《汽油機(jī)燃燒與排放》課件

汽油機(jī)燃燒與排放課程大綱第一部分：汽油機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)汽油機(jī)的工作原理汽油機(jī)的主要構(gòu)造汽油機(jī)的工作參數(shù)第二部分：汽油機(jī)燃燒過程分析燃燒過程的五個(gè)階段火花點(diǎn)火及其參數(shù)混合氣濃度對(duì)燃燒的影響氣缸內(nèi)壓力波動(dòng)分析第三部分：汽油機(jī)排放物成分及來源碳?xì)浠衔?HC)一氧化碳(CO)氮氧化物(NOx)顆粒物(PM)第四部分：汽油機(jī)排放控制技術(shù)燃料供給系統(tǒng)優(yōu)化點(diǎn)火系統(tǒng)控制三元催化轉(zhuǎn)換器顆粒捕集裝置一、汽油機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)汽油機(jī)是汽車的重要組成部分，它將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。了解汽油機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于理解其燃燒和排放過程至關(guān)重要。1.汽油機(jī)的工作原理1進(jìn)氣行程活塞向下運(yùn)動(dòng)，吸入新鮮空氣或混合氣。2壓縮行程活塞向上運(yùn)動(dòng)，壓縮進(jìn)氣，提高混合氣的溫度和壓力。3做功行程混合氣被點(diǎn)燃爆炸，膨脹推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，輸出動(dòng)力。4排氣行程活塞向上運(yùn)動(dòng)，將燃燒后的廢氣排出氣缸。2.汽油機(jī)的主要構(gòu)造氣缸蓋汽油機(jī)氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，它封閉了氣缸，并容納了進(jìn)氣門、排氣門、火花塞等關(guān)鍵部件?；钊钊跉飧變?nèi)上下運(yùn)動(dòng)，將燃燒產(chǎn)生的氣體能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?；钊牟馁|(zhì)和結(jié)構(gòu)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵部件。進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)將空氣吸入氣缸，并與汽油混合形成可燃混合氣。進(jìn)氣系統(tǒng)的效率直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和功率輸出。汽油機(jī)的工作參數(shù)轉(zhuǎn)速汽油機(jī)轉(zhuǎn)速是指曲軸每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，單位為轉(zhuǎn)/分鐘（rpm）。轉(zhuǎn)速是汽油機(jī)的重要參數(shù)，它決定了汽油機(jī)的功率輸出，同時(shí)也會(huì)影響汽油機(jī)的燃油消耗和排放。負(fù)荷汽油機(jī)負(fù)荷是指汽油機(jī)實(shí)際輸出功率與最大功率的比值，通常用百分比表示。負(fù)荷決定了汽油機(jī)的燃油消耗量，負(fù)荷越高，燃油消耗量越大，但功率輸出也越大。除了轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，其他重要參數(shù)還包括：壓縮比：壓縮比是指汽缸活塞在壓縮沖程結(jié)束時(shí)氣體體積與活塞在進(jìn)氣沖程開始時(shí)氣體體積的比值。壓縮比越高，燃燒效率越高，但對(duì)燃油品質(zhì)要求也更高。點(diǎn)火提前角：點(diǎn)火提前角是指火花塞點(diǎn)火時(shí)刻與活塞到達(dá)壓縮沖程上止點(diǎn)時(shí)刻的提前時(shí)間。點(diǎn)火提前角過大或過小都會(huì)影響燃燒效率和排放。氣門正時(shí)：氣門正時(shí)是指進(jìn)氣門和排氣門的開啟和關(guān)閉時(shí)間。氣門正時(shí)決定了氣缸內(nèi)進(jìn)氣和排氣的效率，影響燃燒效率和排放。二、汽油機(jī)燃燒過程分析汽油機(jī)燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及多個(gè)階段、多個(gè)參數(shù)，并受到多種因素的影響。本節(jié)將深入分析汽油機(jī)燃燒過程，包括燃燒階段、點(diǎn)火過程、混合氣濃度對(duì)燃燒的影響以及氣缸內(nèi)壓力波動(dòng)分析。汽油機(jī)燃燒過程分析1點(diǎn)火延遲期從火花點(diǎn)燃到混合氣開始燃燒的這段時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)，混合氣溫度升高，反應(yīng)速度加快，但還沒有開始燃燒。2火焰?zhèn)鞑テ诨鹧鎻狞c(diǎn)火中心向四周傳播，直到整個(gè)混合氣燃燒完畢。這段時(shí)間內(nèi)，燃燒速度最快，氣缸內(nèi)壓力急劇上升。3燃燒后期混合氣燃燒完畢，火焰熄滅，氣缸內(nèi)壓力達(dá)到峰值，然后逐漸下降。這段時(shí)間內(nèi)，燃燒速度逐漸減慢，氣缸內(nèi)溫度逐漸降低。4排氣期燃燒后的廢氣通過排氣門排出氣缸，為下一循環(huán)做準(zhǔn)備。這段時(shí)間內(nèi)，氣缸內(nèi)壓力繼續(xù)下降，氣缸內(nèi)溫度也繼續(xù)降低。5進(jìn)氣期新鮮的混合氣進(jìn)入氣缸，為下一個(gè)燃燒循環(huán)做準(zhǔn)備。這段時(shí)間內(nèi)，氣缸內(nèi)壓力降低，氣缸內(nèi)溫度也降低。2.火花點(diǎn)火及其參數(shù)火花點(diǎn)火是汽油機(jī)燃燒的關(guān)鍵步驟，它通過點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓電火花，點(diǎn)燃混合氣，引發(fā)燃燒。點(diǎn)火提前角是決定燃燒開始時(shí)間的重要參數(shù)，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放。點(diǎn)火能量是指火花塞放電時(shí)的能量，它決定了火花塞點(diǎn)燃混合氣的能力，并影響燃燒效率?；旌蠚鉂舛葘?duì)燃燒的影響過濃混合氣過濃混合氣是指空氣量不足，汽油比例過高，燃燒不完全，產(chǎn)生大量黑煙，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率。過稀混合氣過稀混合氣是指空氣量過剩，汽油比例不足，燃燒溫度過高，容易產(chǎn)生爆震，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，甚至損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。最佳混合氣最佳混合氣是指空氣與汽油的比例恰當(dāng)，燃燒充分，效率最高，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能最佳。4.氣缸內(nèi)壓力波動(dòng)分析壓力波動(dòng)原因燃燒壓力急劇上升火花點(diǎn)火后，混合氣快速燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體壓力下降階段燃燒結(jié)束，膨脹做功，壓力逐漸降低排氣壓力排氣門打開，氣缸內(nèi)壓力迅速下降三、汽油機(jī)排放物成分及來源汽油機(jī)在燃燒過程中產(chǎn)生的排放物對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，其中主要包括碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)。這些排放物會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量、氣候變化和人體健康造成負(fù)面影響。碳?xì)浠衔?HC)未完全燃燒的燃料一氧化碳(CO)燃料燃燒不充分產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)高溫高壓下氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的顆粒物(PM)燃料燃燒過程中產(chǎn)生的固體顆粒碳?xì)浠衔?HC)來源未燃燒的燃料、汽油蒸汽和機(jī)油蒸汽是汽油機(jī)排放中碳?xì)浠衔锏闹饕獊碓?。?dāng)汽油機(jī)燃燒不完全時(shí)，燃料中的碳?xì)浠衔锓肿記]有完全氧化，就會(huì)以碳?xì)浠衔锏男问脚欧诺酱髿庵?。危害碳?xì)浠衔锸且环N重要的溫室氣體，會(huì)加劇全球變暖。它們也是形成臭氧的先驅(qū)物質(zhì)，臭氧是一種重要的空氣污染物，會(huì)損害人體健康和生態(tài)環(huán)境。二氧化碳(CO)汽油機(jī)燃燒不完全時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一氧化碳。一氧化碳是一種無色無味的氣體，具有劇毒，會(huì)與血液中的血紅蛋白結(jié)合，造成氧氣供應(yīng)不足，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。一氧化碳的產(chǎn)生與燃燒條件密切相關(guān)?；旌蠚膺^濃、點(diǎn)火時(shí)間過晚、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷過低等都會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全，增加一氧化碳排放。一氧化碳是重要的溫室氣體，會(huì)加劇全球氣候變暖。近年來，世界各國對(duì)汽車尾氣中的一氧化碳排放制定了越來越嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，要求汽車制造商采取有效措施來控制一氧化碳排放。氮氧化物(NOx)來源氮氧化物主要是在高溫、高壓的燃燒過程中，空氣中的氮?dú)馀c氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的。在汽油機(jī)中，NOx的生成主要發(fā)生在燃燒室中，尤其是高溫區(qū)和燃燒末期。成分氮氧化物主要包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)兩種，其中NO占絕大部分。在汽油機(jī)排放中，NOx主要以NO的形式存在。危害NOx是重要的空氣污染物，對(duì)人體健康、環(huán)境和氣候變化都有負(fù)面影響。NOx會(huì)刺激呼吸道，引起肺部疾??；NOx還會(huì)與空氣中的其他物質(zhì)反應(yīng)生成酸雨，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞；此外，NOx也是溫室氣體，會(huì)加劇全球變暖。顆粒物(PM)來源顆粒物主要來自燃油不完全燃燒產(chǎn)生的碳顆粒，以及發(fā)動(dòng)機(jī)磨損產(chǎn)生的金屬顆粒。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃燒過程的特殊性，會(huì)產(chǎn)生更多的顆粒物。影響顆粒物對(duì)人體健康和環(huán)境造成重大危害。細(xì)顆粒物可以深入肺部，甚至進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)，引發(fā)呼吸道疾病、心血管疾病等。四、汽油機(jī)排放控制技術(shù)隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提升，汽油機(jī)排放控制技術(shù)成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。為了降低排放，汽車制造商們不斷開發(fā)新的技術(shù)，減少有害氣體排放，保護(hù)環(huán)境。燃料供給系統(tǒng)優(yōu)化1精確控制通過優(yōu)化噴油器和燃油泵等部件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴射時(shí)間、噴射量和噴射壓力的精確控制，以滿足不同工況下的燃燒需求，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放。2混合氣均勻性優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)和噴油器設(shè)計(jì)，可以改善混合氣的均勻性，使燃料與空氣充分混合，提高燃燒效率并減少HC排放。3燃油品質(zhì)適應(yīng)性針對(duì)不同燃油品質(zhì)，例如低辛烷值燃油，可以調(diào)整點(diǎn)火提前角、噴油策略和燃燒室設(shè)計(jì)，以適應(yīng)燃料特性，避免爆震現(xiàn)象。點(diǎn)火系統(tǒng)控制點(diǎn)火線圈點(diǎn)火線圈將低壓電流轉(zhuǎn)換為高壓電流，為火花塞提供足夠的能量。點(diǎn)火開關(guān)點(diǎn)火開關(guān)控制點(diǎn)火系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，并決定點(diǎn)火時(shí)間。點(diǎn)火分配器點(diǎn)火分配器將高壓電流分配到各個(gè)氣缸的火花塞?；鸹ㄈ鸹ㄈ跉飧變?nèi)產(chǎn)生火花點(diǎn)火，點(diǎn)燃混合氣。三元催化轉(zhuǎn)換器1減少污染物排放三元催化轉(zhuǎn)換器是汽油機(jī)排放控制系統(tǒng)中最重要的組件之一。它通過催化氧化反應(yīng)，將排氣中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，從而大幅減少排放。2工作原理三元催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包含貴金屬催化劑，如鉑、鈀和銠。這些催化劑加速了排氣中碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的化學(xué)反應(yīng)，將其分別轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO2)、水(H2O)和氮?dú)?N2)。3關(guān)鍵要素三元催化轉(zhuǎn)換器的效率取決于排氣溫度、氧氣濃度和混合氣比例。為了確保其最佳性能，需要精確控制燃油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)，以保持最佳的排氣組成。顆粒捕集裝置工作原理顆粒捕集裝置(DPF)主要用于減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物(PM)。它通常安裝在排氣系統(tǒng)中，利用多孔的陶瓷或金屬濾網(wǎng)捕獲微小的顆粒物。這些顆粒物隨后在高溫下被氧化，最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣。類型顆粒捕集裝置主要分為兩種類型：被動(dòng)式DPF和主動(dòng)式DPF。被動(dòng)式DPF依靠排氣溫度進(jìn)行再生，而主動(dòng)式DPF則通過噴射燃料或添加輔助加熱器來提高排氣溫度，促進(jìn)顆粒物的燃燒。優(yōu)勢顯著降低顆粒物排放提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率延長發(fā)動(dòng)機(jī)壽命排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測為了減少汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境的影響，各國政府制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)汽車排放進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測。排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了汽車排放的限值，涵蓋了碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)等污染物。排放監(jiān)測排放監(jiān)測通過測試汽車在特定工況下的排放，評(píng)估汽車是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)。全球主要排放標(biāo)準(zhǔn)歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)(EuroStandards):是最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)之一，涵蓋汽油車和柴油車，并不斷更新以降低排放限值。美國聯(lián)邦排放標(biāo)準(zhǔn)(EPAStandards):包括Tier1-3等多個(gè)階段，側(cè)重于減少汽車尾氣中的有害物質(zhì)，并不斷更新以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。日本排放標(biāo)準(zhǔn)(JapaneseStandards):也分為多個(gè)階段，以降低汽油車和柴油車的排放物濃度為目標(biāo)，并與國際標(biāo)準(zhǔn)保持同步。中國排放標(biāo)準(zhǔn)(ChinaStandards):近年快速發(fā)展，逐步與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，并制定了更為嚴(yán)格的國六標(biāo)準(zhǔn)，旨在全面降低汽油車和柴油車的排放水平。排放測試工況及方法穩(wěn)態(tài)工況在特定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下進(jìn)行測試，模擬車輛在穩(wěn)定行駛狀態(tài)下的排放情況。瞬態(tài)工況模擬車輛在實(shí)際行駛過程中加速、減速、怠速等不同工況下的排放情況，例如WLTC工況。實(shí)車路測在真實(shí)道路上進(jìn)行測試，更加接近車輛實(shí)際行駛狀況，但成本較高且不易控制。排放測試方法常用的測試方法包括稀釋排氣取樣、尾氣分析儀檢測、非甲烷總烴(NMHC)分析等。實(shí)車路測與仿真分析1實(shí)車路測真實(shí)道路環(huán)境下的排放測試2仿真分析模型模擬不同工況下的排放實(shí)車路測是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過真實(shí)道路行駛條件下的測試，可以準(zhǔn)確評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。仿真分析則可以利用計(jì)算機(jī)模型模擬不同行駛工況下的排放情況，為優(yōu)化排放控制技術(shù)提供參考依據(jù)。排放檢測設(shè)備及原理尾氣分析儀用于測量汽車尾氣中各種排放物的濃度，如碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)。煙度計(jì)用于測量汽車尾氣中的煙度，以評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率和排放控制系統(tǒng)的性能。排放測試臺(tái)用于模擬汽車行駛工況，并進(jìn)行排放測試，以評(píng)估汽車的排放水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)。未來趨勢與展望汽油機(jī)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，未來的趨勢包括清潔燃料、電動(dòng)化、排放控制新方案以及檢測智能化。清潔燃料技術(shù)生物燃料生物燃料，如生物柴油和乙醇，源自可再生資源，例如植物油和玉米。它們可以減少碳排放，但生產(chǎn)成本較高，可能影響糧食安全。合成燃料合成燃料，如合成氣和氫氣，通過將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料，實(shí)現(xiàn)了碳中和。這些技術(shù)仍在研發(fā)階段，成本較高，需要克服技術(shù)挑戰(zhàn)?；旌先剂匣旌先剂蠈鹘y(tǒng)燃料與清潔燃料混合使用，例如汽油與乙醇混合。混合燃料可以降低排放，但也需要考慮燃料的相容性和發(fā)動(dòng)機(jī)性能。2.發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)化電動(dòng)化技術(shù)正在迅速改變著汽車行業(yè)，許多汽車制造商正在推出混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車。越來越多的汽車制造商也正在研究將電動(dòng)機(jī)集成到內(nèi)燃機(jī)中，形成混合動(dòng)力系統(tǒng)。電池技術(shù)是電動(dòng)化技術(shù)的核心，電池的容量和效率直接影響著電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和性能。新的電池技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)，例如固態(tài)電池，它們有望提高電池的能量密度和壽命。電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對(duì)于電動(dòng)汽車的普及至關(guān)重要。政府和企業(yè)都在積極投資建設(shè)充電站，并開發(fā)新的充電技術(shù)，例如無線充電技術(shù)。排放控制新方案清潔燃料技術(shù)隨著可再生能源技術(shù)的進(jìn)步，生物燃料、氫燃料等清潔燃料正在逐步應(yīng)用于汽油機(jī)，降低排