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：
对比项目 燃油经济性 燃油喷射压力 燃油喷射时间 机油含碳 对硫敏感度 对封装要求 原国III发动机结构 是否需要EGR系统 是否需要尿素系统 降低6% SCR技术 相对较低 提前 没有问题 不敏感，可接受500ppm 高 保持不便 不需要 需要 EGR 技术 增加2% 相对较高 滞后 有问题 敏感，不能高于50ppm 低 改变 需要 不需要 需要
是否需要低硫油（50ppm） 不需要
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。
④ 燃烧室中沉积物的影响 发动机运行后会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物，会增加未燃HC的排放量，其作用机理相当复杂。
除了上述多相因素外，大容积淬熄也是产生未燃HC排放的一个来源。此外，发动机缺火会造成未燃HC排放脉冲性地急剧增加，所以点火系统的可靠性对减少HC排放是至关重要的。
柴油机排放的HC完全由燃烧过程产生，其中没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。 对于柴油机来说，由于它是短促喷油后压燃，燃油滞留在气缸内的时间比汽油机短得多，因而受上述多相因素影响较小。但燃油喷注与周围空气形成的混合气很不均匀，在喷注核心，混合气过浓，但在接着的继续混合过程中会逐渐稀化，先后进入正常燃烧，不致引起很多的HC排放。但在喷注的外围，来不及着火就可能形成过稀的混合气，其中的燃料可能始终不能完全燃烧，成为未燃HC的排放源。
喷油器嘴部的压力室容积对柴油机HC排放有很大影响。现代柴油机的喷油系统力求把燃油均匀分布在燃烧室空间中，但燃油喷注与燃烧室壁面的碰撞不可能完全避免。在正常运转时，由于燃烧室壁面温度较高，燃油油膜能及时蒸发，但在冷起动时，会导致严重的HC排放（起动排气冒“白烟”）。
（3）氮氧化物
点燃式内燃机的过量空气系数φa既影响燃烧温度，又影响燃烧产物中氧的含量，所以对NOx的排放影响很大。这时已燃气体的温度在对应φa≈0．9的略浓混合气下达到最高。不过这时氧浓度低．抑制了NO的生成。当φa提高时，氧增加的效果抵消温度下降的效果而有余。因此，NOx排放量的峰值出现在φa≈1.1的略稀混合气中。如果φa进—步增加，温度下降的效果占优势，导致NOx生成量下降。因此，稀薄燃烧是降低点燃机NOx排放的重要手段。
压燃式内燃机与点燃式内燃机的情况—样，气缸内达到的最高燃烧温度也控制NOx生成量的最重要因素。NOx排放随柴油机负荷增大而显著增加，这是因为随负荷增大，可燃混合气的平均空燃比α减小，使最高燃烧温度提高。喷油正时对柴油机燃烧过程有很大影响。推迟喷油使最高燃烧温度和压力下降，燃烧变得柔和，NOx生成量减少。采用EGR也是降低柴油机NOx排放的重要手段。
3、如何缓解柴油机微粒排放与NOx排放之间的矛盾？（5分）
答：柴油机采取一些技术措施，可以同时降低NOx与PM，如采用增压中冷、高压喷射、电子控制、排气后处理等措施。一般地，控制NOx和PM排放的技术措施采取折衷的方法。
在柴油机微粒排放控制中，应遵循先机内净化，后机外净化的原则，集多种控制技术共同作用。对于越来越严格的排放法规，柴油机微粒排放后处理技术显得尤为重要。现阶段，柴油机排放主要的控制技术可以分为机内处理技术和机外处理技术。
柴油机同时降低NOx与微粒的控制技术具体如下。 （1）柴油机进气预混甲醇降低碳烟与NOx排放
组合燃烧是指在同一台发动机上，按照最优性能的需要，采用不同的燃烧模式。例如：在起动、暖车及小负荷工作时，发动机以纯柴油工作，实行扩散燃烧；在中高负荷时，由柴油引燃缸内的甲醇均质预混合气，进行准均质混合气压燃燃烧。由于柴油着火性好，使发动机的冷起动性和暖车不受影响，而甲醇具有高汽化潜热并含氧，可以降低进气温度和加快燃烧，因此采用组合燃烧将可以实现同时降低碳烟和NOx排放，并达到替代部分柴油的目标。
喷醇降低发动机NOx排放的效果是肯定的，但喷醇点应适中。过早则大负荷时NOx排放高，过迟则NOx起始点浓度高。
另外，如喷醇时刻过早，尽管柴油替代率高，但发动机难以达到原机的功率水平，增加喷醇量不仅会使经济性恶化，而且排放也恶化，尤其是未燃HC排放增多。所以追求过高的柴油替代率对发动机的综合性能不利。此外，不同转速下甲醇喷入量要求也有差异。
（2）等离子体在同时去除NOx和碳烟催化反应中的作用
有研究发现，将等离子体和催化剂结合，等离子体可增强催化剂选择性，对柴油机排气中的NOx有很好的净化效果。等离子体产生的活性物种可用来去除碳烟。
由于等离子体的作用，提高了催化剂同时催化去除NOx和微粒（soot）的催化反应活性，降低了碳烟的燃烧温度，也提高了NO转化为N2的效率。另外，等离子体催化作用使反应朝着有利于生成CO2的方向进行。同时，等离子体作用使得NO在和O2共存、只有NO和只有O2存在的各种情况下，碳烟的催化燃烧活性有不同程度的提高，促进了N2的生成。NO和O2共存预示着在富氧条件下，等离子体辅助催化在同时降低NOx和微粒排放的有效性。
（3）微粒陶瓷过滤器和EGR
EGR能将部分废气引入进气管道，与新鲜空气混合进入柴油机的燃烧室，降低了混合气燃烧后的最高温度，稀释了混合气中的O2浓度，从而抑制了NOx的生成，有效降低了NOx的排放。
微粒过滤技术将是最终实现柴油机微粒排放控制的最为有效和简单的技术之一。他的机理为：由于微粒粒径小、重量轻，能长时间悬浮在大气中。当柴油机排放出来的废气流经过滤器时，微粒就会被收集在过滤器的滤芯中，剩下较清洁的排气。
武汉理工大学内燃机排放检测与控制试题(本)-2012
