实验一 发动机排放实验

实验一发动机排放实验

一、实验目的

1、了解发动机废气分析仪的工作原理与操作方法

2、了解发动机废气排放的国家标准

3、掌握发动机废气排放的实验方法

4、分析实验用发动机的排放情况

二、实验原理及方法

1、发动机有害排放物的生成机理

汽车发动机在燃烧过程中产生的有害成分主要为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NO x）、硫化物（SO x）、铅化物和微粒等。

1）、氮氧化合物（NO x）

根据高温NO反应机理，产生NO的三要素是温度、氧浓度和反应时间，即在足够的氧浓度条件下，温度越高和反应时间越长，则NO的生成量越大。

2）、一氧化碳（CO）

CO是一种不完全燃烧的产物，CO的生成主要受混合气浓度的影响，在过量空气系数φa＜1的浓混合气工况时，由于缺氧使燃料中的C不能完全氧化成CO2，CO作为其中间产物生成。

3）、炭氢化合物（HC）

汽车排放的HC来自未燃的燃油和润滑油。不同排放法规对HC排放的定义有所不同，如表1所示，可分为总碳氢化合物（THC，Total Hydrocarbon），非甲烷碳氢化合物（NMHC，Non Methane Hydrocarbon）以及非甲烷有机气体（NMOG，Non Methane Organic Gas）。包括中国、日本和欧洲各国在内的大部分国家，都将总碳氢化合物作为HC排放的评价指标。

表1 不同排放法规对HC的定义

HC在柴油机和汽油机中的生成机理有所不同，这主要是因为两者的工作过程和燃烧方式不同，以下分别进行介绍。

（一）HC在汽油机中的生成机理

在以预均匀混合气进行燃烧的汽油机中，HC与CO一样，也是一种不完全燃烧（氧化）的产物，因而与过量空气系数φa有密切关系。

1、不完全燃烧

2、壁面淬熄效应

3、壁面油膜和积碳的吸附

（二）HC在柴油机中的生成机理

由于柴油机的燃烧是扩散燃烧，燃油在燃烧室内的停留时间要比汽油机短得多，绝大部

分工况得过量空气系数远大于汽油机，因而其混合气浓度梯度极大，局部区域的φa可在0～∞之间，周边区域φa趋向于∞，几乎没有燃油（尤其是小负荷时），因而受淬熄效应和油膜及积碳吸附的影响很小，这是柴油机HC排放低于汽油机的原因。

4）、微粒及碳烟

微粒可表示为PM（Particulate Matter）或PT。由于汽油机采用预混合燃烧方式，除了因使用高含铅量汽油而引起含铅微粒排放外，一般可以认为汽油机不产生微粒。而柴油机采用扩散燃烧方式，这就决定了柴油机产生碳烟和微粒是不可避免的。

柴油机微粒是由三部分组成的，即（干）碳烟DS、可溶性有机物SOF和硫酸盐。其中SOF又可根据来源不同分为未燃燃料和未燃润滑油成分，两者所占比重随具体的柴油机不同而异，但一般可认为大致相等。也有的资料按化学成分或性质分类，把SOF分为碱类、酸类、烷烃类、芳香烃类、不稳定类、氧化类和其余不可溶类，如表5所示。

关于碳烟的生成机理，概况地说是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的，但其详细的机理，即从燃油分子到碳烟颗粒生成整个过程中的化学动力学反应及物理变化过程尚不十分清楚。一般认为，当燃油喷射到高温的空气中时，轻质烃很快蒸发气化，而重质烃会以液态暂时存在。液态的重质烃在高温缺氧条件下，直接脱氢碳化，成为焦炭状的液相析出型碳粒，粒度一般比较大。而蒸发气化了的轻质烃，经过如图5所示的不同的复杂途径，产生气相析出型碳粒，粒度相对较小。首先，气相的燃油分子在高温缺氧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、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃；它们不断脱氢形成原子级的碳粒子，逐渐聚合成直径2nm左右的碳烟核心（碳核）；气相的烃和其他物质在碳核表面的凝聚，以及碳核相互碰撞发生的凝聚，使碳核继续增大，成为直径20～30nm 的碳烟基元；而碳烟基元经过相互聚集形成直径1μm以下的球状或链状的多孔性聚合物。重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附凝集，形成微粒排放。

2、发动机废气排放的实验方法

1）、直接取样法

用如图1所示的取样探头插入汽车（发动机）排气管内直接采集部分废气，然后再送到分析仪的方法，叫直接取样法。连续直接取样法的流程如图2所示，气样经气泵引入分析仪。气样在进入分析仪前，需经过滤清、冷凝等预处理以除去水分和污秽物。这种方法广泛用于怠速、双怠速排放试验和重型车试验规范的取样。

图2 连续直接取样法的流程图

2）、全量取样法

将试验时间内的全部排气收集在一个袋子里，然后再进行分析的方法称之为全量取样法。

3）、比例取样法

比例取样法是根据汽车内燃机进、排气量之间存在一定的关系，用进气量测量代替较为困难的排气量测量；用容量约50L的小袋子连续收集排气量的1/1000～1/1500，按此取样比例，自动控制进气量和排气采取量的比例。

4）、定容取样法

定容取样法CVS（Constant V olume Sampling）是一种稀释取样方法。CVS法有控制地用周围空气对汽车排气进行连续稀释，摸拟汽车排气向大气中扩散这一实际过程。目前，中国、美国、日本、欧盟等的轻型车试验法规中均规定采用CVS法取样。

三、实验仪器和设备

1、废气分析仪

采用佛山分析仪器厂FGA-4100型五气分析仪，可以测试CO、CO2、HC、NO x、O2，以及对空燃比进行分析。

2、CO的测量

一般用不分光红外分析仪（NDIR,Non-Dispersive Infrared Analyzer）分析CO和CO2。

不分光红外分析仪的工作原理是基于大多数非对称气体分子能吸收特定波长段红外线的特性，并且其吸收程度与气体浓度有关。所谓“不分光红外，是指对于特定的被测气体，测量时所用的红外光的波长是一定的。

图3为NDIR分析仪的工作原理示意图。在参比室里充满了不吸收红外线的气体（如N2），被测气体流过分析室，从红外光源射出的强度为I0的红外射线经过旋转的光栅周期性地射入参比室和分析室。由于被测气体吸收红外线，使得透射过分析室的红外线减少，其强度变为I；而参比室内的气休不吸收红外线，其透射红外线强度仍保持为I0；两室透射出的红外线周期性地进入检测器。检测器有两个接收室，里面充有与被测气体成分相同的气体，中间用兼作电容器极板的金属膜片隔开。接收室中的气体周期性地被红外线加热，因而产生周期性的压力变化。由于来自分析室的红外线强度I小于来自参比室的红外线强度I0，使金属膜片向分析室一侧凸起，电容量减少，并且正比于被测气体的浓度。把电容量的变化调制为交流电压信号的变化，经放大器后显示在指示仪或其他的输出装置上。

图3 NDIR的测量原理

3、HC的测量

一般用氢火焰离子分析仪（FID，Hydrogen Flame Ionization Detector）分析HC。

氢火焰离子分析仪的工作原理是利用碳氢化合物在氢火焰的高温（2000℃左右）中热致