第三章 内燃机的排放特性.ppt

1、南昌大学机电学院,第三章 内燃机的排放特性,点燃式与压燃式内燃机排放及其耐久性的比较,点燃式内燃机的稳态和瞬态排放特性,压燃式内燃机的排放特性,南昌大学机电学院,内燃机排放特性的定义： 内燃机各种排气污染物的排放量随运转工况参数如转速n、平 均有效压力pme等的变化规律，称为内燃机的排放特性。,第三章 内燃机的排放特性,有助于按低排放要求正确使用内燃机； 找到排放最严重的工况区，为低排放改造指出方向；,掌握内燃机排放特性的意义：,掌握内燃机排放特性的手段：,排放特性的理论预测尚未成熟，主要依靠试验测定。,南昌大学机电学院,3.1点燃式内燃机的稳态和瞬态排放特性,一、稳态排放特性,2L排量4气门

2、进气道喷射汽油机稳态CO排放特性,电喷汽油机在常用的部分负荷区，为了满足三效催化转化器的要求，将a控制在1.0左右，所以CO排放较低。 在负荷很小（平均有效压力pme 0.2MPa ），为保证燃烧稳定，混合气适当加浓，导致CO排放略有上升。 在大负荷工况，为达到较高的转矩， a 1，因此CO比排放量高。,1、CO排放,南昌大学机电学院,2、HC排放,2L排量4气门进气道喷射汽油机稳态HC排放特性,不同点1：全负荷时HC排放 增加不如CO严重，此时 混合气过浓，主要生成CO 。HC排放主要来自淬熄等 多相因素，每循环绝对排 放量变化不大，所以比排 放量BSHC在负荷增大时 应下降。但是达到全负荷

3、 BSHC增大（排气中严重 缺氧，未燃HC后期氧化受 阻导致）。 不同点2：小负荷时BSHC 随负荷的减小增加得更快 （排气温度过低，得到后 期氧化的未燃HC很少）,未燃HC排放量的变化趋势与CO相同点：都是中等负荷时比排放量较小，大负荷和小负荷时相对增加。,南昌大学机电学院,3、NOx排放,2L排量4气门进气道喷射汽油机稳态NOx排放特性,当转速一定时，BSNOx随负荷增大而下降，当接近全负荷时下降更快。,实际在中等负荷，NOx绝对排放量随负荷增大而增加（燃烧温度增高）。但NOx的增加未与负荷成正比，导致比排放量BSNOx逐渐下降。接近全负荷，混合气加浓，氧不足，NOx绝对生成量下降，导致比

4、排放量更快下降。,当负荷一定时，BSNOx随转速升高而增大。可以判断，转速上升造成的燃烧温度提高，促进NOx的生成，这一影响超过了反应时间下降的影响。,南昌大学机电学院,3.1点燃式内燃机的稳态和瞬态排放特性,一、稳态排放特性,从车用汽油机CO、HC、NOx稳态排放特性得出的结论： 为使汽油机排放较少的有害污染物，应尽可能在中等负荷下运行。,南昌大学机电学院,3.1点燃式内燃机的稳态和瞬态排放特性,二、瞬态排放特性,车用汽油机在实际使用中常出现瞬态运转状态，例如起动、加速、减速等工况。其转速、负荷不断变化，零部件的温度以及工作循环参数也不断变化。所以，这时内燃机排放量与稳定工况往往有很大不同。

5、,汽油机在不同工况下排气成分的体积分数,南昌大学机电学院,3.1点燃式内燃机的稳态和瞬态排放特性,二、瞬态排放特性,1、冷起动,汽油机冷起动时，由于进气系统和气缸温度低，汽油蒸发不好，较多的汽油沉积在进气管及气缸壁上形成油膜，而较低的转速使流速低造成油气混合不好，因此需要增加供油量，以使汽油机能正常起动 汽油机冷起动时混合气的a 1。混合气中的汽油以部分蒸气状态、部分液体状态进入气缸。很浓的混合气导致较高的CO排放。 部分液态汽油在燃烧结束后从壁面蒸发，未燃烧就被排出气缸，造成HC的大量排放。 由于温度低及混合气过浓，氧不足，冷起动时的NOx排放量很低。,南昌大学机电学院,3.1点燃式内燃机的

6、稳态和瞬态排放特性,二、瞬态排放特性,2、暖机过程,汽油机起动以后，冷却系和润滑系以及主要零部件仍未达到正常的温度水平，需要一个暖机过程。 这时仍需要a 1的浓混合气，以弥补燃油在气缸壁和进气管壁上的冷凝。 暖机过程CO和HC的排放仍然很高，NOx的排放随着温度的提高逐渐增大。,南昌大学机电学院,3.1点燃式内燃机的稳态和瞬态排放特性,二、瞬态排放特性,3、加速,用化油器的汽油机这时往往供给很浓的混合气，造成较高的CO和HC排放。 汽油喷射的汽油机不产生过浓的混合气，其排放值与相应的各稳定工况点相似。,汽油机加速工况，一般指迅速开启节气门增加转矩到最大值，使转速急剧提高。,南昌大学机电学院,4

7、、减速,汽油机减速工况就是节气门迅速关闭，发动机由汽车反拖，在较高转速下空转。 化油器式发动机如果没有特殊措施，由于进气管中突然的高真空状态，使壁上的液态燃油蒸发，形成过浓混合气而造成较高的HC和CO排放。 汽油喷射式发动机在减速时不再供油，且进气管内液态油膜少，导致HC和CO排放很少。,南昌大学机电学院,3.2 压燃式内燃机的排放特性,一、稳态排放特性,1.9L排量2气门涡轮增压中冷直喷式柴油机稳态CO排放特性,图示涡轮增压直喷柴油机在整个工况范围排放CO均很少，多数工况BSCO5g/(kWh)汽油机BSCO20-100g/(kWh)两者相差1020倍。 柴油机CO排放也是在中速、中负荷工况

8、最少 转速很低时燃烧室内气流运动弱，混合气形成不均匀，生成CO较多 负荷很小时，单位功率的排放量BSCO增大。,1、CO排放,南昌大学机电学院,3.2 压燃式内燃机的排放特性,一、稳态排放特性,1.9L排量2气门涡轮增压中冷直喷式柴油机稳态HC排放特性,图示表明，车用柴油机的HC排放比汽油机低24倍。 柴油机的BSHC基本随负荷的上升而下降，而绝对排放量大致不变。 当负荷不变而转速变化时，BSHC变化不大。 柴油机的HC排放规律比CO更加复杂，其中的一方面原因是对HC测量仪器更敏感，测量可靠性较差所致。,2、HC排放,南昌大学机电学院,一、稳态排放特性,1.9L排量2气门涡轮增压中冷直喷式柴油

9、机稳态NOx排放特性,图示表明，柴油机在中等偏大负荷时，NOx排放量最大（混合气中含氧多，燃烧温度很高）若负荷继续加大，含氧相对减少，NOx排放量略有减少。 当转速提高而负荷不变时，在中等负荷区域，BSNOx不断增大，说明NOx绝对排放量增大更快；而在小负荷区域，BSNOx大致不变，而NOx绝对排放量基本与转速成正比。,3、NOx排放,南昌大学机电学院,一、稳态排放特性,1.9L排量2气门涡轮增压中冷直喷式柴油机滤纸烟度排放特性,当转速不变时，烟度SF基本随负荷加大而增大，这主要与过量空气系数的下降有关。 当负荷不变时，烟度SF在某一转速达到最小值，这时对应燃烧过程的最优化，而偏离这一转速均使

10、SF上升。 在低速大负荷工况下，由于空气相对不足，气流运动减弱，常导致SF大大上升，即柴油机冒烟严重。,4、烟度排放,南昌大学机电学院,二、瞬态排放特性,1、冷起动,3.2 压燃式内燃机的排放特性,柴油机冷起动时由于机件温度低，使缸内压缩终了温度低，喷入燃烧室内的柴油不易蒸发。 起动时转速很低使喷油压力也降低，燃油雾化质量差拖延了蒸发、混合过程；转速低使燃烧室内气流运动缓慢，大量燃油直接碰撞燃烧室壁上形成油膜,冷起动时出现的“白烟”排放的高浓度未燃HC,喷入燃油开始燃烧以后，已经分布在燃烧室壁面上的燃油油膜来不及完全燃烧，一部分蒸发后被排出，一部分构成浓混合气燃烧，生成较多的CO。,改善冷起动

11、排放：1）改善柴油机的冷起动性能； 2）起动前预热能够减轻起动“白烟”。 3）利用电控共轨喷油系统在柴油机刚被起动机拖动时不喷油，达到最高起动转速时才开始喷油。,南昌大学机电学院,二、瞬态排放特性,2、加减速等瞬态工况,3.2 压燃式内燃机的排放特性,自然吸气柴油机（非增压机）的正常加速过程几乎是各对应稳态工况点的连续（准稳态过程） 涡轮增压柴油机（增压机）突加负荷时，增压器需要一段时间，才能达到高负荷所对应的转速和增压压力。若未采取专门措施，由于短时间空气不足，增压柴油机常会急加速冒黑烟。 采用的办法：1）改善涡轮流道设计，提高工作效率； 2）使涡轮增压器与柴油机特性的匹配向低速方向倾斜；

12、3）采用电控可变喷嘴涡轮（VNT, Variable Nozzle Turbine）增压器，既改善低速性能，又不损害高速性能； 4）采用轻质耐热涡轮降低转动惯量，改善加速性。 柴油机突然减速时不喷油或喷怠速所需油量，可避免排放问题,南昌大学机电学院,一、排放特性的比较,3.3 点燃式与压燃式内燃机排放及其耐久性的比较,车用汽油机与柴油机CO排放特性的比较（12L排量4气门汽油机，21.9L排量2气门增压中冷直喷式柴油机）,如图所示，汽油机的CO比排放量远远高于柴油机，尤其在大负荷运行时，因为这时汽油机用浓混合气工作，导致CO排放量成倍增加。,1、CO排放,汽油机的CO、HC、NOx三种气体污染

13、物排放量均高于柴油机,南昌大学机电学院,一、排放特性的比较,3.3 点燃式与压燃式内燃机排放及其耐久性的比较,车用汽油机与柴油机HC排放特性的比较（12L排量4气门汽油机，21.9L排量2气门增压中冷直喷式柴油机）,如图所示，汽油机的HC比排放量明显高于柴油机，主要是汽油机的HC排放在很大程度上起源于多相因素。,2、HC排放,南昌大学机电学院,一、排放特性的比较,3.3 点燃式与压燃式内燃机排放及其耐久性的比较,车用汽油机与柴油机NOx排放特性的比较（12L排量4气门汽油机，21.9L排量2气门增压中冷直喷式柴油机）,如图所示，汽油机的NOx比排放量与柴油机大致在同一范围内。,3、NOx排放,此外在烟度和微粒排放方面，柴油机面临的问题较大，而汽油机基本上没有问题，所以无法定量比较,南昌大学机电学院,二、内燃机排放耐久性的比较,车用汽油机与柴油机排放耐久性的比较,劣化系数：表示汽车行驶8万km后的排放量对新车排放量的比值,图中所示的排放耐久性代表20世纪90年代初期的技术水平。,近年来由于汽油机本身结构和材料的改善、三效催化技术的提高、燃油品质的改进及电控系统的完善，车用汽油机的排放耐久性已有很大改善，8万