第八章内燃机污染物的生成与控制

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内燃机学教学大纲

《内燃机学》课程教学大纲

课程编号：

适用专业：汽车服务工程专业

学时数：32

学分数：2.0

执笔者：

编写日期：2013年9月

一、课程的性质和目的

《汽车发动机原理》是四年制本科生汽车服务工程专业的一门学科基础课。本课程的任务是使学生获得发动机的基本工作循环和性能、发动机的换气过程与增压技术、发动机混合气形成和燃烧、发动机性能的评价、发动机特性及发动机性能试验方法等知识。通过本课程的学习，使学生掌握发动机性能提高和合理使用的基本原理，以及发动机实验的基本技能，为本专业学生日后的工作打下坚实的基础。

二、课程的教学内容和学时分配

第一章概论（2学时）

教学内容：

发动机的分类，对汽车动力装置的要求，新型汽车能源。

教学要求：

了解发动机的分类和现代发动机的发展，了解对汽车动力装置的要求及汽车常用的能源。

重点：

发动机的分类。

难点：

无。

第二章发动机的工作循环和性能（4学时）教学内容：

发动机理论循环，发动机的实际循环，指示指标，有效指标，指标测量，机械损失及测量，热平衡。

教学要求：

了解发动机的理论循环和实际循环过程，掌握发动机理论循环与实际循环的差异，熟记指示指标、有效指标和机械损失，掌握发动机两类指标和机械损失的测量方法，了解发动机

的热平衡。

重点：

发动机的实际工作循环，指示指标、有效指标及机械损失。

难点：

实际循环的各项损失，熟记各项性能指标。

第三章发动机的换气过程与增压（4学时）

教学内容：

增压技术基础，发动机的换气过程，充气效率，影响因素，换气损失，提高充气效率和降低换气损失的措施，废气涡轮增压器的组成及工作原理，车用发动机的增压系统。

《内燃机学》习题集

第一部分内燃机学(Ⅰ)（理论学时：72学时）

第一章概论（2学时）

一、内容

1. 内燃机简史

2. 内燃机的发展

第二章内燃机的工作指标（5学时）

一、内容

1. 内燃机指标体系

2. 内燃机指示性能指标

3. 内燃机有效性能指标

4. 内燃机热平衡

5. 提高内燃机动力性能与经济性能的途径

二、填空题

1.内燃机指标体系中主要有⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽等几类指标。

2.内燃机强化指标主要有：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽等。

3.造成内燃机有效指标与指示指标不同的主要原因是⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。

4.平均有效压力可以看作是一个假想不变的力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。

5.在标定工况下，高速四冲程柴油机的有效燃油消耗率的一般范围为g/kW.h。

6.汽油机有效效率的一般区间为：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽；柴油机有效效率的一般区间为：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。

7.从内燃机示功图上可以得到的信息包括：、、等。

8.增压柴油机的示功图与非增压相比，主要不同点有：、等。

9.什么动力机械应该用持续功率？；什么动力机械应该用十五分钟功率？。

10.给出几个能反映普通汽油机特点的性能指标值：、、等。

11.内燃机的指示指标是指工质对做功为基础的指标；指示功减有效功等于。

内燃机思考题与习题

《内燃机学》

思考题与习题

第二章内燃机的工作指标

2-1 内燃机的动力性能指标和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？

2-2 机械效率的定义是什么？

2-3 平均有效压力和升功率在评定发动机的动力性能方面有何区别？

2-4 充量系数φc的定义是什么？φc的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？

2-5 试推导由吸入空气量来计算平均有效压力的解析式及升功率的解析式，并分析提高发动机升功率的途径。

2-6 过量空气系数φa的定义是什么？不同类型的发动机其取值大小如何？

2-7 内燃机的机械损失由哪些部分组成？详细分析内燃机机械损失的测定方法、其优、缺点及适用场合。

2-8 要设计一台6缸四冲程柴油机，设平均指示压力为0.85MPa，平均机械损失压力为0.15MPa，希望在2000r/min时能发出的功率为73.5kW。

1）为将活塞平均速度控制在8m/s，缸径与行程之比取多大？

2）为使缸径与行程之比为1:1.2，缸径与行程取多大？

2-9 一台六缸四冲程柴油机，D×S=135×140mm，在2200r/min时，有效功率P e=154kW，有效燃油消耗率b e=217g/kW.h。(柴油低热值取43000kJ/kg)

1）求发动机的p me，T tq，ηet

2）当ηm=0.75时，求P i，P m，ηit，b i。

3）当ηit，φc,φa均未变，ηm由0.75提高0.8，求此时P L，P e，be的值。

内燃机学课件第八章

Soot-DS）；当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种
有机物，称为有机可容成分(SOF----Soluble Organic Fraction)
柴油机PM生成因素分析
DS的生成条件是高温和缺氧：燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙烯及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心。气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚，以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大，成为直径20—30nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1μm以下的球团状或链状的聚集物。
碳氢化合物的种类
总碳氢（THC）种类很多，在大气对流层的光化学反应活性不一：甲烷在这方面为惰性，因此，美国排放法规中采用非甲烷碳氢化合物（NMHC）；除此之外，还有如醇类、酮类、醛类、酚类、酯类及其衍生物，这些活性更强。活性的不含氧和含氧有机物通称非甲烷有机气体（NMOG）。对汽油机而言，羟基混合物一般只占THC排放物的百分之几；而柴油机中，光醛类就占THC 的10%左右，而且醛类中，甲醛约占20%。
点燃式内燃机部分负荷运转时，混合气的Φa接近1，CO排放量不高。但多缸机如各缸Φa不同．仍会有的气缸Φa＜1，增加CO排放量。全负荷运转特别是冷起动时，混合气是浓的，Φa 可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。发动机加速时如果加浓过多，或者减速时不断油，即在瞬态运转工况下供油量控制不精确，会导致CO 排放量剧增。

第八章第三节课程作业-答案

第8 章内燃机污染物的生成与控制

第3节内燃机的排放控制

（任选三题）

1. 增压柴油机的EGR 系统有什么困难？如何克服？

2. 如何缓解柴油机微粒与NOx 排放之间的矛盾关系？

3. 请分析S/D（冲程/缸径）对汽油机和柴油机排放的影响。

4. 如何降低汽油机在冷起动和暖机时期的排放？

答：

1)为了改善冷起动排放，应增大起动机功率，提高起动转速，增大点火能

量，尽量缩短起动时间。在起动前对发动机进行预热，促进起动时缸内

完全燃烧也是十分重要的。

2)化油器式发动机冷起动排放性能最差，进气道喷射汽油机由于燃油雾化

较好，冷起动排放大为改善，而缸内直接喷射汽油机由于采用高压喷射，

几乎不存在冷起动排放问题。

3)尽量缩短这段暖机时间，而关键是要使可燃混合气尽快达到正常温度。

例如，采用进气自动加热系统，有助于改善暖机和寒冷天气运转时的混

合气形成。

4)发动机的润滑系和冷却系的设计要保证发动机起动后尽快达到正常的运

转温度。

5. 增压对柴油机排放有什么影响？

答：

自然吸气柴油机不能提供足够大的过量空气系数，碳烟与氮氧化物之间的矛盾很难解决。增压柴油机的主要特征是进气量大，因此DS和PM排放下降。但增压一般使氮氧化物排放增加，因为增压后进气温度提高，同时燃气中氧含量增加。但在PM排放下降的前提下，可以采取推迟喷油等办法来减少氮氧化物的排放，而不致使PM排放过分增加。

增压后，增加空气中间冷却器，降低柴油机的进气温度，不仅降低柴油机的热负荷，又进一步提高空气密度，从而可以更加强化功率密度，同时降低最高燃烧温度，减少氮氧化物的生成。

内燃机排污净化8

第一节燃料对排放的影响
汽油对排放的影响
• 辛烷汽油值的影响 • 汽油挥发性的影响 • 汽油密度的影响 • 烃类组成的影响 • 硫含量的影响 • 添加剂的影响
一、汽油对排放的影响
1) 辛烷值的影响
汽油抗爆性的指标，辛烷值越高，抗爆震能力强。辛烷值低可能引起爆震，增加NOX排放，损坏发动机。较低的辛烷值会限制发动机压缩比，增加了燃油消耗率，总污染物排放量增加。烯烃是提高辛烷值的有效成分，但烯烃的热稳定性差，易形成胶质，沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。同时，活泼烯烃是光化学烟雾的前体物，容易引起光化学污染。
国2柴油标准GB/T 19147-2003
国3柴油标准 GB19147-2009
GB19147-2012 (国3柴油新标）
国4柴油标准 GB19147-2012
三、我国汽柴油质量与国外汽柴油质量对比
汽油质量存在的问题：烯烃含量高；芳烃含量高；硫含量高。
轻柴油质量存在的问题：硫含量高；十六烷值低；芳烃含量高。
抗氧化和表面活性添加剂能改善排放，提高怠速排放的稳定性。
二、柴油对排放的影响
柴油对排放的影响
十六烷值的影
响
粘度密度和馏程的影响
芳烃含量的影
响
硫含量的影响
添加剂的影响
1) 十六烷值的影响

第八章发动机排放与控制

5、工况
工况（km/h）
怠速 0
定速 40
加速 0→40
减速 40→0
排放量
CO(%)
HC(10-6)
4.0-10.0
300-2000
0.5-1.0
200-400
0.7-5.0
300-600
1.5-4.5
1000-3000
NOx (10-6)
50-100
10003000
10004000
5-50
6、废气再循环（EGR率）
4、改善燃烧系统
措施：采用紧凑燃烧室，减少缝隙容积和燃烧室表面积，合理选择火花塞位置，并适当组织进气运动，加速燃烧，
降低HC和CO的排放。
需要注意事项：加速燃烧会使燃烧温度升高，对抑制NOx不
利，必须与其它控制措施结合。
5、改善换气过程
采用多气门结构、进气增压和合理的气门相位（如可变
气门升程和正时），改善燃烧，减少油耗和HC排放。 6、采用电控燃油技术实现空燃比的闭环控制。 7、采用稀薄燃烧技术
2CO2 2CO O2
柴油机与汽油机比较：
对于柴油机，过量空气系数大（富氧），且燃烧温度也
较低，故其CO排放低；而汽油机，过量空气系数偏小（氧少），且燃烧温度高，
CO排放较大。 CO（%,体积分数）：汽油机0.1～6柴油机； 0.05～0.5。

第八章燃烧污染与控制

对筒体的结构要求严格，否则难以形成有效的旋涡，影响除尘
2、湿式除尘器
源自文库
2、大气主要污染物
（一）颗粒物（二）含硫化合物（三）氮氧化物（四）碳氧化物（五）光化学氧化剂
（一）颗粒物
1、颗粒物是指大气中弥漫着的固态和液态物质，成份较复杂。（1）总悬浮颗粒物：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。其粒径多在 100μm以下，尤以10μm以下的为最多。
第八章燃烧污染与控制
2013年7月29日1时19分
20世纪30—60年代
震惊世界的
八大公害事件
马斯河谷烟雾事件
1930年12月1日-5日，比利时马斯河谷的气温发生逆转，工厂排出的有害气体和煤烟粉尘，在近地大气层中积聚。3天后，开始有人发病，一周内，60多人死亡，还有许多家畜死亡。这次事件主要是由于几种有害气体和煤烟粉尘污染的综合作用所致。
NO2+hv (λ＜430nm)——NO2*,
NO2*——NO+O
O+O2+M——O3+M
O3+NO —— O2+NO2
（2）碳氢化合物与O、O3、 OH、NO等
自由基作用生成醛、酮、酸以及RO2、
HO2、RCO等自由基。
（3）过氧自由基引起NO向NO2转化，并导致O3和过氧乙酰硝酸脂（PAN）等生成。

内燃机排放污染控制技术的研究

一、引言

汽车内燃机的发明和普及使交通出行变得更加便捷和高效，但

伴随着内燃机的使用也带来了严重的环境污染问题，如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机物等排放物质对空气质量和健

康造成了负面的影响。因此，控制内燃机的排放污染已成为环保

领域和汽车工业的重要研究方向。

二、内燃机排放污染的成因

内燃机的排放污染主要来自其燃烧产生的废气，主要包括以下

成分：

1.二氧化碳(CO2)：是内燃机燃烧后产生的主要气体排放，与全球气候变化密切相关；

2.一氧化碳(CO)：是内燃机燃烧不完全产生的有害气体，会造

成心血管疾病等健康问题；

3.氮氧化物(NOx)：主要来自内燃机的高温燃烧过程，会形成光化学烟雾和酸雨等问题；

4.颗粒物(PM)：来自内燃机燃烧产生的固体颗粒，是城市大气

污染的主要来源。

三、内燃机排放污染控制技术的研究现状

为了控制内燃机的排放污染，科学家和工程师们一直在研究和开发各种控制技术，包括以下几种常见的技术：

1.燃料和空气分离技术(FASET)：使用FASET技术，可以在点火前将燃料和空气分离，从而实现更加完全的燃烧过程，减少内燃机产生的有害物质；

2.选择性催化还原技术(SCR)：使用SCR技术，可以将氮氧化物转化为氮气和水蒸气，从而将有害物质转化为无害物质；

3.氧化催化器技术(OC)：使用OC技术，可以将一氧化碳和挥发性有机物转化为二氧化碳和水蒸气；

4.颗粒捕集技术：使用颗粒捕集装置可以捕集内燃机产生的固体颗粒，从而减少对环境的影响。

四、未来内燃机排放污染控制的方向

目前的内燃机排放污染控制技术已经取得了一定成果，但还存在一些问题，如控制成本较高、部分技术难以大规模应用等。未来的发展方向主要包括以下几个方面：

燃烧理论8燃烧污染物生成与控制PPT课件

积炭也是剩余型烟尘的一种，它是重质油滴附着在喷口、炉壁上，并在炉内高温加热气化而残留下来的固体残渣，它的颗粒较大，形状不定。
8.2 烟尘的形成与防治
碳黑种类及生成机理
（3）粉尘粉尘是固体燃料燃烧时产生的飞灰，其主要成分是碳和
灰，固体燃料在燃烧之后，一部分变成炉渣，一部分以飞灰形式排入大气中。以煤粉炉为例，有85-95%的灰分以飞灰排入大气。
8181空气污染和空气污染物空气污染和空气污染物??空气污染的影响空气污染的影响1空气污染对大气性质的影响降低能见度形成雾及降水减少太阳辐射减少太阳辐射改变温度和风的分布2空气污染对原材料的影响3空气污染对植物的影响酸性或碱性颗粒会腐蚀原材料如油漆石质金属臭氧极易损坏橡胶制品破坏叶绿素致使光合作用无法进行8181空气污染和空气污染物空气污染和空气污染物??空气污染的影响空气污染的影响4空气污染对人类健康的影响coco窒息性气体与红血球里血红蛋白结合成碳氧血红蛋白窒息性气体与红血球里血红蛋白结合成碳氧血红蛋白后使血液载氧的能力降低
火焰中含有这种炭黑后，辐射力增强，发出亮光，形成发光焰，由于其粒子细，容易粘附于物体而难于清除。
研究表明，气相析出型烟尘是经过一系列氢聚合反应面生成的。
8.2 烟尘的形成与防治
碳黑种类及生成机理
（1）气相析出型甲烷在缺氧条件下进行热分解：
CH 4 C 2H2
乙烷的热分解：一次反应：

内燃机原理课后题

内燃机学课后题

第二章：内燃机的工作指标

2-7 内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？

2-8 怎样求取发动机的指示功率、有效功率、平均指示压力和平均有效压力？

2-9 机械效率的定义是什么？

2-10 平均有效压力和升功率在作为评定发动机的动力性能方面有何区别？

2-11 充量系数的定义是什么？的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？

2-12 试推导由吸入的空气量来计算平均有效压力的解析式及升功率的解析式，并分析提高发动机升功率的途径。

2-13 影响b

e 的因素有哪些？降低b

的途径有哪些？

2-14 过量空气系数的定义是什么？在实际发动机上怎样求得？

2-15 内燃机的机械损失由哪些部分组成？详细分析内燃机机械损失的测定方法，其优、缺点及适用场合。

2-16 要设计一台六缸四冲程高速柴油机，设平均指示压力，平均机械损失压力，希望在2000r/min时能发出的功率为73.5kW。

1）为将活塞平均速度控制在8m/s，缸径行程比取多大合适？

2）为使缸径行程比为1:1.2，缸径与行程取多大？

2-17 有一台6135Q-1柴油机，D×S=135mm×140mm，6缸，

在2200r/min时，发动机发出的有效功率为154kW，b

=217g/(kW·h)。

1）求发动机的p

me 、T

和。

2）当时，试求、、和的值。

工程热力学及内燃机复习题集

工程热力学及内燃机复习题

第一章——基本概念

1、闭口系统：热力系与外界无物质交换的系统。

2、开口系统：热力系与外界有物质交换的系统。

3、绝热系统：热力系与外界无热量交换的系统。

4、孤立系统：热力系与外界有热量交换的系统。

5、热力平衡状态：热力系在没有外界作用的情况下其宏观性质不随时间变化的状态。

6、准静态过程：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程

7、热力循环：热力系从某一状态开始，经历一系列中间状态后，又回复到原来状态。

8、系统储存能：是指热力学能、宏观动能、和重力位能的总和。

9、热力系统：根据所研究问题的需要，把用某种表面包围的特定物质和空间作为具体指定的热力学的研究对象，称之为热力系统。

第二章——热力学第一定律

1、热力学第一定律：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。或者，第一类永动机是不可能制成的。

2、焓：可以理解为由于工质流动而携带的、并取决于热力状态参数

的能量，即热力学能与推动功的总和。

3、技术功：技术上可资利用的功，是稳定流动系统中系统动能、位

能的增量与轴功三项之和

4、稳态稳流：稳定流动时指流道中任何位置上的流体的流速及其他

状态参数都不随时间而变化流动。

第三章——热力学第二定律

1、可逆过程：系统经过一个过程后，如果使热力系沿原过程的路线

反向进行并恢复到原状态，将不会给外界留下任何影响。

2、热力学第二定律：克劳修斯表述：不可能把热从低温物体转移到

高温物体而不引起其他变化。开尔文普朗克表述：不可能从单一热源

内燃机的主要污染物

内燃机在能源生产过程中排放的主要污染物是什么？

内燃机靠燃烧柴油提供动力，正常情况下内燃机燃料的利用率是25%-40%，最高能够达到45%；也就是说只有25%-40%，最高45%的燃油转化为二氧化碳和水。大部分燃油以不完全燃烧的微粒悬浮形态进入空气中。

其主要污染物有：油、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、多环芳烃及其衍生物，以及微量痕迹量的3,4-苯并芘。

需要提起注意的事情是，内燃机空载时内燃机的内部温度大约在300℃-700℃之间，这个温度下，燃油会分解合成微量痕迹量的3,4-苯并芘。所以生产工作场地必需做好通风。

内燃机学要点

第九章内燃机的使用特性与匹配

内燃机的主要工作特性内燃机工况典型的工况内燃机的负荷特性内燃机的速度特性(外特性) 内燃机的万有特性内燃机的功率标定
第十章内燃机动力学

曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构受力分析气体力的传递惯性力：往复惯性力、旋转惯性力单缸转矩和多缸转矩内燃机质量平衡曲轴轴系的扭转振动

第四章内燃机的充量更换
内燃机的充量更换四冲程内燃机的换气过程可分为那几个阶段进、排气提前，迟闭；气门重叠四冲程内燃机的配气相位图四冲程内燃机的换气损失排气损失(膨胀损失和推出损失);进气损失提高充量系数的措施

增压的目的、增压方式、增压的优点、缺点简单了解排气涡轮增压器结构压气机增压的原理压气机特性曲线喘振、堵塞；喘振线径流式涡轮的工作原理涡轮增压系统有那些、特点定压增压与脉冲增压的比较涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与内燃机联合运行线的调整内燃机的增压改造汽油机的增压技术机械增压

第五章内燃机混合气的形成和燃烧

内燃机缸内的气体流动、分类点燃式内燃机中的正常燃烧预混燃烧与扩散燃烧点燃式发动机燃烧过程着火界限或可燃范围点燃式内燃机的不正常燃烧：爆燃、表面点火点燃式燃烧室设计的一般要求点燃式燃烧室的设计要点典型燃烧室充量分层和缸内直喷燃烧系统

燃烧学第八章燃烧污染物的生成和控制

有N、NO生成。和其他成分相比，NO生成的相当晚，是在燃烧过程结束，其他成分生成后，在“火焰的背面”生成。
• NO生成的初期，NO生成速度和
N生成速度相等，决定NO生成速度的因素是N的生成速度。
温度对温度型NOx的影响
• 当燃烧温度低于1500 ℃时，
温度型N0生成量极少。
• 当温度高于1500 ℃ 时，随温
dd NtO 2k1N2O
捷里道维奇机理推导
假设离解反应处于平衡状态： O2 OO
Ok0O212 dd NtO 2k0k1N2O 21 2
捷里道维奇机理推导
根据实验结果整理得到：
542000
k2k0k131104expRT
dd Nt O 3 110 4 N 2O 21 2ex 5R 4T p 2000
Turner等实验证明，转变率与所含氮的化合物种类无关成机理还不十分清楚。巳知的有两点：
1．燃料N向燃料型No的转变率；
2．燃料型No的转变率和氧气浓度的关系。
燃料N向燃料型NO的转变率
• 一般燃料N含量越多，转
变率反而降低。
• 当燃料N含量n在0.1％以下
时，转变宰a’在90％以上； n在0.2％左右时，转变率a’ 为60％—70％；n＝0.4％时,n=40％—50％；n再增大时。
式中：R——通用气体常数，J/mol·K [O2][N2][NO]——O2,N2,NO的浓度，mol/cm3