第八章发动机排放与控制

第八章发动机排放与控制第1页，共26页，2023年，2月20日，星期三第1节发动机有害排放物的生成及危害发动机主要有害排放物：CO、HC、NOx和微粒（碳烟）。一、发动机有害排放物及其危害1、一氧化碳（CO）特点：无色、无味、有毒（引起窒息）。CO与血红蛋白的亲合力是氧的300倍，而分离速度却是氧的1/3600，并会阻碍氧的释放。2、碳氢化合物（HC）成分：未燃、不完全燃烧的烃类及其部分氧化物组成，如烷烃、稀烃、芳香烃、醛、酮等。无害有害第2页，共26页，2023年，2月20日，星期三3、氮氧化合物（NOx，如）NO、NO2、N2O3、N205等。危害：1、直接引起人类中毒；2、形成酸雨，破坏生态；3、在紫外线作用下，与HC反应形成光化学烟雾。浅蓝色烟雾（O3和PAN），易在中午日照最强时产生，其毒性较NOx更强。4、微粒（碳烟）危害：1、微粒（<0.1μm)破坏呼吸和血液循环系统；2、微粒上的附着物（SO2、NOx、HC等）引起中毒、至癌等。通常，柴油机的碳烟排放量约为汽油机的30倍以上。第3页，共26页，2023年，2月20日，星期三二、排放标准法规生效日期汽油机柴油机COHCNOxCOHCNOx微粒欧119922.270.970.972.720.970.970.14欧219952.20.50.5非直喷1.00.700.700.08直喷1.00.900.900.10欧320002.30.20.150.640.560.500.05欧420051.00.10.080.500.300.250.025单位（g/km)我国制定的国3标准在数值上与欧3标准基本一致，但增加了强制安装OBD诊断接口的要求（诊断排放自诊断）。第4页，共26页，2023年，2月20日，星期三三、有害排放物的生成机理1、CO的生成来源：1、不完全燃烧（包括局部缺氧燃烧）；2、高温CO2与H2O的裂解反应（2000℃以上）。对于柴油机，过量空气系数大（富氧），且燃烧温度也较低，故其CO排放低；CO（%,体积分数）：汽油机0.1～6；柴油机0.05～0.5。柴油机与汽油机比较：而汽油机，过量空气系数偏小（氧少），且燃烧温度高，CO排放较大。第5页，共26页，2023年，2月20日，星期三2、HC的生成1、未燃和不完全燃烧；冷激与缝隙效应（50%～70%)润滑油膜和沉积物的吸附（30～40%)过浓或过稀造成的火焰淬熄2、曲轴箱的窜气及燃油系统的蒸发泄露。第6页，共26页，2023年，2月20日，星期三柴油机与汽油机的比较：1、柴油机燃油是在压缩接近终了时才喷射，因而冷激、缝隙与吸附效应的影响小，故HC排放较汽油机低；2、柴油机HC主要来源于混合不均匀造成的过浓或过稀及喷油器压力室容积内的残留燃油。HC（%）：汽油机0.2；柴油机0.02～0.1。第7页，共26页，2023年，2月20日，星期三由于部分HC在排气过程中会被氧化，因此，提高排气温度（如推迟点火/喷油、排气绝热等）有助于降低HC的排放。3、NOx的生成来源：高温、富氧燃烧。抑制NOx的生成必然与燃油经济性相矛盾。柴油机与汽油机的比较：由于柴油机的最高燃烧温度较汽油机低，故NOx的排放量较汽油机少。NOx的生成与温度的关系NOx（%）：汽油机0.2-0.4；柴油机0.07～0.2。第8页，共26页，2023年，2月20日，星期三4、微粒（碳烟）的生成来源：高温、缺氧燃烧。由于大部分碳烟在燃烧后期及排气过程中会被氧化，因此，提高排气温度有助于降低碳烟的排放。对于汽油机，采用无铅汽油时基本不排放碳烟；

柴油机与汽油机比较：

而柴油机，由于采用缸内喷射、边喷边烧的工作模式，较容易产生局部高温缺氧燃烧，故碳烟生成量较汽油机大得多（30倍以上）。微粒（g/m3）：汽油机0.005；柴油机0.15～0.3。第9页，共26页，2023年，2月20日，星期三第2节影响汽油机排放的主要因素及控制一、影响因素1、混合气成分（主要影响因素）空燃比对排放的影响

混合气浓（<14.9）时：

理论空燃比附近（≈14.9）时：

混合气稀（空燃比>14.9）时：缺氧燃烧，CO和HC排放大,NOx排放小；燃烧迅速、充分，CO和HC排放低，但NOx排放高；燃烧速度慢、温度低，CO和NOx排放低，但淬熄现象增加使HC排放高。第10页，共26页，2023年，2月20日，星期三2、点火提前角点火提前角对排放的影响点火推迟(减小提前角）:后燃严重，最高燃烧温度低，NOx排放少；同时，由于排温高，有助于HC的氧化，但动力性与经济性差。点火提前(增大提前角）:放热集中，燃烧温度高，而排温低，对NOx和HC排放均不利。第11页，共26页，2023年，2月20日，星期三3、负荷怠速、小负荷(节气门开度小）:混合气偏浓而废气多，燃烧变差，温度低，HC、CO排放高而NOx排放低。中等负荷(节气门开度25%-80%）:供给经济混合气且残余废气少，燃烧迅速、充分，HC、CO排放低；但燃烧温度高，NOx排放高。大负荷(节气门开度>80%）:供给浓混合气，燃烧温度和排温高，故NOx排放高而HC排放低；但由于氧不足，CO排放高。第12页，共26页，2023年，2月20日，星期三4、转速对于CO、HC:转速高，气流运动强，可以改善燃烧（减少冷激效应），故HC和CO排放低。对于NOx:燃烧速度快，转速越高，散热损失越少，燃烧温度高，故NOx排放高；燃烧速度慢，转速越高，燃烧对应曲轴转角越大，结果燃烧温度降低，故NOx排放低。（1）浓混合气时：（2）稀混合气时：第13页，共26页，2023年，2月20日，星期三5、工况工况（km/h）排放量怠速0定速40加速0→40减速40→0CO(%)4.0-10.00.5-1.00.7-5.01.5-4.5HC(10-6)300-2000200-400300-6001000-3000NOx(10-6)50-1001000-30001000-40005-50第14页，共26页，2023年，2月20日，星期三6、废气再循环（EGR率）EGR率与排放的关系

EGR率高，对降低NOx有利，但过高会影响燃烧，使HC排放和油耗增大。第15页，共26页，2023年，2月20日，星期三二、降低排放的措施1、废气再循环EGR目的：引入部分废气，降低燃烧温度（废气比热容大）和氧的浓度，抑制NOx的生成。需要注意事项：EGR率过大，影响燃烧，使油耗和HC排放增大；EGR率过小，NOx抑制效果差，且易引发爆燃等不正常现象。目的：降低CO、HC的排放。2、改善冷起动、暖机和怠速提高点火能量、增大起动机功率、采用进气加热、提高怠速转速等。措施：第16页，共26页，2023年，2月20日，星期三3、合理选择压缩比目的：提高压缩终了温度，降低冷激效应，改善经济性和HC、CO的排放。需要注意事项：压缩大，燃烧温度高，NOx排放高的同时易引发爆燃，故需与EGR、点火提前角控制相结合。措施：采用紧凑燃烧室，减少缝隙容积和燃烧室表面积，合理选择火花塞位置，并适当组织进气运动，加速燃烧，降低HC和CO的排放。4、改善燃烧系统需要注意事项：加速燃烧会使燃烧温度升高，对抑制NOx不利，必须与其它控制措施结合。第17页，共26页，2023年，2月20日，星期三5、改善换气过程采用多气门结构、进气增压和合理的气门相位（如可变气门升程和正时），改善燃烧，减少油耗和HC排放。降低油耗和NOx的排放。7、采用稀薄燃烧技术6、采用电控燃油技术8、提高燃油品质9、采用曲轴强制通风实现空燃比的闭环控制。第18页，共26页，2023年，2月20日，星期三10、采用燃油蒸发控制系统（活性碳罐）第19页，共26页，2023年，2月20日，星期三11、安装三元催化器（TWC）全面降低HC、CO和NOx的排放。为了取得好的转化效果，需要与氧传感器配合（理论空燃比），并防止三元催化中毒（铅、硫）。目的：需要注意事项：第20页，共26页，2023年，2月20日，星期三第3节影响柴油机排放的主要因素及控制一、影响因素1、混合气成分过量空气系数对柴油机排放的影响过量空气系数大，HC、CO和R（碳烟）的排放低。喷油时间长，后燃严重，使CO、HC和R（碳烟）排放增多；同时由于燃烧温度高，NOx排放也高。（1）中、小负荷（2）满负荷第21页，共26页，2023年，2月20日，星期三2、喷油提前角喷油提前角对排放的影响

延迟喷油（减小喷油提前角）时，可以降低最高燃烧温度，抑制NOx生成；但会使后燃严重，不仅提高油耗，还会使碳烟（R）排放增加。1、废气涡轮增压与中冷目的：提高进气量，使燃烧充分，降低CO、HC和碳烟。需要注意事项：二、降低排放的措施增压会使燃烧温度提高，增加NOx的排放，故需与中冷技术配合使用，全面降低碳烟和NOx。第22页，共26页，2023年，2月20日，星期三2、改进进气系统措施：

降低进气阻力，增加进气充量，并组织适当涡流，改善混合和燃烧，降低CO、HC和碳烟的排放。需要注意事项：过强的气流运动会降低进气充量，使碳烟增加，并影响动力性与经济性。3、改进喷油系统通过减少喷油器压力室容积，提高喷射压力，减少喷孔直径，增加喷孔数量，采用高压共轨喷射等措施来改善喷射和雾化，降低HC、碳烟和油耗。需要注意事项：燃烧加速会使燃烧温度增大，NOx排放增加。措施：第23页，共26页，2023年，2月20日，星期三4、改进燃烧系统采用大的燃烧室容积比、大的S/D、大的燃烧室口径比（dk/D）和缩口型燃烧室，提高空气利用率，降低碳烟和油耗。5、提高压缩比提高压缩，不仅可以提高动力性、经济性，降低CO、HC和碳烟的排放；但会因燃烧温度的提高使NOx排放增加。6、废气再循环采用EGR，抑制NOx的生成。但需要根据不同工况对EGR率进行控制（一般来说，柴油机的EGR率可较汽油机大）。第24页，共26页，2023年，2月20日，星期三7、减少气缸机