發動機原理與汽車理論學習單元六汽油發動機和柴油發動機的排放及處理學習任務一、汽油機工況排放試驗學習目標：通過本節學習，學習者課說出小客車用汽油發動機排氣污染物排放限值及測試方法，可在發動機臺架上進行汽油機9工況法排放循環試驗的程序并計算比排放量，能夠說出汽油發動機排放產物及處理方式，能夠說出柴油發動機排放產物及處理方式，能夠說明排放污染物的危害。學習準備：負載：電力測功機，最高轉速可達8000r/min，最大扭矩可達±500N?m，最大功率達135kW。扭矩分辨率±0.1N?m、測量精度±0.4%，轉速分辨率±1r/min、測量精度±5r/min。一、汽油發動機排放產物1.一氧化碳CO

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CO是無色無臭有窒息性的毒性氣體，由于CO和血液中有輸氧能力的血紅素蛋白(Hb)的親和力比氧氣和Hb的親和力約大300倍，能很快和Hb結合形成碳氧血紅素蛋白(HbCO)，同時HbCO的解離速度卻比氧合血紅蛋白的解離慢3600倍，且HbCO的存在影響氧合血紅蛋白的解離,阻礙了氧的釋放,導致低氧血癥,使心臟、頭腦等重要器官嚴重缺氧，引起頭暈、惡心、頭痛等癥狀，輕度中毒將使中樞神經系統受損，嚴重時會使心血管官能喪失，直至死亡。

2.碳氫化合物HC：

HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧化產物，如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數百種成分。烷烴基本上無味，對人體健康不產生直接影響。烯烴略帶甜味，有麻醉作用，對粘膜有刺激，經代謝轉化會變成對基因有毒的環氧衍生物。芳香烴對血液和神經系統有害，特別是多環芳香烴(PAH)及其衍生物有強致癌作用。醛類是刺激性物質，對眼、呼吸道、血液有毒害。烴類成分還是引起光化學煙霧的主要物質。3.氮氧化物NOx：氮氧化物是燃燒過程形成的多種氮氧化物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，總稱為NOx。在內燃機中主要是NO，約占95％，其次為NO2，占5％。NO是無色無味氣體，只有輕度刺激性，毒性不大，高濃度時會造成中樞神經有輕度障礙，但NO易被氧化成NO2。NO2是一種紅棕色有刺激性氣味的有毒氣體。它對人體健康的影響見表8-3。NO2吸人人體后，和血液中血紅素蛋白(Hb)結合，使血液輸氧能力下降，對心臟、肝、腎都會有影響。NO2易溶于水，被人吸入肺部后，能與肺中的水分結合成稀硝酸，引起支氣管炎、肺氣腫。NO2是地面附近大氣中形成光化學煙霧的主要因素，也是酸雨的來源之一。4.微粒

微粒對人體健康的危害和微粒的大小及其組成有關。微粒愈小，懸浮在空氣中的時間愈長，進入人體肺部后停滯在肺部及支氣管中的比例愈大，危害也就愈大，小于0.1μm(微米，10-6m)的微粒能在空氣中作隨機運動，進入肺部并附在肺細胞的組織中，有些還會被血液吸收。(0.1～0.5)μm微粒能深入肺部并粘附在肺葉表面的粘液中，隨后會被絨毛所清除。大于5μm的微粒常在鼻處受阻，不能深入呼吸道，大于10μm的微粒可排出體外。微粒能粘附SO2、未燃HC、NO2等有毒物質或苯丙芘等致癌物，因而對人體健康造成更大危害。由于柴油機的微粒直徑大多小于0.3μm，而且數量比汽油機高出30～60倍，成分更為復雜，因而柴油機排出的微粒危害更大。

二、汽油機排放污染物處理技術一、汽油機機內凈化技術１.推遲點火時間(點火提前角)

推遲點火提前角一直是最簡單易行，也是最普遍應用的排放控制技術。汽油機推遲點火提前角，除因燃燒溫度下降使ＮＯｘ的生成速度和生成量降低外，還會因后燃使ＨＣ的排放量也同時降低。但推遲點火提前角降低排放的效果是有限的，在不使動力性和燃油消耗率明顯惡化的前提下，ＮＯｘ可降低１０％～３０％。在實際應用中應綜合考慮排放特性、動力性及經濟性來確定最佳點火提前角。廢氣再循環系統工作原理２.廢氣再循環采用高位活塞環的降低ＨＣ效果３.燃燒系統優化設計４.提高點火能量提高點火能量可以提高著火的可靠性，減小循環波動率，擴大混合氣的著火界限。特別是伴隨著汽油機燃燒稀薄化，無觸點的高能電子點火系統得到了廣泛的應用。提高點火能量的措施有增大火花塞極間電壓(極間電壓一般為１０～２０ｋＶ，但最高的有３５ｋＶ)、增大火花塞間隙(如由０.８ｍｍ增大至１.１ｍｍ)以及延長放電時間等方法。５.電控汽油噴射技術(ＥFＩ)電控汽油噴射系統由于能夠更精確、更柔性地滿足各工況的參數優化要求，從而可以實現排放特性、燃油經濟性和動力性的綜合優化。此外，三效催化轉化器與電控噴射系統的組合，已成為當前和未來較長時期內汽油機排放控制的最有效和最主要技術。另外，可變進氣系統、可變配氣相位、可變排量、稀薄燃燒以及缸內直噴式燃燒方法等新技術，在改善汽油機動力性和經濟性的同時，也不同程度地改善了排放特性。2.汽油機機外凈化技術１.曲軸箱強制通風裝置

曲軸箱強制通風系統如圖9-15所示。新鮮空氣由空濾器進入曲軸箱與竄氣混合后，經ＰＣＶ閥進入進氣管，與空氣或油氣混合氣一起被吸入氣缸燃燒掉。ＰＣＶ閥可隨發動機運轉狀況自動調節吸入氣缸的竄氣量。在怠速和小負荷時，由于進氣管真空度較高，閥體被吸向上方(進氣管側)，閥口流通截面減少，吸入氣缸的竄氣量減少，以避免混合氣過稀，造成燃燒不穩定或失火；而在加速和大負荷時，竄氣量增多，而進氣管真空度變低，在彈簧作用下閥體下移，閥口流通截面增大，使大量的竄氣進入氣缸被燃燒掉；當發動機高速大負荷運轉時，一旦竄氣量過多而不能完全被吸凈時，部分竄氣會從閉式通氣口進入空濾器，經化油器被吸入進氣管。燃油蒸發控制系統２.燃油蒸發控制系統電控燃油蒸發控制系統方框圖

１—電控單元２—空氣濾清器３—發動機進氣歧管

４—電磁式清除閥５—泄漏檢測泵

６—活性炭罐７—油箱3.三元催化轉化器TWC如表6-3所示，汽油機排氣后處理技術主要包括熱反應器、催化轉化器，而催化轉化器又可分為氧化型、還原型、氧化還原(三效)型以及稀燃型。1）催化轉化器結構與工作原理圖6-9催化轉化器結構及組成催化劑可以提高化學反應速度以及降低反應的起始溫度，而本身在反應中并不消耗。催化轉化器是目前各類排氣后處連技術中應用最廣泛的技術。起催化作用的活性材料一般為鉑(Pt)、銠(Rh)和鈀(Pd)三種貴金屬(每升催化劑中貴金屬含量為0.5?3.0g)，同時還有作為助催化劑的鈰(Ce)、鑭(La)、鐠(Pr)和釹(Nd)等稀土材料。相關知識二柴油發動機排放產物及處理方式一、柴油發動機排放產物1.一氧化碳(CO)在柴油機中，α＞１(Ａ／Ｆ>１４．８)，ＣＯ主要是在局部缺氧或低溫下形成的，所以ＣＯ的含量在全負荷或低負荷下較高，中等負荷時較低。對于柴油機而言，CO的排放率比CO2的排放率小得多。2.碳氫化合物(ＨＣ)在柴油機中，排氣中的ＨＣ是由于混合氣形成不良(如噴油質量不好、霧化不良)、燃燒組織不良(如供油提前角過小)、竄機油或者在過低的溫度下(如柴油機怠速運轉等)產生的。3.氮氧化合物(ＮＯｘ)對柴油機而言，NOx在其排氣廢氣中占主導地位。根據前述NOx生成條件，柴油機可以通過降低火焰高峰溫度、縮短空氣在高溫中停留的時間、降低燃油和空氣的混合速率等措施減少NOx的形成。4.炭煙和顆粒柴油機采用擴散燃燒方式，這就決定了柴油機產生炭煙和微粒是不可避免的。柴油機的微粒排放量要比汽油機大幾十倍。這種微粒由在燃燒時生成的含碳粒子(碳煙)及其表面上吸附的多種有機物組成。柴油機排出的炭煙主要是由于柴油機工作粗暴、燃料中的重餾分不能完全燃燒，其主要為微小的炭粒，它們是直徑為０.５～１μｍ的微粒，根本無法濾除，造成汽車冒黑煙。二、柴油機排放污染物處理方式1.柴油機的機內凈化技術1.增壓中冷技術將增壓后空氣再進行冷卻的中冷技術，使得進氣溫度降低，循環進氣量更大。這樣，增加空燃比改善了柴油機的燃燒，從而降低了微粒、NOx排放，而且功率進一步增加。增壓中冷柴油機參數選配得當，則柴油機大部分性能都會得到改善。２.改進進氣系統：進氣組織：組織一定強度的缸內旋流或紊流。３.改進噴油系統高壓噴射推遲噴油提前角減小噴孔直徑，增加噴孔數目高壓共軌電控燃油噴射柴油機機外機外凈化技術１.微粒捕集器采用過濾的方法對柴油機排氣中的微粒進行凈化。

２.氧化催化轉化器３.NOx還原催化轉化器４.四元催化轉化器相關知識三排放產物對環境的典型危害1.CO2的溫室效應隨著汽車保有量的增加，CO2的排放量也日益增加。由于CO2的隔熱作用，會形成全球變暖的溫室效應。這一效應造成人類以及動植物生存條件的改變，從而在一定程度上破壞了生態環境。如果這一效應引起南北極冰川大量融化，將造成人類生存陸地的減少，直接危及到人類的生存。因此，CO2的溫室效應也是值得注意的問題。2.光化學煙霧HC和NOx在太陽紫外線作用下會生成臭氧(O3)和過氧酰基硝酸鹽(PAN)，即一種具有刺激性的淺藍色煙霧，稱為光化學煙霧，它是一種有強刺激性的二次污染物。臭氧對人體的危害主要表現在刺激和破壞深部呼吸道粘膜和組織，對眼睛也有刺激。3.酸雨汽車尾氣中的二氧化硫和懸浮顆粒物，也會增加慢性呼吸道疾病的發病率，損害肺功能。二氧化硫在大氣中含量過高時，會隨降水形成“酸雨”，給大氣環境帶來了嚴重的污染。相關知識四排放法規及排放污染物的測量方法一、排放法規１.輕型車排放法規(１)美國排放法規世界上最早的工況法排放法規于１９６６年誕生在美國加利福尼亞州，用七個工況組成一個測試循環(稱為加州標準測試循環)，并于１９６８年被美國聯邦政府采納作為聯邦排放法規。

(２)歐洲排放法規歐洲現行的輕型車排放測試循環如圖９-２０所示，它由若干等加速、等減速、等速和怠速工況組成。

(３)日本排放法規日本于１９６８年起實施“大氣污染防止法”，１９７３年起采用１０工況測試循環(熱起動)，１９９２年起改用１０·１５工況測試循環，如圖９-２１所示。

(４)各種排放法規的對比表９-６給出了美國、歐洲、日本輕型車排放測試循環的主要參數對比。

(５)我國排放法規我國于１９８４年４月１日開始實施排放法規。圖6-17美國ＦＴＰ-７５測試循環圖6-18歐洲測試循環(ＥＣＥ-１５＋ＥＵＤＣ)圖6-19日本１０·１５測試循環表6-8美國、歐洲、日本輕型車排放測試循環的主要參數對比圖6-21輕型車排放控制的進程表6-9歐洲重型車用柴油機排放限值(單位：ｇ／(ｋＷ·ｈ))２.重型車排放法規三、排放檢測的取樣系統１.輕型車工況法測試的取樣系統圖6-24用于輕型車工況法測試的定容采樣系統(ＣＦＶ／ＣＶＳ系統)

ＣＤ—底盤測功機ＡＢ—空氣取樣袋ＣＦ—積累流量計ＣＦＶ—臨界流文杜里管ＣＳ—旋風分離器

ＤＡＦ—稀釋空氣濾清器ＤＥＰ—稀釋排氣抽氣泵ＤＴ—稀釋風道Ｆ—過濾器ＦＣ—流量控制器

ＦＬ—流量計ＨＥ—換熱器ＨＦ—加熱過濾器ＰＧ—壓力表ＱＦ—快接管接頭ＱＶ—快速作用閥ＳＢ—稀釋排氣取樣袋ＳＦ—測量微粒排放質量的取樣過濾器

ＳＰ—取樣泵ＴＣ—溫度控制器ＴＳ—溫度傳感器２.發動機臺架測試時的采樣系統圖6-25加熱采樣系統

１—取樣探頭２—粗濾器３—逆向清掃系統４—取樣泵５—減壓器

６—氣樣冷卻器７—冷凝液分離器８—細濾器四、有害氣體成分分析目前，用于汽車氣體排放污染物分析的方法主要有三種，即，用不分光紅外分析儀測量ＣＯ和ＣＯ２；用氫火焰離子分析儀測量ＨＣ；用化學發光分析儀()測量ＮＯｘ。世界各國在其工況法檢測標準中都嚴格規定必須采用上述測試方法。但怠速法檢測標準中略有不同，可以用不分光紅外法測量ＣＯ、ＣＯ２和ＨＣ。在試驗研究中，對排氣氣體的成分和濃度分析可采用氣相色譜儀，上述分析方法及其原理在有關排放的專著中均有詳細介紹。五、微粒及煙度的測量１.柴油機排氣微粒的采集圖6-26微