第10章發(fā)動(dòng)機(jī)的排放與噪聲控制

1、第第1010章章 發(fā)動(dòng)機(jī)的排放與噪聲控制發(fā)動(dòng)機(jī)的排放與噪聲控制 10.1.110.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染的現(xiàn)狀發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染的現(xiàn)狀( (世界問(wèn)題）世界問(wèn)題） 10.1.2 10.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的危害發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的危害 1.1.一氧化碳一氧化碳- -中毒中毒 、死亡、死亡2.2.氮氧化物氮氧化物 危害植物危害植物3.3.碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔镄纬晒饣瘜W(xué)煙霧形成光化學(xué)煙霧 4.4.光化學(xué)煙霧光化學(xué)煙霧5.5.微粒微粒 鉛化物鉛化物( (PbPb) ) 、炭煙炭煙 10.1 10.1 發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物的生成及危害發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物的生成及危害10.1.3 10.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的生成

2、機(jī)理發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的生成機(jī)理 1.1.一氧化碳的生成一氧化碳的生成 圖圖10.1 10.1 不同空然比下廢氣中的各成分變化不同空然比下廢氣中的各成分變化 圖圖10.210.2混合氣濃度對(duì)有害氣體排放量影響混合氣濃度對(duì)有害氣體排放量影響2.2.氮氧化物的生成氮氧化物的生成 生成生成NONO的影響因素：的影響因素：1)1)氧的濃度氧的濃度2)2)溫度溫度 3)3)反應(yīng)滯留時(shí)間反應(yīng)滯留時(shí)間 3.3.碳?xì)浠衔锏纳商細(xì)浠衔锏纳?1)1)冷激效應(yīng)冷激效應(yīng) （縫隙）（縫隙）2)2)油膜和沉積物吸附油膜和沉積物吸附 3)3)火焰淬熄火焰淬熄 4)4)未燃碳?xì)浠衔锏难趸慈继細(xì)浠衔锏难趸?生成生成

3、HCHC的渠道：的渠道：1.1.在燃燒室中產(chǎn)生在燃燒室中產(chǎn)生2.2.由曲軸箱竄出由曲軸箱竄出3.3.燃油箱系統(tǒng)蒸發(fā)出燃油箱系統(tǒng)蒸發(fā)出圖圖10.3燃燒室內(nèi)縫隙的組成燃燒室內(nèi)縫隙的組成 圖圖10.4 活塞頂環(huán)岸縫隙中烴的排出過(guò)程活塞頂環(huán)岸縫隙中烴的排出過(guò)程 圖圖10.5 壓力室結(jié)構(gòu)對(duì)壓力室結(jié)構(gòu)對(duì)HC排放的影響排放的影響 4.4.微粒的生成微粒的生成 圖圖10.6燃燒系統(tǒng)中燃燒系統(tǒng)中炭炭煙粒子的形成過(guò)程煙粒子的形成過(guò)程 燃油燃油中烴分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂中烴分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，如乙烯、乙炔及其較高的同解，生成各種不飽和烴類，如乙烯、乙炔及

4、其較高的同系物和多環(huán)芳香烴。它們不斷脫氫、聚合成以炭為主的系物和多環(huán)芳香烴。它們不斷脫氫、聚合成以炭為主的直徑直徑2nm2nm左右的炭煙核心左右的炭煙核心 5. 5. 光化學(xué)煙霧光化學(xué)煙霧 HC HC與與NOxNOx一次污染物的存在，在強(qiáng)烈陽(yáng)一次污染物的存在，在強(qiáng)烈陽(yáng)光照射下，生成光照射下，生成O3O3和和PANPAN光化學(xué)煙霧，光化學(xué)煙霧，對(duì)人體的呼吸有傷害。對(duì)人體的呼吸有傷害。10.2 10.2 影響汽油機(jī)有害排放物生成的主要因素及控影響汽油機(jī)有害排放物生成的主要因素及控制制 o1.1.混合氣成分混合氣成分 o2.2.點(diǎn)火正時(shí)點(diǎn)火正時(shí) o3.3.負(fù)荷負(fù)荷 o4.4.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 o5.5.過(guò)渡

5、工況過(guò)渡工況o6.6.廢氣再循環(huán)廢氣再循環(huán) 10.2.1 10.2.1 影響因素影響因素 1.1.混合氣成分混合氣成分 圖圖10.8 有害排放物濃度與有害排放物濃度與 的關(guān)系的關(guān)系 圖10.9 點(diǎn)火提前角對(duì)燃油消耗量和有害排放物的影響 圖10.10 氣缸內(nèi)燃燒壓力與點(diǎn)火時(shí)刻的關(guān)系 2.2.點(diǎn)火正時(shí)點(diǎn)火正時(shí) 3.3.負(fù)荷負(fù)荷o低負(fù)荷或怠速：供濃混合氣，低負(fù)荷或怠速：供濃混合氣，CO,HCCO,HC含量高；含量高；o中等負(fù)荷：經(jīng)濟(jì)混合氣，中等負(fù)荷：經(jīng)濟(jì)混合氣，CO,HCCO,HC含量低，但含量低，但NOxNOx含量高；含量高；o大負(fù)荷與滿負(fù)荷：較濃混合氣，燃燒壓力與溫大負(fù)荷與滿負(fù)荷：較濃混合氣，燃

6、燒壓力與溫度很高，度很高，NOxNOx量增多；使量增多；使COCO量增加；量增加；4.4.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速o轉(zhuǎn)速增加，促進(jìn)混合，轉(zhuǎn)速增加，促進(jìn)混合，CO,HC CO,HC 含量降低；含量降低；o濃混合氣時(shí)，轉(zhuǎn)速增加，散熱時(shí)間減少，溫濃混合氣時(shí)，轉(zhuǎn)速增加，散熱時(shí)間減少，溫度較高，度較高，NOxNOx含量增加。含量增加。 稀混合氣時(shí)，轉(zhuǎn)速增加，稀混合氣時(shí)，轉(zhuǎn)速增加，NOxNOx含量減少。含量減少。5.5.過(guò)渡工況過(guò)渡工況怠速與減速，是怠速與減速，是HC HC 生成的主要工況；生成的主要工況；怠速：燃燒溫度比較低，缸內(nèi)殘余廢氣比較多，混合器怠速：燃燒溫度比較低，缸內(nèi)殘余廢氣比較多，混合器比較濃，導(dǎo)致燃燒惡化

7、，比較濃，導(dǎo)致燃燒惡化，HCHC量較多。量較多。減速，進(jìn)氣歧管真空度較大，使得進(jìn)氣管內(nèi)沉積的燃料減速，進(jìn)氣歧管真空度較大，使得進(jìn)氣管內(nèi)沉積的燃料油膜大量蒸發(fā)，混合氣較濃。油膜大量蒸發(fā)，混合氣較濃。其他過(guò)渡工況見(jiàn)表其他過(guò)渡工況見(jiàn)表10.710.76.廢氣再循環(huán)廢氣再循環(huán)EGR 將一部分廢氣回送燃燒室，利用排氣中的氣體比將一部分廢氣回送燃燒室，利用排氣中的氣體比熱容大的特點(diǎn)，可以抑制燃燒的最高溫度，將有利熱容大的特點(diǎn)，可以抑制燃燒的最高溫度，將有利于抑制于抑制NOxNOx產(chǎn)生。但產(chǎn)生。但EGREGR率過(guò)大，率過(guò)大，NOxNOx產(chǎn)生下降，但產(chǎn)生下降，但過(guò)量空氣系數(shù)減少，使得動(dòng)力性差。過(guò)量空氣系數(shù)減少

8、，使得動(dòng)力性差。10.2.2 10.2.2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù) 1 1廢氣再循環(huán)（降低廢氣再循環(huán)（降低NOxNOx） 圖圖10.1110.11廢氣再循環(huán)系統(tǒng)工作原理廢氣再循環(huán)系統(tǒng)工作原理 原理和作用：原理和作用：一部分排一部分排氣經(jīng)氣經(jīng)EGREGR閥還流回進(jìn)氣閥還流回進(jìn)氣系統(tǒng)，稀釋了新鮮混合系統(tǒng)，稀釋了新鮮混合氣中的氧濃度，導(dǎo)致燃?xì)庵械难鯘舛?，?dǎo)致燃燒速度降低，同時(shí)還使燒速度降低，同時(shí)還使新鮮混合氣的比熱容提新鮮混合氣的比熱容提高。兩者都造成燃燒溫高。兩者都造成燃燒溫度的降低，因而可以抑度的降低，因而可以抑制制NONOx x的生成。的生成。 圖圖10.12 EGR10.12 EGR降低降

9、低NONOx x的效果的效果 圖圖10.13 EGR10.13 EGR于與其他措施合用的效果于與其他措施合用的效果AA僅采用僅采用EGR BEGR+EGR BEGR+增強(qiáng)進(jìn)氣渦流增強(qiáng)進(jìn)氣渦流 CEGR+CEGR+增強(qiáng)進(jìn)氣渦流增強(qiáng)進(jìn)氣渦流+ +雙火花塞點(diǎn)火雙火花塞點(diǎn)火 EGR與其他措施合用的效果與其他措施合用的效果2.2.改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 1)1)冷起動(dòng)、暖機(jī)和怠速冷起動(dòng)、暖機(jī)和怠速 2)2)壓縮比壓縮比 3)3)燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)4)4)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣系統(tǒng)5)5)活塞組設(shè)計(jì)活塞組設(shè)計(jì) 6)6)分層稀薄燃燒分層稀薄燃燒 圖10.14火花塞位置對(duì)油耗和HC排放物的影響 1火花塞在燃燒室側(cè)面

10、 2火花塞在燃燒室中心 圖圖10.1510.15四氣門和二氣門發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)油耗和四氣門和二氣門發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)油耗和HCHC排排放物的影響放物的影響11二氣門發(fā)動(dòng)機(jī)二氣門發(fā)動(dòng)機(jī)22四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)四氣門發(fā)動(dòng)機(jī) 圖圖10.1610.16稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度工作極限稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度工作極限11采用三效催化轉(zhuǎn)化器采用三效催化轉(zhuǎn)化器=14.7=14.7時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制22用稀燃傳感器控制發(fā)動(dòng)機(jī)用稀燃傳感器控制發(fā)動(dòng)機(jī)33用燃燒壓力傳感器控制發(fā)動(dòng)機(jī)用燃燒壓力傳感器控制發(fā)動(dòng)機(jī)44發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作極限下運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作極限下運(yùn)行55工作極限工作極限66燃油消耗燃油消耗77發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定3.3.電

11、子控制燃油噴射系統(tǒng)電子控制燃油噴射系統(tǒng)(EFI)(EFI) 混合氣形成的空燃比特性是決定點(diǎn)燃式內(nèi)燃混合氣形成的空燃比特性是決定點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)性能和排放的關(guān)鍵因素。采用氧傳感器機(jī)性能和排放的關(guān)鍵因素。采用氧傳感器閉環(huán)控制的閉環(huán)控制的EFIEFI模式。模式。4.4.提高燃油品質(zhì)提高燃油品質(zhì) 采用辛烷值高的燃油。采用辛烷值高的燃油。10.2.310.2.3機(jī)外凈化技術(shù)機(jī)外凈化技術(shù) 1.1.三效催化轉(zhuǎn)化器（三效催化轉(zhuǎn)化器（TWCTWC） 圖圖10.1710.17催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu) 隨汽油機(jī)電子控制燃油噴隨汽油機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)的不斷完善和無(wú)鉛射系統(tǒng)的不斷完善和無(wú)鉛化低硫汽油的燃用，化低硫汽

12、油的燃用，TWCTWC是控制汽車排放最理想和是控制汽車排放最理想和最重要的措施。最重要的措施。1外殼外殼 2載體與催化劑載體與催化劑 3減振密封襯墊減振密封襯墊圖圖10.18 10.18 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)TWCTWC轉(zhuǎn)化效率的影響轉(zhuǎn)化效率的影響 在過(guò)量空氣系數(shù)在過(guò)量空氣系數(shù) =1=1附近，三效催化劑對(duì)附近，三效催化劑對(duì)COCO、HCHC和和NONOX X能同時(shí)達(dá)到較好能同時(shí)達(dá)到較好的凈化效果的凈化效果 a2.2.曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng) 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)(PCV）3.3.燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng) 圖圖10.2010.20燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)燃油蒸

13、發(fā)控制系統(tǒng) 11空氣濾清器空氣濾清器 22控制器控制器 33儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣罐 44油箱油箱 55炭罐炭罐 66進(jìn)氣管進(jìn)氣管 10.3 10.3 影響柴油機(jī)有害排放物生成的影響柴油機(jī)有害排放物生成的主要因素及控制主要因素及控制 10.3.110.3.1柴油機(jī)有害柴油機(jī)有害排放物排放物生成特點(diǎn)生成特點(diǎn) (1) (1) 未燃未燃HC HC (2) CO (2) CO (3) NO(3) NOx x (4)(4)炭煙炭煙 (5)(5)醛類醛類 11稀燃火焰熄滅區(qū)稀燃火焰熄滅區(qū)22稀燃火焰區(qū)稀燃火焰區(qū)33油束心部油束心部 44油束尾部和后噴部油束尾部和后噴部10.3.210.3.2影響因素影響因素 1.混合

14、氣成分混合氣成分圖圖10.2210.22混合氣成分與柴油機(jī)排放的關(guān)系混合氣成分與柴油機(jī)排放的關(guān)系2. 噴油時(shí)刻噴油時(shí)刻圖圖10.2310.23噴油定時(shí)對(duì)排放的影噴油定時(shí)對(duì)排放的影響響 分隔式燃燒室生成的分隔式燃燒室生成的NONOx x、COCO、HCHC和炭煙的排放濃度均低和炭煙的排放濃度均低于直噴式，特別是于直噴式，特別是NONOx x排放濃度一般比直噴式燃燒室的低排放濃度一般比直噴式燃燒室的低5050左右左右 。 原因是，這種燃燒室的燃燒及排放物的生成分兩個(gè)階段原因是，這種燃燒室的燃燒及排放物的生成分兩個(gè)階段進(jìn)行。在噴油開(kāi)始和燃燒初期，副燃燒室的空燃比較小，進(jìn)行。在噴油開(kāi)始和燃燒初期，副燃

15、燒室的空燃比較小，氧濃度較低，燃料不可能燃燒完全，從而形成較多的氧濃度較低，燃料不可能燃燒完全，從而形成較多的COCO及未燃烴。副燃燒室在著火后溫度較高，但氧濃度低，及未燃烴。副燃燒室在著火后溫度較高，但氧濃度低，對(duì)生成對(duì)生成NONOx x仍有不利的影響。主燃燒室內(nèi)有充足的新鮮空仍有不利的影響。主燃燒室內(nèi)有充足的新鮮空氣，使來(lái)自副燃燒室的氣，使來(lái)自副燃燒室的COCO及及HCHC進(jìn)一步氧化。高溫燃?xì)膺M(jìn)進(jìn)一步氧化。高溫燃?xì)膺M(jìn)入主燃燒室后，溫度有所下降，抑制了入主燃燒室后，溫度有所下降，抑制了NONOx x的生成的生成 3.3.燃燒室排放比較燃燒室排放比較10.3.310.3.3機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)機(jī)內(nèi)凈化

16、技術(shù) 1.1.增壓中冷技術(shù)增壓中冷技術(shù)最現(xiàn)實(shí)的辦法是增加空氣量最現(xiàn)實(shí)的辦法是增加空氣量 2.2.改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng) 1)1)進(jìn)氣組織進(jìn)氣組織 2)2)多氣門多氣門 圖圖10.2410.24缸內(nèi)的各種有組織氣流缸內(nèi)的各種有組織氣流(a)(a)切向進(jìn)氣道及其產(chǎn)生的旋流切向進(jìn)氣道及其產(chǎn)生的旋流 (b)(b)螺旋進(jìn)氣道及其產(chǎn)生的旋流螺旋進(jìn)氣道及其產(chǎn)生的旋流 (c)(c)縱向滾流縱向滾流(d)(d)壓縮時(shí)的擠流壓縮時(shí)的擠流 (e)(e)膨脹時(shí)的逆流膨脹時(shí)的逆流 圖圖10.2510.25兩氣門及四氣門柴油機(jī)性能指標(biāo)比較圖兩氣門及四氣門柴油機(jī)性能指標(biāo)比較圖 3.3.改進(jìn)噴油系統(tǒng)改進(jìn)噴油系統(tǒng) 1)1)高

17、壓噴射高壓噴射 2)2)推遲噴油提前角推遲噴油提前角 3)3)減小噴孔直徑，增加噴孔數(shù)目減小噴孔直徑，增加噴孔數(shù)目 4)4)減小噴嘴壓力室容積減小噴嘴壓力室容積 5)5)高壓共軌電控燃油噴射高壓共軌電控燃油噴射 三三種燃油系統(tǒng)的種燃油系統(tǒng)的噴油壓力對(duì)煙度及噴油壓力對(duì)煙度及性能的影響性能的影響 試驗(yàn)試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速條件：轉(zhuǎn)速1000r/min1000r/min， 1717， NONOx x1200120010106 6 4.4.改進(jìn)燃燒系統(tǒng)改進(jìn)燃燒系統(tǒng) 1)1)燃燒室容積比燃燒室容積比燃燒室容積對(duì)氣缸余燃燒室容積對(duì)氣缸余隙容積之比隙容積之比 2)2)燃燒室口徑比燃燒室口徑比 口徑比口徑比d dk

18、k/ /D D小的深燃小的深燃燒室可在室中產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流燒室可在室中產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流 3)3)燃燒室形狀燃燒室形狀 縮口燃燒室已經(jīng)取代應(yīng)縮口燃燒室已經(jīng)取代應(yīng)用最廣直邊不縮口的用最廣直邊不縮口的形燃燒室形燃燒室 4) 4) 適當(dāng)提高壓縮比適當(dāng)提高壓縮比 圖圖10.2710.27擠流口型與標(biāo)準(zhǔn)型燃燒室的排放特性擠流口型與標(biāo)準(zhǔn)型燃燒室的排放特性 不縮口不縮口型型縮口縮口型型圖圖10.2810.28三種燃燒室的煙度及燃油消耗率三種燃燒室的煙度及燃油消耗率1-1-形燃燒室形燃燒室2-2-四角型燃燒室四角型燃燒室3-3-微渦流燃燒室微渦流燃燒室 5.5.降低機(jī)油消耗降低機(jī)油消耗 6.6.廢氣再循環(huán)廢氣再循環(huán)

19、 7.7.提高燃油品質(zhì)提高燃油品質(zhì) 10.3.410.3.4機(jī)外凈化技術(shù)機(jī)外凈化技術(shù) 主要是降低微粒中主要是降低微粒中的有機(jī)可溶成分的有機(jī)可溶成分SOFSOF，但柴油中的硫?qū)⒂暗裼椭械牧驅(qū)⒂绊戫慡OFSOF的降低。的降低。圖圖10.2910.29柴油機(jī)氧化催化劑使用效果柴油機(jī)氧化催化劑使用效果 1.1.氧化催化轉(zhuǎn)化器氧化催化轉(zhuǎn)化器圖圖10.3010.30微粒捕集器的過(guò)濾材料微粒捕集器的過(guò)濾材料( (a)a)陶瓷蜂窩載體陶瓷蜂窩載體( (b)b)陶瓷纖維編織物陶瓷纖維編織物( (c)c)金屬線纖維編織物金屬線纖維編織物2 .2 .微粒捕集器微粒捕集器微粒捕集器也稱微粒捕集器也稱排氣微粒過(guò)濾器，

20、排氣微粒過(guò)濾器，用來(lái)濾除微粒。用來(lái)濾除微粒。3 .3 .柴油機(jī)柴油機(jī)NoNox x還原催化劑還原催化劑主要去除主要去除NOxNOx，方法是用還原，方法是用還原劑還原劑還原NOxNOx。目前存在的困難：目前存在的困難：o在高濃度氧氛圍進(jìn)行在高濃度氧氛圍進(jìn)行NOxNOx還原，對(duì)催化劑要求高。還原，對(duì)催化劑要求高。o排氣問(wèn)對(duì)較低。排氣問(wèn)對(duì)較低。o柴油機(jī)排氣中含有柴油機(jī)排氣中含有SoxSox和和微粒，催化劑中毒。微粒，催化劑中毒。常用催化劑：尿素常用催化劑：尿素10.410.4發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)與測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)與測(cè)試 10.4.110.4.1排放法規(guī)排放法規(guī) 詳見(jiàn)板書詳見(jiàn)板書10.4.210.4.2排放物測(cè)定排放物測(cè)定 1.1.試驗(yàn)規(guī)范試驗(yàn)規(guī)范 在底盤測(cè)功機(jī)上模擬其特定行駛循環(huán)，并在底盤測(cè)功機(jī)上模擬其特定行駛循環(huán)，并測(cè)定所排出有害物質(zhì)的量，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)可模擬在實(shí)測(cè)定所排出有害物質(zhì)的量，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)可模擬在實(shí)際到路上行駛的功率，而用慣性質(zhì)量模擬汽車質(zhì)量。際