《发动机循坏》-《发动机循坏》-模块3-发动机燃烧与排放

模块3发动机的燃烧与排放本章要求:1.掌握汽油机混合气的形成与燃烧过程；2.掌握柴油机混合气的形成与燃烧过程；3.理解影响发动机燃烧的因素；4.掌握汽油机及柴油机燃烧室的类型；5.掌握发动机排放污染控制的措施；第一节概述一、燃气汽车的发展历程

天然气汽车必将成为未来汽车工业“绿色汽车”发展的主要方向。二、我国燃气汽车的发展目前，全国各地在成功试点的基础上，工作重点从改装车辆为主转为以建设燃气汽车应用环境为主，促进了燃气汽车在我国的推广应用和相关技术的发展。三、车用燃气发动机的发展趋势闭环多点顺序喷射系统是当今燃气发动机电控技术发展的主流和方向。四、车用燃气发动机的类型1.按所用气体燃料的种类

1）液化石油气发动机2）天然气发动机2.按燃用燃料的数量和形式1）单燃料燃气发动机2）两用燃料燃气发动机3）混合燃料燃气发动机第二节燃料的性质一、天然气1.组成成分，见表5-12.密度天然气的密度约为0.78kg/m3，仅相当于空气的60%3.热值指1kg燃料完全燃烧后放出的热量，不包括燃烧产物中水的汽化潜热的燃料热值称为低热值。4.自燃温度天然气的自燃温度比汽油和柴油高，安全性好。5.抗爆性天然气的主要组成是甲烷，而甲烷是饱和烃，性质稳定，其抗爆性比汽油好。6.沸点——天然气的沸点为-162℃7.颜色、味道和毒性天然气本身是无色、无味、无毒性的物质。二、液化石油气1.组成成分液化石油气的元素组成和物化特性见表5-12.密度15℃时液态液化石油气的密度约为0.55kg

/L3.热值单位质量液化石油气的热值比汽油高，单位体积液态液化石油气的热值比汽油低。4.自燃温度液化石油气的自燃温度约为504℃5.抗爆性液化石油气的抗爆性介于汽油和天然气之间。6.沸点液化石油气的主要成分丙烷、丁烷的沸点分别为–42℃和-0.5℃7.颜色、味道和毒性液化石油气本身是无色、无味、无毒性的物质。第三节燃气发动机的混合气形成与燃烧一、燃气发动机的混合气形成1.机外混合气形成方式(１)混合器供气系统(２)电控燃气喷射系统

日本本田公司研制的电控多点燃气(CNG)喷射系统如图5-12.机内混合气形成方式电控燃气喷射技术是燃气发动机先进的燃料供给方式;电控多点燃气喷射系统和电控燃气直接喷射系统目前仍处于研制和开发阶段。二、燃气发动机的燃烧过程1.正常燃烧过程1）着火延迟期2）急燃期3）补燃期2.不正常燃烧通过推迟引燃柴油的喷油正时和采用较稀的燃气—空气混合气，来避免爆震燃烧。第四节改善燃气发动机燃烧过程的措施一、影响燃气发动机燃烧过程的因素１.燃料性质２.混合气浓度３.点火提前角４.发动机负荷二、应用在燃气发动机

上的电控技术系统组成如图5-32.间接采集信号控制系统

控制过程如图5-4所示。模拟汽油喷射信号如图5-5。２)模拟氧传感器信号３)点火提前角调节器开关式点火提前角调节器如图5-6，基本点火提前角的设置方法见表5-3。第五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。4.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。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。第六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。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。

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。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第七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、供养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，燃右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。1.混合气成分：二、影响因素：在接近满负荷时(较小)，CO浓度骤增。NOx生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷工况。NOx浓度随增加而减少。柴油机排气中有碳烟排出，随着混合气变浓，排烟浓度增多2.喷油时刻延迟喷油是降低Nox的主要措施之一。三、机内净化技术1.增压中冷技术将增压后空气再进行冷却的中冷技术，使得进气温度降低，循环进气量更大。这样，增加空燃比改善了柴油机的燃烧，从而降低了微粒、NOx排放，而且功率进一步增加。增压中冷柴油机参数选配得当，则柴油机大部分性能都会得到改善。２.改进进气系统：进气组织：组织一定强度的缸内旋流或紊流。多气门：多气门能加大循环充气量以改善动力、经济性和排放性能。３.改进喷油系统高压喷射推迟喷油提前角减小喷孔直径，增加喷孔数目高压共轨电控燃油喷射４.改进燃烧系统燃烧室容积比：燃烧室容积对气缸余隙容积之比。燃烧