第八章發(fā)動機排放與控制

第八章發(fā)動機排放與控制第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日第1節(jié)發(fā)動機有害排放物的生成及危害發(fā)動機主要有害排放物：CO、HC、NOx和微粒（碳煙）。一、發(fā)動機有害排放物及其危害1、一氧化碳（CO）特點：無色、無味、有毒（引起窒息）。CO與血紅蛋白的親合力是氧的300倍，而分離速度卻是氧的1/3600，并會阻礙氧的釋放。2、碳氫化合物（HC）成分：未燃、不完全燃燒的烴類及其部分氧化物組成，如烷烴、稀烴、芳香烴、醛、酮等。無害有害第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日3、氮氧化合物（NOx，如）NO、NO2、N2O3、N205等。危害：1、直接引起人類中毒；2、形成酸雨，破壞生態(tài)；3、在紫外線作用下，與HC反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧。淺藍色煙霧（O3和PAN），易在中午日照最強時產(chǎn)生，其毒性較NOx更強。4、微粒（碳煙）危害：1、微粒（<0.1μm)破壞呼吸和血液循環(huán)系統(tǒng)；2、微粒上的附著物（SO2、NOx、HC等）引起中毒、至癌等。通常，柴油機的碳煙排放量約為汽油機的30倍以上。第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、排放標準法規(guī)生效日期汽油機柴油機COHCNOxCOHCNOx微粒歐119922.270.970.972.720.970.970.14歐219952.20.50.5非直噴1.00.700.700.08直噴1.00.900.900.10歐320002.30.20.150.640.560.500.05歐420051.00.10.080.500.300.250.025單位（g/km)我國制定的國3標準在數(shù)值上與歐3標準基本一致，但增加了強制安裝OBD診斷接口的要求（診斷排放自診斷）。第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、有害排放物的生成機理1、CO的生成來源：1、不完全燃燒（包括局部缺氧燃燒）；2、高溫CO2與H2O的裂解反應(yīng)（2000℃以上）。對于柴油機，過量空氣系數(shù)大（富氧），且燃燒溫度也較低，故其CO排放低；CO（%,體積分數(shù)）：汽油機0.1～6；柴油機0.05～0.5。柴油機與汽油機比較：而汽油機，過量空氣系數(shù)偏?。ㄑ跎伲?，且燃燒溫度高，CO排放較大。第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、HC的生成1、未燃和不完全燃燒；冷激與縫隙效應(yīng)（50%～70%)潤滑油膜和沉積物的吸附（30～40%)過濃或過稀造成的火焰淬熄2、曲軸箱的竄氣及燃油系統(tǒng)的蒸發(fā)泄露。第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日柴油機與汽油機的比較：1、柴油機燃油是在壓縮接近終了時才噴射，因而冷激、縫隙與吸附效應(yīng)的影響小，故HC排放較汽油機低；2、柴油機HC主要來源于混合不均勻造成的過濃或過稀及噴油器壓力室容積內(nèi)的殘留燃油。HC（%）：汽油機0.2；柴油機0.02～0.1。第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日由于部分HC在排氣過程中會被氧化，因此，提高排氣溫度（如推遲點火/噴油、排氣絕熱等）有助于降低HC的排放。3、NOx的生成來源：高溫、富氧燃燒。抑制NOx的生成必然與燃油經(jīng)濟性相矛盾。柴油機與汽油機的比較：由于柴油機的最高燃燒溫度較汽油機低，故NOx的排放量較汽油機少。NOx的生成與溫度的關(guān)系NOx（%）：汽油機0.2-0.4；柴油機0.07～0.2。第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日4、微粒（碳煙）的生成來源：高溫、缺氧燃燒。由于大部分碳煙在燃燒后期及排氣過程中會被氧化，因此，提高排氣溫度有助于降低碳煙的排放。對于汽油機，采用無鉛汽油時基本不排放碳煙；

柴油機與汽油機比較：

而柴油機，由于采用缸內(nèi)噴射、邊噴邊燒的工作模式，較容易產(chǎn)生局部高溫缺氧燃燒，故碳煙生成量較汽油機大得多（30倍以上）。微粒（g/m3）：汽油機0.005；柴油機0.15～0.3。第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日第2節(jié)影響汽油機排放的主要因素及控制一、影響因素1、混合氣成分（主要影響因素）空燃比對排放的影響

混合氣濃（<14.9）時：

理論空燃比附近（≈14.9）時：

混合氣稀（空燃比>14.9）時：缺氧燃燒，CO和HC排放大,NOx排放小；燃燒迅速、充分，CO和HC排放低，但NOx排放高；燃燒速度慢、溫度低，CO和NOx排放低，但淬熄現(xiàn)象增加使HC排放高。第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、點火提前角點火提前角對排放的影響點火推遲(減小提前角）:后燃嚴重，最高燃燒溫度低，NOx排放少；同時，由于排溫高，有助于HC的氧化，但動力性與經(jīng)濟性差。點火提前(增大提前角）:放熱集中，燃燒溫度高，而排溫低，對NOx和HC排放均不利。第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日3、負荷怠速、小負荷(節(jié)氣門開度?。?混合氣偏濃而廢氣多，燃燒變差，溫度低，HC、CO排放高而NOx排放低。中等負荷(節(jié)氣門開度25%-80%）:供給經(jīng)濟混合氣且殘余廢氣少，燃燒迅速、充分，HC、CO排放低；但燃燒溫度高，NOx排放高。大負荷(節(jié)氣門開度>80%）:供給濃混合氣，燃燒溫度和排溫高，故NOx排放高而HC排放低；但由于氧不足，CO排放高。第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日4、轉(zhuǎn)速對于CO、HC:轉(zhuǎn)速高，氣流運動強，可以改善燃燒（減少冷激效應(yīng)），故HC和CO排放低。對于NOx:燃燒速度快，轉(zhuǎn)速越高，散熱損失越少，燃燒溫度高，故NOx排放高；燃燒速度慢，轉(zhuǎn)速越高，燃燒對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角越大，結(jié)果燃燒溫度降低，故NOx排放低。（1）濃混合氣時：（2）稀混合氣時：第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日5、工況工況（km/h）排放量怠速0定速40加速0→40減速40→0CO(%)4.0-10.00.5-1.00.7-5.01.5-4.5HC(10-6)300-2000200-400300-6001000-3000NOx(10-6)50-1001000-30001000-40005-50第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日6、廢氣再循環(huán)（EGR率）EGR率與排放的關(guān)系

EGR率高，對降低NOx有利，但過高會影響燃燒，使HC排放和油耗增大。第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、降低排放的措施1、廢氣再循環(huán)EGR目的：引入部分廢氣，降低燃燒溫度（廢氣比熱容大）和氧的濃度，抑制NOx的生成。需要注意事項：EGR率過大，影響燃燒，使油耗和HC排放增大；EGR率過小，NOx抑制效果差，且易引發(fā)爆燃等不正常現(xiàn)象。目的：降低CO、HC的排放。2、改善冷起動、暖機和怠速提高點火能量、增大起動機功率、采用進氣加熱、提高怠速轉(zhuǎn)速等。措施：第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日3、合理選擇壓縮比目的：提高壓縮終了溫度，降低冷激效應(yīng)，改善經(jīng)濟性和HC、CO的排放。需要注意事項：壓縮大，燃燒溫度高，NOx排放高的同時易引發(fā)爆燃，故需與EGR、點火提前角控制相結(jié)合。措施：采用緊湊燃燒室，減少縫隙容積和燃燒室表面積，合理選擇火花塞位置，并適當組織進氣運動，加速燃燒，降低HC和CO的排放。4、改善燃燒系統(tǒng)需要注意事項：加速燃燒會使燃燒溫度升高，對抑制NOx不利，必須與其它控制措施結(jié)合。第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日5、改善換氣過程采用多氣門結(jié)構(gòu)、進氣增壓和合理的氣門相位（如可變氣門升程和正時），改善燃燒，減少油耗和HC排放。降低油耗和NOx的排放。7、采用稀薄燃燒技術(shù)6、采用電控燃油技術(shù)8、提高燃油品質(zhì)9、采用曲軸強制通風實現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制。第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日10、采用燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（活性碳罐）第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日11、安裝三元催化器（TWC）全面降低HC、CO和NOx的排放。為了取得好的轉(zhuǎn)化效果，需要與氧傳感器配合（理論空燃比），并防止三元催化中毒（鉛、硫）。目的：需要注意事項：第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日第3節(jié)影響柴油機排放的主要因素及控制一、影響因素1、混合氣成分過量空氣系數(shù)對柴油機排放的影響過量空氣系數(shù)大，HC、CO和R（碳煙）的排放低。噴油時間長，后燃嚴重，使CO、HC和R（碳煙）排放增多；同時由于燃燒溫度高，NOx排放也高。（1）中、小負荷（2）滿負荷第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、噴油提前角噴油提前角對排放的影響

延遲噴油（減小噴油提前角）時，可以降低最高燃燒溫度，抑制NOx生成；但會使后燃嚴重，不僅提高油耗，還會使碳煙（R）排放增加。1、廢氣渦輪增壓與中冷目的：提高進氣量，使燃燒充分，降低CO、HC和碳煙。需要注意事項：二、降低排放的措施增壓會使燃燒溫度提高，增加NOx的排放，故需與中冷技術(shù)配合使用，全面降低碳煙和NOx。第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、改進進氣系統(tǒng)措施：

降低進氣阻力，增加進氣充量，并組織適當渦流，改善混合和燃燒，降低CO、HC和碳煙的排放。需要注意事項：過強的氣流運動會降低進氣充量，使碳煙增加，并影響動力性與經(jīng)濟性。3、改進噴油系統(tǒng)通過減少噴油器壓力室容積，提高噴射壓力，減少噴孔直徑，增加噴孔數(shù)量，采用高壓共軌噴射等措施來改善噴射和霧化，降低HC、碳煙和油耗。需要注意事項：燃燒加速會使燃燒溫度增大，NOx排放增加。措施：第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日4、改進燃燒系統(tǒng)采用大的燃燒室容積比、大的S/D、大的燃燒室口徑比（dk/D）和縮口型燃燒室，提高空氣利用率，降低碳煙和油耗。5、提高壓縮比提高壓縮，不僅可以提高動力性、經(jīng)濟性，降低CO、HC和碳煙的排放；但會因燃燒溫度的提高使NOx排放增加。6、廢氣再循環(huán)采用EGR，抑制NOx的生成。但需要根據(jù)不同工況對EGR率進行控制（一般來說，柴油機的EGR率可較汽油機大）。第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日7、減少氣缸機