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1、发 动 机 原 理发 动 机 原 理 武汉理工大学 汽车工程学院 侯献军 武汉理工大学 汽车工程学院 侯献军 houxj 2013年年6月月 2013-6-14发动机原理发动机原理2 目 录目 录 ?绪论绪论 ?第一章发动机的性能第一章发动机的性能 ?第二章发动机的换气过程第二章发动机的换气过程 ?第三章燃料与燃烧第三章燃料与燃烧 ?第四章汽油机混合气的形成和燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧 ?第五章柴油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧 ?第六章发动机的特性第六章发动机的特性 ?第七章发动机电控燃油喷射（第七章发动机电控燃油喷射（EFI） ?第八章发动机废气涡轮增压第八章发
2、动机废气涡轮增压 ?第九章排气污染及控制第九章排气污染及控制 第九章排气污染及控制第九章排气污染及控制 ? 发动机在进行动力输出的同时，也产生了有害气体、 微粒、噪声等污染。 发动机在进行动力输出的同时，也产生了有害气体、 微粒、噪声等污染。 ? 发动机的排气污染已经成为地球环境的主要污染源， 因此世界各国和地区都制定了日益严格的排放法规， 对发动机的排放进行控制。 发动机的排气污染已经成为地球环境的主要污染源， 因此世界各国和地区都制定了日益严格的排放法规， 对发动机的排放进行控制。 ? 9.1 发动机排气污染概述9.1 发动机排气污染概述 ? 9.2 汽油机有害排放物的生成机理和影响因素9
3、.2 汽油机有害排放物的生成机理和影响因素 ? 9.3 汽油机有害排放物控制技术9.3 汽油机有害排放物控制技术 ? 9.4 柴油机有害排放物的生成机理和影响因素9.4 柴油机有害排放物的生成机理和影响因素 ? 9.5 柴油机有害排放物控制技术9.5 柴油机有害排放物控制技术 ? 9.6 排放法规与试验方法9.6 排放法规与试验方法 ? 9.7 发动机噪声及其控制9.7 发动机噪声及其控制 第一节 发动机排气污染概述 第一节 发动机排气污染概述 2013-6-14发动机原理发动机原理5 9.1 发动机排气污染概述9.1 发动机排气污染概述 ?以发动机为动力的汽车是城市大气污染的主要来 源。 以
4、发动机为动力的汽车是城市大气污染的主要来 源。 ?发动机的主要有害排放污染物包括发动机的主要有害排放污染物包括一氧化碳一氧化碳CO、 碳氢化合物 、 碳氢化合物 HC、氮氧化物、氮氧化物 NOx、微粒和硫化物、微粒和硫化物 等。等。 ?据世界一些主要大城市的统计表明，在未治理 前，汽车排放中的主要有害成分占城市大气该污 染物总量中的比例很高： 据世界一些主要大城市的统计表明，在未治理 前，汽车排放中的主要有害成分占城市大气该污 染物总量中的比例很高： COHCNOX 88-99%63-95%31-53% 2013-6-14发动机原理发动机原理6 一氧化碳一氧化碳CO排放排放 ? 一氧化碳CO主
5、要是在一氧化碳CO主要是在缺氧环境缺氧环境 下的下的不完全燃烧产物不完全燃烧产物，是一种 无色无臭无味的气体。 ，是一种 无色无臭无味的气体。 ? 一氧化碳CO被人体大量吸入之 后会使人发生恶心、头晕、疲 劳症状，严重时会使人窒息死 亡。 一氧化碳CO被人体大量吸入之 后会使人发生恶心、头晕、疲 劳症状，严重时会使人窒息死 亡。 ? CO和血液中输送氧的载体血红 蛋白的亲和力是氧的240倍，人 体吸入微量，将破坏造血功 能，呈中毒症状；吸入含体积 浓度0.3的CO气体，则可在 30min内使人致命。 CO和血液中输送氧的载体血红 蛋白的亲和力是氧的240倍，人 体吸入微量，将破坏造血功 能，呈
6、中毒症状；吸入含体积 浓度0.3的CO气体，则可在 30min内使人致命。 2013-6-14发动机原理发动机原理7 碳氢化合物碳氢化合物 HC排放排放 ?HC包括HC包括未燃和未完全燃烧未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其的燃油、润滑油及其裂 解产物 裂 解产物和部分和部分氧化产物氧化产物。 ?HC中的大部分对人体健康不产生直接影响，但其 中的某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害。 HC中的大部分对人体健康不产生直接影响，但其 中的某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害。 ?HC可在阳光作用下与NOHC可在阳光作用下与NOX X进行光化学反应，形成一 种毒性较大的光化学烟雾。其中最主要的生成物
7、是臭氧O 进行光化学反应，形成一 种毒性较大的光化学烟雾。其中最主要的生成物 是臭氧O3 3，它具有很强的氧化力和特殊的臭味。，它具有很强的氧化力和特殊的臭味。 ?光化学烟雾指HC和NOX在阳光作用下发生化学反应 而生成的刺激性产物。 光化学烟雾指HC和NOX在阳光作用下发生化学反应 而生成的刺激性产物。 2013-6-14发动机原理发动机原理8 氮氧化物氮氧化物 NOX排放排放 ?NONOX X主要是指NO和NO主要是指NO和NO2 2，一般用NO，一般用NOX X表示。发生在与 燃料燃烧反应相伴的 表示。发生在与 燃料燃烧反应相伴的高温与富氧高温与富氧的环境中。的环境中。 ?NO是一种无色
8、无味的气体，稍溶于水，一般空气 中的 是一种无色无味的气体，稍溶于水，一般空气 中的NO对人体无害，但NO在大气中缓慢氧化形成 NO 对人体无害，但NO在大气中缓慢氧化形成 NO2 2。 ?NO2是褐色有刺激性的气体，具有腐蚀性和生理 刺激作用，对肺和心肌有很强的毒害作用。还能 降低远方物体的亮度和反差，是形成光化学烟雾 的主要物质。 是褐色有刺激性的气体，具有腐蚀性和生理 刺激作用，对肺和心肌有很强的毒害作用。还能 降低远方物体的亮度和反差，是形成光化学烟雾 的主要物质。 ?NONOX X是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一。是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一。 2013-6-14发动
9、机原理发动机原理9 微粒（微粒（PM）排放）排放 ? 一般概念中的微粒是指空气中分散的液态或固态物质，其 粒度在分子级，即直径在0.0002-500微米之间，包括气溶 胶、烟、尘、雾和炭烟等。 一般概念中的微粒是指空气中分散的液态或固态物质，其 粒度在分子级，即直径在0.0002-500微米之间，包括气溶 胶、烟、尘、雾和炭烟等。 ? 发动机排气中的微粒是指经空气稀释后的排气，它是在低 于52温度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上沉积 的除水以外的物质，如柴油机的碳烟粒子，汽油机的铅及 硫酸盐等。 发动机排气中的微粒是指经空气稀释后的排气，它是在低 于52温度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤
10、纸上沉积 的除水以外的物质，如柴油机的碳烟粒子，汽油机的铅及 硫酸盐等。 ? 微粒物对人的呼 吸系统的有影响， 并影响城市空气质 量，如：PM2.5，使 可见度降低，易引 发交通事故。 微粒物对人的呼 吸系统的有影响， 并影响城市空气质 量，如：PM2.5，使 可见度降低，易引 发交通事故。 第二节汽油机有害排放 物的生成机理和影响因素 第二节汽油机有害排放 物的生成机理和影响因素 2013-6-14发动机原理发动机原理11 一、一、CO的生成机理的生成机理 ?一氧化碳（CO）是碳氢燃料在燃烧过程中生成 的重要的中间产物。CO生成的机理比较复杂， 但一般认为，燃料分子（RH）经高温氧化生成 C
11、O要经历如下步骤： 一氧化碳（CO）是碳氢燃料在燃烧过程中生成 的重要的中间产物。CO生成的机理比较复杂， 但一般认为，燃料分子（RH）经高温氧化生成 CO要经历如下步骤： ?RHRRORHRRO2 2RCHORCOCORCHORCOCO ?这里R代表碳氢根。CO在火焰中及火焰后，以 缓慢的速率氧化成CO 这里R代表碳氢根。CO在火焰中及火焰后，以 缓慢的速率氧化成CO2 2。 ?CO的生成受混合气浓度的影响。CO的生成受混合气浓度的影响。 2013-6-14发动机原理发动机原理12 二、二、HC的生成机理的生成机理 ?未燃碳氢化合物（HC）的生成与排出有三个渠道：未燃碳氢化合物（HC）的生成
12、与排出有三个渠道： ?发动机废气排出：占6O以上发动机废气排出：占6O以上 ?曲轴箱窜气：占25曲轴箱窜气：占25 ?从油箱、化油器等处油的蒸汽泄漏：占15 20左右 从油箱、化油器等处油的蒸汽泄漏：占15 20左右 ?燃烧过程中燃烧过程中HC生成的主要途径生成的主要途径 ?1）缝隙效应（主要来源）缝隙效应（主要来源） ?2）壁面激冷与淬熄2）壁面激冷与淬熄 ?3）润滑油膜吸附3）润滑油膜吸附 ?4）减速及怠速工况）减速及怠速工况 2013-6-14发动机原理发动机原理13 三、三、NOX的生成机理的生成机理 ?发动机排出的氮氧化物（NO发动机排出的氮氧化物（NOX X）主要是NO，NO）主要
13、是NO，NO2 2排 出量较少。 排 出量较少。 ?NO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生在燃料 燃烧反应所形成的环境中，其主导反应过程是： NO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生在燃料 燃烧反应所形成的环境中，其主导反应过程是： ?ONON2 2 NON NON ?NONO2 2NOONOO ?促使促使NOX生成的因素生成的因素 ? （1）高温（1）高温 ? （2）富氧（2）富氧 ? （3）充足的反应时间（3）充足的反应时间 2013-6-14发动机原理发动机原理14 四、影响因素四、影响因素 1. 混合气成分混合气成分 ? 混合气成分是影响排放的最主要 的因素 混合气成分是影响排放的最主要
14、 的因素。 ? CO随着空燃比A/F增加，CO浓度 逐渐下降；在大于理论A/F以 后，CO浓度很低。 CO随着空燃比A/F增加，CO浓度 逐渐下降；在大于理论A/F以 后，CO浓度很低。 ? NOx两头低，中间高； 峰值出现 在理论A/F靠稀的一侧。 NOx两头低，中间高； 峰值出现 在理论A/F靠稀的一侧。 ? HC则是两头高，中间低。HC则是两头高，中间低。 ? 当浓混合气逐渐变稀，在缝隙容 积与激冷层中混合气燃料比例减 少，因此HC量减少。 当浓混合气逐渐变稀，在缝隙容 积与激冷层中混合气燃料比例减 少，因此HC量减少。 ? 处于最佳燃烧的A/F范围内，HC 及油耗均为最低。 处于最佳燃
15、烧的A/F范围内，HC 及油耗均为最低。 ? 但当混合气过稀，燃烧因而失 火，致使HC及油耗又重新回升。 但当混合气过稀，燃烧因而失 火，致使HC及油耗又重新回升。 2013-6-14发动机原理发动机原理15 2.点火时刻（点火提前角）2.点火时刻（点火提前角） ? 减少点火提前角对降低NO及HC均有利，但以牺牲动力性 为代价 减少点火提前角对降低NO及HC均有利，但以牺牲动力性 为代价 ? 减小点火提前角，不仅降低燃烧最高温度、减少燃烧反应滞留时 间，对降低NO十分有利； 减小点火提前角，不仅降低燃烧最高温度、减少燃烧反应滞留时 间，对降低NO十分有利； ? 点火推迟，膨胀时的温度及排气温度
16、均上升，这对降低HC也很有 利。 点火推迟，膨胀时的温度及排气温度均上升，这对降低HC也很有 利。 2013-6-14发动机原理发动机原理16 3.吸入废气量(EGR)3.吸入废气量(EGR) ? EGR可以抑制燃烧的最 高温度，有利于抑制NO 的生成。但燃烧的有效 性降低，动力性变差。 EGR可以抑制燃烧的最 高温度，有利于抑制NO 的生成。但燃烧的有效 性降低，动力性变差。 2013-6-14发动机原理发动机原理17 ? 从汽油机排放特性图看出，对于不同的运行工况，各种有 害排放物的差异很大。 从汽油机排放特性图看出，对于不同的运行工况，各种有 害排放物的差异很大。 ? 怠速与减速工况，是HC生成的主要工况。怠速与减速工况，是HC生成的主要工况。 ? 在怠速工况下，燃烧环境温度比较低，缸内残余废气量比较大， 混合气比较浓，致使燃烧恶化，HC排放浓度增加； 在怠速工况下，燃烧环境温度比较低，缸内残余废气量比较大， 混合气比较浓，致使燃烧恶化，HC排放浓度增加； ? 在减速工况下，很高的进气
