第九章 發(fā)動機的排放與噪聲

第一節(jié)排放物及危害

第二節(jié)排放污染物的機內、機外凈化技術

第三節(jié)排放法規(guī)及測試方法

第四節(jié)柴油機的噪聲第五節(jié)工程應用實例(文摘)第九章發(fā)動機的排放與噪聲空氣：恒定成分：氧氣、氮氣、稀有氣體等可變成分：二氧化碳、水蒸氣等不定部分：有害氣體、塵埃等發(fā)動機廢氣污染是空氣中不定組分的最主要的來源，已成為城市污染的首要污染源。第一節(jié)排放物及危害一、排放物分類05AA9(一)ＣＯ的形成

ＣＯ是烴燃料在空氣不足的情況下，進行不完全燃燒的產(chǎn)物，是汽油機排氣中有害成分濃度最大的物質。在汽油機中，α＜１(Ａ／Ｆ＜１４.８)時，ＣＯ生成量明顯增加。在柴油機中，α＞１，ＣＯ主要是在局部缺氧或低溫下形成的，所以ＣＯ的含量在全負荷或低負荷下較高，中等負荷時較低。05AA9(二)ＨＣ的形成ＨＣ是未燃的燃料、不完全燃燒或裂解反應的碳氫化合物及少量的氧化反應的中間產(chǎn)物(如醛、酮等)。在汽油機中，排氣中的ＨＣ主要是缸壁和狹縫的熄火作用造成，另外混合氣過稀或過濃以及廢氣稀釋嚴重、缸內溫度過低時，可能引起火焰?zhèn)鞑ゲ煌耆踔翑嗷?，ＨＣ增多。二行程汽油機換氣時，也會排出大量的ＨＣ。在柴油機中，排氣中的ＨＣ是由于混合氣形成不良(如噴油質量不好、霧化不良)、燃燒組織不良(如供油提前角過小)、竄機油或者在過低的溫度下(如柴油機怠速運轉等)產(chǎn)生的。05AA9(三)ＮＯｘ的形成

發(fā)動機排放的ＮＯｘ主要是ＮＯ和ＮＯ２。對汽油機來說，在氣缸高溫下主要生成ＮＯ，是在緊跟火焰前鋒后的燃燒產(chǎn)物區(qū)內形成的05AA9(四)鉛化合物、顆粒與炭煙１.微粒的成分

２.炭煙和微粒的生成與氧化圖９-１炭煙生成途徑05AA9２.炭煙和微粒的生成與氧化圖９-２炭煙濃度隨曲軸轉角的變化

１—距副燃室壁面２ｍｍ２—距副燃室壁面１０ｍｍ３—距副燃室壁面１５ｍｍ二、發(fā)動機排放污染物的危害：1.一氧化碳CO

：

CO是無色無臭有窒息性的毒性氣體，由于CO和血液中有輸氧能力的血紅素蛋白(Hb)的親和力比氧氣和Hb的親和力約大300倍，能很快和Hb結合形成碳氧血紅素蛋白(HbCO)，同時HbCO的解離速度卻比氧合血紅蛋白的解離慢3600倍，且HbCO的存在影響氧合血紅蛋白的解離,阻礙了氧的釋放,導致低氧血癥,使心臟、頭腦等重要器官嚴重缺氧，引起頭暈、惡心、頭痛等癥狀，輕度中毒將使中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損，嚴重時會使心血管官能喪失，直至死亡。

2.碳氫化合物HC：

HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧化產(chǎn)物，如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數(shù)百種成分。烷烴基本上無味，對人體健康不產(chǎn)生直接影響。烯烴略帶甜味，有麻醉作用，對粘膜有刺激，經(jīng)代謝轉化會變成對基因有毒的環(huán)氧衍生物。芳香烴對血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害，特別是多環(huán)芳香烴(PAH)及其衍生物有強致癌作用。醛類是刺激性物質，對眼、呼吸道、血液有毒害。烴類成分還是引起光化學煙霧的主要物質。3.氮氧化物NOx：氮氧化物是燃燒過程形成的多種氮氧化物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，總稱為NOx。在內燃機中主要是NO，約占95％，其次為NO2，占5％。NO是無色無味氣體，只有輕度刺激性，毒性不大，高濃度時會造成中樞神經(jīng)有輕度障礙，但NO易被氧化成NO2。NO2是一種紅棕色有刺激性氣味的有毒氣體。它對人體健康的影響見表8-3。NO2吸人人體后，和血液中血紅素蛋白(Hb)結合，使血液輸氧能力下降，對心臟、肝、腎都會有影響。NO2易溶于水，被人吸入肺部后，能與肺中的水分結合成稀硝酸，引起支氣管炎、肺氣腫。NO2是地面附近大氣中形成光化學煙霧的主要因素，也是酸雨的來源之一。4.光化學煙霧：

HC和NOx在太陽紫外線作用下會生成臭氧(O3)和過氧酰基硝酸鹽(PAN)，即一種具有刺激性的淺藍色煙霧，稱為光化學煙霧，它是一種有強刺激性的二次污染物。臭氧對人體的危害主要表現(xiàn)在刺激和破壞深部呼吸道粘膜和組織，對眼睛也有刺激,

5.微粒：

微粒對人體健康的危害和微粒的大小及其組成有關。微粒愈小，懸浮在空氣中的時間愈長，進入人體肺部后停滯在肺部及支氣管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1μm(微米，10-6m)的微粒能在空氣中作隨機運動，進入肺部并附在肺細胞的組織中，有些還會被血液吸收。(0.1～0.5)μm微粒能深入肺部并粘附在肺葉表面的粘液中，隨后會被絨毛所清除。大于5μm的微粒常在鼻處受阻，不能深入呼吸道，大于10μm的微?？膳懦鲶w外。微粒能粘附SO2、未燃HC、NO2等有毒物質或苯丙芘等致癌物，因而對人體健康造成更大危害。由于柴油機的微粒直徑大多小于0.3μm，而且數(shù)量比汽油機高出30～60倍，成分更為復雜，因而柴油機排出的微粒危害更大。

第二節(jié)排放污染物的機內、機外凈化技術一、排放污染物的機內凈化技術(一)汽油機的機內凈化技術１.推遲點火時間(點火提前角)

推遲點火提前角一直是最簡單易行，也是最普遍應用的排放控制技術。汽油機推遲點火提前角，除因燃燒溫度下降使ＮＯｘ的生成速度和生成量降低外，還會因后燃使ＨＣ的排放量也同時降低。但推遲點火提前角降低排放的效果是有限的，在不使動力性和燃油消耗率明顯惡化的前提下，ＮＯｘ可降低１０％～３０％。在實際應用中應綜合考慮排放特性、動力性及經(jīng)濟性來確定最佳點火提前角。２.廢氣再循環(huán)圖９-３廢氣再循環(huán)系統(tǒng)工作原理圖９-４ＥＧＲ降低Ｎ的效果圖９-５ＥＧＲ與其他措施合用的效果

Ａ—僅采用ＥＧＲＢ—ＥＧＲ＋增強進氣渦流

Ｃ—ＥＧＲ＋增強進氣渦流＋雙火花塞點火３.燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設計圖９-６采用高位活塞環(huán)的降低ＨＣ效果４.提高點火能量提高點火能量可以提高著火的可靠性，減小循環(huán)波動率，擴大混合氣的著火界限。特別是伴隨著汽油機燃燒稀薄化，無觸點的高能電子點火系統(tǒng)得到了廣泛的應用。提高點火能量的措施有增大火花塞極間電壓(極間電壓一般為１０～２０ｋＶ，但最高的有３５ｋＶ)、增大火花塞間隙(如由０.８ｍｍ增大至１.１ｍｍ)以及延長放電時間等方法。５.電控汽油噴射技術(ＥFＩ)電控汽油噴射系統(tǒng)由于能夠更精確、更柔性地滿足各工況的參數(shù)優(yōu)化要求，從而可以實現(xiàn)排放特性、燃油經(jīng)濟性和動力性的綜合優(yōu)化。此外，三效催化轉化器與電控噴射系統(tǒng)的組合，已成為當前和未來較長時期內汽油機排放控制的最有效和最主要技術。另外，可變進氣系統(tǒng)、可變配氣相位、可變排量、稀薄燃燒以及缸內直噴式燃燒方法等新技術，在改善汽油機動力性和經(jīng)濟性的同時，也不同程度地改善了排放特性?？傊?，汽油機的機內凈化技術措施并不是很多、很復雜，這是由于汽油機目前主要采用以閉環(huán)電噴加三效催化劑為核心的排放控制技術，因而大大減輕了對機內凈化的要求，燃燒過程的組織仍可以動力性和經(jīng)濟性指標作為優(yōu)化目標，而用燃燒以外的排氣后處理技術來降低已生成的有害成分排放。機內凈化技術1.增壓中冷技術將增壓后空氣再進行冷卻的中冷技術，使得進氣溫度降低，循環(huán)進氣量更大。這樣，增加空燃比改善了柴油機的燃燒，從而降低了微粒、NOx排放，而且功率進一步增加。增壓中冷柴油機參數(shù)選配得當，則柴油機大部分性能都會得到改善。(二)柴油機的機內凈化技術圖９-７低排放柴油機燃燒過程控制思路２.改進進氣系統(tǒng)：進氣組織：組織一定強度的缸內旋流或紊流。多氣門：多氣門能加大循環(huán)充氣量以改善動力、經(jīng)濟性和排放性能。３.改進噴油系統(tǒng)高壓噴射推遲噴油提前角減小噴孔直徑，增加噴孔數(shù)目高壓共軌電控燃油噴射４.改進燃燒系統(tǒng)燃燒室容積比：燃燒室容積對氣缸余隙容積之比。燃燒室口徑比：采用較大口徑比的淺平燃燒室，配合小孔徑的多噴孔噴嘴。燃燒室形狀縮口燃燒室已取代應用最廣的直邊不縮口燃燒室。用縮口燃燒室加強燃燒室口部的氣體湍流，促進擴散混合和燃燒。燃燒室底部中央的凸起適當加大，以進一步提高空氣的利用率。用帶圓角的方形或五瓣梅花形（分別配4孔和5孔噴嘴）代替圓形燃燒室，加強燃燒室中的微觀湍流，加速燃燒，減少碳煙生成。適當提高柴油機壓縮比可降低HC和CO排放，并結合推遲噴油獲得動力經(jīng)濟性能與NOx排放之間較好的折中。

適當提高壓縮比５.降低機油消耗盡可能減少竄入燃燒室的機油量；減少機油從氣門桿的泄漏。６.廢氣再循環(huán)柴油機可以使用比汽油機大得多的廢氣再循環(huán)量。７.提高燃油品質提高柴油的十六烷值。(一)汽油機排氣后處理技術１.催化轉化器結構與工作原理

２.催化轉化器的主要性能

３.ＮＯｘ吸附還原催化劑二、排放污染物的機外凈化技術１.催化轉化器結構與工作原理圖９-８催化轉化器結構及組成05AA9１.催化轉化器結構與工作原理圖９-９載體及涂層的細微構造05AA9２.催化轉化器的主要性能圖９-１０三效催化轉化器空燃比特性圖９-１１三效催化轉化器的起燃溫度特性３.ＮＯｘ吸附還原催化劑圖９-１２吸附還原催化劑的工作原理(二)柴油機排氣后處理技術１.氧化催化轉化器

２.微粒捕集器

３.柴油機ＮＯｘ還原催化劑05AA9１.氧化催化轉化器圖９-１３柴油機用氧化催化劑的使用效果05AA9２.微粒捕集器圖９-１４微粒捕集器的過濾材料

ａ)陶瓷蜂窩載體ｂ)陶瓷纖維編織物ｃ)金屬纖維編織物１.微粒捕集器采用過濾的方法對柴油機排氣中的微粒進行凈化。

05AA9３.柴油機ＮＯｘ還原催化劑圖９-１５閉式曲軸箱強制通風系統(tǒng)三、非排氣污染物控制技術１.曲軸箱強制通風裝置

曲軸箱強制通風系統(tǒng)如圖9-15所示。新鮮空氣由空濾器進入曲軸箱與竄氣混合后，經(jīng)ＰＣＶ閥進入進氣管，與空氣或油氣混合氣一起被吸入氣缸燃燒掉。ＰＣＶ閥可隨發(fā)動機運轉狀況自動調節(jié)吸入氣缸的竄氣量。在怠速和小負荷時，由于進氣管真空度較高，閥體被吸向上方(進氣管側)，閥口流通截面減少，吸入氣缸的竄氣量減少，以避免混合氣過稀，造成燃燒不穩(wěn)定或失火；而在加速和大負荷時，竄氣量增多，而進氣管真空度變低，在彈簧作用下閥體下移，閥口流通截面增大，使大量的竄氣進入氣缸被燃燒掉；當發(fā)動機高速大負荷運轉時，一旦竄氣量過多而不能完全被吸凈時，部分竄氣會從閉式通氣口進入空濾器，經(jīng)化油器被吸入進氣管。２.燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)圖９-１６燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)圖９-１７電控燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)方框圖

１—電控單元２—空氣濾清器３—發(fā)動機進氣歧管

４—電磁式清除閥５—泄漏檢測泵

６—活性炭罐７—油箱不同工況由于混合氣濃度不同，有害物的排放量相差很大。

在怠速工況下，HC排放濃度增加.

在減速工況下，HC增加。一、概述第三節(jié)排放法規(guī)及測試方法２.輕型車與重型車工況法又根據(jù)輕型車和重型車而采用不同的試驗方法。對于輕型車和重型車的定義各國不完全統(tǒng)一，一般將總質量在４００～３５００(４０００)ｋｇ范圍內，乘員在９～１２人以下的車輛定義為輕型車，為了與農(nóng)用車區(qū)別，還規(guī)定其最高車速應在５０ｋｍ／ｈ以上。而總質量在３５００(４０００)ｋｇ以上的定義為重型車。３.排放限值工況法檢測的排放限值一般分為兩類，即產(chǎn)品認證試驗限值和產(chǎn)品一致性試驗限值。產(chǎn)品認證試驗是指對新設計車型的認證試驗；產(chǎn)品一致性試驗是指對批量生產(chǎn)車輛的試驗，要求從成批生產(chǎn)的車輛中任意抽取一輛或若干輛進行試驗。一般來說，產(chǎn)品認證試驗限值嚴于產(chǎn)品一致性試驗限值，但這兩種排放限值今后有合二為一的趨勢。二、排放法規(guī)１.輕型車排放法規(guī)(１)美國排放法規(guī)世界上最早的工況法排放法規(guī)于１９６６年誕生在美國加利福尼亞州，用七個工況組成一個測試循環(huán)(稱為加州標準測試循環(huán))，并于１９６８年被美國聯(lián)邦政府采納作為聯(lián)邦排放法規(guī)。

(２)歐洲排放法規(guī)歐洲現(xiàn)行的輕型車排放測試循環(huán)如圖９-２０所示，它由若干等加速、等減速、等速和怠速工況組成。

(３)日本排放法規(guī)日本于１９６８年起實施“大氣污染防止法”，１９７３年起采用１０工況測試循環(huán)(熱起動)，１９９２年起改用１０·１５工況測試循環(huán)，如圖９-２１所示。

(４)各種排放法規(guī)的對比表９-６給出了美國、歐洲、日本輕型車排放測試循環(huán)的主要參數(shù)對比。

(５)我國排放法規(guī)我國于１９８４年４月１日開始實施排放法規(guī)。圖９-１８美國ＦＴＰ-７５測試循環(huán)圖９-１９ＦＴＰ-７５測試循環(huán)的工況點在汽油機萬有特性上的位置圖９-２０歐洲測試循環(huán)(ＥＣＥ-１５＋ＥＵＤＣ)圖９-２１日本１０·１５測試循環(huán)表９-６美國、歐洲、日本輕型車排放測試循環(huán)的主要參數(shù)對比圖９-２２輕型車排放控制的進程圖９-２３歐洲１３工況法測試循環(huán)(ＥＣＥＲ４９)的工況點及其加權系數(shù)圖９-２４歐洲穩(wěn)態(tài)標準測試循環(huán)ＥＳＣ

ａ)測試轉速定義ｂ)測試點的負荷和順序ｃ)測試點的加權系數(shù)表９-８歐洲重型車用柴油機排放限值(單位：ｇ／(ｋＷ·ｈ))２.重型車排放法規(guī)三、排放檢測的取樣系統(tǒng)１.輕型車工況法測試的取樣系統(tǒng)圖９-２５用于輕型車工況法測試的定容采樣系統(tǒng)(ＣＦＶ／ＣＶＳ系統(tǒng))

ＣＤ—底盤測功機ＡＢ—空氣取樣袋ＣＦ—積累流量計ＣＦＶ—臨界流文杜里管ＣＳ—旋風分離器

ＤＡＦ—稀釋空氣濾清器ＤＥＰ—稀釋排氣抽氣泵ＤＴ—稀釋風道Ｆ—過濾器ＦＣ—流量控制器

ＦＬ—流量計ＨＥ—換熱器ＨＦ—加熱過濾器ＰＧ—壓力表ＱＦ—快接管接頭ＱＶ—快速作用閥ＳＢ—稀釋排氣取樣袋ＳＦ—測量微粒排放質量的取樣過濾器

ＳＰ—取樣泵ＴＣ—溫度控制器ＴＳ—溫度傳感器２.發(fā)動機臺架測試時的采樣系統(tǒng)圖９-２６加熱采樣系統(tǒng)

１—取樣探頭２—粗濾器３—逆向清掃系統(tǒng)４—取樣泵５—減壓器

６—氣樣冷卻器７—冷凝液分離器８—細濾器四、有害氣體成分分析目前，用于汽車氣體排放污染物分析的方法主要有三種，即，用不分光紅外分析儀測量ＣＯ和ＣＯ２；用氫火焰離子分析儀測量ＨＣ；用化學發(fā)光分析儀()測量ＮＯｘ。世界各國在其工況法檢測標準中都嚴格規(guī)定必須采用上述測試方法。但怠速法檢測標準中略有不同，可以用不分光紅外法測量ＣＯ、ＣＯ２和ＨＣ。在試驗研究中，對排氣氣體的成分和濃度分析可采用氣相色譜儀，上述分析方法及其原理在有關排放的專著中均有詳細介紹。五、微粒及煙度的測量１.柴油機排氣微粒的采集圖９-２７微粒采集系統(tǒng)示意圖２.微粒成分的分析方法圖９-２８波許煙度計的檢測儀３.煙度的測