发动机原理第八章_发动机排放与噪声

第八章发动机排放与噪声1876年世界上第一台内燃机诞生，至今已130余年；1943年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（photo-chemicalsmog）1952年：加州工大A.H.Smit博士提出Smog生成机理：HC＋NO2→→O3＋PAN（过氧酰基硝酸盐）1966年：加州实施世界上第一个“汽车排放法规”（7工况）1968年：日本实施“大气污染防止法”（怠速测CO）1970年：欧洲开始实施排放法规（怠速测CO、HC）1984年：中国实施排放法规（汽油车怠速、柴油车自由加速烟度）1999年：北京实施国Ⅰ法规2000年：全国实施欧Ⅰ法规2017年：北京实施京6法规，实现了国际接轨序言—排气污染及其防治的历程主要内容第一节发动机有害排放物的生成及危害第二节影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制第三节影响柴油机有害排放物生成的主要因素第四节发动机排放标准与测试（自学）第五节发动机噪声来源与控制汽油机Vs柴油机：CO：汽柴（10：1）HC：汽柴（5：1）NO：汽柴（2：1）PM：汽柴（1：10~100）PM高度显微图例第一节发动机有害排放物的生成及危害一、发动机排放污染的现状：空气：恒定成分：氧气、氮气、稀有气体等可变成分：二氧化碳、水蒸气等不定部分：有害气体、尘埃等发动机废气污染是空气中不定组分的最主要的来源，已成为城市污染的首要污染源。二、发动机排放污染物的危害：1.一氧化碳CO：CO是无色无臭有窒息性的毒性气体。2.碳氢化合物HC：HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的环氧衍生物。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃(PAH)及其衍生物有强致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。烃类成分还是引起光化学烟雾的主要物质。3.氮氧化物NOx：氮氧化物是燃烧过程形成的多种氮氧化物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，总称为NOx。在内燃机中主要是NO，约占95％，其次为NO2，占5％。NO是无色无味气体，只有轻度刺激性，毒性不大，高浓度时会造成中枢神经有轻度障碍，但NO易被氧化成NO2。NO2是一种红棕色有刺激性气味的有毒气体。它对人体健康的影响见表83。NO2吸人人体后，和血液中血红素蛋白(Hb)结合，使血液输氧能力下降，对心脏、肝、肾都会有影响。NO2易溶于水，被人吸入肺部后，能与肺中的水分结合成稀硝酸，引起支气管炎、肺气肿。NO2是地面附近大气中形成光化学烟雾的主要因素，也是酸雨的来源之一。4.光化学烟雾：HC和NOx在太阳紫外线作用下会生成臭氧(O3)和过氧酰基硝酸盐(PAN)，即一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，称为光化学烟雾，它是一种有强刺激性的二次污染物。臭氧对人体的危害主要表现在刺激和破坏深部呼吸道粘膜和组织，对眼睛也有刺激,5.微粒：微粒对人体健康的危害和微粒的大小及其组成有关。微粒愈小，悬浮在空气中的时间愈长，进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1µm(微米，106m)的微粒能在空气中作随机运动，进入肺部并附在肺细胞的组织中，有些还会被血液吸收。微粒能粘附SO2、未燃HC、NO2等有毒物质或苯丙芘等致癌物，因而对人体健康造成更大危害。由于柴油机的微粒直径大多小于0.3µm，而且数量比汽油机高出30～60倍，成分更为复杂，因而柴油机排出的微粒危害更大。三、发动机排放污染的生成机理1.一氧化碳CO的生成：①燃料不完全燃烧；②混合气不均匀；③CO2高温时裂解。2.碳氢化合物HC的生成：①冷激效应②油膜与沉积物吸附③火焰淬熄④未燃碳氢化合物的后期氧化3.氮氧化物NOx的生成温度超过2000℃时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分子化合生成NO，其反应机理如下:促使生成NO的因素有三个：1.氧的浓度;2.温度;3.反应滞留时间。HNONOHONONONNOONOO22224.微粒在汽油机中，含铅汽油中的铅和汽油中硫造成的硫酸盐，是排气微粒的主要成分。如果用无铅汽油，加上汽油含硫量一般都很低，可以认为汽油机基本上不排放微粒。柴油机的微粒排放量要比汽油机大几十倍。这种微粒由在燃烧时生成的含碳粒子(碳烟)及其表面上吸附的多种有机物组成。图84燃烧系统中碳烟粒子的形成过程5.光化学烟雾产生光化学烟雾的基本条件是大气中存在一定浓度的HC和NOx(一次有害污染物)，当HC的浓度大于NOx浓度的3倍时，在强烈的阳光照射的诱发下产生O3和过氧酰基硝酸盐(PAN)组成的光化学烟雾。一般这种二次有害污染物常发生在夏秋之间，在污染物多、大气不流畅的大城市或盆地地区，而且在午后2～3点钟，光化学烟雾浓度最高。汽油机有害排放物：•排气中的CO、HC、NOx、CO2；•曲轴箱通风向大气排出的HC排放；•燃料供给系中燃料蒸发的HC等。污染物来源不同，措施不同：•尾气排放燃烧系统改进+后处理技术；•曲轴箱通风PCV阀回流到进气管；•燃料供给系蒸发物活性碳罐吸收装置来控制第二节影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制一、影响因素：1.混合气成分处于最佳燃烧的范围内，HC及油耗均为最低。CO：φa↑，CO↓（单调）；φa1，逐渐达最低值HC：φa↑，HC↓；φa过大，HC回升（过稀）NO：φa1时，还原气氛，NO↓；φa＝1.1左右，高温富氧同时具备，NO峰值；Φa1.1后，氧化气氛，但温度下降，NO↓2.点火正时减小点火提前角对降低HC及NOx均有利，但以牺牲动力性为代价。3.负荷•怠速、小负荷：CO、HC增多；•中等负荷：CO、HC少，NOx多；•满负荷：NOx多、HC少、CO增加。4.转速NOx的生成量与混合气成分有关，当用浓混合气时，NOx生成量增加。当用稀混合气时，NOx生成量减少。提高怠速转速使混合气变稀，CO及HC的排放减少5.工况不同工况由于混合气浓度不同，有害物的排放量相差很大。在怠速工况下，HC排放浓度增加.在减速工况下，HC增加。6.废气再循环率将一部分排气回送至燃烧室，有利于抑制NOx的生成，动力性会变差。二、机内净化技术机内净化是指改善可燃混合气的品质和燃烧状况，抑制有害气体的产生，降低排气中的有害成分。1.废气再循环装置将一部分排气（5～20%）引入进气系统，和混合气一起再进入气缸燃烧。废气再循环EGR（ExhaustGasRecirculation）机理：CO2不活性气体、氧浓度下降→燃烧速度下降→温度下降（如下图）•混合气的比热容上升→→温度下降,内部EGR？如何实现？EGR的问题随EGR率提高，PM和油耗等恶化，为此要随负荷调节EGR率（右上图）；同时采取混合均匀和稳定燃烧的措施（右下图），或冷却EGREGR的效果2.改进发动机设计：⑴冷启动、暖机和怠速•采用进气自动加热系统；•机油冷却器应有自动控制温度的装置；•冷却系统除了用节温器控制冷却液的循环外，还广泛应用温控硅油离合器风扇或温控电动风扇，改善冷却系对温度的适应性；•提高怠速转速。恒温进气装置1—进气导流管；2—真空控制膜盒；3—控制阀；4—进气温度传感器；5—空气滤清器；6—热炉；7—冷空气入口；8—排气支管；9—热空气出口；10—热空气管③提高燃油品质⑵压缩比在汽油辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比，以获得较好的功率和油耗指标。用电控单元适当推迟点火消除爆燃。⑶燃烧系统理想的燃烧室形状应是紧凑、表面积小，并带有一定强度的进气旋流。火花塞布置在燃烧室中心位置，可使未燃的HC排放物较低。应尽可能使燃烧系统紧凑。⑷进气系统：•采用每缸3、4或5气门；•采用涡轮增压代替自然进气。•理想的气门正时，应根据发动机转速和负荷而变化，采用可变配气相位方法；•将进气道设计成与气门正时协调，在进气结束前瞬间，压力波峰值到达进气门。对排气道的设计也类似。⑸活塞组设计•要在工作可靠的前提下尽量缩小活塞头部与气缸的间隙，尽量缩小顶环到活塞顶的距离。⑹分层稀薄燃烧分隔式燃烧室稀薄燃烧是当今发动机发展的方向之一。3.电子燃油喷射系统EFI：•小负荷时，提供浓混合气；•在常用的中等负荷时，提供略稀混合气；•在大负荷时，提供浓混合气。4.提高燃油品质：•提高燃油辛烷值；采用代用燃料。三、机外净化技术1.曲轴箱强制通风系统PCV•曲轴箱窜气是指在压缩和燃烧过程中由活塞和气缸之间的间隙窜入曲轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸汽混合后，由通风口排入大气的污染气体。新鲜空气由空滤器进入曲轴箱，与窜气混合后，经PCV阀进入进气管，与空气或油气混合气一起被吸入气缸燃烧掉。2.燃油蒸发控制系统•燃油蒸发是指有油箱和燃油系统管接头处蒸发并排向大气的燃油蒸气。•活性碳罐式油蒸气吸附装置活性炭罐式油蒸气吸附装置燃油蒸发（EVAP）排放控制系统1—油箱；2—单向阀；3—接缓冲器；4—控制电磁阀；5—节气门；6—进气歧管；7—真空控制阀；8—定量排放孔；9—活性炭罐；10—油箱盖附真空泄放阀活性碳罐吸收装置用活性碳罐吸附燃油系统的蒸发物；在进气过程中随清洗空气进入气缸。活性炭活性炭罐单向阀3.三元催化转化器TWC：•结构：在过量空气系数=1附近，三效催化剂对CO、HC和NOX能同时达到较好的净化效果三效催化转化器的净化效果三效催化剂—排放控制技术的一次革命三效催化剂及排放控制系统三效催化剂的净化效果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=0.15~0.10mm（陶瓷）催化剂分类：氧化型催化剂、还原型催化剂、三效催化剂、稀燃催化剂。●氧化型催化剂（OC，OxidationCatalyst）2CO+O2—2CO2（1-1）4HC＋5O2—4CO2+2H2O（1-2）2H2+O2—2H2O（1-3）汽油车催化剂工作原理●三效催化剂（TWC，ThreeWayCatalyst）2CO+2NO—2CO2+N2（1-4）4HC+10NO—4CO2＋2H2O＋5N2（1-5）2H2+2NO—2H2O+N2（1-6）二次空气供给系统二次空气供给系统控制回路——在下列情况下ECU不给二次空气电磁阀通电：①电控燃油喷射系统进入闭环控制。②冷却液温度超过规定范围。③发动机转速和负荷超过规定值。④ECU发现有故障。吸附还原催化剂（LeanNOxTrap)用于稀燃发动机，如稀燃汽油机、柴油机以脉冲方式加入HC作还原剂→→形成还原气氛→→NOx还原反应例－ZLEV排放控制系统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多级催化剂（本田1998年）HC吸附＋预热＋TWC＋…….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3～4ppm)汽油机上可以实现“近零”排放，满足未来十年的排放法规第三节影响柴油机有害排放物生成的主要因素一、柴油机燃烧及排放物生成的特点：当油束喷入有进气涡流的燃烧室中时，可大致分为稀燃火焰熄灭区、稀燃火焰区、油束心部，油束尾部和后喷部以及壁面油膜，从油束边缘到油束核心部分，局部空燃比可从无穷大变到零。根据负荷不同，各区排放物生成的性质也不一样。根据负荷，各区排放物生成的性质：•未燃HC：低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区；高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处。•CO：低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上；高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部。•Nox：在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。•碳烟：高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。•醛类：主要在稀燃火焰熄灭区，由于低温氧化而产生醛类中间产物。微粒的成分近年来提出：PM10、PM2.5、汽油机PMPM粒度越来越小，