第7章 發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放

第七章發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放與噪聲主要內(nèi)容第一節(jié)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物的生成機(jī)理與影響因素第二節(jié)汽油機(jī)的排放控制第三節(jié)柴油機(jī)的排放控制第四節(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)噪聲來源與控制（了解）內(nèi)燃機(jī)的排放特性（有害排放、噪聲）形成原理與性能分析，對(duì)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的影響----優(yōu)化（燃燒系統(tǒng)和調(diào)節(jié)參數(shù)）

注意

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的化學(xué)過程通常是不平衡的，它受化學(xué)反應(yīng)速度、反應(yīng)物濃度、溫度以及催化劑存在與否的影響，所以屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)范疇。

第一節(jié)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物的生成機(jī)理與影響因素

內(nèi)燃機(jī)排氣污染物ENGINEEMISSIONS一、內(nèi)燃機(jī)排氣中的污染物POLLUTANTS燃燒過程產(chǎn)生，排氣管排出CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）CO2、CH4PMSOX、醇類、醛類(RCHO)﹑3,4－苯并芘其他未知污染物，e.g.odor,etal.SIengine

NOx500~2000ppm20g/kgfuelCO1%~2%200g/kgfuelHC3000ppm25g/kgfuelCIengine

NOx500~2000ppm20g/kgfuelCO+HC(1/5)80g/kgfuelPM(0.2~0.5)%2~5g/kgfuel

?CO內(nèi)燃機(jī)不完全燃燒產(chǎn)物，對(duì)人體有害，大大降低血液的輸氧能力。?CO2

內(nèi)燃機(jī)完全燃燒產(chǎn)物，溫室氣體。該項(xiàng)指標(biāo)在汽車排放標(biāo)準(zhǔn)中不予限制，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車是無法解決的，因而不僅從能源短缺的角度，也從環(huán)境治理的角度，提出了新能源汽車的急迫發(fā)展要求。

?NOx（NO、NO2、N2O）大量的是NO，NO2少量，N2O極少。NO直接毒性不大，在大氣中緩慢氧化生成NO2；NO2

對(duì)人體有害，比CO更阻礙血液輸氧；N2O溫室氣體。NOx是光化學(xué)煙霧的主要成分；在大氣中生成硝酸，是酸雨的主要來源之一。?HC未燃或未完全燃燒的燃油、潤(rùn)滑油及其裂解產(chǎn)物和部分氧化物，成分眾多，其中部分對(duì)人體有害，也是能源浪費(fèi)，HC是光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)。?微粒及炭煙（PM，particulatematter）成分為碳、有機(jī)物質(zhì)、硫酸鹽。汽油機(jī)—含鉛汽油（已限制使用），柴油機(jī)嚴(yán)重。粒徑0.1～10μm，PM2.5對(duì)人體和大氣環(huán)境危害最大。?SOx來源于石油中的重質(zhì)組分燃燒，對(duì)人體具有毒害作用，是形成酸雨的主要成分，也影響能見度。微粒的危害

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部及支氣管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1μm(微米，10-6m)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。(0.1～0.5)μm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5μm的微粒常在鼻處受阻，不能深入呼吸道，大于10μm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0.3μm，而且數(shù)量比汽油機(jī)高出30～60倍，成分更為復(fù)雜，因而柴油機(jī)排出的微粒危害更大。

二、內(nèi)燃機(jī)排放的二次污染SecondaryPollution光化學(xué)煙霧photochemicalsmog空氣能見度visibility酸雨acidrain地表水酸化wateracidification

……

?光化學(xué)煙霧（photo-chemicalsmog）NOx、HC在強(qiáng)烈陽光（高溫、日照強(qiáng)烈、濕度低、風(fēng)速低）照射下經(jīng)過一系列鏈?zhǔn)焦饣瘜W(xué)反應(yīng)，生成Ｏ3和過氧?；跛猁}（PAN），屬于二次污染物，對(duì)生態(tài)危害極大，強(qiáng)氧化劑，特殊臭味，刺激眼睛和咽喉，橡膠開裂，植物枯死等。這里的Ｏ3存在的范圍離地面約0～12m，處于對(duì)流層大氣中，與大氣平流層的臭氧層不是同一概念。

在我國(guó)大中型城市，機(jī)動(dòng)車尾氣排放已經(jīng)

成為主要的大氣污染源。

其中氮氧化物排放量約占總量的50%，一

氧化碳約占85%，同時(shí)尾氣中還含有大量的

碳?xì)浠衔铩?/p>

據(jù)預(yù)測(cè)，2015年城市機(jī)動(dòng)車污染物排放量

將比2000年上升一倍。

內(nèi)燃機(jī)的排放對(duì)大氣的污染AIRPOLLUTION汽車的分擔(dān)率MotorvehiclecontributionPollutantsXi’anBeijingShanghaiCO84%80.3％61.8％NOx75%54.8％20.9％HC80%79.1％56.7％汽車污染分擔(dān)率就是確定汽車排放的某種污染物在城市大氣污染中的貢獻(xiàn)大小。

燃燒是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展中的永恒課題，直到20世紀(jì)60年代為止，內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的研究一直是以動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為追求目標(biāo)。近幾十年來，汽車排放污染所造成的大氣環(huán)境惡化成了重大社會(huì)問題之一，同時(shí)也成了已有100多年歷史的內(nèi)燃機(jī)能否繼續(xù)生存下去的生死攸關(guān)問題。為此，人類作出了極大努力以降低內(nèi)燃機(jī)排放污染，甚至不惜犧牲動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。近年來，隨著全球汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)和石油資源的日益枯竭以及對(duì)溫室效應(yīng)的關(guān)注，內(nèi)燃機(jī)再次面臨嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題。排放指標(biāo)

EmissionIndex排放物的濃度質(zhì)量排放量比排放量排放率內(nèi)燃機(jī)排放物的濃度,從廣義上講,是指排放物在總排氣量中所占的比例.對(duì)于氣態(tài)排放物如CO,HC和(NO,)來說,常用體積分?jǐn)?shù)來表示,一般內(nèi)燃機(jī)的氣態(tài)排放物都可作為理想氣體處理。為了數(shù)據(jù)的普遍性,氣體的體積要換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)(內(nèi)燃機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)的大氣狀態(tài)為總壓力101.3kPa,水蒸氣分壓為1kPa,溫度273k)。內(nèi)燃機(jī)固體排放物如柴油機(jī)的微粒等用質(zhì)量濃度表示,常用單位為,對(duì)于排放物中的特殊微量物質(zhì),單位為。排放物的濃度單位時(shí)間或按某排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,進(jìn)行一次測(cè)試,在實(shí)驗(yàn)期內(nèi)測(cè)出的污染物質(zhì)量,稱為質(zhì)量排放量,通常以g/h或g/測(cè)試(g/test)表示。安裝內(nèi)燃機(jī)的車輛按規(guī)定的工況組合(稱為測(cè)試循環(huán))行駛后折算到單位里程的排放量,稱為(單位)里程質(zhì)量排放量,常用單位為g/km。質(zhì)量排放量比排放量?jī)?nèi)燃機(jī)針對(duì)單機(jī)進(jìn)行排放測(cè)量時(shí),每單位功排出的污染物質(zhì)量,常用g/(kw·h)表示,用以評(píng)價(jià)不同種類,排量的內(nèi)燃機(jī)的排放性能。比排放量與內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗率類似,也可稱為污染排放率,比排放量可以根據(jù)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)功率,排氣流量,污染物濃度,污染物密度等數(shù)據(jù)計(jì)算。排放率(或排放指數(shù))

排放率定義為燃燒單位質(zhì)量的燃料所排放的污染物質(zhì)量,理論上是個(gè)量綱一的量,實(shí)踐中為方便起見常用g/kg表示。

目前排放指標(biāo)中用得較多的是單位里程質(zhì)量排放量(g/km,輕型車排放法規(guī))和比排放量[g/(kw·h),重型車排放法規(guī)]。

現(xiàn)行汽車尾氣排放法規(guī)主要限制CO、HC、NOx、微粒。邏輯概念是光化學(xué)煙霧來自于HC、NOx，硫、鉛化合物控制辦法是減少燃料自身的含量（燃料中限制），CO2是無法避免的。其它有機(jī)有害物質(zhì)目前未予限制。

二、有害排放物的生成機(jī)理

1、NO三種生成途徑⑴高溫NO（thermalNO）擴(kuò)展捷式反應(yīng)機(jī)理，＞1600℃（也有觀點(diǎn)＞1800℃，我們書上＞2000℃），是NO主要來源。高溫度時(shí)，氧分子會(huì)分解成氧原子，它和氮分子化合生成NO，其反應(yīng)機(jī)理如下:←反應(yīng)最慢，決定因素←后人研究⑵激發(fā)/瞬發(fā)NO不需要高溫，活化能不高的系列反應(yīng)產(chǎn)生。⑶燃料途徑NO一般計(jì)算只考慮高溫NO（占主要部分）。其三要素：燃燒溫度、氧濃度和整個(gè)燃燒反應(yīng)時(shí)間。

?混合氣過濃，參與NO反應(yīng)的氧氣不夠，NO量不大；?氧濃度足夠時(shí)，溫度越高，則反應(yīng)速度越快，NO平衡濃度越高，NO生成量越大；

?NO生成的速度比生成其他成分的速度慢得多，故高溫反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，NO生成量越多。存在“凍結(jié)”在高濃度水平的現(xiàn)象（可逆反應(yīng)的逆反應(yīng)速度緩慢）。根據(jù)擴(kuò)展捷氏機(jī)理控制NO的基本原則：減少混合氣中的O2（或N2）的含量；盡可能降低燃燒溫度；縮短在高溫燃燒帶內(nèi)滯留的時(shí)間。內(nèi)燃機(jī)高速燃燒，燃燒過程5～10ms，一般燃燒終了時(shí)NO還不能達(dá)到平衡濃度。作為特例，NO計(jì)算時(shí)應(yīng)采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，其他成分則采用化學(xué)平衡計(jì)算。2、CO生成機(jī)理和排放特點(diǎn)一、CO生成機(jī)理

COMechanism理論上，HC燃料完全燃燒時(shí)生成CO2和H2O。HC的氧化過程：R-HR-R-O2RCHORCOCO+R-

CO+OHCO2+H因此，CO是烴燃料燃燒的中間產(chǎn)物。實(shí)際的燃燒過程在于：

1）燃料濃度分布不均勻。2）溫度分布不均勻。3）燃燒過程時(shí)間短，達(dá)不到化學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)著的氣體突然缺乏氧化劑、溫度過低或反應(yīng)時(shí)間過短時(shí)，CO就以中間產(chǎn)物的形式生成了。

因此CO的排放是不可避免的。CO是不完全燃燒產(chǎn)物，其生成主要受混合氣濃度影響。?Φa＜1，由于缺氧，C不能完全燃燒氧化成CO2，CO作為中間產(chǎn)物產(chǎn)生；?Φa＞1，理論上不產(chǎn)生CO，但由于局部混合不均勻，局部Φa＜1，產(chǎn)生CO；或生成的CO2在高溫時(shí)發(fā)生熱裂解反應(yīng)，生成CO；?在排氣過程中，未燃HC不完全氧化，生成CO，少量。

燃燒終了時(shí)的CO濃度一般取決于燃?xì)鉁囟?，發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹作功過程缸內(nèi)溫度下降很快，溫度下降速度遠(yuǎn)快于氣體中各成分建立新的平衡過程的速度，CO來不及建立平衡狀態(tài)，實(shí)際的CO濃度要高于排氣溫度相對(duì)應(yīng)的化學(xué)平衡濃度，這就是“凍結(jié)”現(xiàn)象（化學(xué)動(dòng)力學(xué)）。一般經(jīng)驗(yàn)，汽油機(jī)排氣中的CO濃度取值為1700K時(shí)的平衡濃度。汽油機(jī)由于要控制空燃比在化學(xué)計(jì)量比附近，CO排放濃度高。全負(fù)荷混合氣加濃，CO排放增加。怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，廢氣多，加濃混合氣，CO排放量大。起動(dòng)暖機(jī)時(shí)CO排放較多。多缸機(jī)中各缸間空燃比的變動(dòng)使CO排放量增加。

柴油機(jī)CO排放特點(diǎn)

柴油機(jī)的CO排放總體比較低。燃燒接近或超過冒煙極限后，由于燃燒過程局部混合氣過濃，缺氧造成CO排放迅速增加。柴油機(jī)小負(fù)荷時(shí)，稀混合氣區(qū)體積增加，燃?xì)鉁囟冉档?，CO排放略微增加。

3、HC?由于汽油機(jī)和柴油機(jī)的混合氣形成和燃燒方式不同，導(dǎo)致HC生成機(jī)理不同，必須分開討論。

HC在汽油機(jī)中的生成機(jī)理

HC是不完全燃燒的產(chǎn)物，與過量空氣系數(shù)有密切關(guān)系，與燃燒微觀過程和現(xiàn)象有關(guān)系：（1）不完全燃燒：A.怠速及高負(fù)荷工況，Φa＜1，過濃狀態(tài)，且怠速時(shí)殘余廢氣系數(shù)較大；B.失火狀態(tài)；C.加速或減速，暫時(shí)混合氣過濃或過??；D.Φa＞1，但油氣混合不均勻。（2）壁面淬熄效應(yīng)及縫隙效應(yīng)：?燃燒過程中，燃?xì)鉁囟龋?000℃，而汽缸壁面溫度＜300℃，由于傳熱的緣故，靠近壁面的混合氣體溫度較低，加之流動(dòng)性較差，故而燃燒強(qiáng)度下降，產(chǎn)生大量未燃HC。這就是壁面淬熄效應(yīng)，即溫度較低的燃燒室壁面對(duì)火焰的迅速冷卻（冷激），使活化分子的能量被吸收，燃燒鏈反應(yīng)中斷，在壁面形成約0.1～0.2mm的不燃燒或不完全燃燒的火焰淬熄層。

淬熄層厚度隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況、混合氣湍流程度和壁溫有關(guān)，小負(fù)荷特別是冷起動(dòng)和怠速時(shí)，其值較大。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，燃燒室壁對(duì)火焰具有熄火作用，即緊靠壁面附近不可能形成火焰。這樣，在熄火區(qū)內(nèi)存在大量未燃燒的烴，它是排氣中ＨＣ的主要來源。當(dāng)α＝１左右時(shí)，熄火厚度最小；負(fù)荷減小時(shí)，熄火厚度顯著增加；燃燒室溫度、壓力提高，氣缸紊流加強(qiáng)，熄火厚度均減小。減少熄火厚度及燃燒室的面容比F/V，可以使汽油機(jī)HC排放量減少。

?縫隙效應(yīng)：燃燒室中各種狹窄的縫隙（活塞頭部與氣缸壁面之間、火花塞中心電極周圍、進(jìn)排氣門頭部周圍等），由于面容比較大，淬熄效應(yīng)強(qiáng)，火焰無法傳入其中繼續(xù)燃燒，而在膨脹和排氣過程中，缸內(nèi)壓力下降，縫隙中的未燃混合氣返回汽缸，并隨排氣一起排出，雖然縫隙容積小，但其中氣體壓力高、溫度低，所以密度大，HC的濃度極高。?壁面淬熄效應(yīng)及縫隙效應(yīng)產(chǎn)生的HC可占排氣中的HC的30%～50%。

（3）壁面油膜和積碳的吸附：在進(jìn)氣和壓縮過程中，氣缸壁面上的潤(rùn)滑油膜，以及沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進(jìn)排氣門上的多孔性積碳，會(huì)吸附未燃混合氣及燃料蒸氣，而在膨脹和排氣過程中逐步脫附釋放出來，這些HC少部分被氧化，大部分隨已燃?xì)怏w排除汽缸。這部分HC占排氣中HC的35%～50%。若清除積碳，HC可降低20%～30%。一、有害排放物種類

?原因：曲軸箱竄氣和燃油系統(tǒng)油氣揮發(fā)等。

?

由于未參予燃燒或未完全經(jīng)過燃燒過程，其有害成分主要是HC，占汽車總HC的40%，其中曲軸箱竄氣和燃油系統(tǒng)蒸發(fā)各占50%。B.非排氣污染物

?非排氣HC的生成機(jī)理：（1）曲軸箱串氣壓縮、燃燒過程中，由活塞與汽缸間隙之間串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)滑油蒸氣混合后，由通風(fēng)口排入大氣的污染氣體。柴油機(jī)串氣中HC較少，汽油機(jī)串氣中HC多。（為什么？-燃料燃燒方式）

（2）燃油蒸發(fā)由化油器浮子室、空氣濾清器、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。主要指汽油機(jī)（為什么？）。同時(shí)它也是一種燃料蒸發(fā)損失。運(yùn)轉(zhuǎn)損失熱浸損失晝夜損失加油損失燃油蒸發(fā)損失曲軸箱竄氣是指在壓縮和燃燒過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。燃油蒸發(fā)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。汽油機(jī)HC排放的來源HCSources1)排氣—55～65%（機(jī)內(nèi)排放）2)曲軸箱—20～25%3)燃油箱、化油器、燃油管接頭蒸發(fā)—15～20%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。根據(jù)負(fù)荷，各區(qū)排放物生成的性質(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。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。

HC在柴油機(jī)中的生成機(jī)理?擴(kuò)散燃燒方式，燃油在燃燒室的停留時(shí)間短，絕大部分工況的過量空氣系數(shù)Φa遠(yuǎn)大于汽油機(jī)，混合氣濃度梯度大，噴霧核心的Φa→0，燃燒室周邊區(qū)域的Φa→∝，因而壁面淬熄效應(yīng)和油膜及積碳吸附作用小，所以，正常燃燒情況下，柴油機(jī)HC排放低于汽油機(jī)（除非燃油被噴射到壁面上）。?柴油機(jī)產(chǎn)生HC的主要原因：混合不均勻、燃燒過程后期低速離開噴油器的燃油混合及燃燒不良。（1）混合不均勻由于混合氣濃度分布不均勻，在過濃和過稀的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生局部失火。（2）噴油器壓力室容積的影響

噴油器針閥密封座面下的壓力室在噴油結(jié)束后充滿燃油，在燃燒和膨脹過程時(shí)，這部分燃油被加熱和氣化，并以液態(tài)或氣態(tài)低速進(jìn)入燃燒室，混合及燃燒速度都極為緩慢，故這部分燃油很難充分燃燒和氧化，進(jìn)而產(chǎn)生HC。壓力室容積↓，HC排放量↓。這部分HC占總HC的3/4。?不正常燃燒（二次噴射、后滴等）會(huì)增加HC。（為什么？）

柴油機(jī)未燃HC排放的來源1）完全由缸內(nèi)燃燒過程產(chǎn)生。2）沒有曲軸箱排放物和蒸發(fā)排放物。柴油機(jī)未燃HC來源1）混合氣不均勻。2）噴油器嘴部的壓力室容積。3）冷起動(dòng)。4）氣缸壁溫度影響HC排放，因?yàn)楸诿婕だ涫笻C排放增加。

4、微粒的生成機(jī)理

汽油機(jī)一般不產(chǎn)生微粒，除含鉛汽油（鉛微粒）、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)（潤(rùn)滑油混入汽油）外。

柴油機(jī)的微粒排放量要比汽油機(jī)高幾十倍。

因此，研究微粒主要集中于柴油機(jī)。

?可溶性有機(jī)物（SOF，solubbleorganicfraction）占35%～45%，其中來自未燃燃料和未燃潤(rùn)滑油約各占50%;?硫酸鹽（來源于燃料中的含硫量）占5%～10%。

（1）微粒成分?（干）碳煙（DS，drysoot）占40%～50%，碳煙是微粒的組成之一，發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工作時(shí)，碳煙在微粒中的比例升高，部分負(fù)荷時(shí)下降。

（2）碳煙和微粒的生成與氧化

A.碳煙和微粒的生成簡(jiǎn)單理解為：烴類燃料在高溫缺氧條件下裂解生成（類似炭黑生產(chǎn)工藝）其化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)及物理變化過程十分復(fù)雜。當(dāng)燃油噴射到高溫空氣中時(shí)，輕質(zhì)烴蒸發(fā)氣化，重質(zhì)烴以液態(tài)暫時(shí)存在，前者產(chǎn)生氣相析出型碳粒，粒度較??；后者直接脫氧碳化，成為焦炭狀液相析出型碳粒，粒度較大。（成核）重餾分的未燃烴、硫酸鹽以及水分等在碳粒上吸附凝集，形成排氣微粒。（聚集）

碳煙的生成

高溫

缺氧碳煙的微觀結(jié)構(gòu)PMnanostructure

500℃，30分鐘后

碳煙顆粒的分布特性PMDistribution

B.碳煙和微粒的氧化已生成的碳煙，如果在高溫環(huán)境下又能遇到足夠的氧氣，就會(huì)通過氧化反應(yīng)，使其體積縮小甚至完全氧化掉。

圖8-4燃燒系統(tǒng)中碳煙粒子的形成過程

碳煙和微粒的生成與氧化機(jī)理揭示了降低其排放量的思路：燃燒前期應(yīng)避免高溫缺氧，以減少碳煙的生成；燃燒后期應(yīng)保證高溫富氧和加強(qiáng)混合氣體擾流強(qiáng)度，以加速碳煙的氧化。

改善油氣混合過程，采用柴油高壓噴射技術(shù)，微粒和碳煙的總排放量下降，但＜PM2.5的微粒比重增大，也即粒徑較大的部分減少較多。

（3）碳煙（微粒）與NOX的關(guān)系

定常燃燒裝置在預(yù)混合火焰條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（具有參考意義）：Φa

≤0.6，Φa↓碳煙↑；Φa＞0.6，不產(chǎn)生碳煙。但是，NO隨Φa↑而增加，在Φa=1.1時(shí)達(dá)到最大值，因此同時(shí)降低碳煙和NO出現(xiàn)了悖論。最佳的技術(shù)突破方案就是在保證熱效率的狀況下，將Φa控制在0.6～0.9范圍內(nèi)。

三、有害排放物生成的影響因素

有害排放物是燃燒化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，燃燒與溫度和過量空氣系數(shù)密切相關(guān)，進(jìn)而各種參數(shù)和降低排放的技術(shù)大都通過溫度和過量空氣系數(shù)來影響燃燒和有害物生成過程，所以溫度和過量空氣系數(shù)是終端影響因素（各種影響因素分析的落腳點(diǎn)）。

1、Φa的影響

CO、HC隨Φa增加而急劇下降，Φa≥1后，逐漸達(dá)到最低值；Φa過大時(shí)，HC又有所回升（為什么？）；NOx在Φa=1.1附近出現(xiàn)最大值域（不在最高溫度時(shí)），Φa過大和過小都迅速下降（為什么？）；從發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能來看，最大功率時(shí)Φa=0.8～0.9(處于最佳燃燒的范圍內(nèi)，HC及油耗均為最低)，這幾個(gè)因素要結(jié)合起來選擇Φa優(yōu)化范圍。A對(duì)汽油機(jī)的影響

另標(biāo)出了稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的曲線車用汽油機(jī)在部分負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)對(duì)燃油消耗率be和NOx、HC排放的影響

B對(duì)柴油機(jī)的影響

其燃燒方式為擴(kuò)散燃燒,Φa＞11、CO不到汽油機(jī)的1/10,Φa＜1.5,急劇增加,Φa＞2后，緩慢增加（為什么？）；2、Φa＞2，HC略微增加（原因？），但比汽油機(jī)小得多；3、Φa≤2,Φa↓，碳煙↑↑（在柴油機(jī)實(shí)際燃燒過程中Φa＞0.6的區(qū)域，由于混合氣濃度分布極不均勻，局部缺氧嚴(yán)重）；4、NOx生成機(jī)理與汽油機(jī)相同，但量小于汽油機(jī)，峰值略向Φa大值方向移動(dòng)。Φa極大地影響發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物的產(chǎn)生，是最大的影響因素。汽油機(jī)關(guān)鍵是控制Φa范圍；柴油機(jī)關(guān)鍵是既要控制平均Φa,還要注意改善局部過濃。

2、點(diǎn)火/噴油提前角的影響?汽油機(jī)點(diǎn)火提前角減小，NOx降低（燃燒溫度降低），HC降低（后燃加重，排氣溫度上升，排氣行程以及在排氣管道中HC氧化反應(yīng)加速），但油耗增加。?柴油機(jī)噴油提前角減小，NOx顯著下降，但碳煙和微粒會(huì)明顯增大（悖論）；同時(shí)動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性能惡化。

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)。

點(diǎn)火正時(shí)IgnitionTiming汽油機(jī)排放的影響因素燃燒溫度柴油機(jī)噴油時(shí)刻噴油定時(shí)InjectionTiming

柴油機(jī)排放的影響因素

3、運(yùn)轉(zhuǎn)工況的影響（Φa、燃燒溫度）

變工況：在加速和高速行駛時(shí)，由于燃燒溫度高，所以NOx濃度高；在怠速和加速時(shí)，由于Φa小（偏濃），且怠速溫度低，殘余廢氣系數(shù)高，所以HC和CO高；化油器式汽油機(jī)減速時(shí)HC急劇增加，CO也較高（節(jié)氣門關(guān)閉，進(jìn)氣管高真空狀態(tài)，管壁上的液態(tài)燃油急劇蒸發(fā)，加之慣性作用使進(jìn)氣量比油減得快，導(dǎo)致混合氣濃度瞬時(shí)增大），與噴射式和改進(jìn)型減速斷油化油器不同。

負(fù)荷：汽油機(jī)穩(wěn)定工況下：低、怠速HC、CO大，而NOx小，高負(fù)荷時(shí)反之。柴油機(jī)負(fù)荷變化的排放規(guī)律與圖8-11一致。

轉(zhuǎn)速：對(duì)汽、柴油機(jī)排放影響不大，規(guī)律性也不強(qiáng)，但提高怠速轉(zhuǎn)速（缸內(nèi)擾動(dòng)加強(qiáng)），CO及HC的排放減少，目前汽油機(jī)大約在800-1000r/min；柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升，碳煙和微粒增加。

柴油機(jī)NOX排放的影響因素

（自然吸氣直噴柴油機(jī)，6×102mm×118mm，）負(fù)荷與轉(zhuǎn)速EngineLoadandSpeed

碳煙的排放特性PMEmissionCharacteristics

柴油機(jī)排放的影響因素

4、發(fā)動(dòng)機(jī)類型的影響◆汽油機(jī)與柴油機(jī)排放特性對(duì)比柴油機(jī)HC和CO排放僅為汽油機(jī)的1/5～1/10，NOx在中小負(fù)荷時(shí)遠(yuǎn)低于汽油機(jī)，大負(fù)荷時(shí)與汽油機(jī)接近，汽油機(jī)基本無微粒排放。結(jié)論：汽油機(jī)主要控制HC、CO、NOx；柴油機(jī)主要控制NOx、微粒和碳煙。

◆不同柴油機(jī)燃燒室的排放特性對(duì)比

非直噴式柴油機(jī)（IDI）的氣體排放及噪聲均比直噴式柴油機(jī)（DI）低，但DI柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越，是目前的發(fā)展主流，為降低其NOx，現(xiàn)在試圖把IDI的濃稀兩段式燃燒方式引入。

第二節(jié)汽油機(jī)的排放控制有害排放物的控制方法總體分為燃燒前、燃燒中、燃燒后處理?？傉?/p>

一、汽油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)◆推遲點(diǎn)火提前角◆廢氣再循環(huán)◆改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)◆提高點(diǎn)火能量◆電控汽油噴射技術(shù)◆提高燃油品質(zhì)以機(jī)外技術(shù)為主，機(jī)內(nèi)相對(duì)簡(jiǎn)單，要求降低，機(jī)內(nèi)仍以動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能最佳為主要優(yōu)化目標(biāo)?！敉七t點(diǎn)火提前角就是推遲點(diǎn)火時(shí)間，簡(jiǎn)單易行，普遍應(yīng)用。在一定范圍內(nèi)，推遲點(diǎn)火提前角，使燃燒溫度下降，存在后燃，NOx（減少10%～30%）、HC下降。因?yàn)橛锌赡苁箘?dòng)力性和燃油耗率惡化，故要綜合考慮，以確定最佳點(diǎn)火提前角。

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)。

◆廢氣再循環(huán)（EGR，exhaustgasrecirculation)，主要用于降低NOx（50%～70%），實(shí)質(zhì)是燃燒前處理（另一種常用的前處理技術(shù)是燃料中加入添加劑，如乙醇）。一部分排氣流回進(jìn)氣系統(tǒng)，使進(jìn)氣的氧濃度下降，同時(shí)混合氣的比熱容提高，均使得燃燒溫度降低，抑制NOx。廢氣再循環(huán)圖９-３廢氣再循環(huán)系統(tǒng)工作原理

在本循環(huán)吸入的新鮮充量m1中，若其中一部分是來自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣，以稀釋可燃混合氣的濃度，控制NOx的生成與排放，稱為廢氣再循環(huán)。廢氣再循環(huán)率的定義為參與再循環(huán)的廢氣量mEGR占新鮮充量m1的百分比，即廢氣再循（EGR）率(EGRRatio)但在全負(fù)荷時(shí)最大功率下降；中負(fù)荷時(shí)燃油耗率增大、HC上升；小負(fù)荷特別是怠速時(shí)燃燒不穩(wěn)定。

故大負(fù)荷、起動(dòng)、暖機(jī)、怠速、小負(fù)荷時(shí)不使用EGR，其他工況EGR率＜20%。為了精確控制EGR率，采用電子控制EGR閥系統(tǒng)。為了增強(qiáng)降低NOx效果，采用中冷EGR。為了消除EGR對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的負(fù)面影響，可同時(shí)采用快速燃燒和穩(wěn)定燃燒的措施。若增大殘余廢氣系數(shù)（排氣過程增加汽缸內(nèi)滯留廢氣量），這就是內(nèi)部EGR。EGRRatio

汽油機(jī)排放的影響因素排氣再循環(huán)

（充量系數(shù)0.5，轉(zhuǎn)速1600r/min，MBT）⑴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。⑵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指標(biāo)。用電控單元適當(dāng)推遲點(diǎn)火消除爆燃。

◆改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

（3）燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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。

1）緊湊的燃燒室形狀—燃燒快速和充分，淬熄效應(yīng)減小，降低HC和CO。緊湊燃燒室圓盤形、浴盆形、楔形燃燒室越來越讓位于更加緊湊的半球形、帳篷形燃燒室。緊湊燃燒室快速燃燒，加上優(yōu)化的點(diǎn)火正時(shí)和EGR，給出動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、NOX排放之間的最佳折衷。較大的行程缸徑比S/D

多采用S/D=1.0－1.1的稍長(zhǎng)行程結(jié)構(gòu)。

2）改善缸內(nèi)氣體流動(dòng)—加強(qiáng)油氣混合；3）改善燃燒時(shí)的循環(huán)波動(dòng)—減少HC，提高動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性；4）減小不參與燃燒的縫隙容積（減小縫隙效應(yīng)）—降低HC。如活塞組設(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。圖９-６采用高位活塞環(huán)的降低ＨＣ效果⑷進(jìn)氣系統(tǒng)：采用每缸3、4或5氣門（多氣門）；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。（5）分層稀薄燃燒分隔式燃燒室稀薄燃燒是當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向之一?！籼岣唿c(diǎn)火能量

提高著火的可靠性，減小循環(huán)波動(dòng)，擴(kuò)大混合氣的著火界限。采用無觸點(diǎn)的高能電子點(diǎn)火系統(tǒng)。低排放點(diǎn)火系統(tǒng)

適當(dāng)提高點(diǎn)火能量，保證可靠點(diǎn)火

優(yōu)化開環(huán)控制MAP

閉環(huán)反饋控制

提高點(diǎn)火能量

提高點(diǎn)火能量可以提高著火的可靠性，減小循環(huán)波動(dòng)率，擴(kuò)大混合氣的著火界限。特別是伴隨著汽油機(jī)燃燒稀薄化，無觸點(diǎn)的高能電子點(diǎn)火系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。提高點(diǎn)火能量的措施有增大火花塞極間電壓(極間電壓一般為１０～２０ｋＶ，但最高的有３５ｋＶ)、增大火花塞間隙(如由０.８ｍｍ增大至１.１ｍｍ)以及延長(zhǎng)放電時(shí)間等方法。電子燃油噴射系統(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。◆提高燃油品質(zhì)提高燃油辛烷值；采用代用燃料?！綦娍仄蛧娚浼夹g(shù)

精確控制，實(shí)現(xiàn)排放特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的綜合優(yōu)化。此外，三效催化轉(zhuǎn)化器與電控噴射系統(tǒng)的組合，已成為當(dāng)前和未來較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)汽油機(jī)排放控制的最有效和最主要技術(shù)。另外，可變進(jìn)氣系統(tǒng)、可變配氣相位、可變排量、稀薄燃燒以及缸內(nèi)直噴式燃燒方法等新技術(shù)，在改善汽油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也不同程度地改善了排放特性?？傊?，汽油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)措施并不是很多、很復(fù)雜，這是由于汽油機(jī)目前主要采用以閉環(huán)電噴加三效催化劑為核心的排放控制技術(shù)，因而大大減輕了對(duì)機(jī)內(nèi)凈化的要求，燃燒過程的組織仍可以動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，而用燃燒以外的排氣后處理技術(shù)來降低已生成的有害成分排放。

非排氣污染物控制技術(shù)

前面說過非排氣HC占總量的40%，因此必須控制。二、汽油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)1.曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)PCV新鮮空氣與曲軸箱竄氣混合后進(jìn)入進(jìn)氣管，被吸入汽缸燃燒；同時(shí)使曲軸箱內(nèi)保持負(fù)壓，減緩潤(rùn)滑油竄入燃燒室（竄機(jī)油）和通過密封面的滲漏。

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。曲軸箱通風(fēng)有自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)兩種形式。自然通風(fēng)是將曲軸箱直接與大氣相通。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但浪費(fèi)燃油，也污染空氣，所以現(xiàn)代汽車多采用強(qiáng)制通風(fēng)。強(qiáng)制通風(fēng)是用一根管子將曲軸箱與進(jìn)氣系統(tǒng)連接起來，借助活塞將曲軸箱里的氣體吸入汽缸燒掉。通風(fēng)管將曲軸箱與進(jìn)氣管相連，從搖臂室罩上的小空濾器進(jìn)入的新鮮空氣補(bǔ)充到曲軸箱里。為防止可燃混合氣倒流入曲軸箱，在通風(fēng)管上設(shè)有單向閥。

2、燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)汽油蒸發(fā)主要來自化油器和油箱，最常用的是活性炭罐式油蒸氣吸附裝置：油蒸氣流入炭罐被吸附，在進(jìn)氣管真空度作用下，與空氣一起被吸進(jìn)氣管，進(jìn)入氣缸燃燒?；钚蕴抗奘接驼魵馕窖b置3、熱反應(yīng)器在緊靠排氣總管出口處安裝，保持溫度，提供空間，同時(shí)加入二次空氣，使CO、HC在排氣過程中繼續(xù)氧化，減少HC、CO的排放?，F(xiàn)汽車少用，多用于摩托車。

4、催化轉(zhuǎn)換器目前應(yīng)用最廣泛（1）結(jié)構(gòu)由殼體、減振墊、載體及催化劑涂層四部分組成。一般把后二者成為催化劑，是核心部分，決定其主要性能指標(biāo)，作用是催化氧化CO、HC的氧化反應(yīng)，提高化學(xué)反應(yīng)速度，降低反應(yīng)的起始溫度，而本身不消耗。

起催化作用的活性材料是三種貴金屬鉑（Pt）、銠（Rh）、鈀（Pd），起助催化作用的是稀土材料：鈰（Ce）、鑭（La）、鐠（Pr）、釹（Nd）等。這些材料構(gòu)成涂層，90%的車用載體為陶瓷。（2）催化劑的分類及工作原理◆氧化型催化劑（OC,oxidationcatalyst）：2CO＋O2＝2CO24HC＋5O2

＝4CO2

＋2H2O2H2

＋O2

＝2H2OCO和HC與氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成CO2和H2O，但對(duì)NOx無凈化效果。氧化催化轉(zhuǎn)化器OC四沖程汽油機(jī)：早期，氧化HC+CO二沖程汽油機(jī)：催化氧化器&二次空氣噴射（HC）稀燃汽油機(jī)：催化氧化器（HC）汽油機(jī)的催化氧化器◆三效催化劑（TWC，threewaycatalyst）2CO＋2NO＝2CO2

＋N24HC＋10NO＝4CO2

＋2H2O＋5N22H2

＋2NO＝2H2O＋N2

當(dāng)混合氣濃度正好為化學(xué)計(jì)量比時(shí)，CO和HC與NOx互為氧化劑和還原劑，生成CO2、H2O及N2，剩余的CO和HC則進(jìn)行前述氧化型催化劑反應(yīng)。三效催化轉(zhuǎn)化器（TWC）

三效催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)

在過量空氣系數(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

催化轉(zhuǎn)化器的起燃特性（Light-off）

起燃特性：起燃時(shí)間；起燃溫度

三效催化劑同時(shí)凈化CO、HC、NO，因此目前是汽油機(jī)最主要的排氣凈化技術(shù)?！鬘Ox吸附還原催化劑適用于稀燃汽油機(jī)，所以也叫稀燃催化劑。其活性成分是貴金屬和堿土金屬（或堿土金屬和稀土金屬）。稀燃時(shí)，排氣處于氧化氣氛：NO＋O2→NO2→MNO3（硝酸鹽）吸附在堿土金屬上；CO、HC→CO2、H2O

在化學(xué)計(jì)量比或濃混合氣狀態(tài)下，（發(fā)動(dòng)機(jī)隔50～60秒空燃比短時(shí)間由稀變濃一次）MNO3分解析出NO2和NO，再與CO、HC反應(yīng)→CO2、H2O、N2，同時(shí)M再生。

第三節(jié)柴油機(jī)的排放控制壓燃式內(nèi)燃機(jī)的排放控制

ControlofCIEngineEmissions一、柴油機(jī)的排放特點(diǎn)

CO和HC相對(duì)均燃的汽油機(jī)來說要少得多。

碳煙/微粒排放高。

排放的NOX與汽油機(jī)在同一數(shù)量級(jí)。NOx與PM排放存在Trade–off關(guān)系。燃油與空氣的混合不均勻。,碳煙大量生成,同時(shí)生成大量的CO。,NOX大量生成。

外圍稀混合氣產(chǎn)生HC和CO。二、產(chǎn)生機(jī)理

如果后氧化不足，則形成PM、HC和CO排放。

柴油機(jī)排放控制難度大，以機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)為主，機(jī)外凈化技術(shù)還在研究發(fā)展階段。

由于燃燒過程復(fù)雜，控制有害生成物的燃燒特性參數(shù)多，故尋求綜合考慮排放、熱效率等各種性能的理想燒燃放熱規(guī)律是柴油機(jī)排放控制的核心。理想的噴油規(guī)律、理想的混合氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及與之匹配的燃燒室形狀是必需的。

各項(xiàng)排放控制技術(shù)的指導(dǎo)思想：抑制預(yù)混合燃燒以降低NOx，促進(jìn)擴(kuò)散燃燒以降低微粒和改善熱效率，也就是燃燒過程控制，主要涉及燃燒改善和燃料改善。

燃燒改善技術(shù)：A降低NOx推遲噴油時(shí)間（減小噴油提前角）、EGR、改善噴油規(guī)律；B降低碳煙和微粒增壓技術(shù)、高壓噴射。

根據(jù)排放要求（排放法規(guī)），合理組合多種技術(shù)，以免造成單一技術(shù)過度使用而帶來其他負(fù)面影響，最經(jīng)濟(jì)適用的達(dá)到降低污染的目的。一、柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)◆減小噴油提前角◆EGR◆增壓及增壓中冷◆改善噴油特性◆改進(jìn)燃燒方式和燃燒室◆改善燃料特性及采用新型清潔燃料◆降低機(jī)油消耗

◆推遲噴油時(shí)間（減小噴油提前角）

簡(jiǎn)單易行有效地抑制NOx，但燃油耗率和微粒惡化。

機(jī)理與汽油機(jī)不完全相同：一是使燃燒過程避開上止點(diǎn)進(jìn)行，燃燒等容度下降，因而燃燒溫度降低；二是越接近上止點(diǎn)噴油，缸內(nèi)溫度越高，著火落后期縮短，燃燒初期的放熱速率降低，導(dǎo)致燃燒溫度降低。從而都抑制了NOx生成。柴油機(jī)延遲噴油是降低NOx

的主要措施之一。噴油提前角對(duì)油耗及排氣污染的影響圖4-3柴油機(jī)全負(fù)荷時(shí)動(dòng)態(tài)噴油定時(shí)圖

非直噴式柴油機(jī)（IDI）在一定范圍內(nèi)減小噴油提前角會(huì)出現(xiàn)NOx和微粒同時(shí)降低的現(xiàn)象。但燃油經(jīng)濟(jì)性和HC惡化。

◆EGR因?yàn)榕艢庵械难鹾扛?、CO2濃度低，因此EGR率比汽油機(jī)大，直噴式＞40%，非直噴式＞25%。由于大量惰性氣體阻礙了燃燒的快速進(jìn)行、混合氣的比熱容增大，導(dǎo)致燃燒溫度降低；EGR對(duì)進(jìn)氣加熱和稀釋，導(dǎo)致實(shí)際過量空氣系數(shù)Φa下降（氧含量↓）。這都使NOx顯著下降，但碳煙和燃油耗率惡化，故采用冷卻EGR。

但大中負(fù)荷時(shí)，由于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有所影響，故適量減少EGR量。

使用EGR會(huì)帶來H2SO4腐蝕及微粒異常磨損，主要對(duì)策是降低柴油中的硫含量。

◆增壓和增壓中冷增壓：通過增加進(jìn)氣密度，使Φ

a↑，保證完全燃燒，碳煙和微粒被抑制，HC、CO進(jìn)一步降低；功率增加30%～100%；燃油經(jīng)濟(jì)性↑（燃燒完全＋泵氣過程做正功）。但缺點(diǎn)是NOx↑,故增加中冷以降低燃燒溫度→增壓中冷。

實(shí)用中，渦輪增壓型（TC），滿足歐1標(biāo)準(zhǔn)；增壓中冷型（TCi），滿足歐2標(biāo)準(zhǔn)；可變噴嘴渦輪增壓（VNTi），滿足歐3及以上標(biāo)準(zhǔn)。

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。

增壓中冷對(duì)排放的影響1－進(jìn)氣溫度108℃，排氣煙度1.45FSN，EGR率0.022－進(jìn)氣溫度76℃，排氣煙度1.04FSN，EGR率0.02

◆改善噴油特性（1）合理的噴油規(guī)律初期緩慢，中期急速，后期快斷。初期噴油速率不要過高，以抑制著火落后期內(nèi)混合氣生成量降低初期燃燒速率，達(dá)到降低燃燒溫度抑制NOx生成及降低噪音的目的；中期應(yīng)急速噴油，即采用高壓噴油和高噴油速率以加速擴(kuò)散燃燒速度，防止微粒排放和熱效率惡化；后期迅速結(jié)束噴射，以避免低的噴油壓力和噴油速率使霧化質(zhì)量變差，導(dǎo)致燃燒不完全和碳煙及微粒排放增加。134

合理的噴油規(guī)律理想的燃燒放熱規(guī)律實(shí)現(xiàn)方法：改變噴油泵凸輪型線或供油段（如采用凹弧凸輪，噴油速率初期低，中期高，可比切線凸輪降低NOx5%～10%，中小負(fù)荷微粒排放降低8%～13%）；預(yù)噴射（在主噴射前，少量的預(yù)先噴射，在著火落后期可燃混合氣體少，進(jìn)而初期燃燒放熱較弱，可明顯降低NOx）；多段噴射（促進(jìn)燃燒后期的混合氣形成及加速燃燒，導(dǎo)致燃燒壓力高，燃燒持續(xù)期縮短，碳煙降低）。（2）提高噴油壓力使燃油噴霧顆粒細(xì)化，燃油與空氣接觸表面積增大?，F(xiàn)在高壓噴射技術(shù)達(dá)150～180MPa，噴霧索特直徑SMD達(dá)10μm。高壓噴射技術(shù)帶來高溫高速以及混合能量很大的燃燒過程，微粒（碳煙）排放降低，熱效率提高。但NOx會(huì)增加，因此可與推遲噴油時(shí)間或EGR配合使用，讓微粒與NOx同時(shí)降低。

高壓噴射

改善燃油霧化及其與空氣的混合;

推遲噴油，降低NOX的排放.電控高壓共軌噴油系統(tǒng)（CR）Pinj,max≤100~150MPa

泵―管―嘴式（P－L－N）Pinj,max≤100MPa

泵噴嘴（UI）Pinj,max≤180MPa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標(biāo)準(zhǔn)壓力室噴嘴小壓力室噴嘴無壓力室噴嘴低排放噴油器

（3）柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)將傳統(tǒng)的機(jī)液噴油系統(tǒng)改造為電腦控制、機(jī)電一體化的噴油系統(tǒng)，達(dá)到更加精密的控制噴油定時(shí)、噴油率和噴油壓力的目的。該技術(shù)是柴油機(jī)的又一個(gè)里程碑，最終實(shí)現(xiàn)以控制噴油系為主的整機(jī)電腦綜合控制和管理。

◆改進(jìn)燃燒方法和燃燒室合理的混合氣形成和燃燒過程：滯燃期內(nèi)不形成過多的混合氣，合理組織渦流和湍流運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)燃燒后期的擾流等，尋求油、氣、燃燒室三者間的最佳匹配。

氣流組織和多氣門技術(shù)

可調(diào)進(jìn)氣渦流。

重視擠流和湍流對(duì)燃燒的促進(jìn)作用。

重載柴油機(jī)采用低渦流、無渦流設(shè)計(jì)。

四氣門技術(shù)，噴油器中央安裝。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。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。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。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。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。適當(dāng)提高柴油機(jī)壓縮比可降低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

燃燒室設(shè)計(jì)

小型高速柴油機(jī)燃燒室

高速重載柴油機(jī)燃燒室重型車用柴油機(jī)各種燃燒系統(tǒng)燃料經(jīng)濟(jì)性和排放性的比較（6缸，排量10L，每缸4氣門，增壓中冷）方案Ⅰ：縮口深坑燃燒室5孔噴嘴，有進(jìn)氣渦流方案Ⅱ：縮口深坑燃燒室7孔噴嘴，進(jìn)氣渦流減半方案Ⅲ：敞口淺平燃燒室8孔噴嘴，進(jìn)氣渦流減半方案Ⅳ：敞口淺平燃燒室零渦流，因?yàn)闇p排NOx與減排微粒碳煙相矛盾，為了同時(shí)減排兩者，開發(fā)了新的燃燒方式，如低溫燃燒技術(shù)和均質(zhì)壓燃技術(shù)。

◆燃料改善：改善燃料特性及新型清潔燃料

提高柴油的十六烷值至55以上，以減少噪聲及NOx（十六烷值過低，燃料的自燃性差，不易著火，著火延遲期增加，使得預(yù)混合燃燒的可燃混合氣量增加，工作粗暴，NOx增加；但十六烷值過高，在噴射過程初期噴射的燃料在噴嘴附近就著火，而后續(xù)噴射的燃料噴在已燃燒的火焰面上，容易造成高溫缺氧而冒黑煙。所以，要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比等，合理選擇燃料的十六烷值）；

提高烷烴含量，降低芳香烴、炔烴含量，以減少碳煙的生成；降低含硫量，以減少微粒的生成,并提高催化劑的使用壽命；提高氧含量，以減少HC、CO、碳煙。含氧燃料是低排放燃料，是未來的發(fā)展方向，我國(guó)已正式推廣應(yīng)用醇類燃料，生物柴油和二甲醚（DME）也已有應(yīng)用?！艚档蜋C(jī)油消耗

隨著燃燒改善，微粒排放明顯下降后，為了降低微粒中由未燃潤(rùn)滑油帶來的微粒成分，應(yīng)嚴(yán)格控制潤(rùn)滑油耗量。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。

二、柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)正在研究開發(fā)，將逐步進(jìn)入使用1、氧化催化轉(zhuǎn)化器用于降低SOF、HC、CO2、微粒捕集器用于過濾和除去排氣微粒3、NOx還原催化轉(zhuǎn)化器用于降低NOx排放4、四元催化轉(zhuǎn)化器將前三種結(jié)合為一體，在類似汽油機(jī)三效催化轉(zhuǎn)化器的基礎(chǔ)上，同時(shí)降低HC、CO、NOx和微粒。氧化催化轉(zhuǎn)化器OC

降低CO、HC和SOF(PAH)inPM以及醛類排放,同時(shí)可減輕柴油機(jī)排氣臭味。主要目的是降低微粒中的可溶性有機(jī)物質(zhì)SOF。但柴油中的硫含量即同時(shí)生成更多的硫酸鹽（抵消了SOF的減少，甚至反而使微粒排放增加），也會(huì)使催化劑中毒劣化。所以減少柴油中的硫含量成了氧化催化器實(shí)用化的前提條件。柴油機(jī)的催化氧化器柴油機(jī)排氣微粒捕集（DPF）一）、微粒過濾器(DPF)

采用過濾的方法對(duì)柴油機(jī)排氣中的微粒進(jìn)行凈化。（物理方法）

1.DPF的熱再生

二）、DPF的再生DPFRegeneration定義：熱再生就是由外界提供熱量，提高濾芯的溫度，使沉積在濾芯中的PM燃燒，恢復(fù)濾芯的潔凈狀態(tài)。熱量可由燃燒器、電阻加熱器、微波發(fā)生器、紅外發(fā)射器等產(chǎn)生。（消耗外能）

DPF裝置本身增加了排氣阻力（尾部裝置都要注意），更為嚴(yán)重的是捕集的微粒積累增加了排氣阻力，使排氣背壓增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性惡化。所以必須除去DPF中的微粒，這就是DPF再生。原理：氧化催化反應(yīng)器把排氣中的NO氧化成NO2,利用NO2的氧化能力，氧化DPF中積聚的碳煙顆粒。燃油要求：柴油硫含量≤35ppm（歐4）2.連續(xù)再生捕集器（CRT）

1)氧化催化后處理（DieselOxidationCatalyst，簡(jiǎn)稱為DOC）可以氧化微粒中大部分的SOF，使SOF下降40％～90％。2)微粒捕捉器(DieselParticulateFilter,DPF)與其上游

的特殊氧化催化反應(yīng)器（DOC）組成催化連續(xù)再生

（CatalyticContinuousRegenerationTrap,簡(jiǎn)稱CRT）。

在DOC催化器中：2NO＋O2＝2NO2

在DPF中：2NO2＋C＝CO2＋2NO

利用NO2的氧化能力，氧化DPF中積聚的碳煙顆粒。

DOCDPFHC，CO，NO，PM

連續(xù)再生捕集器實(shí)質(zhì)是將柴油機(jī)的催化氧化器和微粒捕捉器相結(jié)合163NOx還原催化轉(zhuǎn)化器柴油機(jī)排氣中的CO和HC比汽油機(jī)少得多，又由于柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)大，排氣中的氧含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，所以柴油機(jī)尾氣中氧化量是還原量的30倍，在高度氧化氛圍中進(jìn)行還原反應(yīng)，對(duì)催化劑性能要求很高；柴油機(jī)排氣溫度明顯低于汽油機(jī)；柴油機(jī)中含有大量SOx和微粒，容易導(dǎo)致催化劑中毒劣化。故而NOx還原催化轉(zhuǎn)化器的實(shí)用遇到很大障礙。為了改善使用效果，不得不從外部補(bǔ)充還原劑，如HC、NH3（尿素）等（下圖中增加一個(gè)柴油噴射器）。研究開發(fā)的技術(shù)方案很多，但與稀燃汽油機(jī)差別在于難于營(yíng)造吸附還原催化劑再生所需的還原氛圍。四元催化轉(zhuǎn)化器---已有實(shí)例，CO、HC、PM與NOx互為氧化劑和還原劑第四節(jié)排放法規(guī)及測(cè)試方法簡(jiǎn)介REGULATION&TESTCYCLES

排放測(cè)試規(guī)范

取樣方法

測(cè)量技術(shù)

排放法規(guī)限值主要學(xué)習(xí)內(nèi)容第五節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲來源與控制內(nèi)燃機(jī)的噪聲有三個(gè)主要來源：進(jìn)排氣口和風(fēng)扇等引起的氣體噪聲；由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)和零部件間隙等引起的機(jī)械噪聲；由燃燒過程中壓力等參數(shù)的急劇變動(dòng)引起的燃燒噪聲。由于柴油機(jī)燃燒的沖擊性和運(yùn)動(dòng)部件慣性質(zhì)量明顯大于汽油機(jī)，因而其噪聲也高于汽油機(jī)，這使柴油機(jī)的用途受到限制，也是研究的主要對(duì)象。一、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的來源：1.燃燒噪聲燃燒噪聲經(jīng)由兩條路徑傳播并輻射出來。一條是經(jīng)過氣缸蓋及氣缸套經(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。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。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。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)荷增大而增大。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。4.風(fēng)扇噪聲風(fēng)扇噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。旋轉(zhuǎn)噪聲是由風(fēng)扇葉片對(duì)空氣分子的周期性擾動(dòng)而產(chǎn)生的，它的強(qiáng)弱與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)成正比；而渦流噪聲是空氣在受葉片擾動(dòng)后產(chǎn)生的渦流所形成，它的強(qiáng)弱主要與風(fēng)扇氣流速度有關(guān)。對(duì)風(fēng)扇型式、葉片形狀、布置及材料的改進(jìn)，如采用葉片不均勻分布的風(fēng)扇、用塑料風(fēng)扇代替鋼板風(fēng)扇、在車用內(nèi)燃機(jī)上采用風(fēng)扇自動(dòng)離合器等措施可取得較好的降低噪聲效果。二、影響噪聲的主要因素(１)燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)型式及整個(gè)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)其壓力增長(zhǎng)率、最高燃燒壓力和氣缸壓力頻譜曲線有明顯的影響，故對(duì)燃燒噪聲的影響很大，尤其對(duì)柴油機(jī)更是如此。

(２)噴油提前角當(dāng)噴油提前角變化時(shí)，滯燃期、壓力升高比和最大燃燒壓力等都隨之發(fā)生變化，因而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的低、中、高頻率燃燒噪聲都有影響。

(３)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要影響機(jī)械噪聲的大小。

(４)負(fù)荷隨著負(fù)荷的增加，每循環(huán)的放熱量增加，最大燃燒壓力及壓力升高比(對(duì)柴油機(jī))升高，這會(huì)使噪聲增大。(5)影響機(jī)械噪聲的主要因素:１).活塞敲擊噪聲２).配氣機(jī)構(gòu)噪聲３).齒輪噪聲４).噴油泵的噪聲圖９-３３柴油機(jī)的噪聲及振動(dòng)隨活塞冷態(tài)間隙的變化

ａ)噪聲ｂ)振動(dòng)

１—１０５ｍｍ缸徑單缸機(jī)２—８５ｍｍ缸徑單缸機(jī)三、噪聲控制1.控制燃燒爆發(fā)力和減少不正常燃燒1）適當(dāng)?shù)赝七t噴油或點(diǎn)火時(shí)間2）選用十六烷值較高的柴油和辛烷值較高的汽油3）改變?nèi)紵倚问?.控制轉(zhuǎn)速及減小慣性力

合理設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減輕活塞等往復(fù)運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量，采用平衡軸減小慣性力，盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)平衡，可達(dá)到降低噪聲的目的。3.減小配合零件的撞擊和震動(dòng)

減少活塞與缸壁、氣門機(jī)構(gòu)、軸與軸承、齒輪等些配合零件在運(yùn)動(dòng)時(shí)的撞擊和振動(dòng)，可降低機(jī)械噪聲。

在柴油機(jī)供給系中，可通過提高泵體剛度、減小油泵壓力脈動(dòng)、減小噴油泵凸輪與滾輪體之間的沖擊和摩擦等，降低