内燃机原理（精品讲义）

目前，排放法规限制的是：CO、HC、NOx和微粒共四种。 1． CO的危害

使血液的输氧能力大大降低，导致心脏、大脑等重要器官严重缺氧，出现头晕、头痛、呼吸困难甚至死亡。 2． NOx的危害

为褐色有毒气体，对眼、鼻、呼吸道以及肺部有强刺激作用；是形成光化学烟雾的主要成分。

光化学烟雾：NOx和HC在强烈阳光照射下经过一系列的链式反应，会生成臭氧（O3）和过氧酰基硝酸盐，即光化学烟雾。这种氧化性很强的烟雾，会使人感到眼睛刺痛，呼吸道感到强烈刺激，头晕及呕吐。光化学烟雾中的O3是强氧化剂，它能使植物变黑甚至枯死，人暴露在其中一小时以上会引起哮喘、慢性中毒等。 3． HC的危害

饱和烃对人体危害不大，稀烃有麻醉作用，对黏膜有刺激；是形成光化学烟雾的重要物质。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃及其衍生物有强烈的致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。 4． 微粒及碳烟

微粒的主要成分是碳、有机物质和硫酸盐。粒径在2.5μm的微粒对人体和大气环境危害最大，对呼吸系统有害，引发哮喘等症状，还具有致癌作用。 二． 有害排放物的评定指标

浓度排放量：mg/m3

质量排放量：g/h，g/测试循环 比排放量； g/(kW.h)，g/km 三． 有害排放物的生成机理 1． NOx

NOx中主要是NO，仅有少量的NO2。

生成NO有三条途径：高温NO、激发NO和燃料NO。产生高温NO的三要素：高温、富氧和一定的反应时间。高温NO是NO的主要生成来源。 2． CO

1燃料不完是一种不完全燃烧产物，其生成主要与混合气浓度有关。来源于：○

2已燃烧产物的CO2在高温下分解，3排气过程中的未燃HC不完全燃烧○生成CO○

全氧化产生少量的CO。 3． HC

HC在汽油和柴油中的生成机理不同。 （1） HC在汽油机中的生成机理 a. 不完全燃烧

怠速、高负荷、失火、汽车加减速时产生。 b. 壁面淬熄效应及缝隙效应

壁面淬熄效应：指温度低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却，使活化分子的能量被吸收。燃烧链反应中断，在壁面形成厚约0.1~0.2mm的不完全燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量未燃HC。 c. 壁面油膜和积炭的吸附。

（2） HC在柴油机中的生产机理 a. 混合不均匀

b. 喷油器压力室容积的影响

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（3） 非排气HC的生成 a. 曲轴箱窜气 b. 燃油蒸发 4． 微粒及炭烟的生成机理

一般认为：炭烟是烃类燃料在 高温缺氧条件下裂解生成的。 四． 有害排放物生成的影响因素 1． 过量空气系数的影响 1） 对汽油机的影响

1 CO和HC随空燃比的增大，急剧下降，超过?a?1后，逐渐达到最低值；但空燃○

比过稀(过大)时，因燃烧不稳定甚至失火次数增多，导致HC又有所回升。从降低CO和HC的角度来说，应避免在?a?1的区域运转，但汽油机的最大功率出现在

?a?0.8~0.9，怠速和冷起动时加浓到0．8或更低，因而又是难以避免的。

2NOx的变化规律与HC和CO不同。在?a?1.1附近，NO，生成量最高，过浓过稀○

都会降低。 2） 对柴油机的影响

1CO排放一般很低，不到汽油机的1/10，只在??1.5时才开始急剧增加。 ○a2在??2后，HC排放略有上升，但仍比汽油机低许多。 ○a3??2后炭烟急剧上升。 ○a4NOx的生成规律与汽油机相同，但生成量低于汽油机，○且峰值比汽油机略向稀区偏移。 2． 点火及喷油时刻的影响

汽油机点火提前角推迟，可使循环的最高温度、压力降低，减少NOx的生成量，同时由于排气温度的升高，HC在排气中继续燃烧，其含量减少。但过迟会因燃烧速度慢而使HC增多，并使发动机动力性能和经济性能变差。点火提前角对CO生成量的影响很小。

柴油机喷油提前角减少，循环最高温度下降，NOx减少，但会引起柴油机烟度增加，功率下降。 3． 运转工况

1在怠速及小负荷工况时，进入气缸的新鲜空气量少，废气相对增多，化汽油机：○

油器供给的混合气偏浓，且燃烧温度低，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧，是CO增多；因燃烧室温度低，壁面激冷现象严重，HC含量增多。

2中等负荷时，化油器供给经济混合气，CO、HC较少，NOx较多。 ○

3大负荷时，NOx较多，CO增多，但排气温度高，HC在排气中继续燃烧，其排放量○

下降。

柴油机：怠速时，由于燃料分布不均匀，使局部混合气过浓，CO多但比汽油机排放量少；满负荷时，排放物主要是NOx和炭烟，且炭烟生成量比汽油机的大得多。

总起来看：柴油机的HC和CO排放仅有汽油机的1/5~1/10；而NOx的排放量，

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在中小负荷时远低于汽油机，大负荷时与汽油机接近；但柴油机的微粒排放确是汽油机没有的。因此，汽油机以降低CO、HC和NOx为主要控制目标，而柴油机以降低微粒和NOx为主要控制目标。

§8.2 排放法规及测试方法

排放法规的两个核心内容：排放限值和检测方法 一．概述 1． 工况法与怠速法 1） 怠速法：测量汽车在怠速工况下排放污染物的一种方法。一般仅测CO和HC。 特点：简便易行、测试装臵价格便宜和便于携带以及试验时间短；但测量精度低，测量结果缺乏全面性和代表性。主要作为环保部门对在用车的排放监测及汽修厂对车辆排放性能的简易评价。 2） 工况法：将若干汽车常用工况和排放污染物较重的工况组合成一个或若干个测试循环，试验 时测取汽车在整个测试循环中的排放水平。

特点：检测结果能较全面地反映汽车排放水平，但试验设备价格贵。一般用于新车的认证许可检测。 2． 轻型车与重型车

一般地：总质量在400~3500kg范围内、乘员在9~12人以下、最高车速50km/h以上的车辆作为轻型车；总质量在3500kg以上的作为重型车。

轻型车的排放检测要求在底盘测功机上进行；重型车的排放检测在发动机台架上进行。 3． 排放限值

型式认证试验限值和产品一致性试验限值。 二．排放法规

目前，世界上的排放法规主要有三个体系，即美国、日本和欧洲体系。我国是参照欧洲法规而制定的。 1． 轻型车排放法规 1） 美国排放法规

目前用的是FTP-75测试循环。试验时要求被测车辆在200C~300C的恒温条件下放臵12小时以上。整个测试循环分4段，即过渡（冷起动）阶段，稳定阶段，发动机熄火10min,然后再重复一次过渡（热起动）阶段。 2） 欧洲排放法规

目前采用的测试循环是：ECE15+EUDC。由若干段等加速、等减速、等速和怠速工况组成。分为两个部分，第一部分也称城市工况(city cycle)，由反复4次的15工况(ECE一15)构成，是1970年制定的，模拟市内道路行驶状况；1992年起加上了反映城郊高速公路行驶状况的城郊工况(EUDC，extra urban driving cycle)的第二部分，最高车速提高到120km／h(对于功率小于30kW的小型汽车可降为90km／h)。 3） 日本法规

目前采用10.15工况（三个10工况和一个15工况）测试循环。 4） 各种法规的对比 5） 我国排放法规

目前采用15工况+EUDC测试循环 2． 重型车排放法规

车用汽油机：我国采用9工况法。由一个怠速和8个等速、加速、减速和挂档滑行

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等工况组成，试验时发动机转速为2000rpm，每个工况运行60s。

车用柴油机：我国从2000年开始采用13工况法：怠速→10%负荷中间转速→25%负荷中间转速→50%中间转速负荷→75%负荷中间转速→1005负荷中间转速→怠速→100%额定转速→75%额定转速→50%额定转速→25%额定转速→怠速。 三．排放检测的取样系统

§8.3 排放污染物的机内净化技术

一． 汽油机的机内净化技术 1． 推迟点火时间 2． 采用EGR技术 1仅对降低NOx有效。 ○

2汽油机在大负荷时，○采用EGR将使混合气变稀，最大功率下降；中等负荷时采用EGR 将使混合气过稀，燃烧不完全，使燃油消耗量增加，HC排放增多；怠速和小负荷时使用EGR，将使发动机燃烧不稳定甚至失火。 3． 燃烧系统优化设计 4． 提高点火能量 5． 电控汽油喷射技术 二． 柴油机的机内净化技术

1由于柴油机排气后处理技术大多还未达到实用的阶段，因此，废气净化主要靠机内○

净化。

2控制废气排放的指导思想：○抑制预混合燃烧以降低NOx排放，促进扩散燃烧以降低微粒和改善热效率。 1． 推迟喷油时间

推迟喷油提前角可有效地抑制NOx的排放，且方法简便易行。随喷油提前角的推迟，NOx显著降低，但同时燃油耗率和微粒恶化。 2． 采用EGR的效果及存在的问题

1需使用比汽油机更大量的EGR才能有效降低NOx。 存在的问题：○

2中大负荷时，采用EGR使油耗、烟度增加。 ○

3柴油机排气中的SO2，最终会生成硫酸，对EGR系统的管路、阀○

3排气中的微粒流回气门以及气缸壁面形成腐蚀，并使润滑油恶化○

缸，附在摩檫面上或混入润滑油里，导致摩檫面的异常磨损。

3． 增压及增压中冷 4． 改善喷油特性 1） 合理的喷油规律 2） 提高喷油压力 3） 柴油机电控喷油系统 5． 改进燃烧方法和燃烧室

6． 改善燃料特性及新型清洁燃料

§8.4 排放污染物的机外净化技术

一． 汽油机排气后处理技术 1． 热反应器

使CO和HC在排气过程中继续氧化，减少两者的排放量，但对NOx无净化效果。

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