第八章發(fā)動(dòng)機(jī)排放與控制

第八章發(fā)動(dòng)機(jī)排放與控制第1頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第1節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物的生成及危害發(fā)動(dòng)機(jī)主要有害排放物：CO、HC、NOx和微粒（碳煙）。一、發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物及其危害1、一氧化碳（CO）特點(diǎn)：無(wú)色、無(wú)味、有毒（引起窒息）。CO與血紅蛋白的親合力是氧的300倍，而分離速度卻是氧的1/3600，并會(huì)阻礙氧的釋放。2、碳?xì)浠衔铮℉C）成分：未燃、不完全燃燒的烴類及其部分氧化物組成，如烷烴、稀烴、芳香烴、醛、酮等。無(wú)害有害第2頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、氮氧化合物（NOx，如）NO、NO2、N2O3、N205等。危害：1、直接引起人類中毒；2、形成酸雨，破壞生態(tài)；3、在紫外線作用下，與HC反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧。淺藍(lán)色煙霧（O3和PAN），易在中午日照最強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生，其毒性較NOx更強(qiáng)。4、微粒（碳煙）危害：1、微粒（<0.1μm)破壞呼吸和血液循環(huán)系統(tǒng)；2、微粒上的附著物（SO2、NOx、HC等）引起中毒、至癌等。通常，柴油機(jī)的碳煙排放量約為汽油機(jī)的30倍以上。第3頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)生效日期汽油機(jī)柴油機(jī)COHCNOxCOHCNOx微粒歐119922.270.970.972.720.970.970.14歐219952.20.50.5非直噴1.00.700.700.08直噴1.00.900.900.10歐320002.30.20.150.640.560.500.05歐420051.00.10.080.500.300.250.025單位（g/km)我國(guó)制定的國(guó)3標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)值上與歐3標(biāo)準(zhǔn)基本一致，但增加了強(qiáng)制安裝OBD診斷接口的要求（診斷排放自診斷）。第4頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、有害排放物的生成機(jī)理1、CO的生成來(lái)源：1、不完全燃燒（包括局部缺氧燃燒）；2、高溫CO2與H2O的裂解反應(yīng)（2000℃以上）。對(duì)于柴油機(jī)，過(guò)量空氣系數(shù)大（富氧），且燃燒溫度也較低，故其CO排放低；CO（%,體積分?jǐn)?shù)）：汽油機(jī)0.1～6；柴油機(jī)0.05～0.5。柴油機(jī)與汽油機(jī)比較：而汽油機(jī)，過(guò)量空氣系數(shù)偏?。ㄑ跎伲?，且燃燒溫度高，CO排放較大。第5頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、HC的生成1、未燃和不完全燃燒；冷激與縫隙效應(yīng)（50%～70%)潤(rùn)滑油膜和沉積物的吸附（30～40%)過(guò)濃或過(guò)稀造成的火焰淬熄2、曲軸箱的竄氣及燃油系統(tǒng)的蒸發(fā)泄露。第6頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三柴油機(jī)與汽油機(jī)的比較：1、柴油機(jī)燃油是在壓縮接近終了時(shí)才噴射，因而冷激、縫隙與吸附效應(yīng)的影響小，故HC排放較汽油機(jī)低；2、柴油機(jī)HC主要來(lái)源于混合不均勻造成的過(guò)濃或過(guò)稀及噴油器壓力室容積內(nèi)的殘留燃油。HC（%）：汽油機(jī)0.2；柴油機(jī)0.02～0.1。第7頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由于部分HC在排氣過(guò)程中會(huì)被氧化，因此，提高排氣溫度（如推遲點(diǎn)火/噴油、排氣絕熱等）有助于降低HC的排放。3、NOx的生成來(lái)源：高溫、富氧燃燒。抑制NOx的生成必然與燃油經(jīng)濟(jì)性相矛盾。柴油機(jī)與汽油機(jī)的比較：由于柴油機(jī)的最高燃燒溫度較汽油機(jī)低，故NOx的排放量較汽油機(jī)少。NOx的生成與溫度的關(guān)系NOx（%）：汽油機(jī)0.2-0.4；柴油機(jī)0.07～0.2。第8頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、微粒（碳煙）的生成來(lái)源：高溫、缺氧燃燒。由于大部分碳煙在燃燒后期及排氣過(guò)程中會(huì)被氧化，因此，提高排氣溫度有助于降低碳煙的排放。對(duì)于汽油機(jī)，采用無(wú)鉛汽油時(shí)基本不排放碳煙；

柴油機(jī)與汽油機(jī)比較：

而柴油機(jī)，由于采用缸內(nèi)噴射、邊噴邊燒的工作模式，較容易產(chǎn)生局部高溫缺氧燃燒，故碳煙生成量較汽油機(jī)大得多（30倍以上）。微粒（g/m3）：汽油機(jī)0.005；柴油機(jī)0.15～0.3。第9頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第2節(jié)影響汽油機(jī)排放的主要因素及控制一、影響因素1、混合氣成分（主要影響因素）空燃比對(duì)排放的影響

混合氣濃（<14.9）時(shí)：

理論空燃比附近（≈14.9）時(shí)：

混合氣?。杖急?gt;14.9）時(shí)：缺氧燃燒，CO和HC排放大,NOx排放??；燃燒迅速、充分，CO和HC排放低，但NOx排放高；燃燒速度慢、溫度低，CO和NOx排放低，但淬熄現(xiàn)象增加使HC排放高。第10頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、點(diǎn)火提前角點(diǎn)火提前角對(duì)排放的影響點(diǎn)火推遲(減小提前角）:后燃嚴(yán)重，最高燃燒溫度低，NOx排放少；同時(shí)，由于排溫高，有助于HC的氧化，但動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性差。點(diǎn)火提前(增大提前角）:放熱集中，燃燒溫度高，而排溫低，對(duì)NOx和HC排放均不利。第11頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、負(fù)荷怠速、小負(fù)荷(節(jié)氣門開(kāi)度?。?混合氣偏濃而廢氣多，燃燒變差，溫度低，HC、CO排放高而NOx排放低。中等負(fù)荷(節(jié)氣門開(kāi)度25%-80%）:供給經(jīng)濟(jì)混合氣且殘余廢氣少，燃燒迅速、充分，HC、CO排放低；但燃燒溫度高，NOx排放高。大負(fù)荷(節(jié)氣門開(kāi)度>80%）:供給濃混合氣，燃燒溫度和排溫高，故NOx排放高而HC排放低；但由于氧不足，CO排放高。第12頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、轉(zhuǎn)速對(duì)于CO、HC:轉(zhuǎn)速高，氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，可以改善燃燒（減少冷激效應(yīng)），故HC和CO排放低。對(duì)于NOx:燃燒速度快，轉(zhuǎn)速越高，散熱損失越少，燃燒溫度高，故NOx排放高；燃燒速度慢，轉(zhuǎn)速越高，燃燒對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角越大，結(jié)果燃燒溫度降低，故NOx排放低。（1）濃混合氣時(shí)：（2）稀混合氣時(shí)：第13頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5、工況工況（km/h）排放量怠速0定速40加速0→40減速40→0CO(%)4.0-10.00.5-1.00.7-5.01.5-4.5HC(10-6)300-2000200-400300-6001000-3000NOx(10-6)50-1001000-30001000-40005-50第14頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6、廢氣再循環(huán)（EGR率）EGR率與排放的關(guān)系

EGR率高，對(duì)降低NOx有利，但過(guò)高會(huì)影響燃燒，使HC排放和油耗增大。第15頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、降低排放的措施1、廢氣再循環(huán)EGR目的：引入部分廢氣，降低燃燒溫度（廢氣比熱容大）和氧的濃度，抑制NOx的生成。需要注意事項(xiàng)：EGR率過(guò)大，影響燃燒，使油耗和HC排放增大；EGR率過(guò)小，NOx抑制效果差，且易引發(fā)爆燃等不正?，F(xiàn)象。目的：降低CO、HC的排放。2、改善冷起動(dòng)、暖機(jī)和怠速提高點(diǎn)火能量、增大起動(dòng)機(jī)功率、采用進(jìn)氣加熱、提高怠速轉(zhuǎn)速等。措施：第16頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、合理選擇壓縮比目的：提高壓縮終了溫度，降低冷激效應(yīng)，改善經(jīng)濟(jì)性和HC、CO的排放。需要注意事項(xiàng)：壓縮大，燃燒溫度高，NOx排放高的同時(shí)易引發(fā)爆燃，故需與EGR、點(diǎn)火提前角控制相結(jié)合。措施：采用緊湊燃燒室，減少縫隙容積和燃燒室表面積，合理選擇火花塞位置，并適當(dāng)組織進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)，加速燃燒，降低HC和CO的排放。4、改善燃燒系統(tǒng)需要注意事項(xiàng)：加速燃燒會(huì)使燃燒溫度升高，對(duì)抑制NOx不利，必須與其它控制措施結(jié)合。第17頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5、改善換氣過(guò)程采用多氣門結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣增壓和合理的氣門相位（如可變氣門升程和正時(shí)），改善燃燒，減少油耗和HC排放。降低油耗和NOx的排放。7、采用稀薄燃燒技術(shù)6、采用電控燃油技術(shù)8、提高燃油品質(zhì)9、采用曲軸強(qiáng)制通風(fēng)實(shí)現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制。第18頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三10、采用燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（活性碳罐）第19頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三11、安裝三元催化器（TWC）全面降低HC、CO和NOx的排放。為了取得好的轉(zhuǎn)化效果，需要與氧傳感器配合（理論空燃比），并防止三元催化中毒（鉛、硫）。目的：需要注意事項(xiàng)：第20頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第3節(jié)影響柴油機(jī)排放的主要因素及控制一、影響因素1、混合氣成分過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)柴油機(jī)排放的影響過(guò)量空氣系數(shù)大，HC、CO和R（碳煙）的排放低。噴油時(shí)間長(zhǎng)，后燃嚴(yán)重，使CO、HC和R（碳煙）排放增多；同時(shí)由于燃燒溫度高，NOx排放也高。（1）中、小負(fù)荷（2）滿負(fù)荷第21頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、噴油提前角噴油提前角對(duì)排放的影響

延遲噴油（減小噴油提前角）時(shí)，可以降低最高燃燒溫度，抑制NOx生成；但會(huì)使后燃嚴(yán)重，不僅提高油耗，還會(huì)使碳煙（R）排放增加。1、廢氣渦輪增壓與中冷目的：提高進(jìn)氣量，使燃燒充分，降低CO、HC和碳煙。需要注意事項(xiàng)：二、降低排放的措施增壓會(huì)使燃燒溫度提高，增加NOx的排放，故需與中冷技術(shù)配合使用，全面降低碳煙和NOx。第22頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)措施：

降低進(jìn)氣阻力，增加進(jìn)氣充量，并組織適當(dāng)渦流，改善混合和燃燒，降低CO、HC和碳煙的排放。需要注意事項(xiàng)：過(guò)強(qiáng)的氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)降低進(jìn)氣充量，使碳煙增加，并影響動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。3、改進(jìn)噴油系統(tǒng)通過(guò)減少噴油器壓力室容積，提高噴射壓力，減少噴孔直徑，增加噴孔數(shù)量，采用高壓共軌噴射等措施來(lái)改善噴射和霧化，降低HC、碳煙和油耗。需要注意事項(xiàng)：燃燒加速會(huì)使燃燒溫度增大，NOx排放增加。措施：第23頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、改進(jìn)燃燒系統(tǒng)采用大的燃燒室容積比、大的S/D、大的燃燒室口徑比（dk/D）和縮口型燃燒室，提高空氣利用率，降低碳煙和油耗。5、提高壓縮比提高壓縮，不僅可以提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，降低CO、HC和碳煙的排放；但會(huì)因燃燒溫度的提高使NOx排放增加。6、廢氣再循環(huán)采用EGR，抑制NOx的生成。但需要根據(jù)不同工況對(duì)EGR率進(jìn)行控制（一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)的EGR率可較汽油機(jī)大）。第24頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7、減少氣缸機(jī)