发动机排放与噪声

第八章 发动机排放与噪声 主要内容 第一节 发动机有害排放物的生成及危害 第二节 影响汽油机有害排放物生成的主要因素 及控制 第三节 影响柴油机有害排放物生成的主要因素 第四节 发动机排放标准与测试 （自学） 第五节 发动机噪声来源与控制 第一节 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，由于 CO和血液中 有输氧能力的血红素蛋白 (Hb)的亲和力比氧气和 Hb的亲和 力约大 300倍，能很快和 Hb结合形成碳氧血红素蛋白 (HbCO)，同时 HbCO的解离速度却比氧合血红蛋白的解离 慢 3600倍，且 HbCO的存在影响氧合血红蛋白的解离 ,阻碍 了氧的释放 ,导致低氧血症 ,使心脏、头脑等重要器官严重缺 氧，引起头晕、恶心、头痛等症状，轻度中毒将使中枢神经 系统受损，严重时会使心血管官能丧失，直至死亡。 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 0.1m(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。 (0.1 0.5)m微粒能深 入肺部并粘附在肺叶表面的粘液中，随后会被绒毛所清除。 大于 5m的微粒常在鼻处受阻，不能深入呼吸道，大于 10m 的微粒可排出体外。 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 0.3m，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： 燃料不完全燃烧； 混合气不均匀； CO2高温时裂解 。 2.碳氢化合物 HC的生成： 冷激效应 油膜与沉积物吸附 火焰淬熄 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 促使生成 NO的因素有三个： 1.氧的浓度 : 氧的浓度低 ， NO生成少 2.温度：温度高 氧分解快， NO生成多 3.反应滞留时间：反应滞留时间长 NO生成多 。 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。 图 84 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。 第二节 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： 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。 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。 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。 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。 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。 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.电子控制燃油喷射系统 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 第三节 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，燃油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。 .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。 .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 .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。 燃烧室口径比 ： 采用较大口径比的浅平燃烧室，配合小 孔径的多喷孔喷嘴。 燃烧室形状 缩口燃烧室已取代应用最 广的直边不缩口燃烧室。 用缩口燃烧室 加强燃烧室口 部的气体湍流， 促进扩散混合 和燃烧。 燃烧室底部中 央的凸起适当 加大，以进一 步提高空气的 利用率。 用带圆角的方形或五瓣梅花形（分别配 4孔和 5孔喷 嘴）代替圆形燃烧室，加强燃烧室中的微观湍流， 加速燃烧，减少碳烟生成。 适当提高柴油机压缩比可降低 HC和 CO排放 ， 并结合推迟喷油获得动力经 济性能与 NOx排放之间较好的折中 。 适当提高压缩比 . 降低机油消耗 尽可能减少窜入燃烧室的机油量； 减少机油从气门杆的泄漏。 . 废气再循环 柴油机可以使用比汽油机大得多的废气再 循环量。 . 提高燃油品质 提高柴油的十六烷值。 四、机外净化技术 .微粒捕集器 采用过滤 的方法对柴油 机排气中的微 粒进行净化。 .氧化催化转化器 . NOx还原催化转化器 . 四元催化转化器 第四节 发动机排放标准与测试 （自学） 一、评定标准 ： 排放物体积分数 和 和质量浓度 质量排放量（ g/h、 g/N或 g/ ） 比排放量（ ） 610 3/mmg )/( hkWg 二、排放标准： 三、排放物测定： .试验规范 底盘测功机 2.排气取样系统 3.测试仪器： 不分光红外线吸收型（ NDIR）分析仪： CO， CO2 氢火焰离子型分析仪（ FID） ： -HC 化学发光法型分析仪（ CLD） ： -NOx 第五节 发动机噪声来源与控制 了解 一、发动机噪声的来源： 1.燃烧噪声 燃烧噪声经由两条路径传播并辐射出来。一条是经过 气缸盖及气缸套经由气缸体上部向外辐射；另一条是 经过曲柄连杆机构，即活塞、连杆、曲轴和主轴承经 由气缸体下部向外辐射。 在功率相同的条件下，柴油机比汽油机燃烧噪声大得 多。 汽油机的爆燃、燃烧室积碳会使燃烧噪声增而加。柴 油机在转速升高，喷油推迟，负荷增大时还会引起工 作粗暴产生噪声。 转速升高，负荷加大而噪声增大，点火或喷油推迟噪 声减小，加速和不正常燃烧时噪声增大。 2.机械噪声 1）活塞敲缸噪声 2）配气机构噪声 3）正时齿轮噪声 4）不平衡惯性力引起的机械振动及噪声 5）喷油泵及其他机械噪声 3.进、排气噪声 进排气噪声是由于发动机在进、排气过程中，气体压 力波和气体流动所引起的振动而产生的噪声。主要包 括吸气、排气部位放射出的空气声和排气系统的漏气 声。 进气噪声主要包括空气在进气管中的压力脉动，产生 低频噪声；空气以高速通过气门的流通截面，产生高 频的涡流噪声；增压内燃机增压器中压气机的噪声。 排气噪声主要包括：排气在排气管中的压力脉动，产 生低、中频噪声；排气门流通截面处的高频涡流噪声； 进排气噪声都随发动机的转速及负荷状态而变化。随 发动机转速提高，进排气噪声增加；随发动机负荷增 加，进排气噪声增大。 合理选择进、排气管，减少压力脉动及涡流强度，并 避免发生共振；采用性能良好的进、排气消声器。 4.风扇噪声 风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪 声是由风扇叶片对空气分子的周期性扰动而产 生的，它的强弱与风扇转速和叶片数成正比； 而涡流噪声是空气在受叶片扰动后产生的涡流 所形成，它的强弱主要与风扇气流速度有关 。 对风扇型式、叶片形状、布置及材料的改进， 如采用叶片不均匀分布的风扇、用塑料风扇代 替钢板风扇、在车用内燃机上采用风扇自动离 合器等措施可取得较好的降低噪声效果。 二、噪声控制 1.控制燃烧爆发力和减少不正常燃烧 1）适当地推迟喷油或点火时间 2）选用十六烷值较高的柴油和辛烷值较高 的汽油 3）改变燃烧室形式 2.控制转速及减小惯性力 合理设计发动机转速，减轻活塞等往复运动 零件的质量，采用平衡轴减小惯性力，尽量 使发动机平衡，可达到降低噪声的目的 。 3.减小配合零件的撞击和震动 减少活塞与缸壁、气门机构、轴与轴承、齿轮等些配合 零件在运动时的撞击和振动，可降低机械噪声。 在柴油机供给系中，可通过提高泵体刚度、减小油泵压力 脉动、减小喷油泵凸轮与滚轮体之间的冲击和摩擦等，降低 其噪声。 适当增加曲轴刚度、减小曲轴转动惯量、合理排列发火顺 序、采用抗扭振性能好的球墨铸铁材料，以及加装扭转减振 器等，可减小曲轴的扭转振动，也可降低机械噪声。 4.采用隔声、防振措施 可在机体侧壁加装隔声罩；采用双层油底壳；在壳体表面 涂敷减振涂层；进排气管设置防振支承等，可降低噪声。 作业 阅读第八章。