第10章发动机的排放与噪声控制

第10章发动机的排放与噪声控制10.1.1发动机排放污染的现状(世界问题）10.1.2发动机排放污染物的危害1.一氧化碳-中毒、死亡2.氮氧化物–危害植物3.碳氢化合物——形成光化学烟雾4.光化学烟雾5.微粒——铅化物(Pb)、炭烟10.1发动机有害排放物的生成及危害10.1.3发动机排放污染物的生成机理1.一氧化碳的生成图10.1不同空然比下废气中的各成分变化图10.2混合气浓度对有害气体排放量影响2.氮氧化物的生成生成NO的影响因素：1)氧的浓度2)温度3)反应滞留时间3.碳氢化合物的生成1)冷激效应（缝隙）2)油膜和沉积物吸附3)火焰淬熄4)未燃碳氢化合物的氧化生成HC的渠道：1.在燃烧室中产生2.由曲轴箱窜出3.燃油箱系统蒸发出图10.3燃烧室内缝隙的组成图10.4活塞顶环岸缝隙中烃的排出过程图10.5压力室结构对HC排放的影响4.微粒的生成图10.6燃烧系统中炭烟粒子的形成过程燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以炭为主的直径2nm左右的炭烟核心5.光化学烟雾HC与NOx一次污染物的存在，在强烈阳光照射下，生成O3和PAN光化学烟雾，对人体的呼吸有伤害。10.2影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制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10.2.1影响因素1.混合气成分图10.8有害排放物浓度与的关系图10.9点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响图10.10气缸内燃烧压力与点火时刻的关系2.点火正时3.负荷低负荷或怠速：供浓混合气，CO,HC含量高；中等负荷：经济混合气，CO,HC含量低，但NOx含量高；大负荷与满负荷：较浓混合气，燃烧压力与温度很高，NOx量增多；使CO量增加；4.转速转速增加，促进混合，CO,HC含量降低；浓混合气时，转速增加，散热时间减少，温度较高，NOx含量增加。稀混合气时，转速增加，NOx含量减少。5.过渡工况怠速与减速，是HC生成的主要工况；怠速：燃烧温度比较低，缸内残余废气比较多，混合器比较浓，导致燃烧恶化，HC量较多。减速，进气歧管真空度较大，使得进气管内沉积的燃料油膜大量蒸发，混合气较浓。其他过渡工况见表10.76.废气再循环EGR将一部分废气回送燃烧室，利用排气中的气体比热容大的特点，可以抑制燃烧的最高温度，将有利于抑制NOx产生。但EGR率过大，NOx产生下降，但过量空气系数减少，使得动力性差。10.2.2机内净化技术1．废气再循环（降低NOx）图10.11废气再循环系统工作原理原理和作用：一部分排气经EGR阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制NOx的生成。图10.12EGR降低NOx的效果图10.13EGR于与其他措施合用的效果A—仅采用EGRB—EGR+增强进气涡流C—EGR+增强进气涡流+双火花塞点火EGR与其他措施合用的效果2.改进发动机设计1)冷起动、暖机和怠速2)压缩比3)燃烧系统4)进气系统5)活塞组设计6)分层稀薄燃烧图10.14火花塞位置对油耗和HC排放物的影响1—火花塞在燃烧室侧面2—火花塞在燃烧室中心图10.15四气门和二气门发动机对油耗和HC排放物的影响1—二气门发动机2—四气门发动机图10.16稀燃发动机混合气浓度工作极限1—采用三效催化转化器=14.7时发动机控制2—用稀燃传感器控制发动机3—用燃烧压力传感器控制发动机4—发动机处于工作极限下运行5—工作极限6—燃油消耗7—发动机运行不稳定3.电子控制燃油喷射系统(EFI)混合气形成的空燃比特性是决定点燃式内燃机性能和排放的关键因素。采用氧传感器闭环控制的EFI模式。4.提高燃油品质采用辛烷值高的燃油。10.2.3机外净化技术1.三效催化转化器（TWC）图10.17催化转化器结构随汽油机电子控制燃油喷射系统的不断完善和无铅化低硫汽油的燃用，TWC是控制汽车排放最理想和最重要的措施。1—外壳2—载体与催化剂3—减振密封衬垫图10.18过量空气系数对TWC转化效率的影响在过量空气系数=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a2.曲轴箱强制通风系统曲轴箱强制通风系统(PCV）3.燃油蒸发控制系统图10.20燃油蒸发控制系统1—空气滤清器2—控制器3—储气罐4—油箱5—炭罐6—进气管10.3影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制10.3.1柴油机有害排放物生成特点(1)未燃HC(2)CO(3)NOx(4)炭烟(5)醛类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10.3.2影响因素1.混合气成分图10.22混合气成分与柴油机排放的关系2.喷油时刻图10.23喷油定时对排放的影响分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和炭烟的排放浓度均低于直喷式，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50％左右。原因是，这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。在喷油开始和燃烧初期，副燃烧室的空燃比较小，氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的CO及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成NOx仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的CO及HC进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，温度有所下降，抑制了NOx的生成3.燃烧室排放比较10.3.3机内净化技术1.增压中冷技术——最现实的办法是增加空气量2.改进进气系统1)进气组织2)多气门图10.24缸内的各种有组织气流(a)切向进气道及其产生的旋流(b)螺旋进气道及其产生的旋流(c)纵向滚流(d)压缩时的挤流(e)膨胀时的逆流图10.25两气门及四气门柴油机性能指标比较图3.改进喷油系统1)高压喷射2)推迟喷油提前角3)减小喷孔直径，增加喷孔数目4)减小喷嘴压力室容积5)高压共轨电控燃油喷射三种燃油系统的喷油压力对烟度及性能的影响试验条件：转速1000r/min，＝17，NOx1200×10－64.改进燃烧系统1)燃烧室容积比—燃烧室容积对气缸余隙容积之比2)燃烧室口径比—口径比dk/D小的深燃烧室可在室中产生较强的涡流3)燃烧室形状—缩口燃烧室已经取代应用最广直边不缩口的ω形燃烧室4)适当提高压缩比图10.27挤流口型与标准型燃烧室的排放特性┄┄不缩口ω型──缩口ω型图10.28三种燃烧室的烟度及燃油消耗率1-ω形燃烧室2-四角型燃烧室3-微涡流燃烧室5.降低机油消耗6.废气再循环7.提高燃油品质10.3.4机外净化技术主要是降低微粒中的有机可溶成分SOF，但柴油中的硫将影响SOF的降低。图10.29柴油机氧化催化剂使用效果1.氧化催化转化器图10.30微粒捕集器的过滤材料(a)陶瓷蜂窝载体(b)陶瓷纤维编织物(c)金属线纤维编织物2.微粒捕集器微粒捕集器也称排气微粒过滤器，用来滤除微粒。3.柴油机Nox还原催化剂主要去除NOx，方法是用还原剂还原NOx。目前存在的困难：在高浓度氧氛围进行NOx还原，对催化剂要求高。排气问对较低。柴油机排气中含有Sox和微粒，催化剂中毒。常用催化剂：尿素10.4发动机排放法规与测试10.4.1排放法规详见板书10.4.2排放物测定1.试验规范——在底盘测功机上模拟其特定行驶循环，并测定所排出有害物质的量，通过调节测功机可模拟在实际到路上行驶的功率，而用惯性质量模拟汽车质量。欧洲轻型车排放限值ECER15—04法规型式认证Ι型试验排放限值Ⅱ型试验排放限值图10.31欧洲ECE15工况试验循环2.排气取样系统3.测试仪器1)不分光红外线分析仪图10.33NDIR的工作原理2)氢火焰离子分析仪图10.34FID的工作原理3)化学发光分析仪图10.35CLD的工作原理10.5发动机噪声来源与控制10.5.1发动机噪声的来源1.燃烧噪声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)喷油泵及其它机械噪声3.进、排气噪声4.风扇噪声10.5.2噪声控制措施1.降低燃烧噪声2.加强结构强度3.采用隔声罩壳4.采用排气消声器5.低噪声发动机设计