第10章-发动机排放与噪声(2003版)

第三篇燃烧与排放教学提示：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。第10章发动机排放与噪声控制10.2影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制10.1发动机有害排放物的种类与危害10.3影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制措施10.5发动机噪声来源与控制10.1发动机排放物的种类与危害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。2、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。2、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。3、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。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。4.二氧化硫5、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。5、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。6.臭味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.光化学烟雾•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）.8.温室效应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。10.1.3发动机排放污染物的生成机理•发动机排放主要和混合气形成、燃烧过程及燃烧结束后的排气过程中的化学反应有关•与燃油的蒸发有关汽油：易挥发、化学稳定性好、着火温度高、靠点燃形成火焰核心传播火焰柴油：不易挥发、着火温度低、化学稳定性差、易自燃•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、CO的生成：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、氮氧化物的生成生成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。3、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4、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。5、光化学烟雾产生光化学烟雾：大气中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和过氧化酰基硝酸盐（PAN)组成的光化学烟雾[二次有害污染物]10.2影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制措施10.2.1影响因素10.2.2机内净化技术10.2.3机外净化技术10.2.1影响因素1、混合气成分2、点火正时3、负荷4、转速5、过渡工况6、废气再循环率•1、混合气成分混合比和各有害气体排放量的关系图10-8•1、混合气成分•由上图可知，随着空燃比下降混合气变浓，燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧生成物增加，使CO、HC迅速增加。•在空燃比大于14.7以后,CO浓度已经很低了，但是随着空燃比的增加，因混合气不均匀造成局部缺氧仍有少量CO生成。1、混合气成分•在空燃比大于14.7以后，随着空燃比的增加，因CO氧化反应速度慢，燃烧温度下降，使HC排放量也增加。HC的走向是两头高，中间低。•NOx浓度峰值靠理论空燃比稀的一侧，高的NO生存率必须高温、富氧两个条件。•HC是两头高中间低浓混合气变稀HC量减少，最佳空燃比范围内HC、油耗最低；混合气过稀，火焰可能熄灭，HC生存量上升。2、点火正时图10.9点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响•点火提前角减小时，后燃增加，膨胀时的温度升高，促进了未燃烧成分的氧化，对降低HC和NOx有利。•减小点火提前角对降低HC和NOx有利，但以牺牲动力性为代价。2、点火正时图10.10气缸内燃烧压力与点火时刻的关系•减小点火提前角降低燃烧最高温度、减少燃烧反应滞留时间，降低NOx.。以牺牲动力性能为代价。3、负荷•在怠速和小负荷时，新鲜空气进入少，废气相对较多，供给的混合气偏浓，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧。使CO和HC排放量多。•在中等负荷时，容易完全燃烧，废气中CO含量最少，HC含量也较低。•在满负荷时，供给浓混合气，使NO生成量增多；同时HC排放量减少，但因混合气过浓，使CO排放量增多。4、转速•随着转速的升高，缸内的紊流增强，促进混合，改善了缸内的燃烧，使CO、HC排放减少。•NOx的生成量与混合气成分有关。当混合气浓时，NOx生成量增多；当混合气稀时，NOx生成量减少。5、过渡工况•发动机主要在不稳定的工况下工作，包括怠速、加速、定速、减速等。不同的工况由于混合气的浓度不同，有害物的排放量相差较大。（P251:表10-2不同工况下各种排放的浓度）•怠速与减速是生成HC的主要工况废气混入的多少用EGR率表示，废气再循环率（EGR率）定义如下：100%EGR返回废气量率=进气量+返回废气量6、废气再循环率6、废气再循环率•将一部分排气回送至燃烧室，利用排气中的气体比热大的特点，可以抑制燃烧的最高温度，将有利于抑制NOx的生成。•在中高速工况下选择恰当的废气再循环率能有效抑制NOx的排放量。10.2.2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，抑制有害气体的生成。•机内净化被公认为是治理车用汽油机排气污染的治本措施。10.2.2机内净化技术•废气再循环•改进发动机设计•电子控制燃油喷射系统•提高燃油的品质废气再循环•废气再循环（EGR）技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧。•仅对降低NOx有效•汽油机大负荷、启动、暖机、怠速、小负荷不使用•废气再循环图10-11•废气再循环图10-12改进发动机设计•冷启动、暖机和怠速•压缩比•燃烧系统•进气系统•活塞组设计•分层稀薄燃烧1)冷启动、暖机和怠速：冷启动时温度低，空燃比小，CO和HC排放高，应缩短启动时间；暖机要尽快使混合气、机油、冷却水热起来；怠速残余废气量大，混合气加浓，CO和HC排放高，为降低怠速排放提高怠速转速至800-1000rpm2)压缩比：提高压缩比以提高热效率，汽油机根据最易发生爆燃的工况选择压缩比3）燃烧系统：燃烧室形状影响未燃HC排放物浓度；燃烧室内火花塞位置是影响排放物生成和油耗的另一重要因素；汽油机燃烧室形状紧凑燃烧过程快，CO和HC排放量下降；燃烧快导致温度增高NOx增大4）进气系统：用三、四或五气门，涡轮增压代替自燃吸气，降低CO2、HC排放凸轮形状决定开启关闭时刻及升程曲线，影响充气过程。5）活塞组设计：活塞、活塞环与汽缸壁间的间隙，对汽油的HC排放影响很大。缩小活塞头部与汽缸的间隙，缩小顶环到活塞顶的距离。6）分层稀薄燃烧：在火花塞附近浓混合气，为可靠点火；其它区域供给稀薄混合气，实现分层稀薄燃烧。为此采用分隔燃烧室过量空气系数фα：浓混合气фα为0.85~0.95；稀混合气фα为1.55~1.62电子控制燃油喷射系统•混合气形成的空燃比特性是决定点燃式汽油机性能和排放的关键因素。•小负荷时，根据燃烧稳定性要求提供浓混合气。•中等负荷时，根据燃烧经济性要求提供略稀混合气。•大负荷时，根据燃烧动力性要求提供浓混合气。提高燃油品质•为了限制汽油中铅、硫、磷等各种有害物的含量，提高燃油辛烷值增加抗爆能力等方法外，采用醇类或烃类等代用燃料也可改善发动机的排放性能。10.2.3机外净化技术•机外净化是指用设置在发动机外部的附加装置使排出的废气净化后再排入大气。•三效催化转化器•曲轴箱强制通风系统•燃油蒸发控制系统10.3影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制措施10.3.1柴油机有害排放物生成特点10.3.2影响因素10.3.3机内净化技术10.3.4机外净化技术10.3.1柴油机有害排放物生成的特点•柴油机燃烧是非均匀混合物的不稳定燃烧过程，从喷雾过程、油束形成等等，对排放物生成都有复杂的影响。•由于油束在燃烧室空间的浓度分布、着火部位及局部温度各处都不一样，对油束人为地分区如下：•1—稀燃火焰熄灭区•2—稀燃火焰区•3—油束心部•4—油束尾部和后喷部图10-21各排放物生成的性质如下:(1)未燃HC在低负荷时，由于喷油量少，混合气稀，缸内温度低，HC主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部等处。(2)CO在低负荷时，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生成CO;在高负荷时，在油束心部、尾部及后喷处，因局部缺氧而产生CO.(3)NOx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。(4)炭烟高负荷时，在油束中心、尾部的氧浓度低，气温高，燃油分子容易发生高温裂解而形成炭烟。(5)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。10.3.2影响因素1、混