武汉理工大学内燃机排放检测与控制试题(本)-2012

武汉理工大学考试试题

课程名称内燃机排放检测与控制

（共1页，共 7 题，答题时不必抄题，标明题目序号）

一、问答题（60分）

1、重载车用柴油机排放控制标准历经欧Ⅰ、欧Ⅱ、欧Ⅲ、欧Ⅳ等，满足今后较为严格的法规要求如欧Ⅳ或欧Ⅴ，有两条基本技术路线，请分别解释其应用原理并分析其优缺点。（10分）

答：目前国际上柴油机排放控制的两个主流技术路线（SCR和（EGR+DPF））。

（1）SCR原理：

SCR装置依据NO还原基本原理，将尿素与水以适当比例混合，喷入废气中，能将废气中的NOx还原成氮气(N2)和水(H2O)，其化学反应方程式如下：

CO(NH2)2+2H2O 2NH3+CO2+H2O

4NH3+2NO2+O23N2↑+6H2O，

4NH3+4NO+O24N2↑+6H2O

尿素泵将尿素柜中的尿素液泵入计量器中，形成具有一定压力的尿素液待用。计量器收到控制中心的指令后，提取一定量的尿素液与压缩空气混合形成初步雾化尿素并通往喷枪，多余的尿素液返回尿素柜。同时按尿素量的多少选取一定比例的压缩空气，经另一管道通往喷枪。在喷枪里初步雾化的尿素与压缩空气进一步混合形成尿素雾，喷入排气管。在排气管的混合区，尿素已分解成NH3和H2O并与烟气充分混合，然后进入SCR反应装置。SCR装置的催化剂作用使NH3将迅速还原为N2和H2O，随烟气排入大气。在SCR中设有两层由一块块催化砖整齐排列的催化层。催化砖是将催化剂拌入耐温材料中，做成有透气小孔的砖块，保证排气流通顺畅，尽量减少阻力，降低排气压力。同时又扩大了流通面积，保证混有NH3的废气在通过催化层时，能更多地接触到催化剂，使排气中的NOx得到充分还原。

（2）EGR基本原理：

EGR正是一种通过降低缸内最高燃烧温度以及缸内混合气中O2的体积分数，破坏NOx 的生成环境，从而降低NOx排放的技术。同时，应用EGR并不会使发动机的指示指标及HC、CO排放指标有太大的恶化。通常，EGR降低NOx排放的原理有以下3种解释：

①比热容论

在发动机的可燃混合气中掺入一部分CO2，H2O和N2等惰性废气，前两者的比热容均高于新鲜混合气。

②稀释论

EGR对NOx的影响是由于增加了混合气中惰性气体量，一方面使气缸内的O2体积分数下降；另一方面惰性分子降低了链式反应的速率，使燃烧的绝热火焰温度降低，从而使NOx的生成量下降。

③电火炉或着火延迟论

对柴油机而言，EGR系统改变了混合气的组分，因而延长了着火延迟，从而降低了缸内最高燃烧温度，促使NOx排放下降。

（3）优缺点比较：

2、点燃式与压燃式内燃机之间在CO，HC和NOx生成机理方面有何异同？（10分）

答：

（1）一氧化碳CO

CO是HC燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。如果反应气的氧浓度、温度足够高，化学反应所占的时间足够长，CO会氧化成CO2。

点燃机中可燃混合气成分不均匀会导致CO大量生成；在多缸发动机中，各缸间空燃比的变动是CO排放增加的一个原因。点燃机怠速运转时，缸内残余废气很多，为保证燃烧稳定，需要加浓混合气，因而排放大量CO。这是常规的均匀混合气点燃机总的CO排放量很大的一个主要原因。

压燃式发动机的特征是燃料与空气混合不均匀，虽然其平均表现的总过量空气系数在大多数

工况下都在1.5以上，但仍有相当大的CO排放。当柴油机负荷很大接近冒烟界限（φa<1.5）时，CO排放增加很快，这是因为燃烧室中局部缺氧地区增加。当柴油机负荷很小即φa很大时，燃烧室内温度过低的地方可能增加，可能产生CO。

（2）碳氢化合物HC

点燃式内燃机的未燃HC的生成和排放有三个渠道：

①排气在缸内工作过程中生成并随排气排出，主要是在燃烧过程中未来得及燃烧或未完全燃烧的HC燃料。在二冲程汽油机中，由于用汽油空气混合气对气缸扫气，部分混合气从扫气口流入气缸后直接进入排气口，导致排气中HC含量比四冲程机大好几倍。增压四冲程汽油机的HC 排放量也比较高，其中一部分来源于气门叠开时的扫气。

②曲轴箱从燃烧室通过活塞与气缸之间的间隙漏人曲轴箱的窜气，含有大量HC，如果排入大气也构成HC排放物。

③蒸发从汽油机和其他轻质液体燃料点燃机的燃油系统，即燃油箱、化油器、燃油管接头等处蒸发的燃油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物。

均匀混合气点燃式发动机中未燃HC的生成机理主要涉及下述多种机理：

①壁面淬熄发动机的燃烧室表面温度比火焰低得多，对火焰的迅速冷却（称为冷激效应）使火焰中产生的活性自由基复合，燃烧反应链中断，导致化学反应变缓或停止。结果，火焰不

能一直传播到燃烧室壁表面，而在表面上留下一薄层未燃或不完全燃烧的可燃混合气，称为淬

熄层。在冷起动、暖机和怠速工况时．因壁面温度低，形成淬熄层较厚，同时已燃气体温度较

低及用较浓的混合气使HC的后期氧化作用减弱，因此壁面淬熄是此类工况下HC排放的重要

来源。

②狭隙效应发动机燃烧室中有各种很狭窄的缝隙，气缸内压力升高时，可燃混合气挤入各

缝隙中。因为缝隙具有很大的面容比，挤入的气体通过与温度较低的壁面的热交换很快被冷却。在燃烧过程期间缸内压力继续升高，又有未燃气进一步挤入各缝隙。当火焰前锋面扫到各缝隙时，由于淬熄作用不能在缝隙中传播。当火焰在缝隙口被淬熄后，火焰面后的已燃气也会继续

挤入缝隙，直到缸内压力开始下降为止。当缝隙中的压力高于气缸压力时，陷入缝隙中的气体

逐渐流回气缸。但这时气缸内的温度已下降，氧的含量也很低，流回缸内的可燃气再氧化的比

例不大，大部分原封不动排出气缸。

③润滑油膜的吸附和解吸在进气期间，覆盖在气缸壁面和活塞顶面上的润滑油膜被在环境

压力下来自燃油的HC蒸气所饱和。当缸内燃气中的HC含量由于燃烧几乎降到零时，油膜中

的轻质HC即向已燃气解吸，只有一部分燃油蒸气被氧化，其余部分则成为HC排放源。