第七章发动机排放与汽车噪声

第7章发动机的排放与汽车噪声教学提示：介绍有害排放物的危害及生成、影响排放物生成的主要因素与常用的有害排放物控制技术、排放标准与测试技术及发动机噪音来源与控制方法。要求：掌握有害排放物的生成机理，影响因素与控制技术；了解排放标准与测试技术以及发动机噪声来源与控制方法。7.1发动机有害排放物的生成与危害1、发动机排放物的组成一氧化碳氮氧化物碳氢化合物光化学烟雾微粒•汽油机和柴油机的燃烧特点不同，污染物生成机理不同汽油机污染物：CO、HC、Nox柴油机污染物：Nox、微粒1、一氧化碳•一氧化碳是燃料在空气不足的情况下的燃烧产物，是发动机排放中有害浓度最大的成分。•CO是无色无臭有窒息性的毒性气体。•空燃比是影响CO含量的主要因素。汽油机：过量空气系数фα=1（空燃比α=14.7），燃料完全燃烧，生成CO2、H2O过量空气系数фα＜1（空燃比α＜14.7），燃料不完全燃烧，生成CO过量空气系数фα＞1（空燃比α＞14.7），CO不存在。由于混合不均、燃烧后高温，排气中有少量CO存在2、碳氢化合物•碳氢化合物（HC）包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛等。•醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。碳氢化合物的生成汽油机未燃HC的生成：1）燃烧生成随排气排出2）曲轴箱排放物燃烧室通过活塞与汽缸间间隙漏入曲轴箱的窜气，含大量HC3）汽油箱、燃油供给系统等处蒸发的汽油蒸汽均匀混合气生成未燃HC机理（1）冷激效应燃烧室壁面对火焰的迅速冷却（称为冷激、淬冷）使火焰不能传播的缸壁表面，在表面上留下薄层未燃烧或不完全燃烧的混合气。缝隙效应是冷激效应的主要表现。（2）油膜和沉积物吸附缸套壁面和活塞顶面上的润滑油膜吸附未燃混合气的燃油蒸汽，当混合气燃油浓度因燃烧降到零时，油膜释放油气少部分被氧化造成HC排放(3)火焰淬熄冷启动和暖机温度较低燃油雾化、蒸发和混合气形成变差，燃烧变慢、不稳定，火焰因膨胀缸内温度压力下降造成可燃混合气大容积淬熄，HC排放激增混合气过稀过浓，排放再循环率大，怠速、小负荷下发生。(4)未燃碳氢化合物的氧化未燃碳氢化合物扩散到高温已燃气体中部分被氧化，HC是未燃的燃油及其部分氧化产物的混合物。在排气管路中氧化。最高排气温度和最长停留时间使HC降低最多推迟点火以提高排气温度有利于HC后期氧化降低排气歧管热损失增大横断面积，壁面进行绝热柴油机喷油初期滞燃期内混合气过稀造成未燃HC喷油后期高温燃气中混合气过浓或燃烧淬熄随排气排出，HC多被碳烟微粒吸附。柴油机未燃HC排放主要来自柴油喷注外缘过稀混合气地区，怠速或小负荷时的HC排放高喷油器残油容积对HC排放有影响3、氮氧化物•氮氧化物中最重要的是NO和NO2.•发动机排放中的氮氧化物是由于燃烧室内高温燃烧而产生的，空气的氮经过氧化首先生成NO，然后与大气中的氧相遇又成为NO2。•NO是无色无味的气体，只有轻度刺激性，毒性不大，高浓度时会造成中枢神经有轻度障碍。3、氮氧化物•NO2是一种褐色气体，有特殊刺激性臭味，是发动机排放中恶臭物质之一。它使人中毒的症状是在发生肺水肿的同时，引起支气管炎等。生成NO的因素：1）氧的浓度高温条件下，氧的浓度是生成NO的重要因素2）温度燃烧放热集中在上止点附近，燃烧温度很高，NO生成量愈多。3）反应滞留时间燃气在高温富氧条件下滞留时间长，NO生存量增加。•发动机排放中，氮氧化合物和HC在太阳能的作用下进行光化学反应生成的光化学过氧化物而形成的烟雾称为光化学烟雾。•光化学过氧化物的主要物质是臭氧（O3）.4、微粒•微粒是指存在于大气中的，除掉未化合的水以外的任何分散物质。这种分散物质可能是固态的，也可能是液态的。•微粒包括原始颗粒和二次颗粒。原始颗粒是指直接来自发动机燃烧产物的颗粒。二次颗粒是指在大气条件下，因气态、液态和固态的各化学反应之间发生化学和物理变化所产生的颗粒。4、微粒•汽油机和柴油机所排放的颗粒是不同的。•汽油机主要是铅化物、硫酸、硫酸盐和低分子物质。•柴油机的颗粒在数量上要比汽油机多。成分也复杂。主要有含碳物质（炭烟）和一些有机物。微粒的形成汽油机中汽油中的铅、硫造成的硫酸盐是排气微粒的主要成分。柴油机微粒排放量大于汽油机几十倍，燃烧生成的含碳粒子及其表面吸附有机物组成。局部缺氧导致碳烟生成，尾气中碳烟的浓度是碳烟生成速率与碳烟氧化速率之差。排气中二氧化硫（SO2）的含量与燃料中的含硫量有关。SO2对发动机在使用催化净化装置有破坏作用，降低催化剂的使用寿命。是生成柴油机排气微粒的原因之一。SO2也是造成酸雨的主要物质。5.二氧化硫6.二氧化碳CO2作为温室气体使地球表面温度升高，即所谓的温室效应。大气层中CO2层加厚，太阳光照射在地球表面的能量受到CO2层的阻隔难以逸出，热量经多年累积使全球气候变暖，造成全球气候变化反常。7.臭气臭味是由多种成分引起的，除O3和NO2外，燃料的不完全燃烧产物甲醛、丙烯醛等是有臭味。臭味使人感觉难受，刺激人的眼睛和黏膜。7.2发动机的排放标准及检测目前，几乎所有国家对汽车排放均作出了严格的规定，这种规定以汽车排放标准或法规的形式颁布并执行。从某种意义上讲，汽车排放控制技术产生和应用的动力就在于这些具有法律效应的汽车排放法规。由于世界各国的政治、经济及技术水平等诸多因素都不一样，所以制定的汽车排放标准也有所不同。从现在世界汽车工业发展情况来看，汽车排放标准已经形成三大体系。汽车排放实验则是围绕着汽车排放标准进行，它包括研究和评价两个方面。7.2.1汽车排放标准GB3847—2005车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法GB18285-2005点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）GB18352.3—2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）GB17691－2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）GB11340—2005装用点燃式发动机重型汽车曲轴箱污染物排放限制及测量方法GB14763—2005装用点燃式发动机重型汽车燃油蒸发污染物排放限制及测量方法车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法一、组成部分压燃式发动机排气烟度排放控制要求型式核准已批准的压燃式发动机排气烟度排放控制要求为单独进行发动机型式核准的压燃式发动机排气烟度排放控制要求在用汽车的排气烟度排放控制要求二、测试内容与方法全负荷稳定转速试验的不透光烟度自由加速试验的不透光烟度（新车、在用车）在用车加载减速试验的不透光烟度点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）一、怠速与高怠速工况怠速工况：发动机无负载运转状态。即离合器处于接合位置、变速器处于空档位置（对于自动变速箱的车应处于“停车”或“P”档位）；采用化油器供油系统的车，阻风门应处于全开位置；油门踏板处于完全松开位置。高怠速工况：利用油门踏板将发动机转速稳定控制在50%额定转速或制造厂技术文件中规定的高怠速转速时的工况。本标准中将轻型汽车的高怠速转速规定为2500±100r/min，重型车的高怠速转速规定为1800±100r/min；如有特殊规定的，按照制造厂技术文件中规定的高怠速转速。点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）二、汽车排气污染物排放限值点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）三、过量空气系数（λ）的要求对于使用闭环控制电子燃油喷射系统和三元催化转化器技术的汽车进行过量空气系数（λ）的测定。发动机转速为高怠速转速时，λ应在1.00±0.03或制造厂规定的范围内。进行λ测试前，应按照制造厂使用说明书的规定预热发动机。点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）四、测试内容与测试方法双怠速法稳定工况法瞬态工况法轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）一、测试内容与方法Ⅰ型试验：常温下冷起动后排气污染物排放试验双怠速试验：测定双怠速的CO、HC和高怠速的λ值Ⅲ型试验：曲轴箱污染物排放试验Ⅳ型试验：蒸发污染物排放试验Ⅴ型试验：污染控制装置耐久性试验Ⅵ型试验：低温下冷起动后排气中CO和HC排放试验车载诊断（OBD）系统试验Ⅰ型试验Ⅰ型试验由两部分（1部和2部）组成。试验1部包括4个城区循环，每个城区循环包含15个工况；试验2部由1个城郊循环组成，该城郊循环包含13个工况。经制造厂同意，可以在1部结束和2部开始之间加入不超过20秒的不取样时段，以便调整试验设备。双怠速试验试验在Ⅰ型试验结束后立即进行双怠速试验，制造厂在型式核准时，应提交双怠速的CO、HC污染物排放值和高怠速的λ值的控制范围。并保证在出厂后24个月内车辆的高怠速λ值在控制范围内。制造厂应对生产下线的汽车进行双怠速试验。汽车的双怠速CO、HC排放值和高怠速λ值都应在制造厂型式核准时申报的控制范围内。Ⅲ型试验（曲轴箱污染物排放试验）除装压燃式发动机的汽车外，所有汽车都必须进行此项试验。对于两用燃料车，仅对燃用汽油进行此项试验。对于单一气体燃料车，仅对燃用气体燃料进行此项试验。进行Ⅲ型试验时，发动机曲轴箱通风系统不允许有任何曲轴箱污染物排入大气。Ⅳ型试验（蒸发污染物排放试验）所有汽油车都必须进行此项试验。两用燃料车仅对燃用汽油进行此项试验。进行Ⅳ型试验时，蒸发污染物排放量应小于2g/试验。Ⅴ型试验（污染控制装置耐久性试验）试验在跑道上、或道路上、或底盘测功机上进行80000km耐久性试验，确定实测劣化系数，劣化系数应不大于表3中的数值。表3劣化系数表从试验开始（0km），每隔10000km(±400km)或更短的行驶里程进行一次Ⅰ型试验，测量排气污染物。的排放量的排放量劣化系数kmkm640080000Ⅵ型试验低温下冷起动后排气中CO和HC排放试验试验应在环境温度266K(-7℃)下进行。试验由Ⅰ型试验1部的四个城区循环组成，共持续780秒，试验期间不得中止，并在发动机起动时开始取样。试验应进行三次。CO和HC测得的排放量必须小于表4所示限值。对于每种污染物而言，只要这三次测量结果的算术平均值小于规定的限值，三次测量结果中允许有一次的值超过限值，但不得超过该限值的1.1倍。车载诊断（OBD）系统试验车载诊断（OBD）系统应满足下表的要求。试验在Ⅴ型耐久性试验用汽车上、Ⅴ型耐久性试验结束时进行。如果没有进行Ⅴ型耐久性试验，可使用经适当老化（经检测机构确认相当于行驶了80000km）并具有代表性的汽车进行车载诊断（OBD）系统验证试验。当失效导致排放超过下表规定的极限值时，车载诊断（OBD）系统必须指示出与排放相关的失效部件或系统。试验装置测量轻型汽车排气污染物采用的试验装置主要有：底盘测功机定容取样器分析设备控制系统7.2.2汽油机排放污染物的检测一氧化碳（CO）：采用不分光红外线吸收型分折仪（NDIR）碳氢化合物(HC)：采用氢火焰离子型分析仪（FID），其原理是利用某些气体在高温火焰中的电离现象，通过检测电极间的离子电流来测定气体浓度。氮氧化物（Nox）：采用化学发光型分析仪（CLD），其原理是：被测气体中的NO与O3反应产生化学发光现象，这种化学发光的强度与NO浓度成正比。NO2转换为NO后（转化器），再进入化学发光室，转化效率应大于90%。汽车排气中的CO和CO2用不分光红外线气体分析仪测量NOX用化学发光分析仪测量HC用氢火焰离子型分析仪测量当需要从总碳氢化合物中分离出非甲烷碳氢化合物时，发动机排气中的氧多用顺磁分析仪测量气相色谱仪测量甲烷。排气成分分析仪概述排气成分分析仪外形图不分光红外线气体分析仪NDIR（Non-DispersiveInfra-RedAnalyzer）是根据不同气体对红外线的选择性吸收原理提出的。红外线是波长为0.8～600μm的电磁波，多数气体具有吸收特定波长的红外线的能力。如CO能吸收