油机排气后处理之未来2023/3/3186发动机原理1、微粒捕集器的结构原理-体积型2023/3/3187发动机原理微粒捕集器的结构原理-表面型2023/3/3188发动机原理2023/3/3189发动机原理典型的微粒捕集装置OutletSectionFilterSectionCatalystSectionInletSectionV-Clamps2023/3/3190发动机原理微粒捕集系统车载安装图CRTbehindheatshieldInlettoCRTTemperatureandBackpressureDDECTemperatureOutletofCRT2023/3/3191发动机原理试验后的微粒捕集器进口出口2023/3/3192发动机原理试验后微粒捕集器外壳进口部分出口部分2023/3/3193发动机原理l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2023/3/3194发动机原理陶瓷纤维缠绕微粒捕集及催化再生过程2023/3/3195发动机原理电加热再生2023/3/3196发动机原理喷油助燃再生2023/3/3197发动机原理微波加热再生2023/3/3198发动机原理柴油机排放控制的技术趋势是：先进柴油机技术（电控柴油喷射技术、高压共轨系统、增压中冷技术、带冷却的EGR等）先进排气后处理技术（FBC、DOC、DPF、CDPF、CSF、SCR、LNC、LNT等）柴油品质保证（低硫、超低硫柴油）2023/3/3199发动机原理3、柴油机排气后处理之未来2023/3/31100发动机原理壁流陶瓷捕集器的进一步研究增加捕集容量、延长再生周期2023/3/31101发动机原理过流式微粒捕集原理减小捕集量，延长使用时间2023/3/31102发动机原理Pt催化剂DPF发动机排气净化后排气

NO+O2→NO2C+NO2→CO2+N2C+O2→CO2InletSectionCatalystSectionFilterSectionOutletSectionHoneycombCatalystWall-flowFilter连续再生捕集器（CRT）2023/3/31103发动机原理柴油机排气四效净化技术2023/3/31104发动机原理HSOVurea(NH2)2COExhaustGasHydrolysisCatalyst(H)(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2SCRCatalyst(S)4NH3+4NO+O24N2+6H2O2NH3+NO+NO22N2+3H2O8NH3+6NO27N2+12H2OOxidationCatalyst(O)4NH3+3O22N2+6H2OOxidationCatalyst(V)2NO+O22NO24HC+3O22CO2+2H2O2CO+O22CO22023/3/31105发动机原理第六节

排放法规与试验方法

2023/3/31106发动机原理一、我国汽车排放治理标准的沿革不同国家在大气污染防治工作方面的进展有所不同。因为各国的发达程度，汽车保有量、城市规划特点、气候和地形等各不相同，对大气污染严重性和治理紧迫性的认识理念也不尽相同。总的说来，汽车数量多，城市大气污染严重的国家，措施采取得较早，限制得也更严格。各国根据自己的国情制定自己的标准。这在我国的历次标准中都有体现；另一方面，随着全球经济一体化的进展，国际上要求统一排放标准的呼声日益增高。在我国的第三批即新标准中，既考虑我国的实际情况，又跨出了与国际接轨的一大步。2023/3/31107发动机原理1．我国汽车排放标准化零的突破——1983年我国第一批汽车排放标准的颁布我国从198O年开始着手制订汽车排放标准，1983年颁布了GB－384H83（汽油车怠速污染物排放标准》等第一批有关汽车排放的标准（见附录2表1）。分别规定了汽油车怠速污染物、柴油车自由加速烟度和柴油机全负荷烟度排放的限值和测量方法，见附录2表2，附录2表3和附录2表4。2023/3/31108发动机原理2023/3/31109发动机原理2023/3/31110发动机原理2．汽车排放标准体系的基本形成——1993年14项汽车排放标准的出台1989－1993年我国颁布了GB一14761．l—93轻型汽车排气污染物排放标准》等14项标准（见附录2表5），分别规定了汽油车和柴油车污染物排放的限值和测试方法，基本形成了我国的汽车排放标准体系。其中《汽油车怠速污染物排放标准》、《柴油车自由加速烟度排放标准》和《汽车柴油机全负荷烟度排放标准》等分别见附录2表6、附录2表7和附录2表8。2023/3/31111发动机原理2023/3/31112发动机原理2023/3/31113发动机原理2023/3/31114发动机原理3．我国汽车排放标准走上与国际接轨的新台阶——1999年以来多项汽车排放标准的颁布随着国民经济的不断发展，原有的大部分有关汽车排放的标准已经不适应可持续发展的要求，在1993年第二次标准出台之前，有关部门就开始对制定新标准进行酝酿和准备。1990年，全国汽车标准化技术委员在制定《汽车行业“八五”标准体系》时，对国际上通行的欧洲、美国和日本三大汽车管理体系、技术法规和标准体系进行了研究和分析。2023/3/31115发动机原理通过论证，考虑欧洲的道路情况相对而言与我国比较接近，我国引进的车型多数为欧洲车型等情况，确立了这样的共识：我国汽车强制性标准的技术内容主要以欧洲经济委员会发布的ECE汽车技术法规为参照对象。但这个思路的贯彻需要一定的时间，1993年颁布的14项排放标准各自参照了不同国家的技术法规，有的在一个标准中出现了几个国家的法规内容，有的则是我国独创，使得我国的汽车排放标准体系与国际上美国和欧洲两大体系无法接轨，直接影响我国与国际间的交流，也不适应国际排放法规协调、统一化的趋势。2023/3/31116发动机原理14项汽车排放标准出台的第二年，即1994年我国汽车行业开始进行汽车排放标准修订的基础研究工作。1994年7月原机械工业部汽车工业司在天津组织召开汽车排放标准研讨工作会议，责成中国汽车技术研究中心、长春汽车研究所、东风汽车工程研究院和重汽集团技术中心，参照欧洲经济委员会（ECE）汽车技术法规体系，制定我国的汽车技术法规，其中包括汽车排放技术标准。1996年5月开始着手制定。其间与欧洲联盟签定了合作协议，欧洲联盟派专家与我国的技术人员进行技术研讨，派八批专家就ECE排放法规的制定背景，以及转化ECE法规过程中的不明确内容进行答疑。2023/3/31117发动机原理在制定有关标准的过程中，为了摸清我国车用柴油机可见污染物的排放水平，并对ECER24的测试方法进行验证，原汽车工业司于1997年9月组织进行了全国车用柴油机可见污染物排放普测。2023/3/31118发动机原理为配合四项排放标准的实施，原汽车工业司还进行了以下技术准备工作：（1）组建总投资26亿人民币的汽车电子汽油喷射系统企业（联合汽车电子公司）；（2）与美国福特汽车公司合作，开展稀土加少量资金属的汽车催化转化剂的开发研究；（3）进行轻型汽车排放检测设备对比试验；（4）制定汽车排放试验室认可管理办法。2023/3/31119发动机原理1999年3月4日颁布了国家标准GB14761－1999《汽车排放污染物限值及测试方法》等四项国家标准（见附录2表9），2000年1月1日实施。2000年12月28日颁布了《在用汽车排气污染物限值排放标准》，这个标准规定了在用汽油车和柴油车排气污染物的限值及测试方法，2001年7月1日实施。2001年与汽车排放有关的一批标准出台，汽车排放标准体系进一步完善。2023/3/31120发动机原理2023/3/31121发动机原理

4．我国三批汽车排放标准的比较我国的第一批即1983年汽车排放标准是根据我国当时汽车制造和检测的实际水平制定的。现在看来，有许多不足之处，如：（1）对NOx未加限制，只限制CO和HC，而且仅限于怠速工况；（2）对限值的要求，既无新车与在用车之分，又无车型之分；（3）对柴油车的自由加速烟度和全负荷烟度排放加以限制，而不限制CO、HC和N0x。2023/3/31122发动机原理第二批标准的改进：1993年汽车排放标准形成了一个比较完整的体系。与1983年标准比有了较大的改进：（1）有了新出产车与在用车之分；（2）在用车只限制怠速CO和HC的排放，新出产车则CO、HC和NOx都限制；（3）新出产车试验有型式认证和产品一致性试验之分。被试车辆要在底盘测功机上进行15工况试验；（4）新出产车考虑了最大总质量的差别；（5）在用车则有1995年7月1日前后之别；（6）对汽油车燃油蒸发污染物排放有了限制。2023/3/31123发动机原理第三批标准的特点：1999年汽车排放标准与1993年汽车排放标准相比部分特点如下：（1）先进性控制汽车排放的水平等同欧洲1号法规。全面等效地采用了欧洲汽车排放法规的技术内容。GB14761—199外汽车排放污染物限值及测试方法》控制汽车排放的水平等同于欧洲1号法规；GB17691－199则压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法》等效采用欧洲l、欧洲2排放限值。2000年1月1日起执行欧洲1（比欧洲晚7年），从2005年1月1日起执行欧洲2（比欧洲晚9年）；而＊B3847－199则压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法顾u等效采用ECER24／O3的全部内容，排放水平与欧洲同步；2023/3/31124发动机原理（2）方便性将汽车排放污染物排放限值与测试方法合并为一体，使用标准较为方便；（3）性能要求的全面性汽车和车用发动机的开发既要保证环境保护和排放控制，又要最大限度满足整车的性能要求。因此，将汽车发动机净功率测试方法列入这批标准之中。2023/3/31125发动机原理（4）科学性首次在我国对柴油机实施工况法排放标准：试验方法采用欧洲国家和日本一直采用的稳态13工况排放试验循环（美国从1984年起采用瞬态工况循环法，测试设备造价昂贵，试验要求复杂，实施难度大）；首次在我国对柴油机的气态排放物进行限制：标准规定气态污染物排放采用直接取样法排气分析系统测量，微粒排放采用全流稀释系统或分流稀释系统测量；采用符合欧洲CECRF－03－A－84标准的柴油作为型式认证和生产一致性检查试验用油，以排除柴油本身品质不同的影响；2023/3/31126发动机原理全负荷烟度试验方法与1993年标准基本相同，但使用的烟度计不同。1993年标准规定采用滤纸式烟度计，新标准规定必须采用不透光炯度计，微粒测量单位为光吸收系数；对于不常用的低速全负荷工况限值稍宽，以保证发动机低速动力性的发挥；对中高速常用工况则限值很严，以满足环保要求；考虑到改善燃烧技术实施的难易木同，对大排量压燃式发动机微粒排放的限值要求更严；规定型式认证试验和生产一致性试验限值为同一值；自由加速微粒排放试验也规定必须采用不透光烟度计，木能使用滤纸式烟度计，因为后者不能测量瞬态可见污染物排放浓度的大小；规定在发动机台架上也可以进行自由加速试验，但发动机要与测功机脱开，飞轮转动惯量要与整车相当；2023/3/31127发动机原理1993年标准基于当时“只要自由加速烟度排放小，全负荷烟度排放也一定小。”的认识，而对自由加速工况寄予了过高的期望，将自由加速烟度值规定得很严，定型限值为3.5FSN，比全负荷烟度排放限值加严0.5FSN，成为世界之最。实际上，自由加速烟度排放与全负荷烟度排放之间并没有必然的内在联系，在柴油机结构一定情况下，前者与喷油泵起始段的油量大小有关，后者与正常工作段的油量大小有关。过分限制自由加速工况的油量，不但不能减少全负荷工况的烟度排放，而且会影响柴油车的起动性能；值得注意的是，自由加速工况在汽车实际行驶中并不存在，不论自由加速烟度排放如何，并不能证明柴油机实际排烟的多少；自由加速烟度试验还经常出观测值不准和重复性差的问题，若用滤纸烟度计测量，误差更大。这些新的认识说明科技在发展，人们的认识在前进。毫无疑问，新标准要完善得多。2023/3/31128发动机原理应当指出，由于自由加速可见污染物排放试验方法简便易行，不损害车辆，并能初步判断发动机技术状况是否恶化，以及废气涡轮增压器响应特性是否下降，新标准仍采用了自由加速法，但自由加速烟度不能严格地直接地用来判断柴油机烟度排放是否超标，其地位和作用是辅助性的。柴油机烟度排放受大气影响很大，如同在湖北地区，通一台柴油机冬夏之差达1FSN。1993年标准没有考虑烟度校正。在ECE成员国中，柴油车和柴油机生产厂及有关检验部门，都有完备的全天候试验条件，不需要作大气修正。但我国，绝大多数柴油车和柴油机生产厂及有关检验部门不具有全天候试验条件，而我国幅员辽阔，温度和海拔相差很大，为了科学公正地贯彻新标准，1999年标准中规定了大气校正的方法。2023/3/31129发动机原理二、我国、欧盟和美国的排放法规、标准的限值2023/3/31130发动机原理2023/3/31131发动机原理2023/3/31132发动机原理2023/3/31133发动机原理2023/3/31134发动机原理2023/3/31135发动机原理3-2自由加速试验（1）自由加速可见污染物型式认证试验：机械增压和非增压机：没有限值，记录实测值；废气涡轮增压机：全负荷最大可见污染物排放对应的名义流量所规定的限值再加0.5m-1。（2）也可以在发动机台架上进行自由加速试验，但发动机要与测功机脱开，飞轮转动惯量要与整车相当。（3）原标准规定自由加速烟度的限值严于全负荷，是基于自由加速烟度值大与全负荷烟度的认识，实际上并不一定。2023/3/31136发动机原理2023/3/31137发动机原理2023/3/31138发动机原理2023/3/31139发动机原理2023/3/31140发动机原理2023/3/31141发动机原理2023/3/31142发动机原理2023/3/31143发动机原理2023/3/31144发动机原理2023/3/31145发动机原理2023/3/31146发动机原理2023/3/31147发动机原理2023/3/31148发动机原理三、各国的试验方法目前，这些国家的法规中对排放测试的装置、分析仪器、取样方法等，大都取得了一致，所不同的是，车辆试验的规范（即行驶循环的工况曲线））不同。2023/3/31149发动机原理现以轿车及轻型车辆的排放法规为例加以说明。各国对汽车排放的测试方法都是根据相同的原理：在底盘测功机（转鼓试验台）上模拟其特定行驶循环（被认为足以代表某特定地区的行驶情况），并测定所排出有害物质的量，测功机可调节得使制动功率相当于在实际道路上遇到行驶阻力时发出的功率，而用惯性质量模拟汽车质量。2023/3/31150发动机原理在取样方法上，1987年欧洲经济委员会开始改用定容取样（CVS）法，现在美国、日本、欧洲都采用了这种统一的取样方法。所谓定容取样，是一种接近于汽车排气扩散到大气中实际状态的取样方法，又称为变稀释度取样法。它是将排气与稀释气体相混合，再以固定不变的容积流量输入分析系统，用以测定排气成分的真实浓度。该法易于进行连续测量以及对有害成分质量排放率的自动实时计算。2023/3/31151发动机原理各国采用的分析仪器大致相同。测定CO及CO2浓度的标准方法是采用不分光红外线分析仪（NDIR），测定HC含量的标准方法是氢火焰离子分析仪（FID），测定NOx的标准方法是化学发光分析仪（CLD）。2023/3/31152发动机原理

第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速为18.7km／h（不包括怠速时为27.01km／h）最高车速为50km／h，怠速时间占31％。第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程为11.007km，平均速度为32.5km／h（不包括怠速时为42.6km／h），最高车速为120k／h，怠速时间占26.2％。取样开始时刻为试验开始40s后。欧3（2000年）改为启动后即取样。

2023/3/31153发动机原理四、我国汽车的试验方法我国轻型汽车是指使用点燃式四行程发动机或压燃式发动机、最大总质量为400～3500kg、最大设计车速不小于50km／h的轿车、客车和货车。排气污染物的测试是在底盘测功机上进行的。2023/3/31154发动机原理1.试验规范参照欧洲试验规范，其中ECE15工况组成（包括怠速、换档、等速及减速等工况），每次试验重复