内容发布更新时间 : 2024/11/8 23:31:51星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
9-5 汽油机与柴油机相比，THC生成机理有何异同？其不同之处的主要原因是什么？ 解：在汽油机中，HC的生成机理包括：不完全燃烧、壁面淬熄效应和壁面油膜和积碳的吸附效应三种。而对于柴油机，由于其较大的空燃比，以及柴油机扩散燃烧的燃烧方式特点，使得柴油机由于不完全燃烧、壁面淬熄效应和壁面油膜和积碳的吸附效应生成的HC较少。而柴油机的主要HC生成途径为：混合不均匀，以及喷油器压力室容积的影响。
9-6 用NDIR和FID方法测量碳氢化合物排放浓度时，两者的结果往往不同，试分析其原因。 解：FID方法采用氢离子火焰法，测得的为全部碳氢化合物的含量；而NDIR方法采用不分光红外法，测得的为部分碳氢化合物的含量。因此两种方法测量碳氢化合物排放浓度的结果通常不同，且FID方法测得值应大于NDIR方法的测得值。
9-7 汽车排放法规是如何分类的？世界上有哪几个主要排放测试评价体系？中国是参照什么排放体系制定汽车排放标准的？
解：排放法规可以分为两大类，即怠速法和工况法。其中工况法又根据车型种类不同而分为重型车排放法规和轻型车排放法规。
世界上的汽车排放法规主要有三个体系，即美国、欧洲和日本排放体系。 我国是参照欧洲排放法规制定排放标准的。
9-8 说明推迟点火或供油提前角均能减小汽、柴油机NOx排放的原因。有何相同以及有何不同？会使NOx与哪些性能产生Trade-off关系？
解：相同：都是通过降低燃烧温度来达到降低NOx排放的目的。
不同：汽油机降低燃烧温度的原理为通过推迟燃烧相位使燃烧时间后移，从而由于活塞下行，燃烧等容度降低，最终降低燃烧温度；而柴油机推迟供油提前角的作用有两点，第一，与汽油机类似，降低燃烧等容度，降低燃烧温度；第二，越接近上止点喷油，缸内温度越高，着火落后期可以缩短，形成的可燃混合气量减少，因而燃烧初期的放热速率降低，导致燃烧温度降低。
NOx和油耗存在trade-off关系，因为控制燃烧温度以降低NOx时，会使燃烧等容度降低，热效率降低，增加油耗。另外，对于柴油机，NOx和PM的排放也存在trade-off关系。
9-9 EGR在降低NOx的机理上与推迟点火或喷油时间的技术措施有何异同？内部EGR降低NOx的效果比外部EGR高还是低？ 解：EGR和推迟点火或喷油的异同：
相同：都使燃烧温度降低以降低NOx； 不同：造成温度降低的原因不同。
外部EGR降低NOx的效果好。因为内部EGR造成缸内的残留废气温度较高，而外部EGR通过涡轮或中冷装置，可以降低EGR的温度，从而降低燃烧温度，抑制NOx的生成。
9-10 为同时降低柴油机NOx和PM排放，应如何设计优化放热规律？为此应如何优化喷油规律？ 解：为了同时降低柴油机NOx和PM排放，初期放热速率不能过大以防止NOx的大量生成，中期应尽量提高燃烧速率和放热速率，同时应减少后燃期的燃烧时间，避免PM的生成。
为此，合理的喷油规律应满足“初期缓慢，中期急速，后期快断”的特点，其形状近似于“靴型”。
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9-11 何谓Pilot喷射，其目的和基本原理是什么？分析采用Pilot喷射时PM恶化的原因。 解：预喷射指在主喷射前，有一少量的预先喷射，预喷射时针阀升程较小，典型预喷射油量为1.5mm3。其目的是降低NOx排放。原理为，通过预喷射，在着火落后期内只能产生有限的可燃混合气量。这部分混合气形成较弱的初期燃烧放热，并使随后的主喷射燃油的着火落后期缩短，使初始放热速率和最高燃烧温度降低，因而可明显降低NOx排放。
预喷射造成PM的恶化的原因是PM和NOx存在Trade-off关系。预喷射使燃烧温度降低的同时，会造成燃料氧化速度减慢、缓燃和后燃的燃油量增加的问题，从而使PM排放恶化。
9-12 简述三效催化器的基本工作原理；何谓三效催化器工作的“窗口”？汽油机应具备什么条件才能有效使用和发挥三效催化器的作用？
解：在三效催化剂（TWC）中，当混合气浓度正好为化学计量比时，CO和HC与NOx互为氧化剂和还原剂，发生氧化还原反应，生成无害的CO2、H2O及N2。
对于空燃比，TWC只有在化学计量比附近的狭窄区间内对CO、HC和NOx的转化效率同时达到最高。这个区间被称为“窗口”。
汽油机为了有效使用和发挥TWC的作用，需要考虑催化转换器的空燃比特性、起燃特性、空速特性，以及催化剂的耐久性以及催化器的流速特性。具体的说，需要注意的事项包括控制化学计量比的空燃比、是TWC保持较高转换效率的温度、合理设计TWC空速特性以及流动特性等。
9-13 三效催化剂为何不适用于柴油机？
解：根据TWC的工作原理，只有当空燃比在化学计量比附近狭窄的范围内，TWC才能同时降低CO、HC和NOx的排放。而柴油机工作在空燃比较大的区间，而在这个区间TWC不起作用。
9-14 汽油车使用三效催化器后，THC排放主要出现在什么运行条件下？有何解决对策？ 解：汽油车在冷启动时，由于TWC未达到合适的工作温度，导致THC排放较大。
相应的对策有：
（1）推迟点火时间，提高排气温度，使催化剂快速起燃； （2）提高催化剂低温活性；
（3）采用紧凑耦合催化器或采用两级催化器；
（4）在后处理系统中串联HC吸附器，吸附冷启动时的HC排放。
9-15 柴油机为满足国Ⅲ及之后排放法规，一般都需要采用电控燃油喷射系统。为什么？ 解：在实行国III及以后的排放法规后，为了满足日益严苛的排放法规，一般采用电控燃油喷射系统。这是因为：
（1）可以灵活的控制喷油时间（喷油提前角），而推迟喷油时间可以减少NOx排放；可以采用合理的喷油规律、灵活的使用预喷、多段喷射等喷油策略，从而实现比较理想的放热速率，降低最大压升率和燃烧温度，改善柴油机NOx排放。
（2）电控燃油喷射可以配合电控高压喷射，提高喷射压力有利于燃油的气化与混合均匀，从而可以改善柴油机PM排放。
9-16 重型柴油机满足欧Ⅳ排放法规的主要技术路线有哪些？并分析其利弊。其中哪些柴油机后处理技术需要同时使用低硫柴油？为什么？
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解：主要技术路线有SCR和DPF两种。采用SCR技术路线时，机内采用电控高压喷射和增压中冷等机内净化技术降低PM至法规要求，机外再依靠高效的SCR后处理系统降低NOx排放水平；采用DPF技术路线时，机内采用冷却EGR降低NOx，机外采用DPF降低PM排放。
利弊分析：采用SCR技术路线由于取消推迟喷油和EGR，好处是可以改善油耗，同时对柴油硫含量要求低；弊端是需要增加复杂、成本昂贵的SCR后处理系统，且尿素消耗也会增加成本。采用DPF技术路线，好处是后处理系统成本低；弊端是油耗增加，同时DPF要求使用低硫柴油。
DOC、DPF和LNT要求使用低硫柴油。对于DOC，如果不使用低硫柴油，会导致硫酸盐的大量生成，甚至使PM排放有所上升；对于DPF，由于其催化再生过程中广泛地使用的CRT系统要求柴油硫含量极低才能正常工作，高硫柴油会影响DPF的再生；对于LNT，硫含量过高会导致催化剂中毒、失去催化活性。
9-17 轻型柴油车满足欧V排放法规应采取何种技术路线（机内与机外净化）？可从净化效果、整车布置、成本以及燃油经济性等方面分析。
解：净化效果：采用两种技术路线都能够满足欧V排放法规要求。
整车布置：采用DPF技术路线，在整车布置方面结构更紧凑，节省空间；而采用SCR技术路线，由于增加了SCR后处理系统，特别是增加了尿素水箱，占用了较大的空间。
成本：就后处理系统本身的成本而言，SCR系统成本比DPF系统高很多；同时，采用SCR系统需要消耗尿素水溶液，也会增加成本。
燃油经济性：采用SCR技术路线可以取消机内控制NOx的技术，如推迟喷油和EGR，从而可以降低油耗；而采用DPF技术路线，由于大量使用EGR以及排气阻力升高，油耗反而会升高。因此采用SCR技术路线比DPF技术路线燃油经济性要好。
欧洲的轻型柴油车基本上都采用SCR技术路线。结合上面的分析，主要原因如下： （1）采用SCR技术路线比采用DPF技术路线油耗降低不少，在欧洲油价高昂，而尿素水溶液价格相对低廉。
（2）虽然SCR系统成本高于DPF，但是采用SCR技术路线相对于之前的柴油机而言，对发动机的改动较小，无须重新对发动机进行设计；而采用DPF技术路线，由于要采用大量EGR，以及推迟喷油等技术，对发动机的改动很大。如果考虑发动机变动和研发的成本，显然采用SCR更具有经济性。
（3）考虑到欧洲从欧IV法规提高到欧V法规时，对PM的限值基本没有变化，而对NOx的限值降低了。在这种情况下，采用SCR系统的柴油车只需提高SCR系统的转化效率即可达标；而采用DPF系统的柴油车则面临着如何进一步降低NOx的问题。这也是使欧洲轻型柴油车市场大量使用SCR技术路线的一个原因。
9-18 对比分析哪些柴油机后处理技术需要同时使用DOC？为什么？
解：DPF、PFT、SCR需要同时使用DOC。对于DPF连续催化再生的CRT系统，需要使用DOC净化CO和THC，同时将NO氧化为NO2；NO2可以连续的将随后的微粒捕集器中的微粒氧化。PFT和DPF类似。对于SCR系统，使用DOC一方面可以净化CO和THC，另一方面DOC可以将NO氧化为NO2，通过控制NO和NO2的比例可以提高NOx的转化效率。
9-19 一台六缸重型车用柴油机，一般使用十六烷值为52的柴油可正常工作，若使用了十六烷值为45的柴油，其炭烟和NOx排放会增加还是减少？并解释原因。
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解：使用较低十六烷值的柴油后，NOx排放增加，PM排放减少。这是因为使用较低十六烷值的柴油后，由于柴油的自燃性变差，使得柴油着火时刻推迟，滞燃期加长，滞燃期内形成的预混合气量增加，使得燃烧温度增加，增加了NOx的排放。而根据PM和NOx的Trade-off关系，PM排放会相应减少。
9-20 为什么在SCR催化剂前串联一个氧化催化剂DOC可以提高NOx转化效率？结合化学反应机理解释。
解：如果SCR系统前不串联DOC，由于柴油机NOx排放中90%以上是NO，因而NOx还原反应主要途径是“标准SCR反应”，亦即式（9-21）。而串联DOC后，部分NO被氧化为NO2，在NO2存在的条件下可以发生式（9-25）的“快速SCR反应”。低温时，快速SCR反应速率比标准SCR反应快17倍。因此，在SCR前串联DOC可以提高NOx的转化效率。
9-21 某一轻型汽油车按新欧洲驾驶循环（NEDC）在转毂试验台上的排放测试结果如下表。环境温度296.2 K；大气压力101. 33 kPa；相对湿度60%；饱和蒸气压2.81 kPa；校正至标准状况下的稀释排气容积170. 224 m3。假设在标准状态下HC、CO和NOx污染物的密度分别0.619，1.25和2.05 g/L，试计算HC、CO和NOx比排放（g/km），并判断该车是否满足国Ⅳ排放法规。 排放物成分 HC CO NOx CO2 稀释排气 12.7×10-6 (C) 58.9 ppm 3.8 ppm 0. 85%(V/V) 稀释空气 3.2×10-6 (C) 1.0 ppm 0.3 ppm 0. 048%(V/V) 解：按照教材式（C-1），气体污染物排放量的计算公式为：
Vmix?Qi?kH?Ci?10?6Mi?
d其中，
Vmix?170.224m3?170224L
对于HC、CO、NOx，Qi分别为0.619、1.25、2.05g/L。
kH为用于计算NOx排放质量的湿度校正系数，而对于HC和CO煤油湿度校正，应该
忽略。
根据式（C-7），绝对湿度为：
H?6.211?Ra?pd6.211?60?2.81??10.51g(水)/kg（空气）
pB?pd?Ra?10?2101.33?2.81?60?0.01根据式（C-6），
kH?11??0.993
1?0.0329?(H?10.71)1?0.0329?(10.51?10.71)即对于NOx，kH为0.993。而对于HC和CO，kH为1。
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根据式（C-5），(C-4)
DF?CCO213.413.4??15.63 ?4?4?(CHC?CCO)?100.85?(12.7?58.9)?10Ci?Ce?Cd(1?1)?Ce?0.936?Cd DF根据上式求得HC、CO、NOx的Ci分别为9.7、58.0、3.5ppm。 NEDC循环车辆实际行驶的路程为10.997km（约等于11km），其中ECE15工况4.052km，EUDC工况6.955km。即d=11km。
将以上数据带入Mi的表达式，求出HC、CO、NOx的Mi分别为0.093、1.122、0.110。 查国IV排放法规可知，HC、CO、NOx的排放限值分别为0.10、1.00、0.08g/km。 所以该车的HC满足国IV排放法规，而CO和NOx的排放均不满足国IV排放法规。
9-22 某重型柴油机ESC测试13工况点的转速、转矩、油耗、湿基进气量及气态污染物排放量测试结果如下表。测试中的环境参数为：环境温度296.2 K；大气压力101. 33 kPa；相对湿度60%；饱和蒸气压2.81kPa。颗粒采样设置采样比0.1%，每1%权重对应的采样时间为30s，滤纸采样前质量为0.19824g，采样后质量为0.19901g。试计算ESC的加权功率和HC、CO、NOx、PM的比排放量（g/kW·h），并判断该机是杏满足国Ⅳ排放法规。
解：查GB17691-2005可知，对于重型柴油机ESC测试，其CO、HC、NOx、PM的排放限值分别为1.5、0.46、3.5、0.02g/(kW*h)。
按照Pe???n?Ttq30?10?3计算各工况点的功率，并按照权重计算加权功率，得ESC的
加权功率为53.9kW。
对于HC排放，按照教材式（C-12）进行计算，计算结果为1.53/53.9=0.028g/(kW*h)，达到国IV排放标准。
对于CO排放，按照教材式（C-11）进行计算，计算结果为61.78/53.9=1.14g/(kW*h)，达到国IV排放标准。
对于NOx排放，按照教材式（C-10）进行计算，但需要进行湿度和温度校正。具体步骤如下：
先求得进气湿度Ha=10.53kg（水）/kg（干空气）。 再求出各个工况下的NOx的修正因子，最后根据式（C-10），计算结果为152.2/53.9=2.82 g/(kW*h)，达到国IV排放标准。
对于PM排放，采样时间为50min，采集的PM质量为0.19901-0.19824=0.00077g。故计算结果为0.00077*1000/(53.9*50/60)=0.017 g/(kW*h), 达到国IV排放标准。
故该机满足国IV排放法规。
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