汽车发动机原理

1. 汽车发动机原理 制作人：张振东

2. 目录 前言： 课程绪论 第一章：发动机性能 第二章：发动机换气过程 第三章：燃料与燃烧 第四章：汽油机混合气的形成与燃烧 第五章：柴油机混合气的形成与燃烧 第六章：发动机的特性 第七章：车用发动机废气涡轮增压 第八章：排气污染及控制

3. 第八章 排气污染与控制

4. 第八章 排气污染与控制——概述 8.1 概述 1．汽车发动机的排气污染 汽车发动机的排气是城市大气污染的主要原因，因此，控制发动机排放污染物是当前的主要研究发展方向之一。 汽车发动机排放的有害物质种类主要是CO、HC、NOX 和微粒(PM)，绝大多数污染物出现在废气中，少量 HC 来自于曲轴箱和燃料系统泄露的燃料及润滑油蒸发物，包括气缸窜入曲轴箱的燃气。 发动机排放污染物的危害有二个方面： （1）危及人体健康； （2）破坏环境。 除了发动机排放污染物质造成对大气的直接污染，汽车有害排放物还可能通过与环境物质或有害物质之间的化学反应，形成二次污染。

5. 第八章 排气污染与控制 2、汽车排放污染的危害 已经确定的典型的环境效应是： （1）酸雨，汽车排放污染物中酸性物质溶解于水后形成； （2）光化学烟雾，汽车有害排放物中 HC 与NOX 在强阳光作用下，相互反应生成的有毒烟雾，主要成分是臭氧和PAN（过氧酰基硝酸盐）； （3）臭氧层空洞，卤族元素在强阳光照射时，消耗臭氧，导致臭氧层破坏； （4）温室效应，汽车排放使大气中CO2浓度增加，气温上升。 汽车有害排放物对人体和生物的危害有： CO： 血液输氧能力降低、神经中枢受损，严重时危及生命。 HC： 刺激鼻、眼和呼吸道粘膜，引发呼吸道疾病。 NOX： 刺激人眼粘膜，对神经中枢有抑制作用，使呼吸系统失调，引发疾病。 微粒： 微粒是气固态的物质颗粒，因表面吸附多种有毒、致病、致癌或致命物质而具有危害。 光化学烟雾： 对人体呼吸系统以及粘膜有强烈刺激，引发肺水肿疾病。此外，对植物生长有抑制作用。 8.1 概述

6. 第八章 排气污染与控制 3、汽车排放控制技术标准 经过几十年的努力，汽车发动机排放的污染物质数量已经大大减少。除CO2 以外，现在 100 辆汽车排放的污染物数量才相当于1950年一辆汽车的排放量。 控制汽车排放的努力，集中体现在由各国政府制定并强制实施的汽车排放控制技术标准。这是因为环境污染影响到整个地球和人类社会，并涉及各方面的经济利益。为突出汽车排放控制技术标准的强制性，它们也被称为排放法规。 汽车排放法规的主要内容是： （1）限值：有害排放物的限制数量或浓度； （2）试验规范： 检测汽车或发动机有害排放物时的试验条件、要求和程序（流程）； （3）采样方法：检测试验时，采集样品的原理、方法和要求； （4）检测仪器：统一规定测试仪器的工作原理。 但是，由于汽车保有量的持续增加，汽车排放污染物的总量仍不断上升，环境保护的形势非常严峻，特别是CO2 的排放。 8.1 概述

7. 第八章 排气污染与控制 4、发动机排放污染物的计量单位和指标 汽车发动机的有害排放物实际是微量的。由于有害排放物既有气态的，也有液、固态的，因此，有害排放物的计量单位为： （1）微量浓度单位C（V/V或M/V ）： %，10-6 （百万分之几）， g/m3， mg/m3等，适合于气态有害物。 （2）微量质量单位G（M/T等）： g/h，g/次，g/km，mg/h，mg/次，mg/km等，适合于液、固态有害物，有时也用于气态有害物。 发动机排放指标有： （1）排放浓度，表示某种有害排放物在废气中所占容积或质量的比例。 （2）排放质量，表示汽车或发动机在单位时间、单次试验或单位里程里排放的某种有害排放物质量。 （3）比排放量，表示发动机单位功率小时的某种有害排放物 的质量，用于不同发动机之间的比较。 8.1 概述

8. 第八章 排气污染与控制——有害排放物生成机理 8.2 有害排放物生成机理 1．NOX 生成机理 NOX 排放的生成机理目前尚无统一认识，比较认可的是用捷尔杜维奇链反应解释 NO 生成，并用其代表 NOX的生成机理。 这个反应机理表示NOX 生成反应是不分支的链反应，而且是吸热反应。

9. 第八章 排气污染与控制 生成要素 根据化学反应平衡原理、NOX的生成机理、平衡浓度的模拟计算和发动机台架试验的结果，提示NOX生成的主要要素是： （1）反应温度 （2）氧气浓度 （3）反应时间 汽油机燃烧温度比柴油机高，因此，反应温度是影响汽油机NOX排放的主要因素；氧气浓度通过空燃比对汽油机 NOX 排放产生影响，在一定的空燃比范围中，汽油机有较高的NOX排放；汽油机的转速较高，反应时间对汽油机的NOX排放影响较小。 柴油机燃烧的特点时空气充足，燃烧温度比较低，因此，氧气浓度是影响柴油机NOX 排放的主要因素；氧气浓度通过空燃比对柴油机NOX排放发生影响，在一定的空燃比范围中，柴油机有较高的NOX排放；柴油机的转速虽然比汽油机低，但燃烧时间仍然较短，故反应时间对柴油机的NOX排放影响较小。 8.2 有害排放物生成机理

10. 第八章 排气污染与控制 2、CO 生成机理 （1）缺氧与局部缺氧燃烧 根据化学计量学原理，当空气过量，氧气充足，稀混合气燃烧时，燃料应该能完全燃烧，不会产生 CO；空气不足，缺氧或局部缺氧，即浓混合气燃烧时，会产生较多的 CO 。 即空气充足 8.2 有害排放物生成机理 空气不足

11. 第八章 排气污染与控制 （2）CO2的高温离解 α≥ 1 时，燃烧产物中有一定数量 CO 的原因之一是存在 CO2 的高温离解 8.2 有害排放物生成机理 （3）水煤气反应 水煤气反应也是燃烧产物中有一定数量 CO 的原因之一。水蒸气也可高温离解 离解后的 H2和 O2 参与其它反应，主要是水煤气反应

12. 第八章 排气污染与控制 • （4）燃烧过程不完善 实际燃烧过程是一个非常复杂的链式反应。燃烧过程中产生大量中间产物，包括 CO 。链式反应中断、不正常燃烧（如表面点火、爆震以及后燃过于严重），即燃烧过程不完善，都形成 CO 排放。 • 有很多原因可以导致燃烧过程不完善。如局部断火、缺火、活性粒子碰撞壁面而失去活性、混合气过浓或过稀、废气稀释过度、各种点火故障等等。这些原因都会造成燃烧过程不完善。 • 汽油机燃烧时，混合气浓度变化较大，既有缺氧的浓混合气，也有氧气充足的稀混合气。电控汽油喷射式发动机基本是浓混合气。因此，汽油机CO 排放的主要因素是缺氧和燃烧不完善。 • 柴油机燃烧时空气充足，但混合气浓度不均匀。因此，局部缺氧和燃烧不完善是柴油机CO 排放的主要因素。 • CO2的高温离解和水煤气反应尽管也是CO排放的原因，但在发动机燃烧过程中发生的几率很小，可以忽略。 8.2 有害排放物生成机理

13. 第八章 排气污染与控制 3、HC 生成机理 （1）缸壁激冷效应 燃烧室壁面附近区域的混合气不能燃烧现象称为缸壁激冷效应。 （2）燃烧室缝隙效应 发动机燃烧室缝隙中混合气不能燃烧的现象称为缝隙效应。 （3）燃烧过程不完善 发动机排放的 HC 主要是燃烧过程中间产物。燃烧过程不完善，形成 HC 排放。 （4）扫气和漏气 少量混合气在气门重叠时，直接从进气门流向排气门（扫气）。气门关闭不严（漏气），也可导致 HC 排放。 （5）润滑系统与燃料系统的蒸发 部分 HC 排放来自燃料系统和曲轴箱的气体泄露。燃料系统的泄露完全是燃油蒸汽，曲轴箱泄露的气体包括气缸窜气和润滑油蒸汽。 8.2 有害排放物生成机理

14. 第八章 排气污染与控制 HC 是燃烧过程中间产物，是可燃烧气体。随着燃烧的进行会逐渐减少，并且在排气过程和排气管内会进一步氧化。 仅就燃烧来说，汽油机气缸内是混合气。因此，燃烧过程不完善、壁面激冷效应和缝隙效应是汽油机 HC 排放的主要原因，扫气漏气则是次要原因；柴油机气缸中，壁面区域和缝隙中几乎全部是空气，换气时出现扫气也完全是空气，燃烧时混合气浓度不均匀，存在混合气极其稀薄的区域，因此，柴油机的 HC 排放主要原因是燃烧过程不完善。 　　二冲程汽油机换气过程包括依靠新鲜混合气顶出缸内的废气（扫气过程），实现换气，使得相当数量的新鲜混合气进入排气口。因此，扫气是其 HC 排放的最主要原因。 8.2 有害排放物生成机理

15. 第八章 排气污染与控制 4、微粒 与汽油机相比，柴油机的微粒排放比较突出。 柴油机微粒排放的类型 （1）白烟 白烟在起动及暖机过程前期，发动机温度在 250 ℃时出现，主要成分为燃油颗粒，微粒直径较小。 在起动及暖机过程前期，发动机温度低，压缩压力相对降低，喷油量小，喷油压力下降，油束雾化不好，同时，燃烧条件差，存在局部混合气过浓或油束心部、后部在扩散燃烧时未能充分燃烧现象。未能燃烧燃料在排气过程受已燃气体的加热变成燃油蒸汽，形成白烟。 （2）蓝烟 蓝烟在暖机过程后期，温度为250 ℃至着火温度出现，主要成分为润滑油颗粒，微粒直径略大。 在暖机过程后期，发动机温度逐渐升高，燃烧室壁面温度提高，使壁面润滑油蒸发，但气缸供油量少，燃烧热量小，燃烧温度低，不能使润滑油蒸汽燃烧，因而形成蓝烟排出。 8.2 有害排放物生成机理

16. 第八章 排气污染与控制 （3）黑烟（碳烟） 黑烟在急加速过程或大负荷时出现，主要成分为碳颗粒，微粒直径较大，直径范围宽。 柴油机的微粒排放主要是碳烟。 碳烟生成机理 碳烟是燃烧过程的中间产物。燃烧过程中包括分子裂解、分解以及聚合等反应，在局部缺氧燃烧时，就出现碳烟。碳烟生成有两条路线：高温下裂解、复聚和环构；较低温度下聚合、环构和脱氢。 （1）高温路线 8.2 有害排放物生成机理

17. 第八章 排气污染与控制 （2）低温路线 8.2 有害排放物生成机理 柴油机碳烟生成主要按高温路线，即高温并缺氧燃烧是碳烟生成的主要原因。 随着燃烧过程进行，碳烟也会氧化燃烧。发动机碳烟排放数量取决于碳烟生成和氧化矛盾作用的结果。在燃烧过程中，碳烟生成几乎不可避免。因此，重要的是加强氧化燃烧，才能减少碳烟排放数量。

18. 第八章 排气污染与控制——有害排放物生成的影响因素 8.3 有害排放物生成的影响因素 8.3.1 汽油机有害排放物生成的影响因素 内因 （1）燃料品质 燃料品质影响燃烧过程，从而直接影响有害排放物生成；燃料成分影响空燃比的计算和控制，间接影响有害排放物生成。 （2）混合气浓度（空燃比或过量空气系数） CO 和 HC 排放浓度随空燃比提高而迅速减小，空燃比超过某一数值后， CO 和 HC 浓度反而增加。空燃比 A / F ≥ 16 即 α ≥ 1.08 时， CO 排放浓度最低； A / F超过 20 时， CO 排放浓度因燃烧速度过慢且不稳定而增加。当 A / F = 17 即α ≈ 1.15 时， HC 排放浓度最低。空燃比过大 A / F ≥ 17 时，HC 排放浓度因燃烧不稳定迅速增加。

19. 第八章 排气污染与控制 8.3.1 汽油机有害排放物生成的影响因素 内因 （2）混合气浓度（空燃比或过量空气系数） 8.3 有害排放物生成的影响因素 NOX 生成浓度随空燃比增加呈现先升高后下降的趋势，在空燃比 A / F为15 ~ 16 之间取得最大值。 当混合气浓度较大， A / F 较小时，NOX 生成浓度随空燃比加大而增加。这种混合气燃烧温度高，氧气浓度低，随着空燃比增加，氧气浓度提高， NOX生成浓度上升。 空燃比继续加大，NOX 生成浓度也上升。到 A / F 15 ~ 16 时，NOX 生成浓度达到极大值。此时，空燃比对氧气浓度和燃烧温度两方面影响的综合效果，最有利于NOX生成。 空燃比增加到混合气成为稀薄混合气，NOX生成浓度迅速下降。因为这种混合气燃烧温度急剧下降。 上述讨论可知，稀薄燃烧有利于改善汽油机的排放。

20. 第八章 排气污染与控制 8.3.1 汽油机有害排放物生成的影响因素 内因 （3）EGR 将少部分废气送入气缸，参与下一循环燃烧，有利于抑制NOX生成，但废气再循环的废气量不能过大。否则，会使燃烧恶化。 外因 （4）点火提前角 对应每一个工况，存在一个 最佳点火提前角，此时，汽油机动力性和经济性最好。推迟点火，HC和NOX 排放减少，但CO排放增加。 （5）压缩比 发动机压缩比大， NOX排放多，其他有害排放物少。 （6）工况 发动机怠速运转时， HC 和 CO 排放浓度较高，中等转速时HC 和 CO 排放最低。适当提高怠速有利于降低HC 和 CO 排放，但怠速过高会引起油耗增加。 8.3 有害排放物生成的影响因素

21. 第八章 排气污染与控制 8.3.2 柴油机有害排放物生成的影响因素 内因 （1）燃料品质 燃料品质影响燃烧过程，从而直接影响有害排放物生成；燃料成分影响空燃比的计算和控制，间接影响有害排放物生成。 （2）混合气浓度（空燃比或过量空气系数） 柴油机CO 和 HC 排放浓度比汽油机低得多。CO 和 HC 排放浓度随燃空比提高而增加。中小负荷时， CO 和 HC 排放浓度最低。大负荷时，燃空比较大， CO 排放浓度急剧增加，HC 排放增加不多。 柴油机 NOX 生成浓度与汽油机相当。 NOX 生成浓度也随燃空比增加呈现先升高后下降的趋势， NOX 浓度最大值出现在接近全负荷工况。 柴油机碳烟生成比汽油机严重。燃空比增加到一定数值，碳烟排放迅速提高。 （3）EGR 将少部分废气送入气缸，参与下一循环燃烧，有利于抑制NOX 生成，但废气再循环的废气量不能过大。否则，会使燃烧恶化。 8.3 有害排放物生成的影响因素

22. 第八章 排气污染与控制 8.3.2 柴油机有害排放物生成的影响因素 外因 （4）喷油提前角 对应每一个工况，存在一个 最佳喷油提前角，此时，柴油机动力性和经济性最好。若推迟喷油，NOX 排放减少，但碳烟排放增加。 （5）压缩比 发动机压缩比大， NOX排放多，其他有害排放物少。 （6）工况 发动机怠速运转时， HC 排放浓度较高；大负荷时NOX排放较多；全负荷时碳烟排放高。 （7）燃烧室 直喷式燃烧室的有害排放物比分隔式燃烧室多。 8.3 有害排放物生成的影响因素

23. 第八章 排气污染与控制 8.3.2 柴油机有害排放物生成的影响因素 柴油机燃烧与有害物生成 HC 中小负荷时在稀燃火焰熄灭区生成，因为过稀不能燃烧；大负荷时在油束心部生成，因为燃烧不完全。 CO 中小负荷时在稀燃火焰熄灭区生成，因为过稀不能燃烧；大负荷时在油束心部生成，因为局部缺氧。 NOX 大负荷时在稀燃火焰区生成，因为这里温度高，氧气多。 碳烟 全负荷时在油束心部生成，因为这里温度高并缺氧。 8.3 有害排放物生成的影响因素

24. 第八章 排气污染与控制——有害排放物的控制 8.4 有害排放物的控制 8.4.1 概述 针对内因采取的控制措施，前处理净化； 针对外因采取的控制措施，机内净化； 补救措施，后处理净化，包括 排气后处理； 非排气的污染物控制。 8.4.2 前处理净化 1、 提高燃油品质：环保汽油和环保柴油（配方燃油）；开发新型燃油添加剂。 2、 采用EGR

25. 第八章 排气污染与控制 8.4.3 后处理净化 1、排气后处理 （1）三元催化净化器； （2）柴油机微粒捕集器。 2、非排气的污染物控制 （1）曲轴箱强制通风装置； （2）燃油蒸发物控制装置。 8.4.4 机内净化措施 1、 采用计算机控制 汽油机——电子控制汽油喷射：精确控制空燃比、点火提前角和EGR率等。 柴油机——电子控制高压共轨柴油喷射：精确控制空燃比、喷油提前角、喷油规律等。 8.4 有害排放物的控制

26. 第八章 排气污染与控制 8.4.4 机内净化措施 2、 改进燃烧 稀薄燃烧系统、分层燃烧系统、GDI和HCCI等。 3、 采取各种可变技术 可变配气技术、可变压缩比技术、可变工作气缸数和可变增压系统等。 4、 控制进气温度 5、 提高进气效率 6、 采取增压中冷 8.4 有害排放物的控制

27. 第八章 排气污染与控制——排放控制标准 8.5 排放控制标准 8.5.1 世界排放控制标准 排放控制标准的发展 世界排放控制标准体系； 8.5.2 排放控制标准的基本内容 1、有害物排放浓度限值 举例：轻型汽车排放限值 2、试验规范 举例：轻型汽车：汽车行驶工况试验规范——15工况试验规范 3、采样方法 举例：定容取样法 4、检测仪器 举例：NDIR、FID、CLD

28. 第八章 排气污染与控制—— 重点内容 1．汽车有害排放物的种类及排放部位；主要环境效应；汽车排放法规的基本内容；发动机排放的评价指标。 2．发动机有害排放物的种类及其生成机理；汽油机有害排放物生成的主要原因；柴油机有害排放物生成的主要原因。 3．发动机有害物生成的影响因素。 4．控制发动机有害物生成的主要措施。

29. 谢谢欣赏