第五章汽车的公害
第五章 汽车的公害
§5-1汽车排气污染物的形成及影响因素 CO、HC是燃料不完全的产物,NOx是高温下燃料不完全的产物。 汽油机燃烧有两个条件:1、火花能量:40~100mJ,点着混合气 2、混合气成分:在火焰传播界限内 所以当燃烧室结构一定,火花能量充分时,汽油机的排放性能主要取 决于混合气浓度。 发动机排气污染物的形成 1、一氧化碳cO CO是烃燃料燃烧的中间产物。 CHH+xO2=nCO+H2 当空气充足时 2H2+O2=2H2O 2C0+O2=2cO2 同时,CO与水蒸气HO作:H2O+CO=H2+CO2 故空气充足时,理论上CO=0,并且实际燃烧与理论分析有区别 (1)分布不均匀 (2)高温分解 (3)燃烧时间短,达不到平衡浓度 2、碳氢化合物 其来源有三部分:排气管—55~65%;曲轴箱通风——20~25%; 化油器、油箱蒸发—15~20%
§5-1 汽车排气污染物的形成及影响因素 CO、HC是燃料不完全的产物，NOx是高温下燃料不完全的产物。 汽油机燃烧有两个条件：1、火花能量：40~100mJ，点着混合气。 2、混合气成分：在火焰传播界限内。 所以当燃烧室结构一定，火花能量充分时，汽油机的排放性能主要取 决于混合气浓度。 一、发动机排气污染物的形成 1、一氧化碳CO CO是烃燃料燃烧的中间产物。 当空气充足时 2H2+O2=2H2O 2CO+O2=2CO2 同时，CO与水蒸气H2O作： 故空气充足时，理论上CO=0，并且实际燃烧与理论分析有区别： ⑴分布不均匀 ⑵高温分解 ⑶燃烧时间短，达不到平衡浓度 2、碳氢化合物 其来源有三部分 ： 排气管——55~65%；曲轴箱通风——20~25%； 化油器、油箱蒸发——15~20%。 2 2 2 2 H m O nCO n Cn Hm + = + H2O +CO = H2 +CO2
原因: (1)气缸激冷面。混合气燃烧是靠火焰传播进行的,当传到缸壁 0.05~0.5mm那层气体不能燃烧,在1.0mm缝中也不能燃烧。 (2)燃料不完全燃烧。混合气过浓过稀,残余气体稀释,使火焰传播 不完全,甚至断火。例如在怠速、小负荷、过度工况的时候,此外点火系不好,充 气温度低和充量均匀性差,残余气体多。 (3)二冲程扫气。由于扫气作用,一部分可燃混合气不经气缸就排到排气管 根据对废气的分析, 除饱和烃,不饱合烃和芳香烃外,还有中间氧化物{酮 「未燃烃 酸 所以,HC燃烧不完全 部分被离解产物 3、NO形成机理 NO的形成机理尚不清楚,过去认为低温下:N2+O,=2NO 但这种过程太慢,计算值比实测值小得多。 现在认为高温下: 2+ 20 No+N (2) N+O2 NO+O (3)
原因： ⑴气缸激冷面。混合气燃烧是靠火焰传播进行的，当传到缸壁 0.05~0.5 mm 那层气体不能燃烧，在1.0 mm缝中也不能燃烧。 ⑵燃料不完全燃烧。混合气过浓过稀，残余气体稀释，使火焰传播 不完全，甚至断火。例如在怠速、小负荷、过度工况的时候，此外点火系不好，充 气温度低和充量均匀性差，残余气体多。 ⑶二冲程扫气。由于扫气作用，一部分可燃混合气不经气缸就排到排气管。 根据对废气的分析， 除饱和烃，不饱合烃和芳香烃外，还有中间氧化物 所以，HC 3、NO形成机理 NO的形成机理尚不清楚，过去认为低温下： 但这种过程太慢，计算值比实测值小得多。 现在认为高温下： O2 2O （1） O+N2 NO+N （2） N+O2 NO+O （3） 部分被离解产物 燃烧不完全 未燃烃 酸 酮 醛 N2 + O2 = 2NO
(1)式是在高温下氧氮分解。 (2)式链反应从其氧O开始碰撞№生成NO。 此氧O由1式供给大部分 由3式供给小部分 (3)式中的N由此及彼式供给,因此2、3式生成的NO为同一数量级。 ※N○的平衡浓度与非平衡浓度 定义:NO平衡浓度指在高温始终保持一定时,反应式2、3中正向反应与逆向 反应达到平衡的浓度 q=1理论混合气 q>1浓混合气 q<1稀混合气 在稀区,温度起主要作用。 在浓区,氧浓度起主要作用 压力影响: 在稀区,空气过量,N2、O2占大部分 在浓区,NO总分子数与压力无关 NO的平衡浓度随压力升高而升高。 压力下降促进热分解,O升高 虚线:绝热火焰温度下的NO平衡浓度。 绝热温度——混合气燃烧后放出能量减去自身膨胀+组成变化, 它是燃烧过程可能达到最高温度
⑴式是在高温下氧氮分解。 ⑵式链反应从其氧O开始碰撞N2生成NO。 此氧O 由1式供给 大部分 由3式供给 小部分 (3)式中的N由此及彼式供给，因此2、3式生成的NO为同一数量级。 ※ NO的平衡浓度与非平衡浓度 定义：NO平衡浓度指在高温始终保持一定时，反应式2、3中正向反应与逆向 反应达到平衡的浓度。 φ=1 理论混合气 φ＞1 浓混合气 φ＜1 稀混合气 在稀区，温度起主要作用。 在浓区，氧浓度起主要作用。 压力影响： 在稀区，空气过量， N2 、 O2占大部分。 在浓区，NO总分子数与压力无关。 NO的平衡浓度随压力升高而升高。 压力下降促进热分解，O升高。 虚线：绝热火焰温度下的NO平衡浓度。 绝热温度——混合气燃烧后放出能量减去自身膨胀+组成变化， 它是燃烧过程可能达到最高温度
※在接近φ=1,达到最大值。 ※在稀区,因空气热容量小,火焰温度下降。 上述只是定性分析,用它来定量分析是不够的,原因是达到平衡浓 度时间太长 用反应速度论进行探讨 ※10-sCO2、H2O、N2、O2已平衡 10-2SNO比平衡浓度还低很多 NO不可能直接在燃烧区内形成,只能在已燃的气体中形成,NO 此时处于非平衡状况 4、柴油机的碳烟 柴油机排烟白烟:φ<隼m微粒,汽车怠速排出的液滴颗粒。 蓝烟:φ<0.4m微粒,液态微粒,燃油+润滑油 黑烟:高温缺氧,易于裂解,聚合成碳烟C,还有O2、H2 白、蓝烟无本质差别,只是直径不同对光线反射不同而已。 ※碳烟对人体直接影响不大,但附着有SO及致癌的多环芳香烃,苯并芘可致癌 碳烟形成的三种说法 (1)燃料分子脱氢发生分解,再凝集成固体碳 (2)火焰之初,多个燃料分子聚合成大分子式液滴,再脱氢成粒 (3)产生引起部分分解及脱氢中间物,再一边聚合一边脱氢逐渐变成固体碳粒
※ 在接近φ=1，达到最大值。 ※ 在稀区，因空气热容量小，火焰温度下降。 上述只是定性分析，用它来定量分析是不够的，原因是达到平衡浓 度时间太长。 用反应速度论进行探讨。 ※ S CO2、H2O、N2、O2已平衡。 S NO比平衡浓度还低很多。 ∴ NO不可能直接在燃烧区内形成，只能在已燃的气体中形成，NO 此时处于非平衡状况。 4、柴油机的碳烟 柴油机排烟 白烟：φ＜1μm微粒，汽车怠速排出的液滴颗粒。 蓝烟：φ＜0.4μm微粒，液态微粒，燃油+润滑油。 黑烟：高温缺氧，易于裂解，聚合成碳烟C，还有O2、H2 。 白、蓝烟无本质差别，只是直径不同对光线反射不同而已。 ※ 碳烟对人体直接影响不大，但附着有SO2及致癌的多环芳香烃，苯并芘可致癌。 碳烟形成的三种说法： ⑴燃料分子脱氢发生分解，再凝集成固体碳。 ⑵火焰之初，多个燃料分子聚合成大分子式液滴，再脱氢成粒。 ⑶产生引起部分分解及脱氢中间物，再一边聚合一边脱氢逐渐变成固体碳粒。 2 10 − 4 10 −
4000 二、使用因素对排气 3000 中有害气体浓度的影响 600 NO 1、负荷的影响 负荷一一空燃比一一影响有害气体 理论混合 2000 1)怠速一一全闭,a=060~088 HC↑cO↑ 比 2)小负荷一—0~25%开度 a=0.8~0.9HC↑CO↑ 3)中负荷——25~80%开度 400 a=09~1.1HC↓CO↓NOx↑ /c0 4)接近满负荷一—80~100%, a=0.8-0.9CO↑HC↑NOx 810121416182022 排气中CO、HC及NOx浓度与空燃比的关系
二、使用因素对排气 中有害气体浓度的影响 1、负荷的影响 负荷——空燃比——影响有害气体 1）怠速——全闭，α=0.60~0.88 HC↑ CO↑ 2）小负荷——0~25%开度， α = 0.8~0.9 HC↑ CO↑ 3）中负荷——25~80%开度， α = 0.9~1.1 HC↓ CO↓ NOx↑ 4）接近满负荷——80~100%， α = 0.8~0.9 CO↑ HC↑NOx↓
2、发动机转速的影响 转速——进气,混合气形成、燃烧——排放 转速↑CO↓HC!NOx↑ 3、不稳定工况 强制怠速CO↑↑HC↑↑但柴油机已停止供油,无排放 4、发动机热工况 冷却水温度提高一—缸壁温度↑——HC↓ 30°C-80°C——NO↑ 供油泵温度提高一—气阻一—HC↑ 罩下温度提高一—充气系数↓——HC↑cO↑ 气温低一一起动困难一—HC↑ 随温度↑——NO×↑CO 5、汽车技术状况的影响 车龄↑HC↑cO↑ (1)供油系故障化油器怠速产生变化,HC↑CO↑ 加速泵 空滤器堵塞,CO↑HC↑ 供油提前角↓,HC↓NOX (2)点火系故障点火提前角↑,PT↑NOx↑ 点火提前角!,NOx 点火提前角↓↓,HC (3)配气相位 (4)积炭
2、发动机转速的影响 转速——进气，混合气形成、燃烧——排放 转速↑ CO↓ HC↓ NOx ↑ 3、不稳定工况 强制怠速CO↑↑ HC↑↑ 但柴油机已停止供油，无排放。 4、发动机热工况 冷却水温度提高——缸壁温度↑——HC↓ 30℃~80℃——NO↑ 供油泵温度提高——气阻——HC↑ 罩下温度提高——充气系数↓——HC↑ CO↑ 气温低——起动困难——HC↑ 随温度↑——NOx ↑CO↓ 5、汽车技术状况的影响 车龄↑ HC↑ CO↑ ⑴供油系故障 化油器怠速产生变化，HC↑ CO↑ 加速泵 空滤器堵塞，CO↑ HC↑ 供油提前角↓，HC↓ NOx↓ ⑵点火系故障 点火提前角↑ ， P T ↑ NOx ↑ 点火提前角↓ ， NOx↓ 点火提前角↓↓，HC↓ ⑶配气相位 ⑷积炭
§5-2汽车的噪声 发动机噪声 噪声源:燃烧噪声、机械噪声、进排气噪声、风扇噪声 1.燃烧噪声和机械噪声 燃烧噪声一一燃料燃烧而引起的声音。 机械噪声一一发动机运转而引起的敲击声。 (1)燃烧噪声 燃烧时压力升高而造成的气体冲击,汽油机较小,柴油机较大。 柴油机,速燃期大,缓燃期小 评价指标为压力增长率和最高压力。 汽油机爆震:36KHz 表面点火:05~2KHz 运转不平稳:燃烧室形状 气压压力频谱曲线一一燃烧噪声的大小表示 影响因素:转速、负荷、点火喷油时间、加速 ※n↑漏气损失与散热损失↓PT↑空气扰动↑ 着火延迟期↓噪声 但着火延迟期内的混合气数量↑,压力增长率↑ ※负荷↑无负荷时,喷油量↓压力增长率↓噪声↓ ※喷油提前角着火延迟期↑压力↑压力增长率↑噪声↑ ※加速由于加速前n↓缸壁温度!热损失↑着火落后期↑噪声↑
§5-2 汽车的噪声 一、发动机噪声 噪声源：燃烧噪声、机械噪声、进排气噪声、风扇噪声。 1. 燃烧噪声和机械噪声 燃烧噪声——燃料燃烧而引起的声音。 机械噪声——发动机运转而引起的敲击声。 ⑴燃烧噪声 燃烧时压力升高而造成的气体冲击，汽油机较小，柴油机较大。 柴油机，速燃期大，缓燃期小。 评价指标为压力增长率和最高压力。 汽油机 爆震：36 KHz 表面点火：0.5~2 KHz 运转不平稳：燃烧室形状 气压压力频谱曲线——燃烧噪声的大小表示 。 影响因素：转速、负荷、点火喷油时间、加速。 ※ n↑ 漏气损失与散热损失↓ P T↑ 空气扰动↑ 着火延迟期 ↓ 噪声↓ 但着火延迟期内的混合气数量 ↑，压力增长率↑ ※ 负荷↑ 无负荷时，喷油量 ↓ 压力增长率 ↓ 噪声↓ ※ 喷油提前角 着火延迟期 ↑ 压力 ↑ 压力增长率 ↑ 噪声↑ ※ 加速 由于加速前 n ↓ 缸壁温度↓热损失↑着火落后期↑噪声↑
(2)机械噪声 机械噪声的分类 ①活塞与缸壁敲击声一一最大机械声源 原因:活塞与缸壁之间有间隙。 影响:n、N(负荷)、润滑条件 n↑dB↑ N↑dB↑汽油机,进气量小(怠)气缸压力↓ 柴油机,喷油量小(怠)气缸压力 润滑,传递介质,起阻尼、吸声作用 ②配气机构噪声 原因:气门开启时撞击及系统振动。 高速,“正脱”“反跳”及弹簧振动 低速,开闭撞声及摩擦声 影响:n↑噪声↑ ③正时齿轮噪声 原因:内因,刚度周期变化,制造误差。 外因,曲轴扭转振动,驱动载荷周期变化。 ④喷油系统噪声 原因:喷油泵、喷油器、高压油管振动 液体性噪声:压力脉动、空穴现象、管道共振。 机械性噪声:齿轮冲击声、齿轮轴轴承振动等
⑵机械噪声 机械噪声的分类 ①活塞与缸壁敲击声——最大机械声源 原因：活塞与缸壁之间有间隙。 影响：n、N（负荷） 、 润滑条件 n ↑dB↑ N↑dB↑ 汽油机，进气量小（怠） 气缸压力↓ 柴油机，喷油量小（怠） 气缸压力↓ 润滑，传递介质，起阻尼、吸声作用 ②配气机构噪声 原因：气门开启时撞击及系统振动。 高速，“正脱”“反跳”及弹簧振动。 低速，开闭撞声及摩擦声。 影响：n ↑ 噪声↑ ③正时齿轮噪声 原因：内因，刚度周期变化，制造误差。 外因，曲轴扭转振动，驱动载荷周期变化。 ④喷油系统噪声 原因：喷油泵、喷油器、高压油管振动。 液体性噪声：压力脉动 、空穴现象、管道共振。 机械性噪声：齿轮冲击声、齿轮轴轴承振动等
2.进排气噪声 空气动力性噪声,仅次于本体噪声与风扇噪声。 原因:A空气声(脉动声)、涡流声 基频噪声,气栓共振声、废气喷柱、冲击。 涡流声,气体通过气门产生的涡流。 B幅射声(扩散声)、进排气零件表面辐射 振动引起压力波、机械振动。 影响:消声器、密封、接头紧固 3.风扇噪声——最大噪声源之 空气动力性噪声 原因:旋转噪声∫。∞Z〃涡流噪声∫=S,η;机械噪声 传动系噪声 声源:变速器噪声、传动轴、驱动桥噪声。 变速器噪声 原因:1、齿轮振动 2、发动机振动传到变速箱 3、轴承声 4、搅油声 影响因素:nn↑dB↑共振时达到最大值 pp↑dB↑ 结构变速器形式、档位、制造精度、调整
2. 进排气噪声 空气动力性噪声,仅次于本体噪声与风扇噪声。 原因：A 空气声（脉动声）、涡流声 基频噪声，气栓共振声、废气喷柱、冲击。 涡流声，气体通过气门产生的涡流。 B 幅射声（扩散声）、进排气零件表面辐射 振动引起压力波、机械振动。 影响：消声器 、密封、接头紧固。 3. 风扇噪声——最大噪声源之一 空气动力性噪声。 原因：旋转噪声 ； 涡流噪声 ；机械噪声。 二、传动系噪声 声源：变速器噪声、传动轴、驱动桥噪声。 变速器噪声 原因：1、齿轮振动 2、发动机振动传到变速箱 3、轴承声 4、搅油声 影响因素：n n ↑ dB ↑ 共振时达到最大值 p p ↑ dB↑ 结构 变速器形式、档位、制造精度、调整 f o Zn n D V f = St