1、第第7 7章章 发动机的排放与汽车噪声发动机的排放与汽车噪声： 介绍有害排放物的危害及生成、影响排放物生成的主要因素与常用的有害排放物控制技术、排放标准与测试技术及发动机噪音来源与控制方法。： 掌握有害排放物的生成机理，影响因素与控制技术；了解排放标准与测试技术以及发动机噪声来源与控制方法。 1、发动机排放物的组成、发动机排放物的组成一氧化碳一氧化碳氮氧化物氮氧化物碳氢化合物碳氢化合物光化学烟雾光化学烟雾微粒微粒汽油机和柴油机的燃烧特点不同，污染汽油机和柴油机的燃烧特点不同，污染物生成机理不同物生成机理不同汽油机污染物汽油机污染物：COCO、HCHC、NoxNox柴油机污染物柴油机污染物：No
2、xNox、微粒、微粒一氧化碳是燃料在空气不足的情况下的燃烧一氧化碳是燃料在空气不足的情况下的燃烧产物，是发动机排放中有害浓度最大的成分。产物，是发动机排放中有害浓度最大的成分。CO 是无色无臭有窒息性的毒性气体。是无色无臭有窒息性的毒性气体。空燃比是影响空燃比是影响CO 含量的主要因素。含量的主要因素。汽油机：汽油机：过量空气系数过量空气系数 =1=1（空燃比（空燃比 =14.7=14.7），燃料完全），燃料完全燃烧，生成燃烧，生成COCO2 2、H H2 2O O过量空气系数过量空气系数 1 1（空燃比（空燃比 14.714.7），燃料），燃料不完全燃烧，生成不完全燃烧，生成COCO过量空气
3、系数过量空气系数 1 1 （空燃比（空燃比 14.714.7），），COCO不存在。不存在。由于混合不均、燃烧后高温，排气中有少量由于混合不均、燃烧后高温，排气中有少量COCO存在存在 碳氢化合物（碳氢化合物（HC）包括未燃和未完全包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛等。化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛等。 是刺激性物质，对眼、呼吸道、血是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。液有毒害。碳氢化合物的生成碳氢化合物的生成n汽油机未燃汽油机未燃HCHC的生成：的生成：1 1）燃烧生成燃烧生成随排气排出随排气排出2 2）
4、曲轴箱排放物曲轴箱排放物 燃烧室通过活塞与汽缸间间隙燃烧室通过活塞与汽缸间间隙漏入曲轴箱的窜气，含大量漏入曲轴箱的窜气，含大量HCHC3 3）汽油箱、燃油供给系统汽油箱、燃油供给系统等处蒸发的汽油蒸汽等处蒸发的汽油蒸汽（1 1）冷激效应）冷激效应 燃烧室壁面对火焰的迅速冷却（称为冷激、淬冷）使火焰不能传播的缸壁表面，在表面上留下薄层未燃烧或不完全燃烧的混合气。 缝隙效应是冷激效应的主要表现。（2 2）油膜和沉积物吸附）油膜和沉积物吸附 缸套壁面和活塞顶面上的润滑油膜吸附未燃混合气的燃油蒸汽，当混合气燃油浓度因燃烧降到零时，油膜释放油气少部分被氧化造成HC排放(3)(3)火焰淬熄火焰淬熄n冷启动
5、和暖机温度较低燃油雾化、蒸发和混合气形成变差，燃烧变慢、不稳定，火焰因膨胀缸内温度压力下降造成可燃混合气大容积淬熄，HC排放激增n混合气过稀过浓，排放再循环率大，怠速、小负荷下发生。(4)(4)未燃碳氢化合物的氧化未燃碳氢化合物的氧化 未燃碳氢化合物扩散到高温已燃气体中部分被氧化，HC是未燃的燃油及其部分氧化产物的混合物。 在排气管路中氧化。最高排气温度和最长停留时间使HC降低最多推迟点火以提高排气温度有利于HC后期氧化降低排气歧管热损失增大横断面积，壁面进行绝热柴油机柴油机 喷油初期滞燃期内滞燃期内混合气过稀造成未燃HC 喷油后期高温燃气中混合气过浓或燃烧淬熄随排气排出，HC多被碳烟微粒吸附
6、。柴油机未燃HC排放主要来自柴油喷注外缘过稀混合气地区，怠速或小负荷时的HC排放高 喷油器残油容积对HC排放有影响 氮氧化物中氮氧化物中最重要的最重要的是是NO和和NO2. 发动机排放中的氮氧化物是由于燃烧室内发动机排放中的氮氧化物是由于燃烧室内高温燃烧而产生的，空气的氮经过氧化首先高温燃烧而产生的，空气的氮经过氧化首先生成生成NONO，然后与大气中的氧相遇又成为，然后与大气中的氧相遇又成为NONO2 2。NONO是无色无味的气体，只有轻度刺激性，是无色无味的气体，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毒性不大，高浓度时会造成中枢神经有轻度障碍。障碍。 NO2是一种褐色气体，有
7、特殊刺激性臭味，是是一种褐色气体，有特殊刺激性臭味，是发动机排放中恶臭物质之一。它使人中毒的症发动机排放中恶臭物质之一。它使人中毒的症状是在发生肺水肿的同时，引起支气管炎等。状是在发生肺水肿的同时，引起支气管炎等。生成生成NONO的因素：的因素：1 1）氧的浓度氧的浓度 高温条件下，氧的浓度是生成高温条件下，氧的浓度是生成NONO的重要因素的重要因素2 2）温度温度 燃烧放热集中在上止点附近，燃烧温度很高，燃烧放热集中在上止点附近，燃烧温度很高，NONO生成量愈生成量愈多。多。3 3）反应滞留时间反应滞留时间 燃气在高温富氧条件下滞留时间长，燃气在高温富氧条件下滞留时间长，NONO生存量增生存
8、量增加。加。 发动机排放中，氮氧化合物和发动机排放中，氮氧化合物和HC在太阳在太阳 能的作用下进行光化学反应生成的光化学过能的作用下进行光化学反应生成的光化学过氧化物而形成的烟雾称为氧化物而形成的烟雾称为光化学烟雾光化学烟雾。 光化学过氧化物的主要物质是光化学过氧化物的主要物质是臭氧（臭氧（O3）. 微粒微粒是指存在于大气中的，除掉未化合的水以外的是指存在于大气中的，除掉未化合的水以外的任何分散物质。这种分散物质可能是任何分散物质。这种分散物质可能是固态的固态的，也可，也可能是能是液态的液态的。 微粒包括微粒包括原始颗粒原始颗粒和和二次颗粒二次颗粒。原始颗粒原始颗粒是指直接是指直接来自发动机燃
9、烧产物的颗粒。来自发动机燃烧产物的颗粒。二次颗粒二次颗粒是指在大气是指在大气条件下，因气态、液态和固态的各化学反应之间发条件下，因气态、液态和固态的各化学反应之间发生化学和物理变化所产生的颗粒。生化学和物理变化所产生的颗粒。和和所排放的颗粒是不同的。所排放的颗粒是不同的。主要是铅化物、硫酸、硫酸盐和低分主要是铅化物、硫酸、硫酸盐和低分子物质。子物质。的颗粒在数量上要比汽油机多。成分的颗粒在数量上要比汽油机多。成分也复杂。主要有含碳物质（炭烟）和一些有机也复杂。主要有含碳物质（炭烟）和一些有机物。物。微粒的形成微粒的形成n汽油机中汽油中的铅、硫造成的硫酸盐是排气汽油机中汽油中的铅、硫造成的硫酸盐
10、是排气微粒的主要成分。微粒的主要成分。n柴油机微粒排放量大于汽油机几十倍，燃烧生柴油机微粒排放量大于汽油机几十倍，燃烧生成的含碳粒子及其表面吸附有机物组成。局部成的含碳粒子及其表面吸附有机物组成。局部缺氧导致碳烟生成，尾气中碳烟的浓度是碳烟缺氧导致碳烟生成，尾气中碳烟的浓度是碳烟生成速率与碳烟氧化速率之差。生成速率与碳烟氧化速率之差。 排气中二氧化硫（SO2）的含量与燃料中的含硫量有关。 SO2对发动机在使用催化净化装置 有破坏作用，降低催化剂的使用寿命。是生成柴油机排气微粒的原因之一。 SO2也是造成酸雨的主要物质。5. 5.二氧化硫二氧化硫作为温室气体使地球表面温度升高，即所作为温室气体使
11、地球表面温度升高，即所谓的温室效应。大气层中谓的温室效应。大气层中COCO2 2层加厚，太阳光照层加厚，太阳光照射在地球表面的能量受到射在地球表面的能量受到COCO2 2层的阻隔难以逸出，层的阻隔难以逸出，热量经多年累积使全球气候变暖，造成全球气候热量经多年累积使全球气候变暖，造成全球气候变化反常。变化反常。臭味是由多种成分引起的，臭味是由多种成分引起的，除除O O3 3和和NONO2 2外，燃料的外，燃料的不完全燃烧产物甲醛、丙烯醛等是有臭味。臭味使不完全燃烧产物甲醛、丙烯醛等是有臭味。臭味使人感觉难受，刺激人的眼睛和黏膜。人感觉难受，刺激人的眼睛和黏膜。7.2 发动机的排放标准及检测 目前
12、，几乎所有国家对汽车排放均作出了严格的规定，这种规定以汽车排放标准或法规的形式颁布并执行。从某种意义上讲，汽车排放控制技术产生和应用的动力就在于这些具有法律效应的汽车排放法规。由于世界各国的政治、经济及技术水平等诸多因素都不一样，所以制定的汽车排放标准也有所不同。从现在世界汽车工业发展情况来看，汽车排放标准已经形成三大体系。汽车排放实验则是围绕着汽车排放标准进行，它包括研究研究和评价评价两个方面。7.2.1汽车排放标准汽车排放标准nGB38472005 车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法排气烟度排放限值及测量方法nGB18285-20
13、05 点燃式发动机汽车排气污染物排放限值点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）及测量方法（双怠速法及简易工况法）nGB18352.32005 轻型汽车污染物排放限值及测量方轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国法（中国、阶段）阶段）nGB 176912005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国、阶阶段）段）nGB113402005 装用点燃式发动机重型汽车曲轴箱污装用点燃式发动机重型汽车曲轴箱污染物排放限制及测量方法染物排放限制及测量方法nGB1476320
14、05 装用点燃式发动机重型汽车燃油蒸发装用点燃式发动机重型汽车燃油蒸发污染物排放限制及测量方法污染物排放限制及测量方法车用压燃式发动机和压燃式发动车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法机汽车排气烟度排放限值及测量方法一、组成部分一、组成部分压燃式发动机排气烟度排放控制要求压燃式发动机排气烟度排放控制要求型式核准已批准的压燃式发动机排气烟度排放控制要求型式核准已批准的压燃式发动机排气烟度排放控制要求为单独进行发动机型式核准的压燃式发动机排气烟度排放控为单独进行发动机型式核准的压燃式发动机排气烟度排放控制要求制要求在用汽车的排气烟度排放控制要求在用汽车的排气烟度排放控制要求二
15、、测试内容与方法二、测试内容与方法全负荷稳定转速试验的不透光烟度全负荷稳定转速试验的不透光烟度自由加速试验的不透光烟度（新车、在用车）自由加速试验的不透光烟度（新车、在用车）在用车加载减速试验的不透光烟度在用车加载减速试验的不透光烟度点燃式发动机汽车排气污染物排放点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）一、怠速与高怠速工况一、怠速与高怠速工况n怠速工况：发动机无负载运转状态。即离合器处于接合位置、怠速工况：发动机无负载运转状态。即离合器处于接合位置、变速器处于空档位置（对于自动变速箱的车应处于变速器处于空档位置（对于自动变速箱的
16、车应处于“停车停车”或或“P”档位）；采用化油器供油系统的车，阻风门应处于全档位）；采用化油器供油系统的车，阻风门应处于全开位置；油门踏板处于完全松开位置。开位置；油门踏板处于完全松开位置。n高怠速工况：利用油门踏板将发动机转速稳定控制在高怠速工况：利用油门踏板将发动机转速稳定控制在50%额额定转速或制造厂技术文件中规定的高怠速转速时的工况。本定转速或制造厂技术文件中规定的高怠速转速时的工况。本标准中将轻型汽车的高怠速转速规定为标准中将轻型汽车的高怠速转速规定为2 500100r/min，重型车的高怠速转速规定为重型车的高怠速转速规定为1 800100r/min；如有特殊规；如有特殊规定的，按
17、照制造厂技术文件中规定的高怠速转速。定的，按照制造厂技术文件中规定的高怠速转速。点燃式发动机汽车排气污染物排放点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）二、汽车排气污染物排放限值二、汽车排气污染物排放限值点燃式发动机汽车排气污染物排放点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）三、过量空气系数（三、过量空气系数（）的要求）的要求 对于使用闭环控制电子燃油喷射系统和三元催化转化器技术的汽车进行过量空气系数（）的测定。发动机转速为高怠速转速时，应在1.000.03 或制造厂
18、规定的范围内。进行测试前，应按照制造厂使用说明书的规定预热发动机。点燃式发动机汽车排气污染物排放点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）四、测试内容与测试方法四、测试内容与测试方法双怠速法双怠速法稳定工况法稳定工况法瞬态工况法瞬态工况法轻型汽车污染物排放限值及测量方法轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国（中国、阶段）阶段）一、测试内容与方法一、测试内容与方法型试验：常温下冷起动后排气污染物排放试验型试验：常温下冷起动后排气污染物排放试验双怠速试验：测定双怠速的双怠速试验：测定双怠速的CO、HC 和高怠速的和高怠速的值值型试验：
19、曲轴箱污染物排放试验型试验：曲轴箱污染物排放试验型试验：蒸发污染物排放试验型试验：蒸发污染物排放试验型试验：污染控制装置耐久性试验型试验：污染控制装置耐久性试验 型试验：低温下冷起动后排气中型试验：低温下冷起动后排气中CO 和和HC 排放试验排放试验车载诊断（车载诊断（OBD）系统试验）系统试验型试验型试验 型试验由两部分（型试验由两部分（1 部和部和2 部）组成。试验部）组成。试验1 部包括部包括4 个城区循环，每个城区循环包含个城区循环，每个城区循环包含15 个工况；试验个工况；试验2 部由部由1 个城郊循环组成，该城郊循环包含个城郊循环组成，该城郊循环包含13 个工况。经制造厂同个工况。
20、经制造厂同意，可以在意，可以在1 部结束和部结束和2 部开始之间加入不超过部开始之间加入不超过20 秒的不取秒的不取样时段，以便调整试验设备。样时段，以便调整试验设备。双怠速试验双怠速试验 试验在型试验结束后立即进行双怠速试验，制造厂在型式核准时，应提交双怠速的CO、HC 污染物排放值和高怠速的值的控制范围。并保证在出厂后24 个月内车辆的高怠速值在控制范围内。制造厂应对生产下线的汽车进行双怠速试验。汽车的双怠速CO、HC 排放值和高怠速值都应在制造厂型式核准时申报的控制范围内。型试验型试验（曲轴箱污染物排放试验）（曲轴箱污染物排放试验）n除装压燃式发动机的汽车外，所有汽车都必须进行此项试验。
21、n 对于两用燃料车，仅对燃用汽油进行此项试验。n对于单一气体燃料车，仅对燃用气体燃料进行此项试验。n进行型试验时，发动机曲轴箱通风系统不允许有任何曲轴箱污染物排入大气。型试验型试验（蒸发污染物排放试验）（蒸发污染物排放试验）n所有汽油车都必须进行此项试验。两用燃料车仅对燃用汽油进行此项试验。n进行型试验时，蒸发污染物排放量应小于2g/试验。型试验型试验（污染控制装置耐久性试验）（污染控制装置耐久性试验）n试验在跑道上、或道路上、或底盘测功机上进行80000km 耐久性试验，确定实测劣化系数，劣化系数应不大于表3中的数值。 表3 劣化系数表n从试验开始（0km），每隔10000km(400km)
22、或更短的行驶里程进行一次型试验，测量排气污染物。 的排放量的排放量劣化系数kmkm640080000 型试验型试验低温下冷起动后排气中低温下冷起动后排气中CO 和和HC 排放试验排放试验n试验应在环境温度266 K (-7)下进行。试验由型试验1 部的四个城区循环组成，共持续780 秒，试验期间不得中止，并在发动机起动时开始取样。n试验应进行三次。CO 和HC 测得的排放量必须小于表4 所示限值。对于每种污染物而言，只要这三次测量结果的算术平均值小于规定的限值，三次测量结果中允许有一次的值超过限值，但不得超过该限值的1.1 倍。车载诊断（车载诊断（OBD）系统试验）系统试验n车载诊断（OBD）
23、系统应满足下表的要求。n试验在型耐久性试验用汽车上、型耐久性试验结束时进行。如果没有进行型耐久性试验，可使用经适当老化（经检测机构确认相当于行驶了80 000km）并具有代表性的汽车进行车载诊断（OBD）系统验证试验。n当失效导致排放超过下表规定的极限值时，车载诊断（OBD）系统必须指示出与排放相关的失效部件或系统。试验装置 测量轻型汽车排气污染物采用的试验装置主要有：n底盘测功机底盘测功机n定容取样器定容取样器n分析设备分析设备n控制系统控制系统7.2.2 汽油机排放污染物的检测n一氧化碳（一氧化碳（CO）：采用不分光红外线吸收型分折仪（）：采用不分光红外线吸收型分折仪（NDIR）n 碳氢化
24、合物碳氢化合物(HC)：采用氢火焰离子型分析仪（：采用氢火焰离子型分析仪（FID），其原），其原理是利用某些气体在高温火焰中的电离现象，通过检测电极理是利用某些气体在高温火焰中的电离现象，通过检测电极间的离子电流来测定气体浓度。间的离子电流来测定气体浓度。n氮氧化物（氮氧化物（Nox）：采用化学发光型分析仪（）：采用化学发光型分析仪（CLD），其原），其原理是：被测气体中的理是：被测气体中的NO与与O3反应产生化学发光现象，这种反应产生化学发光现象，这种化学发光的强度与化学发光的强度与NO浓度成正比。浓度成正比。NO2转换为转换为NO后（转化后（转化器），再进入化学发光室，转化效率应大于器），
25、再进入化学发光室，转化效率应大于90%。汽车排气中的CO和CO2用测量NOX用测量HC用测量当需要从总碳氢化合物中分离出非甲烷碳氢化合物时，发动机排气中的氧多用顺磁分析仪测量测量甲烷。排气成分分析仪概述排气成分分析仪外形图 不分光红外线气体分析仪NDIR（Non-Dispersive Infra-Red Analyzer）是。红外线是波长为0.8600m的电磁波，多数气体具有吸收特定波长的红外线的能力。如CO能吸收4.55m的红外线， CO2能吸收44.5m 的红外线，不分光红外线气体分析仪根据其特定的吸收来鉴别气体分子的种类。 不分光红外气体分析仪NDIR不分光红外气体分析仪NDIR工作原理
26、工作原理 红外线光源射出的红外线红外线光源射出的红外线经过旋转的截光盘交替地投经过旋转的截光盘交替地投向气样室和装有不吸收红外向气样室和装有不吸收红外线的气体（如氮）的参比室线的气体（如氮）的参比室，透过两室的气体进入，透过两室的气体进入有两有两个接收气室的个接收气室的检测器。当样检测器。当样气室中的被测样气浓度变化气室中的被测样气浓度变化时，两个接受气室接受的红时，两个接受气室接受的红外线辐射能的差别也发生变外线辐射能的差别也发生变化，导致分隔两气室的薄膜化，导致分隔两气室的薄膜两侧压变化。由截光盘调制两侧压变化。由截光盘调制的周期性变化引起电容器电的周期性变化引起电容器电容量周期变化，该信
27、号经放容量周期变化，该信号经放大成为分析仪的输出信号。大成为分析仪的输出信号。 不分光红外线气体分析仪工作原理图 不分光红外气体分析仪NDIR工作特点工作特点不分光红外线气体分析仪采用直接取样系统时，水蒸气对CO和NO的测定有干扰，在取样流程中应串联有冷却器或除湿器，以尽量除去水分。不分光红外线气体分析仪测量NO时，其测量精度低；测量HC时，只能检测某一波长段的HC，而对非饱和烃和芳香烃则不敏感，测量的结果主要是反应了饱和烃的含量而不代表各种HC的含量，所以总的精确度较差。排放法规规定，CO和CO2用不分光红外线气体分析仪测量。化学发光分析仪CLD工作原理1-反应室；2-臭氧发生器；3-氧入口
28、；4-滤光片；5-光电倍增管检测器；6-信号放大器；7-催化转化器；8-样气入口；9-转换开关；10-反应室出口 样气由通道样气由通道A A或或B B进入反应室进入反应室1 1。通道通道A A直接通向反应室，这个通直接通向反应室，这个通道只能测量样气中道只能测量样气中NONO的浓度；的浓度；样气通过通道样气通过通道B B时，样气中的时，样气中的NONO2 2将在催化转换器将在催化转换器7 7中转化成中转化成NONO，再进入反应室，再进入反应室， 这样仪器这样仪器测量得到的是测量得到的是NONO和和NONO2 2的总和的总和NONOX X。利用测得的。利用测得的NONOX X与与NONO的差值，
29、的差值，即可确定样气中即可确定样气中NONO2 2的浓度。的浓度。化学发光分析仪工作原理图 化学发光分析仪CLD具有感应度高，体积分数可达10-7；应答性好，在10-2浓度范围内输出特性呈线性关系，适用于连续分析；为使测量过程中NO2尽可能完全地转化成为NO，催化转化器中的温度必须在920K以上。是测量NOX的标准方法。特点特点氢火焰离子分析仪工作原理 工作原理工作原理 氢火焰燃烧时，氢火焰燃烧时，2300K左左右的高温氢火焰会使右的高温氢火焰会使HC离子化离子化成自由离子，离子数基本与成自由离子，离子数基本与HC的浓度成正比。的浓度成正比。 待测气体与氢气混合后，待测气体与氢气混合后，由入口
30、进入燃烧器，由燃烧嘴由入口进入燃烧器，由燃烧嘴喷出，在空气的助燃下由通电喷出，在空气的助燃下由通电的点火丝点燃。的点火丝点燃。HC在缺氧的氢在缺氧的氢扩散火焰中分解出离子和电子扩散火焰中分解出离子和电子。这些离子和电子形成按一定。这些离子和电子形成按一定方向运动的离子流，通过对离方向运动的离子流，通过对离子流电流的测量就可测得碳原子流电流的测量就可测得碳原子的浓度，从而反映出相应子的浓度，从而反映出相应HC的浓度的浓度。1-离子收集器；2-信号放大器；3-空气分配器；4-氢和待测气体入口；5-助燃空气入口；6-燃烧嘴氢火焰离子型分析仪工作原理图 氢火焰离子分析仪FID特点特点是目前测量汽车排放
31、中HC的最有效手段；灵敏度高，可测到极小浓度的HC ；线性范围宽；对环境温度和压力也不敏感。不受样气中有无水蒸气的影响，但可能受其中氧的干扰。不同的HC分子结构对FID的影响不同。顺磁分析仪PMA工作原理工作原理氧是一种强顺磁性气体，氮氧化合物有较弱的顺磁性，NO和NO2的顺磁性分别为氧的44%和29%。因为汽车排放中，氧的浓度要比NOX高得多，所以可用顺磁分析仪测量排气中的氧浓度顺磁分析仪外形图 顺磁分析仪PMA 工作原理工作原理 样气样气3 3中的氧中的氧2 2，在永久磁铁，在永久磁铁6 6的磁场吸引下充入水平玻璃管的磁场吸引下充入水平玻璃管5 5中中。在磁场强度最大的地方，样气被。在磁场
32、强度最大的地方，样气被电热丝电热丝4 4加热。加热后的氧顺磁性加热。加热后的氧顺磁性下降，磁铁对它的吸引力小于冷态下降，磁铁对它的吸引力小于冷态的氧。冷的样气被吸到磁极中心，的氧。冷的样气被吸到磁极中心，挤走热的样气。冷的样气被加热后挤走热的样气。冷的样气被加热后又被挤走。这样在玻璃管又被挤走。这样在玻璃管5 5中就形中就形成了气体流动，也称成了气体流动，也称磁风磁风，其速度，其速度与样气的浓度成正比。如果加热丝与样气的浓度成正比。如果加热丝4 4同时起热线风速仪的作用，就可同时起热线风速仪的作用，就可以简单地测定磁风速度，从而测得以简单地测定磁风速度，从而测得样气中的氧浓度样气中的氧浓度 顺
33、磁分析仪工作原理 气相色谱仪 GC 工作原理工作原理 用样气注射器把一定体积的用样气注射器把一定体积的样气从试样注入口注入仪器，与样气从试样注入口注入仪器，与从载气入口进入仪器的氢、氦、从载气入口进入仪器的氢、氦、氩等载气混合后流入装有填充剂氩等载气混合后流入装有填充剂的色谱柱中。的色谱柱中。 由于样气的不同组分对色谱由于样气的不同组分对色谱柱中的填充剂的亲和力（吸附或柱中的填充剂的亲和力（吸附或溶解性）不同，在载气的推动下溶解性）不同，在载气的推动下被分离。亲和力弱的组分，很难被分离。亲和力弱的组分，很难被滞留在填充剂中，首先流出色被滞留在填充剂中，首先流出色谱柱；反之，亲和力强的组分流谱柱
34、；反之，亲和力强的组分流出较晚。出较晚。1-试样注入口；2-色谱图记录仪；3-气体出口；4-检测器；5-温控槽；6-色谱柱；7-载气入口气相色谱仪工作原理图 气相色谱仪 GC对混合气的组成中各成分浓度进行详细 的分析它灵敏度高，需要样气数量很少；一次可完成多种成分的分析。 第10章 汽车排放测试 特点特点排气微粒的测量方法 排气微粒排气微粒是指依据一定的取样方法，在最高温度为325K的稀释排气中，由过滤器收集到的固态或液态微粒。显微镜下的微粒组织形状 微粒质量测量微粒测量过滤器通常采微粒测量过滤器通常采用滤纸。用滤纸。为了保证测量的精度，为了保证测量的精度，空白滤纸和有微粒滤纸空白滤纸和有微粒
35、滤纸的质量测量必须在调温的质量测量必须在调温调湿的洁净小室内进行调湿的洁净小室内进行。空白滤纸至少在取样前空白滤纸至少在取样前2h放入小室内的滤纸盒放入小室内的滤纸盒中，待稳定后测量质量中，待稳定后测量质量，然后仍放在小室内待，然后仍放在小室内待用。用。微粒质量测量装置 。如果从小室取出后如果从小室取出后1h内没内没有使用，则在使用前必须重有使用，则在使用前必须重新测量质量。新测量质量。收集微粒后的滤纸放回小收集微粒后的滤纸放回小室内至少室内至少2h，但不得超过，但不得超过36h，然后测量总质量。，然后测量总质量。微粒质量测量计算公式epmixpffpepmixVVMmmMdVdV或 Vep流
36、经过滤器的流量，m3 Vmix流经通道的流量，m3 Mp排放微粒质量，g/km Mf过滤器收集的微粒质量，g d 与运转循环一致的距离，km微粒成分测量微粒中有机可溶成分SOF的分离及分析方法 1.热解质量分析法（TG）2.真空挥发法（V V）3.索氏萃取法（SE）微粒成分分析不是排放法规所要求微粒成分分析不是排放法规所要求微粒成分测量热解质量分析法热解质量分析法TG（Thermo Gravimetry）是在惰性气体气氛（如N2）中，将微粒样品按规定的加热速率加热到923K，保温5分钟。在这段时间内，其中可挥发部分蒸发掉，用热天平测得的微粒质量减小量就代表其中可挥发部分VF（Volatile
37、Fraction），用此法测得的主要是高沸点HC和硫酸盐，基本与SOF相吻合。然后将气氛换成空气，在相同温度下，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组分，残留的则是微量灰分。微粒成分测量真空挥发法 真空挥发法真空挥发法VV（Vacuum Volatilization）是将微粒样品置于真空干燥箱内，在真空度95Kpa以上，温度473K以上加热3h左右，其质量变化即为微粒中VF含量。微粒成分测量索氏萃取法盛有溶剂的烧瓶置于恒温浴缸中，加热使溶剂蒸发，上升到冷凝管中，冷凝物回到样品室中浸泡样品，进行萃取。萃取液达到一定体积时，经虹吸管流回烧瓶。溶剂在萃取器中循环流动，不断将微粒中的SOF带到烧瓶中，
38、直到萃取完全。烟度测量方法返回 烟度的测量方法主要有两种滤纸法 先用滤纸收集一定的烟气，再通过比较滤纸表面对光反射率的变化来测量烟度，所用的测量仪器为滤纸式烟度计消光度法 利用烟气对光的吸收作用，即通过光从烟气中的透过度来测量烟度，所用的测量仪表为消光式烟度计。滤纸式烟度计滤纸式烟度计主要由定容采样泵和检测仪两部分组成。抽气泵从排气中抽取固定容积的气样，让气样通过装在夹具上的滤纸，使气样的碳烟沉积在滤纸上。由于抽取的气样数量恒定，故滤纸被染黑的程度能反映气样中所含碳烟的浓度。滤纸式烟度计外形 滤纸式烟度计结构和工作原理滤纸烟度计的结构及工作原理图 由反射光检测器与指示器组成，由白炽电灯泡光源射
39、向已取样滤纸的光线，一部分被滤纸上的微粒吸收，一部分被反射给光电元件，从而产生相应的光电流，并由指示器指示输出。光电流的大小反映了滤纸反射率的大小，滤纸反射率取决于滤纸被染黑的程度。光电越小，滤纸的反射率越低，即滤纸的染黑程度越高，表明被测碳烟的浓度越高。消光式烟度计让部分或全部排气流过光源和接收器构成的光通道，接收器所接受的光强度的减弱（消光量）就代表排气的烟度。 工作原理 哈特里奇烟度计基本结构示意图 7.3 发动机排放净化装置发动机排放净化装置1. 影响因素影响因素2. 机内净化技术机内净化技术3. 机外净化技术机外净化技术7.3.1 汽油机排气的净化汽油机排气的净化影响因素影响因素1、
40、混合气成分、混合气成分2、点火正时、点火正时3、负荷、负荷4、转速、转速5、过渡工况、过渡工况6、废气再循环率、废气再循环率1、混合气成分、混合气成分混合比和各有害气体排放量的关系混合比和各有害气体排放量的关系1、混合气成分、混合气成分由上图可知，随着空燃比下降混合气变浓，由上图可知，随着空燃比下降混合气变浓，燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧生成物增燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧生成物增加，使加，使CO、HC迅速迅速增加增加。在在空燃比空燃比大于大于14.7以后以后,CO浓度已经很低了，浓度已经很低了，但是随着空燃比的增加，因混合气不均匀造但是随着空燃比的增加，因混合气不均匀造成局部缺氧仍有少量
41、成局部缺氧仍有少量CO生成。生成。1、混合气成分、混合气成分在在空燃比大于空燃比大于14.7以后，随着空燃比的增以后，随着空燃比的增加，因加，因CO氧化反应速度慢，燃烧温度下降，氧化反应速度慢，燃烧温度下降，使使HC排放量也增加排放量也增加。HC的走向是两头高，的走向是两头高，中间低。中间低。NOx浓度峰值靠理论空燃比稀的一侧，高的浓度峰值靠理论空燃比稀的一侧，高的NONO生存率必须生存率必须高温高温、富氧富氧两个条件。两个条件。HCHC是两头高中间低浓混合气变稀是两头高中间低浓混合气变稀HCHC量减少，最量减少，最佳空燃比范围内佳空燃比范围内HCHC、油耗最低；混合气过稀，火、油耗最低；混合
42、气过稀，火焰可能熄灭，焰可能熄灭，HCHC生存量上升。生存量上升。 2、点火正时、点火正时点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响点火提前角减小点火提前角减小时，后燃时，后燃增加，膨胀时的温度升高，增加，膨胀时的温度升高，促进了未燃烧成分的氧化，促进了未燃烧成分的氧化，对对降低降低HCHC和和NOxNOx有利。有利。减小点火提前角对降低减小点火提前角对降低HCHC和和NOxNOx有利，但以牺牲动力有利，但以牺牲动力性为代价。性为代价。2、点火正时、点火正时图10.10 气缸内燃烧压力与点火时刻的关系减小点火提前角降低燃烧减小点火提前角降低燃烧最高温度、减少燃烧反应最高温度、减少燃烧反应滞留时间
43、，降低滞留时间，降低NOx. .。以。以牺牲动力性能为代价。牺牲动力性能为代价。3、负荷、负荷在怠速和小负荷时，新鲜空气进入少，废气相对较多，供在怠速和小负荷时，新鲜空气进入少，废气相对较多，供给的混合气偏浓，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧。使给的混合气偏浓，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧。使CO和和HC排放量多。排放量多。在中等负荷时，容易完全燃烧，废气中在中等负荷时，容易完全燃烧，废气中CO 含量最少，含量最少，HC含量也较低。含量也较低。在满负荷时，供给浓混合气，使在满负荷时，供给浓混合气，使NO生成量增多；同时生成量增多；同时HC排放量减少，但因混合气过浓，使排放量减少，但因混合气过浓，使
44、CO排放量增多。排放量增多。4、转速、转速随着转速的升高，缸内的紊流增强，促进混随着转速的升高，缸内的紊流增强，促进混合，改善了缸内的燃烧，使合，改善了缸内的燃烧，使CO、HC排放减少。排放减少。NOx的生成量与混合气成分有关。当混合气浓的生成量与混合气成分有关。当混合气浓时，时， NOx生成量增多；当混合气稀时，生成量增多；当混合气稀时， NOx生生成量减少。成量减少。5、过渡工况、过渡工况发动机主要在不稳定的工况下工作，包括怠速、发动机主要在不稳定的工况下工作，包括怠速、加速、定速、减速等。不同的工况由于混合气的加速、定速、减速等。不同的工况由于混合气的浓度不同，有害物的排放量相差较大。怠
45、速与减浓度不同，有害物的排放量相差较大。怠速与减速是生成速是生成HC的主要工况的主要工况 废气混入的多少用废气混入的多少用EGREGR率表示，废气再循环率表示，废气再循环率（率（EGREGR率）定义如下：率）定义如下：100%EGR返回废气量率= 进气量+返回废气量 6、废气再循环率、废气再循环率6、废气再循环率、废气再循环率将一部分排气回送至燃烧室，利用排气中的气将一部分排气回送至燃烧室，利用排气中的气体比热大的特点，可以抑制燃烧的最高温度，体比热大的特点，可以抑制燃烧的最高温度，将有利于抑制将有利于抑制NOx的生成。的生成。在中高速工况下选择恰当的废气再循环率能有在中高速工况下选择恰当的废
46、气再循环率能有效抑制效抑制NOx的排放量。的排放量。1) 1)冷启动、暖机和怠速冷启动、暖机和怠速： 冷启动时温度低，空燃比小，CO和HC排放高，应缩短启动时间；暖机要尽快使混合气、机油、冷却水热起来；怠速残余废气量大，混合气加浓，CO和HC排放高，为降低怠速排放提高怠速转速至800-1000rpm2) 2)压缩比压缩比： 提高压缩比以提高热效率，汽油机根据最易发生爆燃的工况选择压缩比3 3）燃烧系统）燃烧系统： 燃烧室形状影响未燃燃烧室形状影响未燃HCHC排放物浓度；排放物浓度； 燃烧室内火花塞位置是影响排放物生成和燃烧室内火花塞位置是影响排放物生成和油耗的另一重要因素油耗的另一重要因素；
47、汽油机燃烧室形状紧凑燃烧过程快，汽油机燃烧室形状紧凑燃烧过程快，COCO和和HCHC排放量下降；燃烧快导致温度增高排放量下降；燃烧快导致温度增高NONOx x增大增大4 4）进气系统：）进气系统： 用三、四或五气门，涡轮增压代替自燃吸用三、四或五气门，涡轮增压代替自燃吸气，降低气，降低CO2、HC排放排放 凸轮形状决定开启关闭时刻及升程曲线，凸轮形状决定开启关闭时刻及升程曲线，影响充气过程。影响充气过程。 5 5）活塞组设计：）活塞组设计： 活塞、活塞环与汽缸壁间的间隙，对汽油的活塞、活塞环与汽缸壁间的间隙，对汽油的HCHC排放影排放影响很大。缩小活塞头部与汽缸的间隙，缩小顶环到活塞顶响很大。
48、缩小活塞头部与汽缸的间隙，缩小顶环到活塞顶的距离。的距离。6 6）分层稀薄燃烧：）分层稀薄燃烧： 在火花塞附近浓混合气，为可靠点火；其它区域供给稀薄在火花塞附近浓混合气，为可靠点火；其它区域供给稀薄混合气，实现分层稀薄燃烧。为此采用分隔燃烧室混合气，实现分层稀薄燃烧。为此采用分隔燃烧室废气再循环（废气再循环（EGR）技术是控制氮氧化合物排放技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧。燃烧。仅对降低仅对降低NOx有效有效 汽油机大负荷、启动、暖
49、机、怠速、小负荷不使汽油机大负荷、启动、暖机、怠速、小负荷不使用用图10-11图10-127.3.2 柴油机排放的净化柴油机排放的净化1稀燃火稀燃火焰熄灭区焰熄灭区2稀燃火稀燃火焰区焰区3油束心油束心部部4油束尾油束尾部和后喷部部和后喷部图10-21混合气成分与柴油 机排放的关系喷油定时对排放的影响响直喷式直喷式和和分隔式分隔式两类燃烧室的排放特性不同。两类燃烧室的排放特性不同。分隔式分隔式燃烧室生成的燃烧室生成的NOx、CO、HC和炭烟和炭烟的排放浓度均低于直喷式，特别是的排放浓度均低于直喷式，特别是NOx排放排放浓度一般比直喷式燃烧室的低浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右。左右。分隔式分隔
50、式燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。在喷油开始和燃烧初期，副燃烧室的空燃比较行。在喷油开始和燃烧初期，副燃烧室的空燃比较小，氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成小，氧浓度较低，燃料不可能燃烧完全，从而形成较多的较多的CO及未燃烃。及未燃烃。副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成副燃烧室在着火后温度较高，但氧浓度低，对生成NOx仍有不利的影响。仍有不利的影响。主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的主燃烧室内有充足的新鲜空气，使来自副燃烧室的CO及及HC进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，进一步氧化。高温燃气进入主燃烧室后，温度有所下降
