07第七章内燃机污染物的生成与控制

1、第七章 内燃机污染物的生成与控制第一节 概 述内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时，将只产生CO2 和 H2O ，没有其他有害产物。不过，高速内燃机燃烧过程占有的时间极短，可燃混合气不是完全均匀， 燃料的氧化反应不可能完全。 排 气中会出现不完全燃烧产物，例如 CO 和未完全燃烧甚至完全未燃烧的碳氢化合物 HC 。在点燃式内燃 机中，在某些工况(例如全负荷运转时) ，为了获得最大功率而不得不用浓混合气，导致 CO 排放大大 增加；为了提高冷起动的可靠性，也得加浓混合气。内燃机最高燃烧温度达2000 C以上，又使空气中的氮在高温下氧化生成各种氮的氧化物：压燃式内燃机中， 由于可燃混合气是在

2、燃烧前和燃烧中的极短时间内形成的，混合不均匀程度比较严重， 在高温高压环境下缺氧的燃油会发生裂解、 脱氢， 最后生成碳烟粒子。这些碳烟粒子又吸附了各 种各样的末燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物，称为排气微粒。此外，燃油中含有的硫使内燃机排放构成酸雨因素之一的SO2和SO3，用含铅汽油的汽油机会排出对神经系统有严重毒性的铅化物。对大气环境和人类健康影响最大的内燃机排放物是一氧化碳、 碳氢化合物、 氮氧化物和微粒。 这些 污染物对人体的危害简述如下：(1) 一氧化碳 CO CO 是种无色无味的气体， 它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是 氧的 240 倍。 CO 与血红蛋白结合生成碳基血红蛋白

3、，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中CO的体积分数超过 0. 1 %时.就会导致人体中毒；超过0. 3%时，则可在30min内使人致命。(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氧化衍生物。烯烃是与氮氧化物 一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的 “光化烟雾” 的罪魁祸首之一。 芳香烃对血液和神经系统有害， 特别是多环芳香烃(PAH )及其衍生物有致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、

4、呼吸道、血液有毒害。(3) 氮氧化物 内燃机排放的氮氧化物绝大部分是一氧化氮NO,少量是二氧化氮 NO2。一般用NOx表示。NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成NO2。NO2呈褐色，具有强烈的刺激味。对肺和心肌有很强的毒害作用。NOx是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一。(4) 微粒 排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到52C后用涂有聚四氖乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。柴油机排出的微粒大多小于 0.3卩m,其主要成分是碳及其吸附的有机物质。吸附物中有多种PAH，具有不同程度的致癌作用。为了评定内燃机对环境的污染程度或排放特性，常用下列指标：(1) 排放物体积分数和质量

5、浓度 单位排气体积中排放污染物的体积，称为排放物的体积分数，通常以和10-6 (百万分比)表示，质量浓度常用mg/m3等计量。(2) 质量排放量 在环境保护实践中， 要求对污染物进行总量控制。 因此，作为污染源的内燃机或装内燃机的车辆, 要确定运转单位时间、 按某标准进行一次测试或车辆按规定的工况组合行驶后折算 到单位里程的污染物排放置。质量排放量用g/h、g/测试或g/km等单位表示。(3) 比排放量 内燃机每作单位功所排放的污染物质量，用g/( kW h)作单位表示，当然可 以更客观地评价内燃机的排放性能。这个指标与燃油消耗率类似,也可以称为污染物排放率。第二节 污染物的生成机理和主要影响

6、因素、一氮化碳co是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数0a（图71）。在浓混合气中，（0 a 1） , 0 co很低，只是在a= 1.0 1.1 之间，CO随a略微变化。及过量空气系数札的关票mi 2直嗓式柴酒机污里期錚 股盘弓过港空气襄散久的关靈图7-1点燃式内燃机用11种平同H心比燃料时的CO排放量与空燃比点燃式内燃机部分负荷运转时，混合气的a接近I , CO排放量不高。但多缸机如各缸 a 不同.仍会有的气缸 av 1，增加CO排放量。 全负荷运转特别是冷起动时，混合气是浓的，a可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。发动机 加

7、速时如果加浓过多， 或者减速时不断油， 即在 瞬态运转工况下供油量控制不精确，会导致CO排放量剧增。柴油机总是在稀混合气下运转（指平均过量 空气系数大于1） , CO排放量要比点燃机低得多， 只有在负荷很大接近冒烟界限时才急剧增加（图72）。、未燃碳氢化合物点燃式内燃机未燃HC的生成与排放有三个渠道：1）在气缸内的燃烧过程中生成并随排气排出。在二冲程汽油机中，由于用汽油空气混合气对气缸扫气，部分混合气通过气缸直接进入排气，导致未燃HC排放量比四冲程汽油机大好几倍。增压四冲程汽油机的HC排放量中有一部分也来源于气门叠开时的扫气。2）从燃烧室通过活塞与气缸之间的各间隙漏人曲轴箱的窜气，含有大量HC

8、,如果排入大气也构成HC排放物（称为曲轴箱排放物）。3）从发动机和汽车的燃油系统，即汽油箱、化油器等处蒸发的汽油蒸气，如果排入大气同样构成 HC排放物（称为蒸发排放物）。柴油机排故的未燃HC则完全由燃烧过程产生。下面简述内燃机燃烧排放 HC的机理。（一）点燃式内燃机汽油与空气的均匀混合气在过量空气系数a=1时燃烧时，根据化学反应动力学，基本上不产生未燃HC,但实际发动机中不是这样 （图7 3）。即使a=1,$ Hc也有相当大的数值，并随 a的减小而 迅速增加。当混合气过稀，由于燃烧恶化，甚至有些循环缺火会使 HC急剧增加，只有采取特殊措施（如组织快燃）才可能缓和这种趋势。均匀混合气生成未燃 H

9、C有下述多种机理。1.冷激效应燃烧室壁面对火焰的迅速冷却（称为冷激或淬冷）使 火焰中产生的活性自由基复合，燃烧链反应中断，使化 学反应缓慢或停止。结果，火焰不能一直传播到缸壁表 面，在表面上留下一薄层未燃烧的或不完全燃烧的混合 气。冷激效应造成的火焰淬熄层厚度在0.050.4mm间变动，小负荷时较厚。不过在正常运转工况下，冷激层 中的未燃HC在火焰掠过后会扩散到已燃气体主流中， 在缸内已基本被氧化，只有极少一部分成为未燃HC排放。但在冷起动、暖机和怠速工况时.因燃烧室壁温较 低，形成淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及较浓的 混合气使后期氧化作用较弱，因此壁面冷激是此类工况 未燃HC的重要来源。

10、狭隙效应是冷激效应的主要表现。汽油机燃烧室中 各种狭窄的缝隙，例如活塞、活塞环与气缸壁之间的间 隙，火花塞中心电极周围、进排气门头部周围以及气缸 盖衬垫气缸扎边缘等地方，由于面容比很大，壁面的冷 激作用特别强烈，火焰根本不能在其中传播，从而使在图73遠油机的排气泻染物与过量空气系数丸的关廉境吻WH L6L,玉搖比9 ,ft 3000r/minf平均有蚊压力0 4MPa-在压力降低的膨胀、 排气压力升高的压缩、燃烧过程中被挤入狭隙内的未燃混合气错过主要燃烧过程,过程又返回气缸内温度已较低的已燃气体中，部分被氧化，其余以未燃HC形式排出。虽然缝隙容积较 小，仅因其中气体压力高，温度低，密度大，流回

11、气缸时温度已下降，氧化比例小，所以能生成相当多 的HC排放，据研究可占总量的 50% 70%。2油膜和沉积物吸附在进气和压缩过程中，气缸套壁面和活塞顶面上的润滑油膜会吸附未燃混合气的燃油蒸气，随后当混合气中燃油浓度由于燃烧而降到零时，油膜就释放出油气。 由于释放时刻较迟， 这部分油气只有少部分被氧化。据研究，这种机理产生的HC占总量的25% 30%。并通过后期释放造在燃烧室壁面和进、排气门上生成的多孔性含碳沉积物也会吸附燃料及其蒸气，成 HC 排放，这部分约占总量的 10 左右。3容积淬熄在冷起动和暖机工况下， 因发动机温度较低致使燃油雾化、 蒸发和混合气形成变差。 从而导致燃烧变 慢或不稳定

12、，有可能使火焰在到达壁面前因膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬 熄，使 HC 排放激增。这种情况在混合气过稀或过浓时，或排气再循环率大时，或怠速和小负荷工况下 发生。加、减速瞬态工况更易发生容积淬熄，使 HC 排放量大增。4碳氢化合物的后期氧化错过发动机主要燃烧过程的碳氢化合物， 会重新扩散到高温的已燃气体主流中， 很快被氧化， 至少 是部分被氧化。所以， 排放的 HC 是未燃的燃油及其部分氧化产物的混合物。前者大约要占40左右。碳氢化合物也在排气管路中被氧化，占离开气缸的碳氢化合物的万分之几到40。发动机产生最高排气温度（a=1的混合气，高转速，迟点火，大负荷 ）和最长停留时

13、间（低转速）的运转工况，使 HC排放降 低最多。 推迟点火提高排气温度， 将有利于 HC 后期氧化。 促进这种后期氧化的另一途径是降低排气歧 管处的热损失，如增大横断面积，对壁面进行绝热（例如用陶瓷涂层 ）等。（二 ） 柴油机由于柴油机的工作原理是喷油压燃， 燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短很多 因而受壁面冷激 效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小。这是柴油机HC 排放较低的原因柴油机燃烧室小由喷油器喷入的柴油与空气形成的混合气可能太稀或太浓，使柴油不能自燃 或火焰不能传播。如在喷油初期的滞燃期内，可能因为油气混合太快使混合气过稀，造成未燃H C 。在喷油后期的高温燃气气氛中， 可能

14、因为油气混合不足使混合气过浓， 或者由于燃烧淬熄产生不完全燃烧产物 随排气排出，但这时较重的 HC 多被碳烟微粒吸附，构成微粒的一部分。因此，柴油机未燃 HC 的排放 主要来自柴油喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气地区，结果造成柴油机怠速或小负荷运转时的HC排放高于全负荷工况 （参见图 72）。这里还要专门讨论一下喷油器的残油腔容积对 HC 排放的影响， 该容积是指喷油器嘴部针阀座下游 的压力室容积，加上各喷油孔道的容积（详见图 7 31 ）。在喷油结束时，这个容积仍充满柴油。在燃烧后期和膨胀初期， 这部分被加热的柴油部分汽化， 并以液态或气态低速穿过喷嘴孔进入气缸， 缓慢地与 空气混合，从而

15、错过主要燃烧期。研究证明，残油腔容积中的柴油大概有15 左右以未燃 HC 的形式排出。这是因为一部分较重的 HC 仍留在喷嘴中，而有些离开的柴油发生了氧化（后燃 ）。最后应该指出，与点燃式内燃机一样， 火焰在壁面上淬熄也是柴油机 HC 排放的一个来源，它取决 于柴油喷注与燃烧室壁面的碰撞情况。采用油膜蒸发混合的柴油机，尽管在特定工况下有较好的性能， 但在冷起动时，大且未燃 HC 以微粒状排出，排气冒“白烟” ，因此已基本被淘汰。三、氮氯化物内燃机排故的氯氧化物NOx主要是一氧化氮 NO。NO的主要来源是参与燃烧的串气中的氮。汽油和轻柴油本身含氯很少，不足以产生显著的NOx排放。只有重质燃料可能

16、台有千分之几（质量分数）的氯。可能在排气中排放一小部分“燃油NO”。从大气氮生成NO的化学机理是泽耳多维奇 （Zeldovitch）机理。在化学当量混合比（a = 1）附近，导致生成和消失 NO的主要反应为：O22ON2ONONO2NNOOOHNNOH上面最后一个反应主要发生在非常浓的混合气中。由于NO的生成反应比燃烧反应慢，所以只有很少一部分NO产生于很薄（ 0.1mm）的火焰反应带中，大部分 NO在离开火炽的燃气中生成。 NO的生 成强烈地依赖温度。化学动力学研究表明，当反应物温度从2500K提高到2600K时，NO的生成速率几乎翻一番。氧浓度提高也使 NO生成量增加。化学平行计算表明，在

17、一般火焰温度下，已燃气中NO2的体积分数与 NO相比应可忽略不计。在点燃式内燃机中，当a = 1. 15时，比值NO2/NOx不超过2%。柴油机在大部分工况下， 这个比值在0. 1 以下，但在小负荷下此比值最高可达0. 3左右c事实上.火焰中生成的 NO可以通过反应NO H 2O NO2 OH迅速转变为NO2,但NOx又会通过反应NO2 O NO O2重新变为NO,除非在火焰中生成的 NO2通过与较冷的气体混合而冻结。因此，汽油机长期怠速运转产 生相对较多的NO2，小负荷的柴油机也是这样。（一）点燃式内燃机控制点燃式内燃机 NO排放量的主要因素是空燃比、缸内未燃混合气中已燃气的分量以及点火定

18、时。1. 空燃比的影响图7-3已表示了过星空气系数 a的变化对NO排放星的影响。已燃气体的最高温度对应 a 0.9 的略浓混合气。不过这时氧浓度低抑制厂NO的生成。当a提高时，氧增加的效果抵消燃气温度下降使NO生成减少而有余。因此， NO排放量峰值出现在a 1.1左右的略稀混合气中。如果 a进一 步增加，温度下降的效果占优势，导致NO下降。2. 已燃气体量的影响点燃式内燃机燃烧前，燃烧室中的混合气由空气、已蒸发的燃油蒸气和已燃气组成。后者是前一循环留下的残余废气，或加上采用排气再循环（Exhaust Gas Recalculation简称EGR）时回流的废气。图T5汽曲机的负荷科EGR率（转速

19、对应汽邓OBkinA速盘行毅）Ri A4排气中他两FGR辜的呼化（点隸式肉撚机，三科空燃吃，转leOUrn, 九量糸號小点火定时对 应得到最大扭矩的最小点火撻酣角MET）引人进气管的废气可大大增加新鲜混合气中的已燃气比例。当已燃气比例增大时，一方面减少可燃气的发热量，另一方面增大了混合气的热容，均使最高燃烧温度下降，从而使N02排放下降。图7 4表示三种空燃比a下再循环废气量与气缸总充量的质量比率（EGR率）对排气中NO体积分数$ NO的蔺7 FXiR率曲！忆拥疲利钳蔬歸质1400 - /uiin*空嚇比1-14.5*点火淀时怕HT影响。图75表示发动机负荷和 EGR率对NOx排放的影响。可见

20、，当 EGR率达到发动机部分负荷下 的最大允许值15 % 20%时，NOx排放显著下降。不过，过分稀释新鲜可燃气使燃烧恶化，导致缓慢 燃烧、不完全燃烧甚至缺火（图7 6）、循环变动增加和 HC排放增加。为了保证油耗低，应在过量空气 系数a 1的条件下用燃烧品质允许的最大EGR率获得尽可能低的 NOx排放。17.7 非气中 加翩点火齐前他 心升匕札=0 5t眷誠戏衣!点对童MBT!3. 点火定时的影响点火定时强烈影响点燃式内燃机的NOx排放量。推迟点火、降低最高燃烧温度并缩短己燃气停留在高温下的时间，可减少NOx排放。图77表示不同空燃比下的$ NO随点火提前角的变化情况。试验表明，在常用转速和

21、负荷工况下，减小点火提前角（0 ig）1 （CA），可以在输出功率不变的条件下削减NOx排放量2%一 3%。用欧洲测试排放的标准循环测试时，0ig每变动1 （CA） , NOx变化0. 3g/测试。推迟点火、提高排气温度，也有利于HC的后氧化，但有损发动机的燃油消耗率和比功率。（二）柴油机与点燃式内燃机的情况一样，柴油机气缸内达到的最高燃烧温度也控制NOx生成在燃烧过程中。最先燃烧的混合气比例（预混合燃烧比例）对NOx的生成有很大影响。研究表明，柴油机几乎所有 NOx都是在燃烧开始后 20 （CA）内生成的。喷油较迟时$ NO较低，因 为最高燃烧温度较低。推迟喷油是降低柴油机NOx排放的简便有

22、效的办法，但代价是燃油消耗率有所提高，排气烟度增大。与点燃式内燃机一样，燃烧的稀释剂（例如再循环的废气）也能降低柴油机已燃气体的温度从而减小NO的排放量。四、微粒在点燃式内燃机中，含铅汽油的铅和汽油中硫造成的硫酸盐，是排气微粒的主要成分。用含铅0. 15g/L的汽油时.会排放微粒 100 一 150mg/km ,其中一半左右是铅。如果用无铅汽油，加 上汽油含硫量一般都很低，可以认为点燃式内燃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，后者称为有机可溶成分（SOF）。碳烟生成的条件是高温和缺氧。由于柴油机混合气

23、极不均匀，尽管总体是富氧燃烧，但局部的缺 氧还是导致碳烟的生成。 一般认为碳烟形成的过程如下：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、乙烯及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以碳为主的直径 2nm左右的碳烟核心。气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚，以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大，成为直径2030nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1卩m以下的球团状或链状的聚集物。图78表示一些碳氢化合物如乙烯、丙烷、甲苯等在实验室燃烧器条件下预混合火焰中生成碳烟 的温度和过量空气系数条件。组成柴油的各种烃生成碳烟的条件

24、基本上也都在这个范围内。由图可见， 碳烟生成数量随a降低而增加。温度对碳烟生成数量的影 响，则在1600 一 1700K之间达到最大值。压力对碳烟生成条 件影响很小，但碳烟生成数量随压力提高而增加。图7-9表示了柴油机碳烟生成的温度和a条件，以及柴油机上止点附近各种 a的混合气在燃烧前后的温度。可见， a v 0. 5的混合气，燃烧以后必定产生碳烟。在图7-9a右上角上也标出了在各种温度和 a下燃烧0. 5ms后的$ NOx要 使燃烧后碳 烟和NOx很少，混合气的a应在0. 6 0. 9之 间。空气过多则 NOx增加，空气过少则碳烟增加。柴油机混合气在预混合燃烧中的状态变化见图79a上的箭头方

25、向。在预混合燃烧中，由于燃油分布不均匀， 既生成 碳烟，也生成NOx,只有很少部分燃油 a =0. 60. 9,不 产生碳烟和NOx。所以，为降低柴油机污染物排故， 应缩短滞 燃期和控制滞燃期内的喷油量， 使尽可能多的混合气的 a控 制在0. 6 一 0. 9之间。lilt )0凰 磺烟生说的温度7和过崎空耳系数丸条件点的审度审牲赤巫底毋T醞的比例扩散燃烧中混合气的状态变化见图7-9b上的箭头方向。曲线上的数字表示燃油进入气缸时所直接接触的缸内混合气的 a。从图上可以看出，喷入 av4. 0的混合气区的燃油都会生成碳烟。在温度 低于碳烟生成温度的过浓混合气中，将生成不完全燃烧的浓态HC。为减少

26、扩散燃烧中生成的碳烟，应避免燃油与高温缺氧的燃气混合。强烈的气流运动及燃油的高压喷射都有助于燃油与空气的混合。喷油结束后，燃气和空气进一步混合，其状态变化如图7 9b上的虚线箭头所示。图7与 柴鸿祕抵怪中生成醸烟和NO的眼以及过量空气原数董件心预混合幣烧附谩台弋秋态隶比b）茁诳烬烯勢混合气找臺誉优在燃烧过程中，已生成的碳烟也同时被氧化。图7 9b的右上角表示了直径 0. 04卩m的碳烟粒子在各种温度和a条件下被完全氧化所需要的时间t可见，这种碳烟在 0. 41. 0ms之间被氧化的条件与图79a右上角表示的大量生成 NOx的条件基本相向。可见，加速碳烟氧化的措施，往往同时带 来NOx的增加。因

27、此，为了同时降低NOx的排放。控制碳烟排放应着重控制碳烟的生成。第三节内燃机的排放特性.点燃式内燃机1 .稳定运转状态在稳定运转状态下，各种污染物排放量随发动机主要运转参数即转速n和平均有效压力Pme的变化称为发动机的排放特性。图 7 10是一台具有代表性的 2L排量4气门车用汽油机的 CO、HC和N02 排放特性图。该机在常用的部分负荷区，为了满足三效催化剂的要求(参见后面第五节)，将0 a控制在1. 0左右，所以CO排放较低。在大负荷工况，为了达到较高的转矩，av 1，因此在这个区域 CO排放高，NOx排放较低。區7 101气门车用汽油机的禅枝特性曲0排恢特性b) HC排放特性c) M川故

28、挣性2. 瞬态运转状态车用内燃机在实际使用中常出现瞬态运转状态，例如起动、加速、减速等工况。转速和负荷不断变化，零部件的温度以及工作循环参数不断变化。所以，这时内燃机排放量与稳定工况往往有很大不同。(1) 冷起动 汽油机冷起动时，由于进气系统和气缸温度很低，汽油蒸发不好，较多的汽油沉积 在进气管壁上，流速低造成油气混合不好，因此需要增加供油量，以使使汽油机能正常起动。汽油机冷起动时混合气的0 av 1。混合气中的汽油以部分蒸气状态、部分液体状态进入气缸。 很浓的混合气导致较高的CO排放。部分液态汽油在燃烧结束后从壁面上蒸发，没有完全燃烧就被排出气缸，造成HC的大量排放。由于温度低及混合气过浓.

29、冷起动时的NO x排放置很低。(2) 暖机过程 汽油机起动以后，冷却系和润 滑系以及主要零部件仍未达到正常的温度水平需要一个暖机过程。这时仍需要0a v 1的浓混合气，以弥补燃油在气缸壁和进气管壁上的冷凝。这时CO和HC的排放仍然很高，NO x的排放随着温度的提 高逐渐增大。(3) 加速 加速工况下，用化油器的汽油机这时往往供给很浓的混合气，造成较高的CO和HC排放。汽油喷射的汽油机不产生过浓的混合气，其 排放值与相应的各稳定工况点相似。图711表示这两种汽油机在加速过程中排气中0co的变化历程。12帆汹机贰谨反槿时持气中(4) 减速 车用汽油机减速工况就是节气门关闭处于怠速状态，发动机由汽车

30、反拖，在较高转速F空转。化油器式发动机如果没有特殊措施，将由于进气管中突然的高真空状态，使进气管壁上的液态燃油蒸发，形成过浓混合气而造成较高的HC和CO排放(图7 12)。汽油喷射式发动机在减速时不再供油，且进气管中液态油膜少。因此排放污染物较少。化油器在 减速时不再供油，情况也有改善。二、柴油机1 .稳定运转状态图7 13是一台具有代表性的1. 9L排量2气门涡轮增压中冷直接喷射式车用柴油机的CO、HC、NO x和烟度的排放特性图。2.瞬态运转状态柴油机冷起动时， 燃油喷注中有部分燃油以液态分布在燃烧室壁上。在燃油自燃之前，喷入缸内的燃油就会以未燃HC形式直接排出气缸。喷入燃油开始燃烧以后，

31、吸附在壁面上的燃油也不能完全燃烧， 有一部分在蒸发后被排出。柴油冷起动时排放的高浓度HC表现为白烟。图7-13 白1.9L椿量2吒门潟轮培压中冷直接酣射式牟用柴荊机的排检埒性話 m徘就率 朴HC徘就率C)NO,肃as紙怖走加速过程对柴油机工作过程的影响小于汽油机， 非增压柴油机的正常加速几乎是各稳定工况点的连 续。涡轮增压柴油机突加负荷时，涡轮增压器需要一段时间，才能达到高负荷所对应的增压器转速和增 压压力。如果未采取专门措施，增压柴油机常会加速冒黑烟。柴油机减速时不喷油或只喷怠速所需的油量，排放问题不大。三、汽油机与柴油机排放及其耐久特性的比较图7-14是车用汽油机与车用柴油机的CO、HC和

32、NO x比排放置随平均有效压力 Pme的变化关系的比较。可见汽油机的污染物排放量都比柴油机高，尤以CO差别最大，因为汽油机在大负荷时用浓混合气运转，导致 CO排放置成倍增加。汽油机与柴油机在大负荷下的NO x排放量在差不多的范围内变化。I4Q(20妥1l-2h 極皓iiUH00,2 鮎 0.6 04 .D 1.2P 吟 MFa56祢4C7224祐 g o Tsxg* WWON6o囲7-14车再代赠机E车川柴抽机捋故特性的比较l2h祷*4气门杵港机 JR怕转凍执围为2000- WOOr in2 L9二护量2 门剁轮増斥中嶂恵在頤界式強梢机甌（ft球建范聘为 m内燃机零部件的老化、变质和磨损都会引

33、起其排放特性的变化，例如排气催化转化器和空燃比传 感器的化学和热老化，供油系和点火系功能的老化，使用、保养和维修不当等。大量在用车的实测和统计结果得出汽车发动机排放的耐久特性如图715所示。可见，带有空燃比调节的排气催化转换器的现代车用汽油机，在运行8万km以后，各种污染物排放量平均增加在一倍以上。柴油机的排放随运行时间变化较小，有较好的排放耐久特性。-rJRr圈掘乎fi J. Qo.-十噌:计盲幻心F予1Ji. .me84060 SC l卑油枳40_e于兰幅宦率津澀%-0一 匪柴袖机2r国二汁车庄厳油机习柴油机排放耐久性的比较（耳、私分别表示汽油机和柴涯枫运行届币5后排诙就埔加到的倍数）买线

34、一悔空燃出眉带和催化蒔醍器住帆曲机 庞统一棊粧拭第四节 内燃机的排放控制、点燃式内燃机（ ） 曲轴箱排放物控制系统汽油机运转时。 燃烧室中的高压可燃混合气和已燃气体， 或多或少会通过活塞组与气缸之间的间隙 漏入曲轴箱。 为防止曲轴箱压力过高， 早期内燃机一般都通过机油加油口让曲轴箱与大气相通而进行 “呼 吸”。但因为曲轴箱的窜气中含有大量未燃碳氢化合物及其不完全燃烧产物，排入大气会引起污染。为了防止曲轴箱排放物的危害， 世界各国的车用汽油机从 1963 年起先后采用曲轴箱强制通风装置， 图716表示一个实例。在管中装有闭式呼吸口6,它与空气滤清器1的净气室连通，新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱

35、，和箱内的窜气混合， 经气缸盖罩通入管，通过计量阀3控制后，吸入进气管4,从而实现窜气的再燃烧。曲轴箱强制通风计量阀 （又称 PCV 阀）实际上是一个流通断面随阀两端压差变化而变化的单向阀（图7-17）。它根据弹簧力和进气管真空度的平衡情况开闭气体通路。进气管真空度大时就把阀芯吸向右 方（图7 17a），气体流通断面变小，反之则变大，不过到阀芯接近全闭时，由于左侧阀座的作用又变小。个典型的 PCV 阀的流量随进气管真空度变化的特性如图 7-18 所示。为特定发动机选配 PCV 阀时, 可改变阀芯的弹簧特性来适应发动机的窜气量。曲轴箱强制通风系统现已成为排放法规规定的汽油机必须采用的系统，该系统

36、应保证曲轴箱中的 压力永远不超过大气压力。（二 ） 蒸发排放物控制系统 车用汽油机化油器在发动机工作对受热严重，温度较高，如在这样的情况下停车，化油器浮子室 中的汽油大量蒸发，流入进气管并通过空气滤清器流入大气，这部分HC 排放称为热浸损失。 汽油箱中的汽油由于昼夜温度变化造成油箱呼吸（换气）现象，使油箱内汽油蒸气流出箱外，这部分HC 排放称为昼夜损失。这种热浸损失与昼夜损失数量不小（图 719），占汽油机 HC 总排放量的 20左右（图 720）。为了防止汽油机排放的燃油蒸气扩散到空气中， 常用活性炭罐作为汽油蒸气的暂存空间， 实现对汽 油蒸发排放物的控制。 当发动机不运转时， 来自化油器、

37、 燃油箱的汽油蒸气进入活性炭罐中被吸附在活 性炭上；当发动机运转时，利用进气管真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸气与进入碳罐的新鲜空气（清除空气 ）起吸入发动机燃烧室烧掉。图 721 表示一种典型的活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统。系统中化油器控制阀4 的作用是控制化油器浮子室和平衡孔的通道在适当的时候开闭， 保证化油器在运转时能正常工作， 浮子室内的汽 油蒸气不进入大气。停机时此阀使浮子室蒸气不通平衡孔，而经开启的膜片阀5 进入碳罐。膜片阀 5防止发动机运转时浮子室与大气相通，破坏化油器的工作性能。活性炭罐 9 是整个系统的核心。 必须选择适当的活性炭， 使它既有很好的吸附能力， 又容易释放进

38、行清除（再生）。一般用木材或坚果壳热解炭，并通过在500C左右用磷酸化学处理活性化。活性炭的容积密度为0. 67g/mL左右，BET比表面为1600 1900m2/g,孔度在I 一 4nm之间均匀分布。一般认 为， 1L 活性炭能吸附 100g 碳氢化合物。在现代的电控车用汽油机中开始应用电控蒸发排放物控制系统，其框图如图722 所示。系统中电磁式清除阀 4的开启时间和开度由电控单元 I 通过脉宽调制电流控制。耐蚀橡胶阀具有柔性密封唇， 消除工作中的噪声 （图 723）。泄漏检测泵 5 用来进行系统密封性的车载诊断。它是个由电控单元 1 驱动的膜片泵。 如果蒸发控制系统不泄漏，检测泵工作将引起

39、系统压力提高，使膜片脉动周期延长，直至超过某一规定值。如果系统有泄漏，脉动周期将不会超过此规定值，借此进行泄漏诊断。（三）排气再循环采用排气再循环（EGR）能有效地降低点燃式内燃机 NO2排放，但全负荷用 EGR使最大功率降低； 中等负荷用较大的 EGR率使燃油消耗率增大，HC排放上升；小负荷特别是怠速用 EGR使燃烧不稳定，甚至导致缺火。所以应用 EGR控制NOx排放技术的关键是控制 EGR率，使之在各种不同工况下，得 到各种性能的最佳折中，实现 NOx的控制目标。对 EGR 系统的大致控制要求是：1）由于NOx排放量随负荷增大而增大，因此废气回流量应随负荷而增大。2）暖机过程中，冷却水温度

40、和进气温度均较低，NOx排放不高。为防止废气回流破坏燃烧的稳定性，一般在发动机冷却水温度低于50 C时，不进行EGR。3）怠速和小负荷时，NOx排放也不高，也不进行 EGR。4）接近全负荷时，为使发动机保持足够的动力性能，即使NOx排放很高，也不允许进行 EGR。此外，要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀。车用汽油机常用三种 EGR控制系统，如图7 24所示。图7 24a所示的真空控制系统中， 除低温切断 EGR 用温度控制阀 5实现外，其余控制规律全靠进气管节气门后的真空度和真空驱动 EGR 阀的构造保证。如果 EGR 阀 l 是个简单的膜片阀，而节气门后的真空度将随着负荷的减小而加大，因而

41、EGR阀的开度将随负荷减小而加大， 这显然不符合 EGR 控制要求。 为此， 在 EGR 阀的具体设计上想了很多EGR 阀关闭。当使主膜片室内的724b 所示的电控办法，如图 725表示的双膜片阀就是一例。主膜片保证最大负荷下驱动真空度小时 发动机负荷和转速降低时，排气背压降低，副膜片在小弹簧作用下下移，打开控制阀， 真空度流失， EGR 阀开度减小。若全靠真空按制，即使 EGR 阀设计巧妙，也不可能得出理想的控制规律。图系统用预先标定的脉谱通过电控真空调节器6控制EGR阀1的开度，显然大大提高了控制的自由度。图724c所示的闭环全电控系统应用了带阀位传感器8的线性位移电磁式 EGR阀9,进一

42、步提高了控制精度。图 726表示这种 EGR 阀的一个结构实例。（四） 发动机设计的低排放考虑1冷起动和暖机发动机冷起动时，由于温度低，空燃比大，CO和HC排放很高。应尽量缩短起动时间，为此要提高点火能量，增大起动机的功率。暖机期间要使可燃混合气、冷却水温度和机油温度尽快热起来。例如，采用进气自动加热系统， 有助于改善暖机和寒冷天气运转时的混合气形成。 发动机润滑系和冷却系的设计要保证起动后尽快达到 正常运转温度， 例如机油冷却器应有自动控制温度的装置， 既保证大负荷下机油得到足够的冷却， 又保 证暖机时使机油很快热起来。 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

43、扇或温控电动风扇，改善冷却系对温度的适应性（详见第十章 ），以减少发动机在暖机和小负荷冷天运转时的污染物排放。2怠速 车用内燃机在实际使用中怠速工况占很大比例点燃式内燃机在怠速工况下由于残余废气量大， 混合气不得不加浓，导致 CO 和 HC 排放很高。世界各国的排放法规都是首先限制怠速排放。我国首先 颁布并且贯彻实施比较好的也是怠速排放法规。降低怠速时的 CO 和 HC 排放， 首先要精确调整怠速的混合比。 一般当混合气很浓时， CO 排放高， HC 相对较低；反之调稀时， CO 大幅度下降，但 HC 上升。怠速转速对怠速排放有很大影响。传统的 观点是怠速转速应尽可能低， 以节约燃油消耗， 怠

44、运转速多在 400一 500rmin 之间。在这样的转速下， 降低排放很困难。现代高速车用汽油机怠速转速多在 800 一 l000rmin 之间，使怠速排放大大下降。对于化油器式发动机，为降低怠速排放， 要进一步改进化油器怠速系设计，提高其制造精度， 改善 其调整的致性和耐久性。3混合气形成和空燃比 混合气形成的空燃比特性是决定点燃式内燃机性能和排放的关键因素。传统的化油器小负荷时， 根据燃烧稳定性要求提供浓混合气； 在常用的中等负荷时， 根据燃料经济性要求提供略稀混合气； 在大负 荷时， 根据动力性的要求提供浓混合气。 但化油器是根据流体动力学原理配剂的， 精度不高，影响因素 很多，根本不能

45、满足现代低排放的要求。随着排放法规的逐步严格，需要使用三效催化转化器来降低汽油机的排放，而这种转化器只有在a=1时才能有效地同时转化 CO、HC和NOx三种污染物。化油器很难满足这样的要求。用排气管中 的氧传感器监测 a并进行反馈控制的电控汽油喷射系统能达到a的控制要求，因此获得广泛的应用，预计将很快淘汰车用汽油机中的化油器。但是带氧传感器的汽油喷射发动机仍有均匀混合气点燃机的固有缺点：进气节流损失大， 影响经济性；压缩比受限制； NOx 排放高，必须使用三效催化转化器；在冷起功及暖机时期，因为催化剂温度 不够高，净化效率很低，造成大量排放。因此，最近对分层充量的稀燃发动机的研究越来越重视。据

46、报 导，进气道喷射的稀燃机已可能以a1.7的稀混合气稳定运转，而缸内直接喷射的汽油机，稳定工作的稀限已达到4.0o这时CO和NOx排放将大大下降，而HC排放在解决燃烧稳定性后也会低于常规汽油机。4点火系统点火定时和点火能量对汽油机的燃烧有重要影响。为使汽油机高效节能、动力大、排放低，要求点火可靠、定时优化。为此，无触点的高能电子点火系统已广泛应用，它不仅有稳定而较高的点火能量， 而且可以耐久地保持优化的点火定时特性。图7 27是点火定时对汽油机燃油消耗率be和NOx、HC排放影响的一个例子。发动机油耗最低的点火提前角B ig = 50CABTDC 。减小B ig将降低最高燃烧温度和循环效率，提

47、高排气温度。NOx和HC的排放则随B ig的减小而下降。5燃烧系统 不论是从改善动力性、经济性出发，还是从降低排放出发，对汽油机燃烧系统的要求都是一致的， 即应尽可能使燃烧系统紧凑。(1) 燃烧室形状 汽油机燃烧室形状越紧凑，燃烧过程就完成得越快，CO和HC排放下降。但另一方面，燃烧快导致燃烧温度升高，可能使NOx生成量增加。但是，快速燃烧又是采取用EGR和推迟点火等降低NOx措施获得成功的必要前提。紧凑燃烧室、快速燃烧加上优化的 EGR率和点火定时，可 能给出动力性、经济性、NOx排放之间的最佳折中。因此，圆盘形、浴盆形、楔形燃烧室越来越让位于半球形、帐篷形等面容比小的紧凑烧烧室。采用每缸

48、3、 4、或 5 气门、用涡轮增压代替自然吸气，不仅可以通过增加气缸充量密度、减小泵 气损失和机械损失、增大发动机功率密度来改善动力性和经济性，而且也降低CO2 和污染物的比排放量。在活塞平均速度u m受限制的前提下，为了提高发动机的比功率，曾经广泛采用S/ D V 1的短行程发动机， 使发动机可以以较高的转速运转。 但是短行程发动机的余隙容积变得扁平， 难以设计出紧凑的 燃烧空。因此，现代高性能低排放汽油机大多是S/ D = 1.01.1的稍长行程结构。当每缸4气门时，S/D 还可以再大些。(2) 压缩比 汽油机的压缩比是最重要的结构参数之一。 一般都是在汽油辛烷值允许的前提下尽可能用较高的

49、压缩比，以获得较好的功率和油耗指标。较高的压缩比带来与较紧凑的燃烧室类似的优点。 传统的汽油机，根据最易发生爆燃的工况(如最大转矩工况 )选择压缩比；而现代的汽油机，则选择更高一些的压缩比， 在大部分工况下能正常燃烧， 在发生爆燃的时候， 通过安装在机体上的爆燃传感器接受 信号，用电控单元适当推迟点火消除爆燃。(3) 火花塞位置 每缸 2气门的汽油机不得不把火花塞布置在燃烧室的例， 使燃烧过程拖得较长。 每缸 4、 5 气门的汽油机可把火花塞布置在气缸中央，缩短火焰传播路程，加速燃烧过程，带来与紧凑 燃烧室同样的优点。(4) 活塞组设计 活塞、活塞环与气缸壁之间形成的间隙，对汽油的 HC 排放

50、有很大影响，因此要在工作可靠的前提下尽量缩小活塞头部(火力岸 )与气缸的间隙，尽量缩小顶环到活塞顶的距离，即减小火力岸高度。为此，要寻找热膨胀更小的活塞材料(例如碳纤维复合材料 )和耐热性更好的活塞环材料以及合理的结构。、柴油机柴油机的 CO 和 HC 排放量相对汽油机来说要少得多，但 NOx 与汽油机在同一数量级，而微粒和 碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。 因此，柴油机的排放控制， 重点是 NOx 与微粒， 其次是 HC。 降低微粒和碳烟排放与改善柴油机燃烧过程是完全一致的，不过 NOx 排放往往与之矛盾，这就为柴油 机的排放控制造成特殊的因难。考虑到汽油机排故的 NOx 可以通过三效

51、催化剂或稀燃来解决，而柴油 机排气中富氧条件下的 NOx 催化剂尚在研究开发中，目前尚无成功的催化剂可用，如何在保持柴油机 良好性能的同时减少 NOx 的生成，是目前面临的重大技术挑战。柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好。柴油机运转时，平均过量空气系数a般都在 13以上，如果达到理想的混合，碳烟是不可能生成的，NOx 的生成也不会很多。但混合不好导致局部缺氧，使碳烟大量生成。同时存在很多 a=1o 一 11 的高 NOx 生成区。所以，柴油机的排放控制要围绕改善油气混合这一中心任务，防止局部 a超过0.9（这有利于NOx生成）和低于0.6（这有利于碳烟生成 ）。（一） 燃烧方式和燃

52、烧室形状 重型车用柴油机和其他大型柴油机大多采取直接喷射燃烧方式，而轿车和轻型车要求转速高以及小型农业机械为使用方便多用非直喷式燃烧方式。由于直喷技术的进步（喷油系统的小型化、高压化和高速化）以及降低油耗和 CO2排放的要求，高速的轿车柴油机也开始使用直喷式，并有逐步增长的趋势。现代车用增压柴油机排放物的负荷特性见图728。非直喷机碳烟排放大于轻型高速直喷机，而轻型高速直喷机的碳烟排放又大于重型车用直喷机。 这是因为副燃烧室混合气很浓， 易生成碳烟， 主燃烧 室中温度较低，已生成的碳烟后期氧化较差。但是直喷式柴油机的HC排放量大于非直喷机。这样，就包括碳烟和 SOF 在内的微粒排放量来说，直喷

53、式柴油机与非直喷式相差不大。柴油机的 HC 排放置远低于汽油机。由于燃油组成和混合气形成方式的不同，柴油机的HC 成分与汽油机不同，前者多为较高分子质量的HC,气味较大。直喷式柴油机的 NOx 排放量大于非直喷机，因为非直喷机初期燃烧发生在混合气极浓的副燃烧室 里，由于缺氧，NOx不易生成，而主燃烧室中燃烧在较低温度下进行（已开始膨胀）,NOx也不易生成。1. 非直喷式柴油机碳烟主要在副燃烧室里生成， 它们进入主燃烧室以后大部分被氧化。 在小负荷时， 由于主燃烧室温 度较低， 碳烟氧化慢， 所以非直喷机在部分负荷时的碳烟排放大于直喷机。 改善非直喷式柴油机排气污 染的重点也在副燃烧室。副燃烧室

54、容积增大，减少了碳烟形成，但 NOx 增加。研究表明，涡流室的相对容积在52左右得出最佳的碳烟与 NOx 折中。预燃室如容积过大，会降低其中燃气的能量，影响预燃室中不完全燃烧的 燃气与主燃烧室中空气的混合。所以，预燃室的相对容积在25一 30之间。涡流室中应避免流动死区， 电热塞对气流的干扰应尽量小。 所以， 消除喷油器安装孔部位的流动死 区，例如从占涡流室容积的 10%降到5%,可使冒烟界限的Pme上升10%;用顺气流安装电热塞代替垂 直气流安装，可使冒烟界限的Pme上升5%。减小电热塞加热头的直径 （从6mm减到 3.5mm），可使燃油消耗率be下降5 一 10g/（kw h），全负荷烟度

55、下降 0. 5 1BSU。2. 直喷式柴油机直喷式柴油机中燃烧室形状与喷油系统的配合、 喷入燃烧室中的燃油油雾与空气的混合, 对于高性 能、低排放具有决定性的意义。对高速直喷式柴油机的混合气形成和燃烧有下列要求：1）在滞燃期和燃烧前期,喷入燃烧室的燃油量应尽可能少,以免预混合燃烧过多,使压力上升太 剧烈,引起强烈的噪声,并控制 NOx 的生成量。2）在燃烧后期即扩散燃烧期, 喷入燃油很好与空气混合以减少碳烟的生成, 这就需要有很高的喷 油压力。3）在喷油结束后,剩余空气仍能与燃气强烈混合,促进碳烟的氧化。基于这些要求，直喷式柴油机喷油系统的发展有下列趋势：1）提高喷油压力，从一般的不到lOOM

56、Pa提高到150MPa甚至200MPa，特别是低转速时的喷油压力要保证。2）增加喷油器的喷孔数，减小孔径。前者对改善宏观燃油分布均匀性很关键，而后者在小缸径柴油机中为避免过多燃油碰壁是十分必要的。目前，小型柴油机的喷孔直径已减小到O2mm 左右，重型车用柴油机的喷孔数已增加到89。3）可控的燃油喷射率变化历程，如靴形喷射（详见后 ）、二次喷射 （预喷射加主喷射 ）。4）根据柴油机工况优化喷油定时。直喷式柴油机的燃烧室设计， 对室中的气体流动、 油气混合和燃烧有很大影响 从高性能、 低排放 的全面要求出发，可以总结出下列设计要点。（1）燃烧室容积比 燃烧室容积对气缸余隙容积 （或压缩室容积 ）之比称为燃烧室容积比，此比