第八章-发动机排放与噪声

第八章发动机排放与噪声教师：许兆棠淮阴工学院主要内容第一节发动机有害排放物的生成及危害第二节影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制第三节影响柴油机有害排放物生成的主要因素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第一节发动机有害排放物的生成及危害一、发动机排放污染的现状：空气：恒定成分：氧气、氮气、稀有气体等可变成分：二氧化碳、水蒸气等不定部分：有害气体、尘埃等发动机废气污染是空气中不定组分的最主要的来源，已成为城市污染的首要污染源。二、发动机排放污染物的危害：1.一氧化碳CO：CO是无色无臭有窒息性的毒性气体，由于CO和血液中有输氧能力的血红素蛋白(Hb)的亲和力比氧气和Hb的亲和力约大300倍，能很快和Hb结合形成碳氧血红素蛋白(HbCO)，同时HbCO的解离速度却比氧合血红蛋白的解离慢3600倍，且HbCO的存在影响氧合血红蛋白的解离,阻碍了氧的释放,导致低氧血症,使心脏、头脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、恶心、头痛等症状，轻度中毒将使中枢神经系统受损，严重时会使心血管官能丧失，直至死亡。2.碳氢化合物HC：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、酮、酸等数百种成分。烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的环氧衍生物。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃(PAH)及其衍生物有强致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。烃类成分还是引起光化学烟雾的主要物质。3.氮氧化物NOx：氮氧化物是燃烧过程形成的多种氮氧化物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，总称为NOx。在内燃机中主要是NO，约占95％，其次为NO2，占5％。NO是无色无味气体，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，但NO易被氧化成NO2。NO2是一种红棕色有刺激性气味的有毒气体。它对人体健康的影响见表83。NO2吸人人体后，和血液中血红素蛋白(Hb)结合，使血液输氧能力下降，对心脏、肝、肾都会有影响。NO2易溶于水，被人吸入肺部后，能与肺中的水分结合成稀硝酸，引起支气管炎、肺气肿。NO2是地面附近大气中形成光化学烟雾的主要因素，也是酸雨的来源之一。4.光化学烟雾：HC和NOx在太阳紫外线作用下会生成臭氧(O3)和过氧酰基硝酸盐(PAN)，即一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，称为光化学烟雾，它是一种有强刺激性的二次污染物。臭氧对人体的危害主要表现在刺激和破坏深部呼吸道粘膜和组织，对眼睛也有刺激,5.微粒：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。三、发动机排放污染的生成机理1.一氧化碳CO的生成：①燃料不完全燃烧；②混合气不均匀；③CO2高温时裂解。2.碳氢化合物HC的生成：①冷激效应②油膜与沉积物吸附③火焰淬熄④未燃碳氢化合物的后期氧化3.氮氧化物NOx的生成温度超过2000℃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:促使生成NO的因素有三个：1.氧的浓度;2.温度;3.反应滞留时间。HNONOHONONONNOONOO22224.微粒在汽油机中，含铅汽油中的铅和汽油中硫造成的硫酸盐，是排气微粒的主要成分。如果用无铅汽油，加上汽油含硫量一般都很低，可以认为汽油机基本上不排放微粒。柴油机的微粒排放量要比汽油机大几十倍。这种微粒由在燃烧时生成的含碳粒子(碳烟)及其表面上吸附的多种有机物组成。图84燃烧系统中碳烟粒子的形成过程5.光化学烟雾产生光化学烟雾的基本条件是大气中存在一定浓度的HC和NOx(一次有害污染物)，当HC的浓度大于NOx浓度的3倍时，在强烈的阳光照射的诱发下产生O3和过氧酰基硝酸盐(PAN)组成的光化学烟雾。一般这种二次有害污染物常发生在夏秋之间，在污染物多、大气不流畅的大城市或盆地地区，而且在午后2～3点钟，光化学烟雾浓度最高。第二节影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制一、影响因素：1.混合气成分处于最佳燃烧的范围内，HC及油耗均为最低。2.点火正时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。3.负荷•怠速、小负荷：CO、HC增多；•中等负荷：CO、HC少，NOx多；•满负荷：NOx多、HC少、CO增加。4.转速NOx的生成量与混合气成分有关，当用浓混合气时，NOx生成量增加。当用稀混合气时，NOx生成量减少。提高怠速转速使混合气变稀，CO及HC的排放减少5.工况不同工况由于混合气浓度不同，有害物的排放量相差很大。在怠速工况下，HC排放浓度增加.在减速工况下，HC增加。6.废气再循环率将一部分排气回送至燃烧室，有利于抑制NOx的生成，动力性会变差。二、机内净化技术机内净化是指改善可燃混合气的品质和燃烧状况，抑制有害气体的产生，降低排气中的有害成分。1.废气再循环装置将一部分排气（5～20%）引入进气系统，和混合气一起再进入气缸燃烧。2.改进发动机设计：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。⑶燃烧系统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。应尽可能使燃烧系统紧凑。⑷进气系统：•采用每缸3、4或5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。⑸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。⑹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。3.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。4.提高燃油品质：•提高燃油辛烷值；采用代用燃料。三、机外净化技术1.曲轴箱强制通风系统PCV•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。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。2.燃油蒸发控制系统•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。•活性碳罐式油蒸气吸附装置活性炭罐式油蒸气吸附装置3.三元催化转化器TWC：•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第三节影响柴油机有害排放物生成的主要因素一、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，燃右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。1.混合气成分：二、影响因素：在接近满负荷时(较小)，CO浓度骤增。NOx生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷工况。NOx浓度随增加而减少。柴油机排气中有碳烟排出，随着混合气变浓，排烟浓度增多2.喷油时刻延迟喷油是降低Nox的主要措施之一。三、机内净化技术1.增压中冷技术•将增压后空气再进行冷却的中冷技术，使得进气温度降低，循环进气量更大。这样，增加空燃比改善了柴油机的燃烧，从而降低了微粒、NOx排放，而且功率进一步增加。•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。２.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。３.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４.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５.降低机油消耗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。６.废气再循环柴油机可以使用比汽油机大得多的废气再循环量。７.提高燃油品质提高柴油的十六烷值。四、机外净化技术１.微粒捕集器采用过滤的方法对柴油机排气中的微粒进行净化。２.氧化催化转化器３.NOx还原催化转化器４.四元催化转化器第四节发动机排放标准与测试（自学）一、评定标准：排放物体积分数﹙％和﹚和质量浓度质量排放量（g/h、g/N或g/㎏）比排放量（）6103/mmg)/(hkWg二、排放标准：三、排放物测定：１.试验规范底盘测功机2.排气取样系统3.测试仪器：不分光红外线吸收型（NDIR）分析仪：——CO，CO2氢火焰离子型分析仪（FID）：-HC化学发光法型分析仪（CLD）：-NOx第五节发动机噪声来源与控制了解一、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。在功率相同的条件下，柴油机比汽油机燃烧噪声大得多。汽油机的爆燃、燃烧室积碳会使燃烧噪声增而加。柴油机在转速升高，喷油推迟，负荷增大时还会引起工作粗暴产生噪声。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。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；