發(fā)動(dòng)機(jī)原理B-第九章發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染與噪聲控制-2012

發(fā)動(dòng)機(jī)原理B-第九章發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染與噪聲控制-2012第一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理2目錄緒論第一章發(fā)動(dòng)機(jī)的性能第二章發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程第三章燃料與燃燒第四章汽油機(jī)混合氣的形成和燃燒第五章柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒第六章發(fā)動(dòng)機(jī)的特性第七章發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射（EFI）第八章發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓第九章排氣污染及控制第二頁，共111頁。第九章排氣污染及控制發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行動(dòng)力輸出的同時(shí)，也產(chǎn)生了有害氣體、微粒、噪聲等污染。發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣污染已經(jīng)成為地球環(huán)境的主要污染源，因此世界各國和地區(qū)都制定了日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，對發(fā)動(dòng)機(jī)的排放進(jìn)行控制。9.1發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染概述9.2汽油機(jī)有害排放物的生成機(jī)理和影響因素9.3汽油機(jī)有害排放物控制技術(shù)9.4柴油機(jī)有害排放物的生成機(jī)理和影響因素9.5柴油機(jī)有害排放物控制技術(shù)9.6排放法規(guī)與試驗(yàn)方法9.7發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及其控制第三頁，共111頁。第一節(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染概述第四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理59.1發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染概述以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的汽車是城市大氣污染的主要來源。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要有害排放污染物包括一氧化碳CO、碳?xì)浠衔颒C、氮氧化物NOx、微粒和硫化物等。據(jù)世界一些主要大城市的統(tǒng)計(jì)表明，在未治理前，汽車排放中的主要有害成分占城市大氣該污染物總量中的比例很高：COHCNOX88-99%63-95%31-53%第五頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理6一氧化碳CO排放一氧化碳CO主要是在缺氧環(huán)境下的不完全燃燒產(chǎn)物，是一種無色無臭無味的氣體。一氧化碳CO被人體大量吸入之后會(huì)使人發(fā)生惡心、頭暈、疲勞癥狀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使人窒息死亡。CO和血液中輸送氧的載體血紅蛋白的親和力是氧的240倍，人體吸入微量，將破壞造血功能，呈中毒癥狀；吸入含體積濃度0.3％的CO氣體，則可在30min內(nèi)使人致命。第六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理7碳?xì)浠衔颒C排放HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解產(chǎn)物和部分氧化產(chǎn)物。HC中的大部分對人體健康不產(chǎn)生直接影響，但其中的某些醛類和多環(huán)芳香烴對人體有嚴(yán)重危害。HC可在陽光作用下與NOX進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，形成一種毒性較大的光化學(xué)煙霧。其中最主要的生成物是臭氧O3，它具有很強(qiáng)的氧化力和特殊的臭味。光化學(xué)煙霧指HC和NOX在陽光作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成的刺激性產(chǎn)物。第七頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理8氮氧化物NOX排放NOX主要是指NO和NO2，一般用NOX表示。發(fā)生在與燃料燃燒反應(yīng)相伴的高溫與富氧的環(huán)境中。NO是一種無色無味的氣體，稍溶于水，一般空氣中的NO對人體無害，但NO在大氣中緩慢氧化形成NO2。NO2是褐色有刺激性的氣體，具有腐蝕性和生理刺激作用，對肺和心肌有很強(qiáng)的毒害作用。還能降低遠(yuǎn)方物體的亮度和反差，是形成光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)。NOX是在地面附近形成光化煙霧的主要因素之一。第八頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理9微粒（PM）排放一般概念中的微粒是指空氣中分散的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，其粒度在分子級，即直徑在0.0002-500微米之間，包括氣溶膠、煙、塵、霧和炭煙等。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的微粒是指經(jīng)空氣稀釋后的排氣，它是在低于52℃溫度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維濾紙上沉積的除水以外的物質(zhì)，如柴油機(jī)的碳煙粒子，汽油機(jī)的鉛及硫酸鹽等。微粒物對人的呼吸系統(tǒng)的有影響，并影響城市空氣質(zhì)量，如：PM2.5，使可見度降低，易引發(fā)交通事故。第九頁，共111頁。第二節(jié)汽油機(jī)有害排放物的生成機(jī)理和影響因素第十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理11一、CO的生成機(jī)理一氧化碳（CO）是碳?xì)淙剂显谌紵^程中生成的重要的中間產(chǎn)物。CO生成的機(jī)理比較復(fù)雜，但一般認(rèn)為，燃料分子（RH）經(jīng)高溫氧化生成CO要經(jīng)歷如下步驟：RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO這里R代表碳?xì)涓?。CO在火焰中及火焰后，以緩慢的速率氧化成CO2。CO的生成受混合氣濃度的影響。第十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理12二、HC的生成機(jī)理未燃碳?xì)浠衔铮℉C）的生成與排出有三個(gè)渠道：發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排出：占6O％以上曲軸箱竄氣：占25％從油箱、化油器等處油的蒸汽泄漏：占15％～20％左右燃燒過程中HC生成的主要途徑1）縫隙效應(yīng)（主要來源）2）壁面激冷與淬熄3）潤滑油膜吸附4）減速及怠速工況第十二頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理13三、NOX的生成機(jī)理發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氮氧化物（NOX）主要是NO，NO2排出量較少。NO的產(chǎn)生：可以認(rèn)為，氮的氧化反應(yīng)發(fā)生在燃料燃燒反應(yīng)所形成的環(huán)境中，其主導(dǎo)反應(yīng)過程是：O＋N2NO＋NN＋O2NO＋O促使NOX生成的因素（1）高溫（2）富氧（3）充足的反應(yīng)時(shí)間第十三頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理14四、影響因素1.混合氣成分混合氣成分是影響排放的最主要的因素。CO隨著空燃比A/F增加，CO濃度逐漸下降；在大于理論A/F以后，CO濃度很低。NOx兩頭低，中間高；峰值出現(xiàn)在理論A/F靠稀的一側(cè)。HC則是兩頭高，中間低。當(dāng)濃混合氣逐漸變稀，在縫隙容積與激冷層中混合氣燃料比例減少，因此HC量減少。處于最佳燃燒的A/F范圍內(nèi)，HC及油耗均為最低。但當(dāng)混合氣過稀，燃燒因而失火，致使HC及油耗又重新回升。

第十四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理152.點(diǎn)火時(shí)刻（點(diǎn)火提前角）減少點(diǎn)火提前角對降低NO及HC均有利，但以犧牲動(dòng)力性為代價(jià)

減小點(diǎn)火提前角，不僅降低燃燒最高溫度、減少燃燒反應(yīng)滯留時(shí)間，對降低NO十分有利；點(diǎn)火推遲，膨脹時(shí)的溫度及排氣溫度均上升，這對降低HC也很有利。第十五頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理163.吸入廢氣量(EGR)EGR可以抑制燃燒的最高溫度，有利于抑制NO的生成。但燃燒的有效性降低，動(dòng)力性變差。第十六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理17從汽油機(jī)排放特性圖看出，對于不同的運(yùn)行工況，各種有害排放物的差異很大。怠速與減速工況，是HC生成的主要工況。在怠速工況下，燃燒環(huán)境溫度比較低，缸內(nèi)殘余廢氣量比較大，混合氣比較濃，致使燃燒惡化，HC排放濃度增加；在減速工況下，很高的進(jìn)氣管真空度使進(jìn)氣管內(nèi)沉積的燃料油膜大量蒸發(fā)，這是HC增加的重要原因。4.發(fā)動(dòng)機(jī)工況第十七頁，共111頁。第三節(jié)汽油機(jī)有害排放物控制技術(shù)第十八頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理199.3汽油機(jī)有害排放物控制技術(shù)控制措施分類1）以降低排放為目標(biāo)，通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程為主的機(jī)內(nèi)處理方法。2）對燃燒排出的有害物，在排氣系統(tǒng)等處進(jìn)行后處理。3）對曲軸箱竄氣或油蒸氣部分進(jìn)行處理。2）、3）又稱為機(jī)外處理方法。第十九頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理20汽油機(jī)凈化系統(tǒng)基本構(gòu)成第二十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理21一、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)（PCV系統(tǒng)）從空氣濾清器引出一股新鮮空氣進(jìn)入曲軸箱，再經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥（PCV閥）把竄入曲軸箱的氣體和空氣的混合氣一起吸入氣缸燒掉。（圖a）當(dāng)竄缸氣體量大于閥門的流通能力時(shí)，曲軸箱中過量的竄氣量將通過空氣濾清器連接管2進(jìn)入空氣濾清器，進(jìn)入氣缸再次燃燒。（圖b）第二十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理22

二、燃油蒸發(fā)凈化裝置常用的是活性炭罐式燃油蒸氣吸附裝置。該系統(tǒng)的主要由止回閥、凈化控制閥、活性炭罐等組成。當(dāng)燃料箱中燃油壓力變高時(shí)，止回閥開啟，蒸發(fā)燃料被活性炭吸附。當(dāng)由吸氣壓力控制的凈化控制閥打開時(shí)，被吸附在活性炭上的燃料蒸氣和經(jīng)過活性炭罐的空氣濾清器的空氣一起被吸入進(jìn)氣系統(tǒng)，再進(jìn)入氣缸燃燒。第二十二頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理23三、廢氣再循環(huán)裝置（EGR）使少量廢氣（5%～20%）再次循環(huán)進(jìn)入氣缸，降低燃燒溫度，可抑制NOx生成。根據(jù)不同工況決定是否采用廢氣再循環(huán)，或確定廢氣再循環(huán)量的多少。在汽油機(jī)暖機(jī)過程中，在怠速及低負(fù)荷及高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速或油門全開時(shí)，一般不進(jìn)行廢氣再循環(huán)，并要求隨著負(fù)荷增加，廢氣再循環(huán)量應(yīng)增加到允許的限度。第二十三頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理24四、汽油機(jī)三元催化轉(zhuǎn)化器1、工作原理2、催化器性能評價(jià)參數(shù)3、催化反應(yīng)條件4、車用三元催化劑的要求5、催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)6、催化器的壽命與失效7、汽油機(jī)排氣后處理之未來圖9-14催化系統(tǒng)構(gòu)成示意圖(a)氧化催化轉(zhuǎn)化器(b)雙床催化轉(zhuǎn)化器(c)單床催化轉(zhuǎn)化器1-混和氣形成裝置2-二次空氣噴射3-HC、CO氧化催化器4-NOx還原催化器5-電控單元6-氧傳感器7-三元催化轉(zhuǎn)化器第二十四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理25HCCONOxH2OCO2N21、工作原理三元催化轉(zhuǎn)換器的作用是把排氣中的CO和HC氧化成CO2，和H2O，把NOx的還原成N2。三元催化轉(zhuǎn)換器又稱三效催化轉(zhuǎn)換器。第二十五頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理262、催化器性能評價(jià)參數(shù)（1）轉(zhuǎn)換效率催化器出、入口濃度分別代表有害氣體（HC、CO、NOx）的濃度。轉(zhuǎn)換效率表示把HC、CO、NOx等有害氣體轉(zhuǎn)換成無害氣體的百分率。轉(zhuǎn)換效率的測定一般在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺或裝車試驗(yàn)中進(jìn)行。第二十六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理27（2）空間速度空間速度SV簡稱空速，主要用于評價(jià)催化器的安裝占用空間的程度。顯然，在同樣的排氣流量下，排氣催化轉(zhuǎn)化器所允許的空速SV越大，催化器的體積就越小?；蛘哒f，SV越小，在同樣的排氣流量下，反應(yīng)氣體在催化器中的停留時(shí)間越長，轉(zhuǎn)換效率越高。2、催化器性能評價(jià)參數(shù)第二十七頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理283、催化反應(yīng)的條件（1）空燃比條件只有在接近理論空燃比的窄狹范圍內(nèi)，對這三種有害成分才有高的轉(zhuǎn)換效率。第二十八頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理29（2）溫度條件一般稱轉(zhuǎn)化效率為50％所對應(yīng)的溫度為催化劑的起燃（Light-off）溫度。3、催化反應(yīng)的條件一般三效催化劑對各種污染物的起燃溫度在220一270℃之間。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)與暖機(jī)時(shí)，催化劑溫度很低，凈化效能很差。用美國測試循環(huán)進(jìn)行測試時(shí)，CO和HC的50％—80％是在冷起動(dòng)后1min內(nèi)排放的。為緩解這個(gè)問題，正在研究用電加熱催化劑加速它在冷起動(dòng)后的起燃或采用緊耦型催化器。第二十九頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理304、車用三效催化劑的要求起燃溫度低；有較高的儲氧能力，以補(bǔ)償空燃比的波動(dòng)；耐高溫，不易熱老化；對雜質(zhì)不敏感，不易中毒；盡量不產(chǎn)生H2S、NH3等物質(zhì)；成本合理。第三十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理31第一代：陶瓷顆粒式第二代：陶瓷蜂窩式（整體式，超薄壁多目化，1200目/in2）第三代：金屬蜂窩式第四代：熱管式（快速起燃）5、催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)第三十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理32

催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)（整體式與顆粒式）第三十二頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理33載體與催化劑貴金屬Pt,Rh,Pd氧化鋁助催化劑催化劑涂層載體第三十三頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理34

載體：由于汽車尾氣凈化用的催化劑價(jià)格比較昂貴，故催化劑一般都涂抹在稱之為載體的物體上，使催化劑成為具有保持有催化作用的催化劑層。陶瓷載體：堇青石金屬載體：一般用厚度不超過0.1mm的極薄不銹鋼帶，一層帶波紋一層不帶波紋地交替疊合，卷成螺線形或S形，焊裝在金屬圓筒內(nèi)。載體技術(shù)第三十四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理35載體技術(shù)——金屬載體優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，熱容量小，有利于提高內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)時(shí)的凈化效果；機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高，工作可靠；和排出氣體的接觸幾何表面積大，有利于催化反應(yīng)；流通阻力小，對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響小；缺點(diǎn)：質(zhì)量大，成本高，涂敷活性層困難。一般做成小的，安裝在陶瓷主催化轉(zhuǎn)化器前，用來改善冷起動(dòng)凈化性能，或用于振動(dòng)較大的場合，如摩托車。第三十五頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理36催化劑三效催化劑的主要活性材料是貴金屬鉑Pt和銠Rh。Pt主要催化CO和HC的氧化反應(yīng)，Rh催化NOx的還原反應(yīng)。一般貴金屬的用量為每升載體1g，Pt/Rh比為5:1左右。由于Pt很貴，也有研究用鈀Pd部分或全部代替Pt。鈀Pd的氧化活性不錯(cuò)，但其晶體結(jié)構(gòu)容易容納雜質(zhì)，易受雜質(zhì)中毒。為了改善三效催化劑的性能，除了氧化鋁和貴金屬外，三效催化劑中還可能含有各種各樣的添加劑或助催化劑，如鎳Ni、鈰Ce、鑭La、鋇Ba、鋯Zr、鐵Fe和硅Si等。它們起多種多樣的作用，如加強(qiáng)催化活性、穩(wěn)定載體以及防止貴金屬燒結(jié)等。第三十六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理376、催化器的壽命與失效催化轉(zhuǎn)換器一般要求壽命在10萬km以上。貴金屬催化劑報(bào)廢后，貴金屬可以回收再用。.催化轉(zhuǎn)化器老化失效形式：化學(xué)老化熱老化積垢老化機(jī)械老化中毒：不可逆吸附或發(fā)生表面反應(yīng)抑制：毒物的競爭可逆吸附毒物導(dǎo)致催化劑表面重構(gòu)發(fā)生載體孔結(jié)構(gòu)的阻塞活性組分的燒結(jié)形成合金載體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化貴金屬-賤金屬的相互作用貴金屬表面重組貴金屬揮發(fā)碳沉積（結(jié)碳）熱沖擊磨損機(jī)械破壞第三十七頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理387、汽油機(jī)排氣后處理之未來快速起燃技術(shù)—電加熱催化轉(zhuǎn)換器（EHC）—緊耦合型催化轉(zhuǎn)換器（CCC）—歧管式催化轉(zhuǎn)換器第三十八頁，共111頁。第四節(jié)柴油機(jī)有害排放物的生成機(jī)理和影響因素第三十九頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理40一、柴油機(jī)中的主要污染物1、主要成分：柴油機(jī)排氣的有害成分主要有CO、HC、NOX、硫化物以及顆粒物（或稱微粒物）等。2、特性：由于柴油機(jī)使用的混合氣的平均空燃比較理論空燃比大，所以：（1）CO及HC排放明顯低于汽油機(jī)（2）柴油機(jī)NO的排放幾乎與汽油機(jī)相當(dāng)（3）顆粒物排量遠(yuǎn)高于汽油機(jī)（4）柴油機(jī)的排放特性與燃燒室的形式等有很大關(guān)系，特別是直噴式與間接噴射式柴油機(jī)的排放有較大的不同。渦流燃燒室柴油機(jī)的NO、CO、HC和煙度普遍低于直噴式柴油機(jī)，特別是NOX排放濃度一般比直噴式柴油機(jī)的低1／3～1／2。第四十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理41二、CO的生成機(jī)理柴油機(jī)總是在稀混合氣下運(yùn)轉(zhuǎn)(指平均過量空氣系數(shù)大于1)，CO排放量要比點(diǎn)燃機(jī)低得多，只有在負(fù)荷很大接近冒煙界限時(shí)才急劇增加。低負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度低，部分燃油難以氧化形成CO2，主要在稀燃火焰熄滅區(qū)及稀燃火焰區(qū)的交界面上生成CO；高負(fù)荷時(shí)，在油束心部、油束尾部及后噴部，因局部缺氧而產(chǎn)生CO。圖9-8油束各區(qū)的燃燒情況1-稀燃火焰熄滅區(qū)2-稀燃火焰區(qū)3-油束心部4-油束尾部和后噴區(qū)第四十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理42三、HC的生成機(jī)理柴油機(jī)與汽油機(jī)相比燃油中含有高沸點(diǎn)（高相對分子質(zhì)量）的碳?xì)浠衔锍煞?。由于在燃燒過程油注中大量的燃油化合物發(fā)生高溫分解，因此柴油機(jī)排出的碳?xì)浠衔锏某煞忠绕蜋C(jī)中的復(fù)雜。在柴油機(jī)中，燃燒進(jìn)行的同時(shí)，發(fā)生著燃油的蒸發(fā)，燃料與空氣、燃燒產(chǎn)物與未燃?xì)怏w的混合，這就使HC化合物的產(chǎn)生變得非常復(fù)雜。一般認(rèn)為柴油機(jī)中HC排放物的產(chǎn)生主要有兩種途徑：在低負(fù)荷時(shí)，由于噴油量少，混合氣稀，缸內(nèi)溫度低，HC主要產(chǎn)生在稀燃火焰熄滅區(qū)；在高負(fù)荷時(shí)，混合氣濃，HC主要產(chǎn)生在油束心部、油束尾部和后噴部及壁面油膜處。

第四十二頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理43三、HC的生成機(jī)理第四十三頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理44四、NOx的生成機(jī)理NOx在燃燒完全、供氧充分及溫度較高的稀燃火焰區(qū)及油束心部產(chǎn)生較多。圖9-8油束各區(qū)的燃燒情況1-稀燃火焰熄滅區(qū)2-稀燃火焰區(qū)3-油束心部4-油束尾部和后噴區(qū)第四十四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理45第四十五頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理46圖中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取自直噴式柴油機(jī)（缸徑95mm、沖程110mm）活塞頂邊緣附近測量結(jié)果。在燃燒開始以后，測量點(diǎn)的NO含量開始上升，當(dāng)燃?xì)猱?dāng)量比由富油轉(zhuǎn)變?yōu)樨氂停ù藭r(shí)CO濃度達(dá)最大值），NO含量達(dá)到最高點(diǎn)。當(dāng)活塞頂燃燒室里NO含量達(dá)最大值時(shí)（上止點(diǎn)后15oCA），火焰已傳播到燃燒室內(nèi)大部分空間，隨后燃?xì)庖蚺c過量空氣混合而變稀，NO含量也隨著稀釋作用的發(fā)生，形成速度變緩而下降。第四十六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理47五、微粒的生成機(jī)理柴油機(jī)排氣中微粒的主要成分是碳煙粒子。首先燃料分子在高溫中裂解或氧化裂解，生成乙炔，接著形成碳煙核心，以上為成核階段，成核后同時(shí)經(jīng)歷表面增長和凝聚兩個(gè)過程。當(dāng)碳煙粒子長大到某一尺寸時(shí)，增長速度急劇下降。以后便以集聚方式形成鏈狀結(jié)構(gòu)物。從核的萌發(fā)到成長、集聚這一系列生成過程，都伴隨著碳煙的氧化。因此，排氣管排出的碳煙濃度是碳煙生成和氧化相競爭的結(jié)果。第四十七頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理48六、影響因素--混合氣成分從宏觀上講，柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中總有一定數(shù)量的過量空氣，加上柴油蒸發(fā)性比汽油小，因此柴油機(jī)的HC及CO排放濃度一般比汽油機(jī)低得多。但在接近滿負(fù)荷時(shí)（A／F減?。?，CO濃度驟增。NO生成率最高處仍出現(xiàn)在油量較大的高負(fù)荷工況。與汽油機(jī)不同的是，柴油機(jī)NO2的生成濃度較高。NO2濃度隨A／F增加而減少。柴油機(jī)排氣中有碳煙排出，隨著混合氣變濃，排煙濃度增多。第四十八頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理49影響因素--噴油時(shí)刻延遲噴油是降低NOx的主要措施之一。為了在延遲噴油以后燃燒不致惡化，加強(qiáng)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)混合氣形成、提高噴油速率以及改善噴霧質(zhì)量是很有必要的。延遲噴油的同時(shí)提高噴油速率，要比單純延遲噴油定時(shí)的效果好。第四十九頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理50影響因素--燃燒室類型第五十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理51第五十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理52第五十二頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理53由排放特性可知：分隔式燃燒室生成的NOx、CO、HC和碳煙的排放濃度均低于直噴式的，特別是NOx排放濃度一般比直噴式燃燒室的低50％左右。原因：這種燃燒室的燃燒及排放物的生成分兩個(gè)階段進(jìn)行。在噴油開始和燃燒初期，副燃燒室的空燃比較小，氧濃度較低，燃料不可能燃燒完全，從而形成較多的CO及未燃烴。副燃燒室在著火后溫度較高，但氧濃度低，對生成NOx仍有不利的影響。主燃燒室內(nèi)有充足的新鮮空氣，使來自副燃燒室的CO及HC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NOx的生成。第五十三頁，共111頁。第五節(jié)柴油機(jī)有害排放物

控制技術(shù)第五十四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理55一、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化措施

燃燒過程的優(yōu)化措施優(yōu)化增壓和增壓中冷降低機(jī)油消耗量優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻低含硫燃油減少噴嘴壓力室容積預(yù)噴射燃油

第五十五頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理56

1、燃燒過程的優(yōu)化措施

采用可變定時(shí)的高效燃油噴射系統(tǒng)

低渦流燃燒過程可變渦流的4氣門機(jī)構(gòu)優(yōu)化噴油規(guī)律排氣再循環(huán)（EGR）噴水第五十六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理57

2、優(yōu)化增壓和增壓中冷

除了優(yōu)化燃燒的措施外，為滿足現(xiàn)代載重汽車的排放要求，采用增壓系統(tǒng)也是很重要的。很早人們就得知采用提高充氣效率的增壓措施，結(jié)合有效的增壓空氣中冷，可達(dá)到節(jié)省燃油耗，同時(shí)降低有害物排放的目的。因而近年的柴油機(jī)幾乎全部采用增壓中冷，這就是一個(gè)明顯的例證。

第五十七頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理583、降低機(jī)油消耗量

除了上述優(yōu)化燃燒過程以降低顆粒排放和氮氧化物排放措施外，降低機(jī)油耗對滿足低顆粒排放限值也是很重要的。若對滿足美國1991年排放限值發(fā)動(dòng)機(jī)總的顆粒排放進(jìn)行分析，則可發(fā)現(xiàn)總的顆粒排放量中，約有25％來自機(jī)油，含硫部分占15％。自1994年起美國燃油含硫量降低到0.05％

，因此含硫量顯著下降，顯然顆粒排放控制的重點(diǎn)必須放在降低機(jī)油顆粒上。為滿足美國94年法規(guī)限值，顆粒物排放中機(jī)油顆粒約為0.014g/（kW·h）。第五十八頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理59

4、優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻

為滿足低氮氧化物排放限值的另一個(gè)不可忽視的方面就是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和缸蓋的冷卻邊界條件。這方面的試驗(yàn)表明：在不改變?nèi)紵倪吔鐥l件下，優(yōu)化冷卻后，氮氧化物排放下降15％，其中絕大部分是由于加強(qiáng)缸套冷卻所得到的（下降約占10％），而缸蓋溫度下降只能使氮氧化物下降5％。

圖4—33所示為噴油定時(shí)、增壓空氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)零件溫度變化對顆粒和氮氧化物排放的影響?？梢婎w粒和氮氧化物排放性能相互矛盾，零件溫度變化和增壓空氣溫度變化所產(chǎn)生的影響基本一致?？傊?，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻對降低排放具有明顯的意義。

第五十九頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理60第六十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理61

5、低含硫燃油確保顆粒排放降低的基本前提是采用高十六烷值和低含硫量的燃油。特別是采用氧化催化器在高負(fù)荷工況進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，低含硫量的燃油對降低排放更具有關(guān)鍵的意義。第六十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理62

6、減少噴嘴壓力室容積噴嘴壓力室容積中的燃油在燃燒后期，受熱膨脹后，有可能滴漏入燃燒室中，此時(shí)油滴不能完全燃燒，HC排放量會(huì)增加，因此應(yīng)盡可能減少這一容積。圖4-35a所示為通常的壓力室容積，圖4-35b所示的是減小容積的噴嘴結(jié)構(gòu)。底特律柴油機(jī)公司的試驗(yàn)表明，壓力室容積愈小，HC排放濃度愈低。圖4-36為HC的排放濃度隨壓力室室容積的變化，曲線1、2、3、4依次表示壓力室容積3.5mm3、0.7mm3、0.5mm3和無壓力室容積時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。圖a的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為2100r／min，圖b的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1200r／min。可見，當(dāng)壓力室容積由3.5mm3減少到0.5mm3時(shí)，HC含量可降低75％以上。另外，對燃油經(jīng)濟(jì)性、排煙及NO也沒有不良的影響。

第六十二頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理63第六十三頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理64

7、預(yù)噴射燃油

里卡圖公司在單缸ω形燃燒室柴油機(jī)上，采用雙泵噴射系統(tǒng)的試驗(yàn)表明，在上止點(diǎn)前45°預(yù)噴10％～15％的循環(huán)供油量，能較好地降低NO量。向進(jìn)氣管預(yù)噴部分輕質(zhì)油或柴油，亦可降低排氣煙度及NO排放量圖4-37所示的為在直噴柴油機(jī)上向進(jìn)氣管預(yù)噴柴油的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)表明，要嚴(yán)格控制噴量及預(yù)噴時(shí)間，方能取得降低排放的效果?？梢?，缸內(nèi)預(yù)噴燃油的排放比進(jìn)氣管預(yù)噴燃油時(shí)的排放高，但發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力較高

第六十四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理65不同國家不同排放標(biāo)準(zhǔn)下對于柴油機(jī)的應(yīng)對措施

柴油機(jī)排放綜合控制技術(shù)（DPF+SCR）FUELTIMELINE2005:EUULSD50ppmS2005:JapanULSD50ppmS2006:EPA/CARBULSD15ppmS2007:USNon-roadLSD500ppmS2009:EUSULSD10ppmS2010:USNon-roadULSD15ppmS(2000)(2005)(2008)China2010China2007Nothing,orDOCtocontrolodorDOC+DPF+FBC,orDOC+CDPF,orDOC,SCRDOC+CDPFDOC+CDPF+SCR第六十五頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理66三、柴油機(jī)排氣微粒捕集器（DPF）DPF主要用于凈化柴油機(jī)排氣中的微粒。目前正在開發(fā)的DPF有體積型和表面型兩大類，前者被捕集的微粒沉積在過濾材料體內(nèi)，后者則大部分沉積在表面上。體積型DPF的濾芯用泡沫陶瓷、鋼絲棉或陶瓷纖維筒等較疏松的材料制成。它們受熱均勻，在熱再生過程中不易損壞，但捕集效率不高，一般在50％一70％之間，特別在氣流速度較高時(shí)效率下降；另一個(gè)缺點(diǎn)是阻力大，因而緊湊性不好。表面型DPF主要用與汽油機(jī)三效催化劑整體蜂窩陶瓷載體類似的堇青石蜂窩陶瓷塊作為濾芯。柴油機(jī)微粒再生技術(shù)是DPF應(yīng)用的關(guān)鍵。第六十六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理67主要內(nèi)容1、微粒捕集器的結(jié)構(gòu)原理2、微粒捕集器的再生方法3、柴油機(jī)排氣后處理之未來第六十七頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理681、微粒捕集器的結(jié)構(gòu)原理-體積型第六十八頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理69微粒捕集器的結(jié)構(gòu)原理-表面型第六十九頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理70第七十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理71典型的微粒捕集裝置OutletSectionFilterSectionCatalystSectionInletSectionV-Clamps第七十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理72微粒捕集系統(tǒng)車載安裝圖CRTbehindheatshieldInlettoCRTTemperatureandBackpressureportfordatacollectionDDECTemperaturePortOutletofCRT第七十二頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理73試驗(yàn)后的微粒捕集器進(jìn)口出口第七十三頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理74試驗(yàn)后微粒捕集器外殼進(jìn)口部分出口部分第七十四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理75l噴油助燃再生l電加熱再生l微波加熱再生l催化再生l連續(xù)再生l添加劑再生l進(jìn)氣節(jié)流再生l排氣節(jié)流再生l后燃再生l逆向噴氣再生l機(jī)械振動(dòng)再生利用外部熱源再生（主動(dòng)再生）降低微?；罨茉偕ū粍?dòng)再生）利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱能再生（主動(dòng)再生）非加熱機(jī)械式再生（主動(dòng)再生）再生方法2、微粒捕集器的再生方法第七十五頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理76陶瓷纖維纏繞微粒捕集及催化再生過程第七十六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理77電加熱再生第七十七頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理78噴油助燃再生第七十八頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理79微波加熱再生第七十九頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理80柴油機(jī)排放控制的技術(shù)趨勢是：先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)（電控柴油噴射技術(shù)、高壓共軌系統(tǒng)、增壓中冷技術(shù)、帶冷卻的EGR等）先進(jìn)排氣后處理技術(shù)（FBC、DOC、DPF、CDPF、CSF、SCR、LNC、LNT等）柴油品質(zhì)保證（低硫、超低硫柴油）第八十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理81壁流陶瓷捕集器的進(jìn)一步研究增加捕集容量、延長再生周期3、柴油機(jī)排氣后處理之未來第八十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理82過流式微粒捕集原理減小捕集量，延長使用時(shí)間第八十二頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理83Pt催化劑DPF發(fā)動(dòng)機(jī)排氣凈化后排氣NO+O2→NO2C+NO2→CO2+N2C+O2→CO2InletSectionCatalystSectionFilterSectionOutletSectionHoneycombCatalystWall-flowFilter連續(xù)再生捕集器（CRT）第八十三頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理84柴油機(jī)排氣四效凈化技術(shù)第八十四頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理85HSOVurea(NH2)2COExhaustGasHydrolysisCatalyst(H)(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2SCRCatalyst(S)4NH3+4NO+O24N2+6H2O2NH3+NO+NO22N2+3H2O8NH3+6NO27N2+12H2OOxidationCatalyst(O)4NH3+3O22N2+6H2OOxidationCatalyst(V)2NO+O22NO24HC+3O22CO2+2H2O2CO+O22CO2第八十五頁，共111頁。第六節(jié)

排放法規(guī)與試驗(yàn)方法

第八十六頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理876.排放法規(guī)與試驗(yàn)方法世界的汽車排放法規(guī)大致可以分為三大體系，即：歐洲體系、美國體系和日本體系，我國結(jié)合自己的國情，參照執(zhí)行的是歐洲體系。我國的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)

從無到有1981年開始制定標(biāo)準(zhǔn)從松到嚴(yán)怠速法到工況法，限值加嚴(yán)結(jié)合國情工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)（油品、制造）爭取同步8年—5年，北京奧運(yùn)第八十七頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理88現(xiàn)行的國家排放標(biāo)準(zhǔn)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》GB18352.3-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》GB17691-2005現(xiàn)行的在用汽車排放標(biāo)準(zhǔn)

《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣煙度排放限值及測量方法》GB3847-2005《點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）》GB18285—2005第八十八頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理89我國的汽車排氣污染物試驗(yàn)規(guī)范怠速法怠速測量法

雙怠速排放測量法

工況法ECE+EUDC簡易工況法煙度法柴油機(jī)全負(fù)荷煙度試驗(yàn)規(guī)范（穩(wěn)態(tài)）

非穩(wěn)態(tài)煙度測量（自由加速法和控制加速法）第八十九頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理90

第一部分（ECE），試驗(yàn)時(shí)需運(yùn)行4個(gè)循環(huán)，總時(shí)間為13min。每循環(huán)持續(xù)時(shí)間為195s，總里程為4.052km，每循環(huán)里程為1.013km，平均車速為18.7km／h（不包括怠速時(shí)為27.01km／h）最高車速為50km／h，怠速時(shí)間占31％。第二部分為附加的市區(qū)行駛工況（EUDC），總時(shí)間為1220s，試驗(yàn)里程為11.007km，平均速度為32.5km／h（不包括怠速時(shí)為42.6km／h），最高車速為120k／h，怠速時(shí)間占26.2％。取樣開始時(shí)刻為試驗(yàn)開始40s后。歐3（2000年）改為啟動(dòng)后即取樣。增加了-7℃下的低溫排放試驗(yàn)第九十頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理91歐盟的排放標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)規(guī)范歐盟的排放標(biāo)準(zhǔn)歐Ⅰ1992年國Ⅰ2000年歐Ⅱ1996年國Ⅱ2004年歐Ⅲ2000年國Ⅲ2007年歐Ⅳ2005年國Ⅳ2010年歐Ⅴ2009年國Ⅴ？歐Ⅵ2014年國Ⅵ？第九十一頁，共111頁。4/18/2023發(fā)動(dòng)機(jī)原理92標(biāo)準(zhǔn)名稱

生效時(shí)間

CO/g.km-1

HC/g.km-1

NOX/g.km-1

NOX+HC/g.km-1

測試規(guī)范

歐洲11992.072.72－

－

0.97ECE+EUDC歐洲21996.012.20－

－

0.50歐洲32000.01①

2.300.200.15－修改試驗(yàn)規(guī)范

2000.01②

2.300.120.15－歐洲42005.01①

2.300.100.08－2005.01②

2.300.100.08－第九十二頁，共111頁。9.7發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及其控制1.發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲概述2.燃燒噪聲3.機(jī)械噪聲4.進(jìn)排氣噪聲第九十三頁，共111頁。1.概述發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和組成固定結(jié)構(gòu)