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1、汽车发动机原理,排气污染与控制,8.1 有害排放物的生成机理与影响因素,8.1.1 有害排放物的种类与危害 法规限制成份： CO、HC、NOx、PM,其他有害成份： SOx、铅化合物、醛类、苯类、丁二烯、柴油机排气臭味,光化学烟雾是一种淡蓝色的烟雾，汽车尾气和工厂废气里含大量氮氧化物和碳氢化合物，这些气体在阳光和紫外线作用下，会发生光热化学反应，光化学烟雾由此而生。它的主要成分是一系列氧化剂，如臭氧、醛类、酮等，它的毒性很大，对人体有强烈的刺激作用，严重时会使人出现呼吸困难，视力衰退，手足抽搐等症。在上世纪世界环境污染八大公害事件中，光化学烟雾事件便占了5起。1955年，洛杉矶发生的高浓度光化
2、学烟雾导致了两天内400多名65岁以上老人的死亡。,8.1.2 评定指标和单位,8.1.3 有害排放物的生成机理,1）Thermal NO2）Prompt NO 3）Fuel NO,NOx生成途径,1、NOx生成,1） Thermal NO,Extended Zeldovich Reaction (19461973),( O2 2O ),O N2 NO + N H75 Kcalmol1 (1) N O2 NO + O H31.4 Kcalmol1 (2) N OH NO + H H40.8 Kcalmol1 (3),生成条件： T1800K （1、3式均为强烈的吸热反应）a1.0已燃气体 （火
3、焰前锋面后）,2） Prompt NO,Fenimore. C P， 1971年,（CnH2n CH、CH2 ）,CH N2 HCN + N H3.3 Kcalmol1 (4) CH2 N2 HCN + NH,由HCN CN NO 由N经式（2）、（3） NO 由NH N NO,生成条件： 相对低温a1，逐渐达最低值HC： a ，HC ；a 过大，HC回升（过稀）NO： a1.1后，氧化气氛，但温度下降，NO ,点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响,气缸内燃烧压力与点火时刻的关系,2、 点火提前角的影响,3、工况影响,汽油机在不同工况下排气成分的体积分数,4 废气再循环,废气再循环系统工作
4、原理,原理和作用：一部分排气经EGR阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制NOx的生成。,EGR降低NOx的效果,影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制,柴油机有害排放物生成特点 未燃HC 1;3、4CO 1、2界面；3、4 Nox 2、3 炭烟 3、4 醛类 1 1稀燃火焰熄灭区 2稀燃火焰区 3油束心部 4油束尾部和后喷部,（2）柴油机,NO：与汽油机相似，但注意区间碳烟：与汽油机CO相似，但向稀区平移CO：与汽油机CO相似，过稀时回升HC： a2后，过稀和低温使HC 注意：CO、HC远低于汽
5、油机，一般不超标,（注意a范围！与汽油机比较）,影响因素,1.混合气成分 2. 喷油时刻 3.燃烧室类型,混合气成分与柴油机排放的关系,喷油定时对排放的影响,3.燃烧室排放比较分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和炭烟的排放浓度均低于直喷式，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右 原因是，这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。在喷油开始和燃烧初期，副燃烧室的空燃比较小，氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的CO及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成NOx仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的CO及HC进一步氧化。高温燃气进入主燃
6、烧室后，温度有所下降，抑制了NOx的生成,8.3 排放污染物的机内净化技术,降低排气污染 技术分类,机内净化 （燃烧）机外净化 （后处理）清洁燃料 （燃料）,柴油机 汽油机,柴油机 汽油机,气体燃料：CNG、LNG LPG馏分轻，降低排烟 液体含氧燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、甲酯（植物油酯化）,非排气污染 控制技术,燃油系统蒸发 曲轴箱窜气,1废气再循环,废气再循环系统工作原理,原理和作用：一部分排气经EGR阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制NOx的生成。,汽油机机内净化技术,图10.12 EGR
7、降低NOx的效果,2.改进发动机设计,燃烧系统 进气系统 活塞组设计 分层稀薄燃烧,火花塞位置对油耗和HC排放物的影响 1火花塞在燃烧室侧面 2火花塞在燃烧室中心,3.电子控制燃油喷射系统(EFI) 4.提高燃油品质 5.推迟点火提前 6.提高点火能量,柴油机机内净化技术,1.增压中冷技术最现实的办法是增加空气量 2.改进进气系统 1)进气组织 2)多气门,图10.24 缸内的各种有组织气流 (a)切向进气道及其产生的旋流 (b)螺旋进气道及其产生的旋流 (c)纵向滚流(d)压缩时的挤流 (e)膨胀时的逆流,3.改进喷油系统,1)高压喷射 2)推迟喷油提前角 3)减小喷孔直径，增加喷孔数目 4
8、)减小喷嘴压力室容积 5)高压共轨电控燃油喷射,三种燃油系统的喷油压力对烟度及性能的影响 试验条件：转速1000r/min， 17， NOx 1200106,4.改进燃烧系统,1)燃烧室容积比燃烧室容积对气缸余隙容积之比 2)燃烧室口径比 口径比dk/D小的深燃烧室可在室中产生较强的涡流 3)燃烧室形状 缩口燃烧室已经取代应用最广直边不缩口的形燃烧室 4) 适当提高压缩比,图10.27 挤流口型与标准型燃烧室的排放特性 不缩口型 缩口型,三种燃烧室的烟度及燃油消耗率 1-形燃烧室2-四角型燃烧室3-微涡流燃烧室,5.降低机油消耗 6.废气再循环 7.提高燃油品质,排气污染的机外净化技术,三效催
9、化转化器的净化效果,排放控制技术的一次革命三效催化剂,催化转化器的冷起动HC排放,7080的HC排放是在催化器起燃之前产生，因此降低冷起动HC排放是满足更加严格排放法规的关键。 措施：降低T50 、50,三效催化转化器结构,载体 氧化铝球、陶瓷蜂窝载体和金属载体3种。孔密度=200-600（孔/in2）壁厚=0.150.10mm（陶瓷）,氧化型催化剂、还原型催化剂、三效催化剂和稀燃催化剂。氧化型催化剂（OC，Oxidation Catalyst）2CO + O2 2CO2 （1-1）4HC5O2 4CO2 + 2H2O （1-2）2H2 + O2 2H2O （1-3）,汽油车催化剂工作原理,三
10、效催化剂（TWC，Three Way Catalyst）2CO + 2NO2CO2 + N2 （1-4）4HC + 10NO4CO22H2O5N2 （1-5）2H2 + 2NO 2H2O + N2 （1-6）,转化效率 空燃比特性（Sweep ） 起燃特性（Light off） 起燃温度特性（Light-off Temperature) T50T 起燃时间特性（Light-off Time) 50,TWC性能,催化转化器的冷起动HC排放,7080的HC排放是在催化器起燃之前产生，因此降低冷起动HC排放是满足更加严格排放法规的关键。 措施：降低T50 、50,例ZLEV排放控制系统,在传统汽油机
11、上可以实现“近零”排放，满足未来十年的排放要求,本田1998年多级催化剂吸附预热.10万英里老化后，排放仅有加州超低排放法规（ULEV）限值得1/10，在市区行驶时的NMHC排放低于周围大气中的浓度。相当于考虑发电厂排污在内的电动车排放水平。 (暖机后1ppmHC,而环境34ppm,自动车技术，2003，9，村中),在传统汽油机上可以实现“近零”排放，满足未来十年的排放要求,4. 空速特性（SV）SV5. 耐久性 6. 流阻特性,TWC性能,小时排气量（m3/h）,催化剂容积（m3）,（h1）,SV越大，反应气体在Cat.中的停留时间越短。,柴油机机外净化技术,1.氧化催化转化器 2 .微粒捕
12、集器 3 .柴油机Nox还原催化剂,柴油机氧化催化剂使用效果,微粒捕集器的过滤材料 (a)陶瓷蜂窝载体 (b)陶瓷纤维编织物 (c)金属线纤维编织物,2.曲轴箱强制通风系统,曲轴箱强制通风系统(PCV，positive crankcase ventilation system),3.燃油蒸发控制系统,图10.20 燃油蒸发控制系统1空气滤清器 2控制器 3储气罐 4油箱 5炭罐 6进气管,8.5 排放法规及其测试方法,1、排放法规体系,排放法规,排放限值检测方法,整 车排放限值 发 动机排放限值,怠速法（自由加速烟度） 循环工况法,2、检测方法,怠速法（自由加速烟度）：环保检测、汽车修理工况法,轻型车（总重3.5T）发动机测试（台架）,1、排气污染与排放法规的历史,
