第十二章发动机排气污染物的生成与控制

第四章汽车的排放性汽车对大气污染状况及其控制性能，称为排放性。主要学习：汽车的排放法规新车排放法规在用车排放法规汽车的排放性及其影响因素CO、THC和NOX的生成和污染污染物生成的影响因素4.1概述汽车污染的三个主要来源1）排气管排出的废气CO、HC、NOx、碳烟、SO2、铅化物2）曲轴箱窜气：HC3）油箱、化油器、浮子室等处蒸发的汽油蒸汽：HCCO：无色无味有毒气体，极易与血红素结合，阻止血红素和氧的结合。人吸入过多的CO后，因缺氧而头痛、头晕等，严重时甚至死亡。NOx：是氮氧化物的总称。刺激人眼粘膜，引起结膜炎、角膜炎，严重时还会引起肺气肿。HC:对人眼及呼吸系统有刺激作用，对农作物也有害。HC和NOx在一定的地理、温度、气象条件下，经强烈的阳光照射，发生光化学反应，生成以臭氧（O3）、醛类为主的过氧化产物，称为光化学烟雾。臭氧有很强的毒性，醛类对眼及呼吸道有刺激作用。此外，还妨碍生物的正常生长。炭烟是柴油机排气中的一种成分，往往粘附SO2等物质，对人和动物的呼吸道极为有害。铅化物:影响造血功能，对消化、神经系统也有刺激。排放净化方式机内净化─改善可燃混合气的品质和燃烧状况。措施：曲轴箱强制通风装置PCV：把窜气强行导入发动机，曲轴箱通风所需空气由空滤器提供，降低HC排放。燃油蒸气排放控制装置ECS：利用碳罐收集和清除汽油蒸汽，停车时吸收蒸汽，工作时吸入进气系统。进气加温装置EFES：在暖机期间把经排气加温后的热空气送入进气管，调节进气温度。废气再循环装置EGR：将5％～20％的废气再引入燃烧室，降低燃烧温度，降低NOx。空气喷射装置AIS：用空气泵将空气喷入排气歧管中，使废气中的HC和CO转化为CO2和H2O等无害物质。发动机的计算机控制：根据进气量确定基本喷油量，再根据其他传感器（如冷却液温度传感器、节气门位置传感器等）信号等对喷油量进行修正，使发动机在各种运行工况下均能获得最佳浓度的混合气，从而提高发动机的动力性、经济性和排放性。机外净化─用外部附加装置净化排气应用催化转化方法，使CO转化为CO2，HC转化为CO2和H2O，NOX转化为N2和O2。4.2汽车排放法规4.2.1新车排放法规轻型汽车排放检测方法和限值标准是GB18352.2－2001和GB18352.3－2005。只有通过排放测试，才允许投放市场。试验方法试验设备1司机助手仪，2冷却风机，3底盘测功机滚筒，4被试汽车，5汽车排气管，6取样管路，7底盘测功机控制和数据采集系统，8打印机，9显示器，10尾气分析系统，11尾气采集系统，12发动机转速传感器限值标准国2限值标准国3和国4限值标准4.2.2在用车排放法规轻型汽油车排放检测方法和限值标准是GB18285－2005。柴油车排放检测方法和限值标准是和GB3847－2005。汽车保有量迅速增长，机动车尾气排放造成的空气污染不断加重，在大城市中尤为突出。据统计，北京等特大城市由汽车排放造成的大气污染已占大气总污染的50%以上。有效控制汽车污染需要作好两方面的工作。一是从新车开始就控制好污染物的排放水平，对新生产车的排放状况进行型式认证检测。二是对在用车作好排放监管工作，实行车辆排放的I/M制度，严格控制众多的在用汽车的排放状况。前者是机动车低污染的前提条件，后者是保证车辆在正常的排放状态下运行。汽油车ASM排放测试ASM（AccelerationSimulationMode）试验方法ASM测试工况分为5025和2540两个测试工况。5025工况的含义是汽车以25km/h匀速行驶，加载功率是在此行驶速度下后备功率的50％（RM/148）。2540工况的含义是汽车以40km/h匀速行驶，加载功率是在此行驶速度下后备功率的25％（RM/185）。排放测试时，汽车行驶速度和加载功率一定，汽车处于“稳态”受力过程，又称为稳态测试方法。ASM排放测试设备1.司机助手仪，2.发动机转速计，3.冷却风机，4.空气压缩机，5.气路，6.底盘测功机，7.被试汽车，8.取样系统，9.操作台，10.主控计算机，11.打印机，12.显示器，13.气象卡，14.五气体分析仪汽油车简易瞬态工况法排放检测（IG195）一种基于汽车排放总质量的检测方法。先是怠速40秒，不采集排放数据，后是195秒的排放测试，行驶速度有怠速、加速、减速和匀速等工况，是一“瞬态”过程。根据汽车的道路行驶阻力加载，较好地模拟了汽车在城市道路上的实际行驶状况。t，s40195v，km/h153250IG195测试设备1.司机助手仪，2.冷却风机，3.空气压缩机，4.底盘测功机，5.被试汽车，6.原始排放尾气，7.环境空气，8.集气管，9.流量计，10.鼓风机，11.数据双向通讯，12.显示器和打印机，13.操作台、主控计算机、五气体分析仪、气象卡等汽油车双怠速法排放检测双怠速测试方法0.7额定转速2500rpm2500rpm高－低怠速转速30s15s30s15s30s测试设备：四气体分析仪柴油车加载减速工况法排气烟度测试在柴油车达到某一档位的最高车速后，进行全负荷功率扫描过程中，应用“加载”方法迫使汽车“减速”行驶，得到柴油车轮边功率特性曲线。该方法模拟柴油车的实际工作状况，较之柴油车的自由加速烟度法可较准确地检测柴油车的实际烟度排放。先确定最大轮边功率及其相应车速；继之以检测最大轮边功率时相应车速（VelMaxHp）、90％VelMaxHp和80％VelMaxHp时的烟度排放状况。只有当测得的最大轮边功率大于或等于制造厂规定的发动机的额定功率值的50％，测得的最大发动机功率转速不超过制造厂规定值的±10%，三点烟度测试值都满足烟度排放限值要求时，该车的烟度排放测试才判定为合格。测试方法其检测设备和汽油车ASM尾气排放检测设备相近，不同之处是使用不透光烟度计取代五气体分析仪。MaxHp80%VelMaxHpVelMaxHp90%VelMaxHpP,kWv,km/h柴油车自由加速法排气烟度测试测试方法先进行3次自由加速操作（油门踏板踩到底），不采样。再进行3次自由加速操作，采样。取后三次读数的算术平均值作为所测烟度值。1－发动机怠速转速，2－发动机最高空转转速，3－测试开始点测试设备：不透光烟度计或滤纸烟度计4.3汽车的排放性4.3.1CO的成因和影响因素CO的成因燃油的化学成分是烃类CmHn，燃烧时：CmHn＋（m/2）O2＝mCO+（n/2）H2有足够O2时：2H2＋O2＝2H2O（水蒸气）2CO＋O2＝2CO2CO＋2H2O（水蒸气）＝H2＋CO2当空然比达到14.7：1时，理论上不应产生CO。CO生成的影响因素24681010141614.712CO%空然比空燃比的影响在空燃比达到14.7之前：空燃比升高CO下降，空燃比增加1％，CO下降3％。在空燃比达到14.7后，CO不完全消失，主要原因是：空气和燃油混合不均匀，总体上是稀混合气，局部有浓混合气，导致CO生成。在高温时，燃烧生产的CO2和H2O有极小部分分解生产CO。2CO2＝2CO+O22H2O＝2H2＋O2CO2＋H2＝CO＋H2O负荷的影响随着车辆行驶阻力的增大，节气门开度加大，发动机负荷增大，进气管真空度减小，进气歧管压力增大。发动机在小负荷和大负荷工作时，混合气较浓，CO生成较多，中等负荷，CO生成较少。CO，%进气歧管压力，kPa36920406080怠速转速的影响怠速转速增大，节气门开度增大，燃烧状况变好，CO下降。怠速转速每提高100r/min，CO排放量下降约10％。012600700800900r/minCO,%点火提前角的影响点火提前角增大，CO排放量有所增大。原因是发动机排气温度降低，使小部分CO在排气系统中氧化为CO2的能力有所下降。点火提前角对燃油经济性有较大影响，点火提前角减少1度，燃油多消耗1％。点火提前角的调整要兼顾到汽车的动力性、燃油经济性和排放性。123－2002040点火提前角，度CO,%44.3.2HC的成因和影响因素HC的成因燃料未燃烧、未完全燃烧和燃料分解的中间产物。HC的成分复杂，以主要成分C8H18为例：2C8H18＋25O2＝16CO2＋18H2OC8H18最终氧化成CO2和H2O，须经过一系列的中间反应过程，燃烧时：1）存在大量的N2的干扰；2）气缸内部存在缸壁冷面和冷缝隙；3）火焰传播不良。这些原因使得燃油燃烧时不能全部生成CO2和H2O，导致HC排出。影响因素空燃比的影响HC，10－62001005017181916151413空燃比空燃比小于17时，随着空燃比的增大，HC排放量减少，原因是：缸壁冷面和冷缝隙减小；O2增加，有利于燃烧；排气温度上升，HC在排气系统中氧化。空燃比大于18时，随着空燃比的增大，HC排放量增大，原因是：混合气过稀，火焰传播不良，甚至断火；排气温度低，HC在排气系统中不能快速氧化。负荷的影响30060090020406080发动机负荷（进气歧管压力），kPaHC,10-6进气歧管压力30kPa时，HC生成较多，原因是：发动机混合气较浓，缸壁冷面和冷缝隙作用较大；火焰传播不完全。进气歧管压力30kPa时，混合气变稀，HC生成较少。转速的影响150020002500100200300400HC，10－6n，r/min转速增高，HC排放降低，原因是：气缸中绕流混合和涡流扩散变好，使得混合气的燃烧变好，缸壁冷面降低。排气系统中绕流混合变好，HC氧化加强。发动机高速转动时，排气流速增大，HC在排气系统中滞留时间短，HC氧化少，HC降低不明显。怠速对HC的影响和对CO影响基本相同。点火时刻的影响0102030100200300400点火提前角，度HC，10－6点火提前角增加，排气温度下降，HC氧化变少；同时缸壁冷面增加，导致HC增加。排气被压的影响300100200102030排气被压，kPaHC，10－6被压增大，气缸中残余废气增多，混合气稀释，在不使燃烧过程变坏时，HC排放下降。当燃烧过程变坏时，HC排放增多。4.3.3NOx的成因和影响因NOX的成因NOx包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O5等。在高温下：O2=2OO+N2=NO+NN+O2=NO+O高温富氧导致NOX产生。影响因素空燃比对NOX生成的影响10001500200011161721NOX，10－6空燃比混合气较浓时，燃烧温度低，氧含量少，NOX生成少。空燃比在16左右，燃烧温度高，氧含量多，NOX生成多。混合气较稀时，燃烧温度低，氧含量多，NOX生成少。点火时刻的影响任何负荷与转速下，加大点火提前，均使NOX浓度增加。NOX，10－6点火提前角，度100015002000203040负荷的影响负荷增大，进气量增加，残余废气减少，火焰传播速度加快，温度增高，NOX增加。100015002000406080空燃比14空燃比16进气歧管压力，kPaNO,10-6