第八章 發(fā)動(dòng)機(jī)排放與噪聲[課堂講課]

1、第八章發(fā)動(dòng)機(jī)排放與噪聲,1,優(yōu)質(zhì)教資,主要內(nèi)容,第一節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物的生成及危害 第二節(jié) 影響汽油機(jī)有害排放物生成的主要因素 及控制 第三節(jié) 影響柴油機(jī)有害排放物生成的主要因素 第四節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試（自學(xué)） 第五節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲來(lái)源與控制,2,優(yōu)質(zhì)教資,第一節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物的生成及危害,一、發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染的現(xiàn)狀,空氣,恒定成分：氧氣、氮?dú)狻⑾∮袣怏w等 可變成分：二氧化碳、水蒸氣等 不定部分：有害氣體、塵埃等,發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣污染是空氣中不定組分的最主要的來(lái)源，已成為城市污染的首要污染源,3,優(yōu)質(zhì)教資,二、發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的危害,1.一氧化碳CO ： CO是無(wú)色無(wú)臭有窒息性的毒性氣體，由

2、于CO和血液中有輸氧能力的血紅素蛋白(Hb)的親和力比氧氣和Hb的親和力約大300倍，能很快和Hb結(jié)合形成碳氧血紅素蛋白(HbCO)，同時(shí)HbCO的解離速度卻比氧合血紅蛋白的解離慢3600倍，且HbCO的存在影響氧合血紅蛋白的解離,阻礙了氧的釋放,導(dǎo)致低氧血癥,使心臟、頭腦等重要器官嚴(yán)重缺氧，引起頭暈、惡心、頭痛等癥狀，輕度中毒將使中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使心血管官能喪失，直至死亡,4,優(yōu)質(zhì)教資,2.碳?xì)浠衔颒C： HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤(rùn)滑油及其裂解和部分氧化產(chǎn)物，如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數(shù)百種成分。烷烴基本上無(wú)味，對(duì)人體健康不產(chǎn)生直接影響。烯烴略帶甜味，有麻醉作用，

3、對(duì)粘膜有刺激，經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化會(huì)變成對(duì)基因有毒的環(huán)氧衍生物。芳香烴對(duì)血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害，特別是多環(huán)芳香烴(PAH)及其衍生物有強(qiáng)致癌作用。醛類是刺激性物質(zhì)，對(duì)眼、呼吸道、血液有毒害。烴類成分還是引起光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì),5,優(yōu)質(zhì)教資,3.氮氧化物NOx： 氮氧化物是燃燒過(guò)程形成的多種氮氧化物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，總稱為NOx。在內(nèi)燃機(jī)中主要是NO，約占95，其次為NO2，占5。NO是無(wú)色無(wú)味氣體，只有輕度刺激性，毒性不大，高濃度時(shí)會(huì)造成中樞神經(jīng)有輕度障礙，但NO易被氧化成NO2。NO2是一種紅棕色有刺激性氣味的有毒氣體。它對(duì)人體健康的影響見(jiàn)表83。NO2吸人人體后，和血液中血紅素蛋

4、白(Hb)結(jié)合，使血液輸氧能力下降，對(duì)心臟、肝、腎都會(huì)有影響。NO2易溶于水，被人吸入肺部后，能與肺中的水分結(jié)合成稀硝酸，引起支氣管炎、肺氣腫。NO2是地面附近大氣中形成光化學(xué)煙霧的主要因素，也是酸雨的來(lái)源之一,6,優(yōu)質(zhì)教資,4.光化學(xué)煙霧： HC和NOx在太陽(yáng)紫外線作用下會(huì)生成臭氧(O3)和過(guò)氧?；跛猁}(PAN)，即一種具有刺激性的淺藍(lán)色煙霧，稱為光化學(xué)煙霧，它是一種有強(qiáng)刺激性的二次污染物。臭氧對(duì)人體的危害主要表現(xiàn)在刺激和破壞深部呼吸道粘膜和組織，對(duì)眼睛也有刺激,7,優(yōu)質(zhì)教資,5.微粒： 微粒對(duì)人體健康的危害和微粒的大小及其組成有關(guān)。微粒愈小，懸浮在空氣中的時(shí)間愈長(zhǎng)，進(jìn)入人體肺部后停滯在肺

5、部及支氣管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1m(微米，106m)的微粒能在空氣中作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入肺部并附在肺細(xì)胞的組織中，有些還會(huì)被血液吸收。(0.10.5)m微粒能深入肺部并粘附在肺葉表面的粘液中，隨后會(huì)被絨毛所清除。大于5m的微粒常在鼻處受阻，不能深入呼吸道，大于10m的微?？膳懦鲶w外。 微粒能粘附SO2、未燃HC、NO2等有毒物質(zhì)或苯丙芘等致癌物，因而對(duì)人體健康造成更大危害。由于柴油機(jī)的微粒直徑大多小于0.3m，而且數(shù)量比汽油機(jī)高出3060倍，成分更為復(fù)雜，因而柴油機(jī)排出的微粒危害更大,8,優(yōu)質(zhì)教資,三、發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染的生成機(jī)理,1.一氧化碳CO 的生成： 燃料不完全燃燒； 混合氣不

6、均勻； CO2高溫時(shí)裂解,9,優(yōu)質(zhì)教資,2.碳?xì)浠衔颒C的生成： 冷激效應(yīng),10,優(yōu)質(zhì)教資,油膜與沉積物吸附 火焰淬熄 未燃碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?11,優(yōu)質(zhì)教資,3.氮氧化物NOx的生成 溫度超過(guò)2000時(shí)，氧分子會(huì)分解成氧原子，它和氮分子化合生成NO,促使生成NO的因素有三個(gè)： 1.氧的濃度: 氧的濃度低 ， NO生成少 2.溫度：溫度高 氧分解快， NO生成多 3.反應(yīng)滯留時(shí)間：反應(yīng)滯留時(shí)間長(zhǎng) NO生成多,12,優(yōu)質(zhì)教資,4.微粒,在汽油機(jī)中，含鉛汽油中的鉛和汽油中硫造成的硫酸鹽，是排氣微粒的主要成分。如果用無(wú)鉛汽油，加上汽油含硫量一般都很低，可以認(rèn)為汽油機(jī)基本上不排放微粒。 柴油機(jī)的微

7、粒排放量 要比汽油機(jī)大幾十倍。 這種微粒由在燃燒時(shí)生 成的含碳粒子(碳煙)及 其表面上吸附的多種有 機(jī)物組成,圖84燃燒系統(tǒng)中碳煙粒子的形成過(guò)程,13,優(yōu)質(zhì)教資,5.光化學(xué)煙霧 產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的基本條件是大氣中存在一定濃度的HC和NOx(一次有害污染物)，當(dāng)HC的濃度大于NOx濃度的3倍時(shí)，在強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射的誘發(fā)下產(chǎn)生O3和過(guò)氧?；跛猁}(PAN)組成的光化學(xué)煙霧。一般這種二次有害污染物常發(fā)生在夏秋之間，在污染物多、大氣不流暢的大城市或盆地地區(qū)，而且在午后23點(diǎn)鐘，光化學(xué)煙霧濃度最高,14,優(yōu)質(zhì)教資,第二節(jié) 影響汽油機(jī)有害排放物生成的主要因素及控制,一、影響因素： 1. 混合氣成分 處于最佳燃

8、燒的范圍內(nèi)，HC及油耗均為最低,15,優(yōu)質(zhì)教資,2.點(diǎn)火正時(shí),減小點(diǎn)火提前角對(duì)降低HC及NOx均有利，但以犧牲動(dòng)力性為代價(jià),16,優(yōu)質(zhì)教資,3.負(fù)荷,怠速、小負(fù)荷： CO、 HC增多； 中等負(fù)荷： CO、 HC少，NOx多； 滿負(fù)荷： NOx多、 HC少、 CO增加,4.轉(zhuǎn)速,NOx的生成量與混合氣成分有關(guān)，當(dāng)用濃混合氣時(shí)，NOx生成量增加。當(dāng)用稀混合氣時(shí)， NOx生成量減少。 提高怠速轉(zhuǎn)速使混合氣變稀，CO及HC的排放減少,17,優(yōu)質(zhì)教資,5.工況 不同工況由于混合氣濃度不同，有害物的排放量相差很大。 在怠速工況下， HC排放濃度增加. 在減速工況下，HC增加,18,優(yōu)質(zhì)教資,6.廢氣再循環(huán)

9、率,將一部分排氣回送至燃燒室，有利于抑制NOx的生成，動(dòng)力性會(huì)變差,19,優(yōu)質(zhì)教資,二、機(jī)內(nèi)凈化技術(shù) 機(jī)內(nèi)凈化是指改善可燃混合氣的品質(zhì)和燃燒狀況，抑制 有害氣體的產(chǎn)生， 降低排氣中的有害 成分,1.廢氣再循環(huán)裝置 將一部分排氣（520%）引入進(jìn)氣系統(tǒng)，和混合氣一起再進(jìn)入氣缸燃燒,20,優(yōu)質(zhì)教資,2.改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì),冷啟動(dòng)、暖機(jī)和怠速,采用進(jìn)氣自動(dòng)加熱系統(tǒng)； 機(jī)油冷卻器應(yīng)有自動(dòng)控制溫度的裝置 ； 冷卻系統(tǒng)除了用節(jié)溫器控制冷卻液的循環(huán)外，還廣泛應(yīng)用溫控硅油離合器風(fēng)扇或溫控電動(dòng)風(fēng)扇，改善冷卻系對(duì)溫度的適應(yīng)性； 提高怠速轉(zhuǎn)速,壓縮比,在汽油辛烷值允許的前提下盡可能用較高的壓縮比，以獲得較好的功率和油耗

10、指標(biāo)。用電控單元適當(dāng)推遲點(diǎn)火消除爆燃,21,優(yōu)質(zhì)教資,燃燒系統(tǒng),理想的燃燒室形狀應(yīng)是緊湊、表面積小，并帶有一定強(qiáng)度的進(jìn)氣旋流。 火花塞布置在燃燒室中心位置，可使未燃的HC排放物較低。 應(yīng)盡可能使燃燒系統(tǒng)緊湊,22,優(yōu)質(zhì)教資,進(jìn)氣系統(tǒng),采用每缸3、4或5氣門； 采用渦輪增壓代替自然進(jìn)氣。 理想的氣門正時(shí)，應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷而變化，采用可變配氣相位方法； 將進(jìn)氣道設(shè)計(jì)成與氣門正時(shí)協(xié)調(diào)，在進(jìn)氣結(jié)束前瞬間，壓力波峰值到達(dá)進(jìn)氣門。對(duì)排氣道的設(shè)計(jì)也類似,23,優(yōu)質(zhì)教資,活塞組設(shè)計(jì),要在工作可靠的前提下盡量縮小活塞頭部與氣缸的間隙，盡量縮小頂環(huán)到活塞頂?shù)木嚯x,24,優(yōu)質(zhì)教資,分層稀薄燃燒,分隔式燃燒室

11、稀薄燃燒是當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向之一,25,優(yōu)質(zhì)教資,3.電子控制燃油噴射系統(tǒng)EFI,小負(fù)荷時(shí)，提供濃混合氣； 在常用的中等負(fù)荷時(shí)，提供略稀混合氣； 在大負(fù)荷時(shí)，提供濃混合氣,4.提高燃油品質(zhì),提高燃油辛烷值；采用代用燃料,26,優(yōu)質(zhì)教資,三、機(jī)外凈化技術(shù),1.曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)PCV,曲軸箱竄氣是指在壓縮和燃燒過(guò)程中由活塞和氣缸之間的間隙竄入曲軸箱的油氣混合氣和已燃?xì)怏w，并與曲軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油蒸汽混合后，由通風(fēng)口排入大氣的污染氣體,27,優(yōu)質(zhì)教資,新鮮空氣由空濾器進(jìn)入曲軸箱，與竄氣混合后，經(jīng)PCV閥進(jìn)入進(jìn)氣管，與空氣或油氣混合氣一起被吸入氣缸燃燒掉,28,優(yōu)質(zhì)教資,2.燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng),燃油蒸發(fā)

12、是指有油箱和燃油系統(tǒng)管接頭處蒸發(fā)并排向大氣的燃油蒸氣。 活性碳罐式油蒸氣吸附裝置,活性炭罐式油蒸氣吸附裝置,29,優(yōu)質(zhì)教資,3.三元催化轉(zhuǎn)化器TWC,結(jié)構(gòu),30,優(yōu)質(zhì)教資,在過(guò)量空氣系數(shù)=1附近，三效催化劑對(duì)CO、HC和NOX能同時(shí)達(dá)到較好的凈化效果,31,優(yōu)質(zhì)教資,第三節(jié) 影響柴油機(jī)有害排放物生成的主要因素,一、柴油機(jī)燃燒及排放物生成的特點(diǎn),當(dāng)油束噴入有進(jìn)氣渦流的燃燒室中時(shí)，可大致分為稀燃火焰熄滅區(qū)、稀燃火焰區(qū)、油束心部，油束尾部和后噴部以及壁面油膜，從油束邊緣到油束核心部分，局部空燃比可從無(wú)窮大變到零。根據(jù)負(fù)荷不同，各區(qū)排放物生成的性質(zhì)也不一樣,32,優(yōu)質(zhì)教資,根據(jù)負(fù)荷，各區(qū)排放物生成的性

13、質(zhì),未燃HC： 低負(fù)荷時(shí)，主要產(chǎn)生在稀燃火焰熄滅區(qū)； 高負(fù)荷時(shí)，主要產(chǎn)生在油束心部、油束尾部和后噴 部及壁面油膜處。 CO： 低負(fù)荷時(shí)，主要產(chǎn)生在稀燃火焰熄滅區(qū)及稀燃火焰 區(qū)的交界面上； 高負(fù)荷時(shí)，主要產(chǎn)生在油束心部、油束尾部和后噴 部,33,優(yōu)質(zhì)教資,Nox ： 在燃燒完全、供養(yǎng)充分及溫度較高的稀燃火焰區(qū)及油束心部產(chǎn)生較多。 碳煙： 高負(fù)荷時(shí)，在油束心部、油束尾部和后噴部的氧濃度低，氣體溫度高，燃油分子容易發(fā)生高溫裂解而形成碳煙。 醛類： 主要在稀燃火焰熄滅區(qū)，由于低溫氧化而產(chǎn)生醛類中間產(chǎn)物,34,優(yōu)質(zhì)教資,1.混合氣成分,二、影響因素,在接近滿負(fù)荷時(shí)(較小)，CO濃度驟增。 NOx生成率最

14、高處仍出現(xiàn)在油量較大的高負(fù)荷工況。 NOx濃度隨增加而減少。 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,35,優(yōu)質(zhì)教資,2.噴油時(shí)刻,延遲噴油是降低Nox 的主要措施之一,36,優(yōu)質(zhì)教資,三、機(jī)內(nèi)凈化技術(shù),1.增壓中冷技術(shù),將增壓后空氣再進(jìn)行冷卻的中冷技術(shù)，使得進(jìn)氣溫度降低，循環(huán)進(jìn)氣量更大。這樣，增加空燃比改善了柴油機(jī)的燃燒，從而降低了微粒、NOx排放，而且功率進(jìn)一步增加。 增壓中冷柴油機(jī)參數(shù)選配得當(dāng)，則柴油機(jī)大部分性能都會(huì)得到改善,37,優(yōu)質(zhì)教資,改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng),進(jìn)氣組織： 組織一定強(qiáng)度的缸內(nèi)旋流或紊流,38,優(yōu)質(zhì)教資,多氣門： 多氣門能加大循環(huán)充氣量以改善動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性和排放性能,

15、39,優(yōu)質(zhì)教資,改進(jìn)噴油系統(tǒng),高壓噴射 推遲噴油提前角 減小噴孔直徑，增加噴孔數(shù)目 高壓共軌電控燃油噴射,40,優(yōu)質(zhì)教資,改進(jìn)燃燒系統(tǒng),燃燒室容積比：燃燒室容積對(duì)氣缸余隙容積之比。 燃燒室口徑比： 采用較大口徑比的淺平燃燒室，配合小孔徑的多噴孔噴嘴,41,優(yōu)質(zhì)教資,燃燒室形狀,縮口燃燒室已取代應(yīng)用最廣的直邊不縮口燃燒室,用縮口燃燒室加強(qiáng)燃燒室口部的氣體湍流，促進(jìn)擴(kuò)散混合和燃燒。 燃燒室底部中央的凸起適當(dāng)加大，以進(jìn)一步提高空氣的利用率,42,優(yōu)質(zhì)教資,用帶圓角的方形或五瓣梅花形（分別配4孔和5孔噴嘴）代替圓形燃燒室，加強(qiáng)燃燒室中的微觀湍流，加速燃燒，減少碳煙生成,43,優(yōu)質(zhì)教資,適當(dāng)提高柴油機(jī)壓

16、縮比可降低HC和CO排放，并結(jié)合推遲噴油獲得動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能與NOx排放之間較好的折中,適當(dāng)提高壓縮比,44,優(yōu)質(zhì)教資,降低機(jī)油消耗 盡可能減少竄入燃燒室的機(jī)油量； 減少機(jī)油從氣門桿的泄漏。 . 廢氣再循環(huán) 柴油機(jī)可以使用比汽油機(jī)大得多的廢氣再循環(huán)量。 . 提高燃油品質(zhì) 提高柴油的十六烷值,45,優(yōu)質(zhì)教資,四、機(jī)外凈化技術(shù),微粒捕集器 采用過(guò)濾的方法對(duì)柴油機(jī)排氣中的微粒進(jìn)行凈化,46,優(yōu)質(zhì)教資,氧化催化轉(zhuǎn)化器 . NOx還原催化轉(zhuǎn)化器 . 四元催化轉(zhuǎn)化器,47,優(yōu)質(zhì)教資,第四節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試（自學(xué),一、評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)： 排放物體積分?jǐn)?shù)和和質(zhì)量濃度 質(zhì)量排放量（g/h、g/N或g/ ） 比排放量（

17、,二、排放標(biāo)準(zhǔn),48,優(yōu)質(zhì)教資,三、排放物測(cè)定,試驗(yàn)規(guī)范,底盤測(cè)功機(jī),49,優(yōu)質(zhì)教資,2.排氣取樣系統(tǒng),50,優(yōu)質(zhì)教資,3.測(cè)試儀器,不分光紅外線吸收型（NDIR）分析儀： CO，CO2 氫火焰離子型分析儀（FID） ：-HC 化學(xué)發(fā)光法型分析儀（CLD） ：-NOx,51,優(yōu)質(zhì)教資,第五節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲來(lái)源與控制了解,一、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的來(lái)源： 1.燃燒噪聲 燃燒噪聲經(jīng)由兩條路徑傳播并輻射出來(lái)。一條是經(jīng)過(guò)氣缸蓋及氣缸套經(jīng)由氣缸體上部向外輻射；另一條是經(jīng)過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，即活塞、連桿、曲軸和主軸承經(jīng)由氣缸體下部向外輻射。 在功率相同的條件下，柴油機(jī)比汽油機(jī)燃燒噪聲大得多。 汽油機(jī)的爆燃、燃燒室積碳會(huì)使

18、燃燒噪聲增而加。柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速升高，噴油推遲，負(fù)荷增大時(shí)還會(huì)引起工作粗暴產(chǎn)生噪聲。 轉(zhuǎn)速升高，負(fù)荷加大而噪聲增大，點(diǎn)火或噴油推遲噪聲減小，加速和不正常燃燒時(shí)噪聲增大,52,優(yōu)質(zhì)教資,2.機(jī)械噪聲 1）活塞敲缸噪聲 2）配氣機(jī)構(gòu)噪聲 3）正時(shí)齒輪噪聲 4）不平衡慣性力引起的機(jī)械振動(dòng)及噪聲 5）噴油泵及其他機(jī)械噪聲,53,優(yōu)質(zhì)教資,3.進(jìn)、排氣噪聲 進(jìn)排氣噪聲是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)、排氣過(guò)程中，氣體壓力波和氣體流動(dòng)所引起的振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。主要包括吸氣、排氣部位放射出的空氣聲和排氣系統(tǒng)的漏氣聲。 進(jìn)氣噪聲主要包括空氣在進(jìn)氣管中的壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生低頻噪聲；空氣以高速通過(guò)氣門的流通截面，產(chǎn)生高頻的渦流噪聲；增壓內(nèi)燃機(jī)增壓器中壓氣機(jī)的噪聲。 排氣噪聲主要包括：排氣在排氣管中的壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生低、中頻噪聲；排氣門流通截面處的高頻渦流噪聲； 進(jìn)排氣噪聲都隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷狀態(tài)而變化。隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，進(jìn)排氣噪聲增加；隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，進(jìn)排氣噪聲增大。 合理選擇進(jìn)、排氣管，減少壓力脈動(dòng)及渦流強(qiáng)度，并避免發(fā)生共振；采用性能良好的進(jìn)、排氣消聲器,54,優(yōu)質(zhì)教資,4.風(fēng)