第10章 發(fā)動機排放與噪聲(2003版)

1、第三篇第三篇 燃燒與排放燃燒與排放： 介紹有害排放物的危害及生成、影響排放物生成的主要因素與常用的有害排放物控制技術、排放標準與測試技術及發(fā)動機噪音來源與控制方法。： 掌握有害排放物的生成機理，影響因素與控制技術；了解排放標準與測試技術以及發(fā)動機噪聲來源與控制方法。第第1010章章 發(fā)動機排放與噪聲控制發(fā)動機排放與噪聲控制 10.2 影響汽油機有害排放物生成的影響汽油機有害排放物生成的 主要因素及控制主要因素及控制 10.1 發(fā)動機有害排放物的種類與危害發(fā)動機有害排放物的種類與危害10.3 影響柴油機有害排放物生成的影響柴油機有害排放物生成的 主要因素及控制措施主要因素及控制措施10.5發(fā)動機

2、噪聲來源與控制發(fā)動機噪聲來源與控制 1、發(fā)動機排放物的組成、發(fā)動機排放物的組成一氧化碳一氧化碳氮氧化物氮氧化物碳氫化合物碳氫化合物光化學煙霧光化學煙霧微粒微粒一氧化碳是燃料在空氣不足的情況下的燃燒一氧化碳是燃料在空氣不足的情況下的燃燒產物，是發(fā)動機排放中有害濃度最大的成分。產物，是發(fā)動機排放中有害濃度最大的成分。CO 是無色無臭有窒息性的毒性氣體。是無色無臭有窒息性的毒性氣體。 氮氧化物中氮氧化物中最重要的最重要的是是NO和和NO2. 發(fā)動機排放中的氮氧化物是由于燃燒室內發(fā)動機排放中的氮氧化物是由于燃燒室內高溫燃燒而產生的，空氣的氮經過氧化首先高溫燃燒而產生的，空氣的氮經過氧化首先生成生成NO

3、NO，然后與大氣中的氧相遇又成為，然后與大氣中的氧相遇又成為NONO2 2。NONO是無色無味的氣體，只有輕度刺激性，是無色無味的氣體，只有輕度刺激性，毒性不大，高濃度時會造成中樞神經有輕度毒性不大，高濃度時會造成中樞神經有輕度障礙。障礙。 NO2是一種褐色氣體，有特殊刺激性臭味，是是一種褐色氣體，有特殊刺激性臭味，是發(fā)動機排放中惡臭物質之一。它使人中毒的癥發(fā)動機排放中惡臭物質之一。它使人中毒的癥狀是在發(fā)生肺水腫的同時，引起支氣管炎等。狀是在發(fā)生肺水腫的同時，引起支氣管炎等。 碳氫化合物（碳氫化合物（HC）包括未燃和未完全包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧燃燒的燃油、潤滑油及其

4、裂解和部分氧化產物，如烷烴、烯烴、芳香烴、醛等?；a物，如烷烴、烯烴、芳香烴、醛等。 是刺激性物質，對眼、呼吸道、血是刺激性物質，對眼、呼吸道、血液有毒害。液有毒害。 排氣中二氧化硫（SO2）的含量與燃料中的含硫量有關。 SO2對發(fā)動機在使用催化凈化裝置 有破壞作用，降低催化劑的使用壽命。是生成柴油機排氣微粒的原因之一。4. 4.二氧化硫二氧化硫 微粒微粒是指存在于大氣中的，除掉未化合的水以外的是指存在于大氣中的，除掉未化合的水以外的任何分散物質。這種分散物質可能是任何分散物質。這種分散物質可能是固態(tài)的固態(tài)的，也可，也可能是能是液態(tài)的液態(tài)的。 微粒包括微粒包括原始顆粒原始顆粒和和二次顆粒二次顆

5、粒。原始顆粒原始顆粒是指直接是指直接來自發(fā)動機燃燒產物的顆粒。來自發(fā)動機燃燒產物的顆粒。二次顆粒二次顆粒是指在大氣是指在大氣條件下，因氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的各化學反應之間發(fā)條件下，因氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的各化學反應之間發(fā)生化學和物理變化所產生的顆粒。生化學和物理變化所產生的顆粒。和和所排放的顆粒是不同的。所排放的顆粒是不同的。主要是鉛化物、硫酸、硫酸鹽和低分主要是鉛化物、硫酸、硫酸鹽和低分子物質。子物質。的顆粒在數量上要比汽油機多。成分的顆粒在數量上要比汽油機多。成分也復雜。主要有含碳物質（炭煙）和一些有機也復雜。主要有含碳物質（炭煙）和一些有機物。物。臭味是由多種成分引起的，臭味是由多種成分引起的，

6、除除O O3 3和和NONO2 2外，燃料的外，燃料的不完全燃燒產物甲醛、丙烯醛等是有臭味。臭味使不完全燃燒產物甲醛、丙烯醛等是有臭味。臭味使人感覺難受，刺激人的眼睛和黏膜。人感覺難受，刺激人的眼睛和黏膜。 發(fā)動機排放中，氮氧化合物和發(fā)動機排放中，氮氧化合物和HC在太陽在太陽 能的作用下進行光化學反應生成的光化學過能的作用下進行光化學反應生成的光化學過氧化物而形成的煙霧稱為氧化物而形成的煙霧稱為光化學煙霧光化學煙霧。 光化學過氧化物的主要物質是光化學過氧化物的主要物質是臭氧臭氧（O3）. 作為溫室氣體使地球表面溫度升高，即作為溫室氣體使地球表面溫度升高，即所謂的溫室效應。大氣層中所謂的溫室效應

7、。大氣層中COCO2 2層加厚，太陽光層加厚，太陽光照射在地球表面的能量受到照射在地球表面的能量受到COCO2 2層的阻隔難以逸層的阻隔難以逸出，熱量經多年累積使全球氣候變暖，造成全球出，熱量經多年累積使全球氣候變暖，造成全球氣候變化反常。氣候變化反常。發(fā)動機排放主要和混合氣形成、燃燒過發(fā)動機排放主要和混合氣形成、燃燒過程及燃燒結束后的排氣過程中的化學反程及燃燒結束后的排氣過程中的化學反應有關應有關與燃油的蒸發(fā)有關與燃油的蒸發(fā)有關汽油汽油：易揮發(fā)、化學穩(wěn)定性好、著火溫度：易揮發(fā)、化學穩(wěn)定性好、著火溫度高、靠點燃形成火焰核心傳播火焰高、靠點燃形成火焰核心傳播火焰柴油柴油：不易揮發(fā)、著火溫度低、化

8、學穩(wěn)定：不易揮發(fā)、著火溫度低、化學穩(wěn)定性差、易自燃性差、易自燃汽油機和柴油機的燃燒特點不同，污染汽油機和柴油機的燃燒特點不同，污染物生成機理不同物生成機理不同汽油機污染物汽油機污染物：COCO、HCHC、NoxNox柴油機污染物柴油機污染物：NoxNox、微粒、微粒1 1、COCO的生成的生成：汽油機：汽油機：過量空氣系數過量空氣系數 =1=1（空燃比（空燃比 =14.7=14.7），），燃料完全燃燒，生成燃料完全燃燒，生成COCO2 2、H H2 2O O過量空氣系數過量空氣系數 1 1（空燃比（空燃比 14.714.7），燃料），燃料不完全燃燒，生成不完全燃燒，生成COCO過量空氣系數過量

9、空氣系數 1 1 （空燃比（空燃比 14.714.7），），COCO不存在。由于混合不均、燃燒后高溫，排氣中不存在。由于混合不均、燃燒后高溫，排氣中有少量有少量COCO存在存在2 2、氮氧化物的生成、氮氧化物的生成生成生成NONO的因素：的因素：1 1）氧的濃度氧的濃度 高溫條件下，氧的濃度是生高溫條件下，氧的濃度是生成成NONO的重要因素的重要因素2 2）溫度溫度 燃燒放熱集中在上止點附近，燃燃燒放熱集中在上止點附近，燃燒溫度很高，燒溫度很高，NONO生成量愈多。生成量愈多。3 3）反應滯留時間反應滯留時間 燃氣在高溫富氧條件下燃氣在高溫富氧條件下滯留時間長，滯留時間長，NONO生存量增加。

10、生存量增加。3 3、碳氫化合物的生成、碳氫化合物的生成l汽油機汽油機未燃未燃HCHC的生成：的生成：1 1）燃燒生成燃燒生成隨排氣排出隨排氣排出2 2）曲軸箱排放物曲軸箱排放物 燃燒室通過活塞與汽缸間間隙燃燒室通過活塞與汽缸間間隙漏入曲軸箱的竄氣，含大量漏入曲軸箱的竄氣，含大量HCHC3 3）汽油箱、燃油供給系統(tǒng)汽油箱、燃油供給系統(tǒng)等處蒸發(fā)的汽油蒸汽等處蒸發(fā)的汽油蒸汽（1 1）冷激效應）冷激效應 燃燒室壁面對火焰的迅速冷卻（稱為冷激、淬冷）使火焰不能傳播的缸壁表面，在表面上留下薄層未燃燒或不完全燃燒的混合氣。 縫隙效應是冷激效應的主要表現。（2 2）油膜和沉積物吸附）油膜和沉積物吸附 缸套壁面

11、和活塞頂面上的潤滑油膜吸附未燃混合氣的燃油蒸汽，當混合氣燃油濃度因燃燒降到零時，油膜釋放油氣少部分被氧化造成HC排放(3)(3)火焰淬熄火焰淬熄l冷啟動和暖機溫度較低燃油霧化、蒸發(fā)和混合氣形成變差，燃燒變慢、不穩(wěn)定，火焰因膨脹缸內溫度壓力下降造成可燃混合氣大容積淬熄，HC排放激增l混合氣過稀過濃，排放再循環(huán)率大，怠速、小負荷下發(fā)生。(4)(4)未燃碳氫化合物的氧化未燃碳氫化合物的氧化 未燃碳氫化合物擴散到高溫已燃氣體中部分被氧化，HC是未燃的燃油及其部分氧化產物的混合物。 在排氣管路中氧化。最高排氣溫度和最長停留時間使HC降低最多推遲點火以提高排氣溫度有利于HC后期氧化降低排氣歧管熱損失增大橫

12、斷面積，壁面進行絕熱柴油機柴油機 噴油初期滯燃期內滯燃期內混合氣過稀造成未燃HC 噴油后期高溫燃氣中混合氣過濃或燃燒淬熄隨排氣排出，HC多被碳煙微粒吸附。柴油機未燃HC排放主要來自柴油噴注外緣過稀混合氣地區(qū)，怠速或小負荷時的HC排放高 噴油器殘油容積對HC排放有影響4 4、微粒的形成、微粒的形成l汽油機中汽油中的鉛、硫造成的硫酸鹽汽油機中汽油中的鉛、硫造成的硫酸鹽是排氣微粒的主要成分。是排氣微粒的主要成分。l柴油機微粒排放量大于汽油機幾十倍，柴油機微粒排放量大于汽油機幾十倍，燃燒生成的含碳粒子及其表面吸附有機燃燒生成的含碳粒子及其表面吸附有機物組成。局部缺氧導致碳煙生成，尾氣物組成。局部缺氧導

13、致碳煙生成，尾氣中碳煙的濃度是碳煙生成速率與碳煙氧中碳煙的濃度是碳煙生成速率與碳煙氧化速率之差?；俾手?。5 5、光化學煙霧、光化學煙霧l產生產生光化學煙霧光化學煙霧：大氣中：大氣中HCHC的濃度大于的濃度大于NONOx x濃度的濃度的3 3倍時，在強烈的陽光照射的誘倍時，在強烈的陽光照射的誘發(fā)下產生發(fā)下產生O O3 3和和過氧化?；跛猁}過氧化酰基硝酸鹽（PANPAN) )組組成的光化學煙霧成的光化學煙霧 二次有害污染物二次有害污染物 10.2 影響汽油機有害排放物生成的影響汽油機有害排放物生成的主要因素及控制措施主要因素及控制措施10.2.1 影響因素影響因素10.2.2 機內凈化技術機

14、內凈化技術10.2.3 機外凈化技術機外凈化技術 10.2.1 影響因素影響因素1、混合氣成分、混合氣成分2、點火正時、點火正時3、負荷、負荷4、轉速、轉速5、過渡工況、過渡工況6、廢氣再循環(huán)率、廢氣再循環(huán)率1、混合氣成分、混合氣成分混合比和各有害氣體排放量的關系混合比和各有害氣體排放量的關系圖10-81、混合氣成分、混合氣成分由上圖可知，隨著空燃比下降混合氣變濃，由上圖可知，隨著空燃比下降混合氣變濃，燃燒時氧氣相對不足，不完全燃燒生成物增燃燒時氧氣相對不足，不完全燃燒生成物增加，使加，使CO、HC迅速迅速增加增加。在在空燃比空燃比大于大于14.7以后以后,CO濃度已經很低了，濃度已經很低了，

15、但是隨著空燃比的增加，因混合氣不均勻造但是隨著空燃比的增加，因混合氣不均勻造成局部缺氧仍有少量成局部缺氧仍有少量CO生成。生成。1、混合氣成分、混合氣成分在在空燃比空燃比大于大于14.7以后，隨著空燃比的增以后，隨著空燃比的增加，因加，因CO氧化反應速度慢，燃燒溫度下降，氧化反應速度慢，燃燒溫度下降，使使HC排放量也增加排放量也增加。HC的走向是兩頭高，的走向是兩頭高，中間低。中間低。NOx濃度峰值靠理論空燃比稀的一側，高的濃度峰值靠理論空燃比稀的一側，高的NONO生存率必須生存率必須高溫高溫、富氧富氧兩個條件。兩個條件。HCHC是兩頭高中間低濃混合氣變稀是兩頭高中間低濃混合氣變稀HCHC量減

16、少，最量減少，最佳空燃比范圍內佳空燃比范圍內HCHC、油耗最低；混合氣過稀，火、油耗最低；混合氣過稀，火焰可能熄滅，焰可能熄滅，HCHC生存量上升。生存量上升。 2、點火正時、點火正時圖10.9 點火提前角對燃油消耗量和有害排放物的影響點火提前角點火提前角減小減小時，后燃時，后燃增加，膨脹時的溫度升高，增加，膨脹時的溫度升高，促進了未燃燒成分的氧化，促進了未燃燒成分的氧化，對對降低降低HCHC和和NOxNOx有利。有利。減小減小點火提前角對降低點火提前角對降低HCHC和和NOxNOx有利，但以犧牲動力有利，但以犧牲動力性為代價性為代價。2、點火正時、點火正時圖10.10 氣缸內燃燒壓力與點火時

17、刻的關系減小點火提前角降低燃燒減小點火提前角降低燃燒最高溫度、減少燃燒反應最高溫度、減少燃燒反應滯留時間，降低滯留時間，降低NOx. .。以。以犧牲動力性能為代價。犧牲動力性能為代價。3、負荷、負荷在在怠速怠速和和小負荷小負荷時，新鮮空氣進入少，廢氣相對較時，新鮮空氣進入少，廢氣相對較多，供給的混合氣偏濃，燃燒速度慢，易引起不完多，供給的混合氣偏濃，燃燒速度慢，易引起不完全燃燒。使全燃燒。使CO和和HC排放量多。排放量多。在在中等負荷中等負荷時，容易完全燃燒，廢氣中時，容易完全燃燒，廢氣中CO 含量最含量最少，少，HC含量也較低。含量也較低。在在滿負荷滿負荷時，供給濃混合氣，使時，供給濃混合氣

18、，使NO生成量生成量增多增多；同時同時HC排放量排放量減少減少，但因混合氣過濃，使，但因混合氣過濃，使CO排放排放量量增多增多。4、轉速、轉速隨著隨著轉速轉速的升高，缸內的紊流增強，促進混的升高，缸內的紊流增強，促進混合，改善了缸內的燃燒，使合，改善了缸內的燃燒，使CO、HC排放排放減少減少。NOx的生成量與混合氣成分有關。當的生成量與混合氣成分有關。當混合氣濃混合氣濃時，時， NOx生成量生成量增多增多；當混合氣；當混合氣稀時稀時， NOx生生成量成量減少減少。5、過渡工況、過渡工況發(fā)動機主要在不穩(wěn)定的工況下工作，包括怠速、發(fā)動機主要在不穩(wěn)定的工況下工作，包括怠速、加速、定速、減速等。不同的

19、工況由于混合氣的加速、定速、減速等。不同的工況由于混合氣的濃度不同，有害物的排放量相差較大。（濃度不同，有害物的排放量相差較大。（ P251:表表10-2 不同工況下各種排放的濃度不同工況下各種排放的濃度 ）怠速怠速與與減速減速是生成是生成HC的主要工況的主要工況 廢氣混入的多少用廢氣混入的多少用EGREGR率表示，率表示，廢氣再循環(huán)廢氣再循環(huán)率率（EGREGR率率）定義如下：）定義如下：100%EGR返回廢氣量率= 進氣量+返回廢氣量 6、廢氣再循環(huán)率、廢氣再循環(huán)率6、廢氣再循環(huán)率、廢氣再循環(huán)率將一部分排氣回送至燃燒室，利用排氣中的氣將一部分排氣回送至燃燒室，利用排氣中的氣體比熱大的特點，可

20、以抑制燃燒的體比熱大的特點，可以抑制燃燒的最高溫度最高溫度，將有利于抑制將有利于抑制NOx的生成。的生成。在在中高速工況下中高速工況下選擇恰當的選擇恰當的廢氣再循環(huán)率廢氣再循環(huán)率能有能有效抑制效抑制NOx的排放量。的排放量。廢氣再循環(huán)廢氣再循環(huán)（EGR）技術是控制氮氧化合物排放）技術是控制氮氧化合物排放的主要措施，的主要措施，它是將汽車排出的一部分廢氣重新它是將汽車排出的一部分廢氣重新引入發(fā)動機進氣系統(tǒng)，與混合氣一起再進入氣缸引入發(fā)動機進氣系統(tǒng)，與混合氣一起再進入氣缸燃燒燃燒。僅對降低僅對降低NOx有效有效 汽油機大負荷、啟動、暖機、怠速、小負荷不使汽油機大負荷、啟動、暖機、怠速、小負荷不使用

21、用圖10-11圖10-121) 1)冷啟動、暖機和怠速冷啟動、暖機和怠速： 冷啟動時溫度低，空燃比小，CO和HC排放高，應縮短啟動時間；暖機要盡快使混合氣、機油、冷卻水熱起來；怠速殘余廢氣量大，混合氣加濃，CO和HC排放高，為降低怠速排放提高怠速轉速至800-1000rpm2) 2)壓縮比壓縮比： 提高壓縮比以提高熱效率，汽油機根據最易發(fā)生爆燃的工況選擇壓縮比3 3）燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)： 燃燒室形狀影響未燃燃燒室形狀影響未燃HCHC排放物濃度；排放物濃度； 燃燒室內火花塞位置是影響排放物生成和燃燒室內火花塞位置是影響排放物生成和油耗的另一重要因素油耗的另一重要因素； 汽油機燃燒室形狀緊湊燃燒過程

22、快，汽油機燃燒室形狀緊湊燃燒過程快，COCO和和HCHC排放量下降；燃燒快導致溫度增高排放量下降；燃燒快導致溫度增高NONOx x增大增大4 4）進氣系統(tǒng)）進氣系統(tǒng)： 用三、四或五氣門，渦輪增壓代替自燃吸用三、四或五氣門，渦輪增壓代替自燃吸氣，降低氣，降低CO2、HC排放排放 凸輪形狀決定開啟關閉時刻及升程曲線，凸輪形狀決定開啟關閉時刻及升程曲線，影響充氣過程。影響充氣過程。 5 5）活塞組設計：）活塞組設計： 活塞、活塞環(huán)與汽缸壁間的間隙，對汽油的活塞、活塞環(huán)與汽缸壁間的間隙，對汽油的HCHC排放影響很大?？s小活塞頭部與汽缸的間隙，排放影響很大?？s小活塞頭部與汽缸的間隙，縮小頂環(huán)到活塞頂的距

23、離?？s小頂環(huán)到活塞頂的距離。6 6）分層稀薄燃燒：）分層稀薄燃燒： 在火花塞附近濃混合氣，為可靠點火；其它區(qū)在火花塞附近濃混合氣，為可靠點火；其它區(qū)域供給稀薄混合氣，實現分層稀薄燃燒。為此采域供給稀薄混合氣，實現分層稀薄燃燒。為此采用分隔燃燒室用分隔燃燒室10.3 影響柴油機有害排放物生成的影響柴油機有害排放物生成的主要因素及控制措施主要因素及控制措施1稀燃火稀燃火焰熄滅區(qū)焰熄滅區(qū)2稀燃火稀燃火焰區(qū)焰區(qū)3油束心油束心部部4油束尾油束尾部和后噴部部和后噴部圖10-21圖10.22混合氣成分與柴油 機排放的關系圖10.23噴油定時對排放的影響響直噴式直噴式和和分隔式分隔式兩類燃燒室的排放特性不同。

24、兩類燃燒室的排放特性不同。表表10-3所示兩種燃燒室有害排放物的比較。所示兩種燃燒室有害排放物的比較。分隔式分隔式燃燒室生成的燃燒室生成的NOx、CO、HC和炭煙和炭煙的排放濃度均低于直噴式，特別是的排放濃度均低于直噴式，特別是NOx排放排放濃度一般比直噴式燃燒室的低濃度一般比直噴式燃燒室的低50左右。左右。分隔式分隔式燃燒室的燃燒及排放物的生成分兩個階段進燃燒室的燃燒及排放物的生成分兩個階段進行。在噴油開始和燃燒初期，副燃燒室的空燃比較行。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，從而形成小，氧濃度較低，燃料不可能燃燒完全，從而形成較多的較多的CO及未燃烴。

25、及未燃烴。副燃燒室在著火后溫度較高，但氧濃度低，對生成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。仍有不利的影響。主燃燒室內有充足的新鮮空氣，使來自副燃燒室的主燃燒室內有充足的新鮮空氣，使來自副燃燒室的CO及及HC進一步氧化。高溫燃氣進入主燃燒室后，進一步氧化。高溫燃氣進入主燃燒室后，溫度有所下降，抑制了溫度有所下降，抑制了NOx的生成的生成 。l進氣旋流的強弱用壓縮終了缸內旋流轉速與發(fā)進氣旋流的強弱用壓縮終了缸內旋流轉速與發(fā)動機轉速的比值動機轉速的比值渦流比渦流比表示。表示。l渦流比大小與進氣阻力成正比。渦流比大小與進氣阻力成正比。l強渦流降低循環(huán)進氣量降低動力性，增加煙度強渦流降低循環(huán)進氣量降低動力性，增加煙度l傾向加大噴油壓力，適當降低渦流比組織燃燒傾向加大噴油壓力，適當降低渦流比組織燃燒進氣組織進氣組織多氣門多氣門發(fā)展多氣門技術，加大循環(huán)充氣量以改善動力、發(fā)展多氣門技術，加大循環(huán)充氣量以改善動力、經濟性和