第8章发动机的排放与噪声控制.ppt

发动机原理 第三篇燃烧与排放 第1节发动机有害排放物的种类及危害 发动机主要有害排放物 CO HC NOx和微粒 碳烟 二 发动机有害排放物及其危害 1 一氧化碳 CO 特点 无色 无味 有毒 引起窒息 CO与血红蛋白的亲合力是氧的300倍 而分离速度却是氧的1 3600 并会阻碍氧的释放 2 碳氢化合物 HC 成分 未燃 不完全燃烧的烃类及其部分氧化物组成 如烷烃 稀烃 芳香烃 醛 酮等 无害 有害 一 概述 视频 3 氮氧化合物 NOx 如 NO NO2 N2O3 N205等 危害 1 直接引起人类中毒 2 形成酸雨 破坏生态 3 在紫外线作用下 与HC反应形成光化学烟雾 浅蓝色烟雾 O3和PAN 易在中午日照最强时产生 其毒性较NOx更强 4 微粒 碳烟 危害 1 微粒 0 1 m 破坏呼吸和血液循环系统 2 微粒上的附着物 SO2 NOx HC等 引起中毒 至癌等 通常 柴油机的碳烟排放量约为汽油机的30倍以上 8 2发动机排放污染物的生成机理 一 汽油机 柴油机有害排放物比较 混合气形成 燃烧过程 排气化学反应二 有害排放物的生成机理1 CO的生成 来源 1 不完全燃烧 包括局部缺氧燃烧 2 高温CO2与H2O的裂解反应 2000 以上 对于柴油机 过量空气系数大 富氧 且燃烧温度也较低 故其CO排放低 CO 体积分数 汽油机0 1 0 6 柴油机0 05 0 5 柴油机与汽油机比较 而汽油机 过量空气系数偏小 氧少 且燃烧温度高 CO排放较大 图8 1不同空然比下废气中的各成分变化图8 2混合比和各有害气体排放量的关系 2 氮氧化物的生成 1 氧的浓度2 温度3 反应滞留时间 NOx的生成与温度的关系 来源 高温 富氧燃烧 抑制NOx的生成必然与燃油经济性相矛盾 柴油机与汽油机的比较 由于柴油机的最高燃烧温度较汽油机低 故NOx的排放量较汽油机少 NOx 汽油机0 2 0 4 柴油机0 07 0 2 3 HC的生成 1 未燃和不完全燃烧 冷激与缝隙效应 50 70 润滑油膜和沉积物的吸附 30 40 过浓或过稀造成的火焰淬熄 2 曲轴箱的窜气及燃油系统的蒸发泄露 3 柴油机与汽油机的比较 1 柴油机燃油是在压缩接近终了时才喷射 因而冷激 缝隙与吸附效应的影响小 故HC排放较汽油机低 2 柴油机HC主要来源于混合不均匀造成的过浓或过稀及喷油器压力室容积内的残留燃油 HC 汽油机0 2 柴油机0 02 0 1 图8 6燃烧系统中炭烟粒子的形成过程燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解 生成各种不饱和烃类 如乙烯 乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃 它们不断脱氢 聚合成以炭为主的直径2nm左右的炭烟核心 由于大部分碳烟在燃烧后期及排气过程中会被氧化 因此 提高排气温度有助于降低碳烟的排放 柴油机与汽油机比较 对于汽油机 采用无铅汽油时基本不排放碳烟 而柴油机 由于采用缸内喷射 边喷边烧的工作模式 较容易产生局部高温缺氧燃烧 故碳烟生成量较汽油机大得多 30倍以上 微粒 g m3 汽油机0 005 柴油机0 15 0 3 4 微粒的生成 第二节影响汽油机排放的主要因素及控制 一 影响因素 混合气成分 点火正时 负荷 转速 工况和EGR 1 混合气成分 主要影响因素 空燃比对排放的影响 混合气浓 14 9 时 理论空燃比附近 14 9 时 混合气稀 空燃比 14 9 时 缺氧燃烧 CO和HC排放大 NOx排放小 燃烧迅速 充分 CO和HC排放低 但NOx排放高 燃烧速度慢 温度低 CO和NOx排放低 但淬熄现象增加使HC排放高 2 点火提前角 点火提前角对排放的影响 点火推迟 减小提前角 后燃严重 最高燃烧温度低 NOx排放少 同时 由于排温高 有助于HC的氧化 但动力性与经济性差 点火提前 增大提前角 放热集中 燃烧温度高 而排温低 对NOx和HC排放均不利 气缸内燃烧压力与点火时刻的关系 3 负荷 怠速 小负荷 节气门开度小 混合气偏浓而废气多 燃烧变差 温度低 HC CO排放高而NOx排放低 中等负荷 节气门开度25 80 供给经济混合气且残余废气少 燃烧迅速 充分 HC CO排放低 但燃烧温度高 NOx排放高 大负荷 节气门开度 80 供给浓混合气 燃烧温度和排温高 故NOx排放高而HC排放低 但由于氧不足 CO排放高 4 转速 对于CO HC 转速高 气流运动强 可以改善燃烧 减少冷激效应 故HC和CO排放低 对于NOx 燃烧速度快 转速越高 散热损失越少 燃烧温度高 故NOx排放高 燃烧速度慢 转速越高 燃烧对应曲轴转角越大 结果燃烧温度降低 故NOx排放低 1 浓混合气时 2 稀混合气时 5 工况 6 废气再循环 EGR率 EGR率与排放的关系 EGR率高 对降低NOx有利 但过高会影响燃烧 使HC排放和油耗增大 二 机内净化技术类型 EGR 改进发动机设计 EFI和提高燃油品质 1 废气再循环 图8 11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 图8 12EGR降低NOx的效果 图8 13EGR于与其他措施合用的效果A 仅采用EGRB EGR 增强进气涡流C EGR 增强进气涡流 双火花塞点火 2 改进发动机设计 1 冷起动 暖机和怠速2 压缩比3 燃烧系统4 进气系统5 活塞组设计6 分层稀薄燃烧 图8 14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 图8 15四气门和二气门发动机对油耗和HC排放物的影响1 二气门发动机2 四气门发动机 图8 16稀燃发动机混合气浓度工作极限1 采用三效催化转化器 14 7时发动机控制2 用稀燃传感器控制发动机3 用燃烧压力传感器控制发动机4 发动机处于工作极限下运行5 工作极限6 燃油消耗7 发动机运行不稳定 三 机外净化技术1 安装三元催化器 TWC 2 曲轴箱强制通风系统 曲轴箱强制通风系统 PCV positivecrankcaseventilationsystem 3 燃油蒸发控制系统 图8 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 3影响柴油机有害排放物生成的主要因素及控制 一 柴油机有害排放物生成特点 1 未燃HC 过浓或过稀 2 CO 缺氧燃烧和高温裂解 3 NOx 高温富氧燃烧 4 炭烟 局部高温缺氧 5 醛类 低温氧化 图8 21油束各区的燃油情况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 二 影响因素 1 混合气成分 过量空气系数对柴油机排放的影响 过量空气系数大 HC CO和R 碳烟 的排放低 喷油时间长 后燃严重 使CO HC和R 碳烟 排放增多 同时由于燃烧温度高 NOx排放也高 1 中 小负荷 2 满负荷 2 喷油提前角 喷油提前角对排放的影响 延迟喷油 减小喷油提前角 时 可以降低最高燃烧温度 抑制NOx生成 但会使后燃严重 不仅提高油耗 还会使碳烟 R 排放增加 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 3 燃烧室类型 三 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8 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 图8 25两气门及四气门柴油机性能指标比较图 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 减小喷嘴压力室容积5 高压共轨电控燃油喷射 图8 26三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800r min 17 NOx1200 8 6 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8 27挤流口型与标准型燃烧室的排放特性 不缩口 型 缩口 型 图8 28三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 四 机外净化技术 1 氧化催化转化器2 微粒捕集器3 柴油机Nox还原催化剂 图8 29柴油机氧化催化剂使用效果 图8 30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 8 4发动机排放标准与测试 8 4 1排放标准1 评定标准1 排放物体积分数和质量浓度2 质量排放量3 比排放量2 排放标准 8 4 2排放物测定 1 试验规范 在底盘测功机上模拟其特定行驶循环 并测定所排出有害物质的量 通过调节测功机可模拟在实际到路上行驶的功率 而用惯性质量模拟汽车质量 欧洲轻型车排放限值ECER15 04法规型式认证 型试验排放限值 型试验排放限值 图8 31欧洲ECE15工况试验循环 2 排气取样系统 3 测试仪器1 不分光红外线分析仪 图8 33NDIR的工作原理 2 氢火焰离子分析