第五章 汽车的公害
§ 5-1 汽车排气污染物的形成及影响因素
CO,HC是燃料不完全的产物,NOx是高温下燃料不完全的产物。
汽油机燃烧有两个条件,1、火花能量,40~100mJ，点着混合气。
2、混合气成分：在火焰传播界限内。
所以当燃烧室结构一定，火花能量充分时，汽油机的排放性能主要取
决于混合气浓度。
一、发动机排气污染物的形成
1、一氧化碳 CO
CO是烃燃料燃烧的中间产物。
当空气充足时
2H2+O2=2H2O
2CO+O2=2CO2
同时,CO与水蒸气 H2O作：
故空气充足时，理论上 CO=0，并且实际燃烧与理论分析有区别：
⑴分布不均匀
⑵高温分解
⑶燃烧时间短，达不到平衡浓度
2、碳氢化合物
其来源有三部分, 排气管 —— 55~65%；曲轴箱通风 —— 20~25%；
化油器、油箱蒸发 —— 15~20%。
22 22 H
mn C OOnHC
mn ???
222 COHCOOH ???
原因：
⑴气缸激冷面。混合气燃烧是靠火焰传播进行的，当传到缸壁
0.05~0.5 mm 那层气体不能燃烧，在 1.0 mm缝中也不能燃烧。
⑵燃料不完全燃烧。混合气过浓过稀，残余气体稀释，使火焰传播
不完全，甚至断火。例如在怠速、小负荷、过度工况的时候，此外点火系不好，充
气温度低和充量均匀性差，残余气体多 。
⑶二冲程扫气。由于扫气作用，一部分可燃混合气不经气缸就排到排气管。
根据对废气的分析，
除饱和烃，不饱合烃和芳香烃外，还有中间氧化物
所以,HC
3,NO形成机理
NO的形成机理尚不清楚，过去认为低温下：
但这种过程太慢，计算值比实测值小得多。
现在认为高温下：
O2 2O （ 1）
O+N2 NO+N （ 2）
N+O2 NO+O （ 3）
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部分被离解产物
燃烧不完全
未燃烃
??
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酸
酮
醛
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NOON 222 ??
⑴ 式是在高温下氧氮分解。
⑵式链反应从其氧 O开始碰撞 N2生成 NO。
此氧 O 由 1式供给 大部分
由 3式供给 小部分
(3)式中的 N由此及彼式供给，因此 2,3式生成的 NO为同一数量级。
※ NO的平衡浓度与非平衡浓度
定义,NO平衡浓度指在高温始终保持一定时，反应式 2,3中正向反应与逆向
反应达到平衡的浓度。
φ=1 理论混合气
φ＞ 1 浓混合气
φ＜ 1 稀混合气
在稀区，温度起主要作用。
在浓区，氧浓度起主要作用。
压力影响：
在稀区，空气过量,N2, O2占大部分。
在浓区,NO总分子数与压力无关。
NO的平衡浓度随压力升高而升高。
压力下降促进热分解,O升高。
虚线：绝热火焰温度下的 NO平衡浓度。
绝热温度 —— 混合气燃烧后放出能量减去自身膨胀 +组成变化，
它是燃烧过程可能达到最高温度。
※ 在接近 φ=1，达到最大值。
※ 在稀区，因空气热容量小，火焰温度下降。
上述只是定性分析，用它来定量分析是不够的，原因是达到平衡浓
度时间太长。
用反应速度论进行探讨。
※ S CO2,H2O,N2,O2已平衡。
S NO比平衡浓度还低很多。
∴ NO不可能直接在燃烧区内形成，只能在已燃的气体中形成,NO
此时处于非平衡状况。
4、柴油机的碳烟
柴油机排烟 白烟,φ＜ 1μm微粒，汽车怠速排出的液滴颗粒。
蓝烟,φ＜ 0.4μm微粒，液态微粒，燃油 +润滑油。
黑烟：高温缺氧，易于裂解，聚合成碳烟 C，还有 O2,H2 。
白、蓝烟无本质差别，只是直径不同对光线反射不同而已。
※ 碳烟对人体直接影响不大，但附着有 SO2及致癌的多环芳香烃，苯并芘可致癌。
碳烟形成的三种说法：
⑴燃料分子脱氢发生分解，再凝集成固体碳。
⑵火焰之初，多个燃料分子聚合成大分子式液滴，再脱氢成粒。
⑶产生引起部分分解及脱氢中间物，再一边聚合一边脱氢逐渐变成固体碳粒。
210?
410?
二、使用因素对排气
中有害气体浓度的影响
1、负荷的影响
负荷 —— 空燃比 —— 影响有害气体
1）怠速 —— 全闭,α=0.60~0.88
HC↑ CO↑
2）小负荷 —— 0~25%开度，
α = 0.8~0.9 HC↑ CO↑
3）中负荷 —— 25~80%开度，
α = 0.9~1.1 HC↓ CO↓ NOx↑
4）接近满负荷 —— 80~100%，
α = 0.8~0.9 CO↑ HC↑NOx↓
2、发动机转速的影响
转速 —— 进气，混合气形成、燃烧 —— 排放
转速 ↑ CO↓ HC↓ NOx ↑
3、不稳定工况
强制怠速 CO↑↑ HC↑↑ 但柴油机已停止供油，无排放。
4、发动机热工况
冷却水温度提高 —— 缸壁温度 ↑—— HC↓
30℃ ~80℃ —— NO↑
供油泵温度提高 —— 气阻 —— HC↑
罩下温度提高 —— 充气系数 ↓—— HC↑ CO↑
气温低 —— 起动困难 —— HC↑
随温度 ↑—— NOx ↑CO↓
5、汽车技术状况的影响
车龄 ↑ HC↑ CO↑
⑴ 供油系故障 化油器怠速产生变化,HC↑ CO↑
加速泵
空滤器堵塞,CO↑ HC↑
供油提前角 ↓,HC↓ NOx↓
⑵ 点火系故障 点火提前角 ↑, P T ↑ NOx ↑
点火提前角 ↓, NOx↓
点火提前角 ↓↓,HC↓
⑶ 配气相位
⑷积炭
§ 5-2 汽车的噪声
一、发动机噪声
噪声源：燃烧噪声、机械噪声、进排气噪声、风扇噪声。
1,燃烧噪声和机械噪声
燃烧噪声 —— 燃料燃烧而引起的声音。
机械噪声 —— 发动机运转而引起的敲击声。
⑴燃烧噪声
燃烧时压力升高而造成的气体冲击，汽油机较小，柴油机较大。
柴油机，速燃期大，缓燃期小。
评价指标为压力增长率和最高压力。
汽油机 爆震,36 KHz
表面点火,0.5~2 KHz
运转不平稳：燃烧室形状
气压压力频谱曲线 —— 燃烧噪声的大小表示 。
影响因素：转速、负荷、点火喷油时间、加速。
※ n↑ 漏气损失与散热损失 ↓ P T↑ 空气扰动 ↑
着火延迟期 ↓ 噪声 ↓
但着火延迟期内的混合气数量 ↑，压力增长率 ↑
※ 负荷 ↑ 无负荷时，喷油量 ↓ 压力增长率 ↓ 噪声 ↓
※ 喷油提前角 着火延迟期 ↑ 压力 ↑ 压力增长率 ↑ 噪声 ↑
※ 加速 由于加速前 n ↓ 缸壁温度 ↓热损失 ↑着火落后期 ↑噪声 ↑
⑵ 机械噪声
机械噪声的分类
①活塞与缸壁敲击声 —— 最大机械声源
原因：活塞与缸壁之间有间隙。
影响,n,N（负荷）, 润滑条件
n ↑dB↑
N↑dB↑ 汽油机，进气量小（怠） 气缸压力 ↓
柴油机，喷油量小（怠） 气缸压力 ↓
润滑，传递介质，起阻尼、吸声作用
②配气机构噪声
原因：气门开启时撞击及系统振动。
高速,,正脱,,反跳, 及弹簧振动。
低速，开闭撞声及摩擦声。
影响,n ↑ 噪声 ↑
③正时齿轮噪声
原因：内因，刚度周期变化，制造误差。
外因，曲轴扭转振动，驱动载荷周期变化。
④喷油系统噪声
原因：喷油泵、喷油器、高压油管振动。
液体性噪声：压力脉动,空穴现象、管道共振。
机械性噪声：齿轮冲击声、齿轮轴轴承振动等。
2,进排气噪声
空气动力性噪声,仅次于本体噪声与风扇噪声。
原因,A 空气声（脉动声）、涡流声
基频噪声，气栓共振声、废气喷柱、冲击。
涡流声，气体通过气门产生的涡流。
B 幅射声（扩散声）、进排气零件表面辐射
振动引起压力波、机械振动。
影响：消声器,密封、接头紧固。
3,风扇噪声 —— 最大噪声源之一
空气动力性噪声。
原因：旋转噪声 ； 涡流噪声 ；机械噪声。
二、传动系噪声
声源：变速器噪声、传动轴、驱动桥噪声。
变速器噪声
原因,1、齿轮振动
2、发动机振动传到变速箱
3、轴承声
4、搅油声
影响因素,n n ↑ dB ↑ 共振时达到最大值
p p ↑ dB↑
结构 变速器形式、档位、制造精度、调整
Znfo? nDVSf t?
三、轮胎噪声
声源：花纹噪声、道路噪声、弹性振动、风噪声。
1、花纹噪声
2、道路噪声，路面凹凸不平产生的。
3、弹性振动
4、风噪声,Va小时可以忽略。
影响因素：轮胎花纹, Va, P,Pa。
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nvf
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§ 5-1 汽车排气污染物的形成及影响因素
CO,HC是燃料不完全的产物,NOx是高温下燃料不完全的产物。
汽油机燃烧有两个条件,1、火花能量,40~100mJ，点着混合气。
2、混合气成分：在火焰传播界限内。
所以当燃烧室结构一定，火花能量充分时，汽油机的排放性能主要取
决于混合气浓度。
一、发动机排气污染物的形成
1、一氧化碳 CO
CO是烃燃料燃烧的中间产物。
当空气充足时
2H2+O2=2H2O
2CO+O2=2CO2
同时,CO与水蒸气 H2O作：
故空气充足时，理论上 CO=0，并且实际燃烧与理论分析有区别：
⑴分布不均匀
⑵高温分解
⑶燃烧时间短，达不到平衡浓度
2、碳氢化合物
其来源有三部分, 排气管 —— 55~65%；曲轴箱通风 —— 20~25%；
化油器、油箱蒸发 —— 15~20%。
22 22 H
mn C OOnHC
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222 COHCOOH ???
原因：
⑴气缸激冷面。混合气燃烧是靠火焰传播进行的，当传到缸壁
0.05~0.5 mm 那层气体不能燃烧，在 1.0 mm缝中也不能燃烧。
⑵燃料不完全燃烧。混合气过浓过稀，残余气体稀释，使火焰传播
不完全，甚至断火。例如在怠速、小负荷、过度工况的时候，此外点火系不好，充
气温度低和充量均匀性差，残余气体多 。
⑶二冲程扫气。由于扫气作用，一部分可燃混合气不经气缸就排到排气管。
根据对废气的分析，
除饱和烃，不饱合烃和芳香烃外，还有中间氧化物
所以,HC
3,NO形成机理
NO的形成机理尚不清楚，过去认为低温下：
但这种过程太慢，计算值比实测值小得多。
现在认为高温下：
O2 2O （ 1）
O+N2 NO+N （ 2）
N+O2 NO+O （ 3）
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燃烧不完全
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⑴ 式是在高温下氧氮分解。
⑵式链反应从其氧 O开始碰撞 N2生成 NO。
此氧 O 由 1式供给 大部分
由 3式供给 小部分
(3)式中的 N由此及彼式供给，因此 2,3式生成的 NO为同一数量级。
※ NO的平衡浓度与非平衡浓度
定义,NO平衡浓度指在高温始终保持一定时，反应式 2,3中正向反应与逆向
反应达到平衡的浓度。
φ=1 理论混合气
φ＞ 1 浓混合气
φ＜ 1 稀混合气
在稀区，温度起主要作用。
在浓区，氧浓度起主要作用。
压力影响：
在稀区，空气过量,N2, O2占大部分。
在浓区,NO总分子数与压力无关。
NO的平衡浓度随压力升高而升高。
压力下降促进热分解,O升高。
虚线：绝热火焰温度下的 NO平衡浓度。
绝热温度 —— 混合气燃烧后放出能量减去自身膨胀 +组成变化，
它是燃烧过程可能达到最高温度。
※ 在接近 φ=1，达到最大值。
※ 在稀区，因空气热容量小，火焰温度下降。
上述只是定性分析，用它来定量分析是不够的，原因是达到平衡浓
度时间太长。
用反应速度论进行探讨。
※ S CO2,H2O,N2,O2已平衡。
S NO比平衡浓度还低很多。
∴ NO不可能直接在燃烧区内形成，只能在已燃的气体中形成,NO
此时处于非平衡状况。
4、柴油机的碳烟
柴油机排烟 白烟,φ＜ 1μm微粒，汽车怠速排出的液滴颗粒。
蓝烟,φ＜ 0.4μm微粒，液态微粒，燃油 +润滑油。
黑烟：高温缺氧，易于裂解，聚合成碳烟 C，还有 O2,H2 。
白、蓝烟无本质差别，只是直径不同对光线反射不同而已。
※ 碳烟对人体直接影响不大，但附着有 SO2及致癌的多环芳香烃，苯并芘可致癌。
碳烟形成的三种说法：
⑴燃料分子脱氢发生分解，再凝集成固体碳。
⑵火焰之初，多个燃料分子聚合成大分子式液滴，再脱氢成粒。
⑶产生引起部分分解及脱氢中间物，再一边聚合一边脱氢逐渐变成固体碳粒。
210?
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二、使用因素对排气
中有害气体浓度的影响
1、负荷的影响
负荷 —— 空燃比 —— 影响有害气体
1）怠速 —— 全闭,α=0.60~0.88
HC↑ CO↑
2）小负荷 —— 0~25%开度，
α = 0.8~0.9 HC↑ CO↑
3）中负荷 —— 25~80%开度，
α = 0.9~1.1 HC↓ CO↓ NOx↑
4）接近满负荷 —— 80~100%，
α = 0.8~0.9 CO↑ HC↑NOx↓
2、发动机转速的影响
转速 —— 进气，混合气形成、燃烧 —— 排放
转速 ↑ CO↓ HC↓ NOx ↑
3、不稳定工况
强制怠速 CO↑↑ HC↑↑ 但柴油机已停止供油，无排放。
4、发动机热工况
冷却水温度提高 —— 缸壁温度 ↑—— HC↓
30℃ ~80℃ —— NO↑
供油泵温度提高 —— 气阻 —— HC↑
罩下温度提高 —— 充气系数 ↓—— HC↑ CO↑
气温低 —— 起动困难 —— HC↑
随温度 ↑—— NOx ↑CO↓
5、汽车技术状况的影响
车龄 ↑ HC↑ CO↑
⑴ 供油系故障 化油器怠速产生变化,HC↑ CO↑
加速泵
空滤器堵塞,CO↑ HC↑
供油提前角 ↓,HC↓ NOx↓
⑵ 点火系故障 点火提前角 ↑, P T ↑ NOx ↑
点火提前角 ↓, NOx↓
点火提前角 ↓↓,HC↓
⑶ 配气相位
⑷积炭
§ 5-2 汽车的噪声
一、发动机噪声
噪声源：燃烧噪声、机械噪声、进排气噪声、风扇噪声。
1,燃烧噪声和机械噪声
燃烧噪声 —— 燃料燃烧而引起的声音。
机械噪声 —— 发动机运转而引起的敲击声。
⑴燃烧噪声
燃烧时压力升高而造成的气体冲击，汽油机较小，柴油机较大。
柴油机，速燃期大，缓燃期小。
评价指标为压力增长率和最高压力。
汽油机 爆震,36 KHz
表面点火,0.5~2 KHz
运转不平稳：燃烧室形状
气压压力频谱曲线 —— 燃烧噪声的大小表示 。
影响因素：转速、负荷、点火喷油时间、加速。
※ n↑ 漏气损失与散热损失 ↓ P T↑ 空气扰动 ↑
着火延迟期 ↓ 噪声 ↓
但着火延迟期内的混合气数量 ↑，压力增长率 ↑
※ 负荷 ↑ 无负荷时，喷油量 ↓ 压力增长率 ↓ 噪声 ↓
※ 喷油提前角 着火延迟期 ↑ 压力 ↑ 压力增长率 ↑ 噪声 ↑
※ 加速 由于加速前 n ↓ 缸壁温度 ↓热损失 ↑着火落后期 ↑噪声 ↑
⑵ 机械噪声
机械噪声的分类
①活塞与缸壁敲击声 —— 最大机械声源
原因：活塞与缸壁之间有间隙。
影响,n,N（负荷）, 润滑条件
n ↑dB↑
N↑dB↑ 汽油机，进气量小（怠） 气缸压力 ↓
柴油机，喷油量小（怠） 气缸压力 ↓
润滑，传递介质，起阻尼、吸声作用
②配气机构噪声
原因：气门开启时撞击及系统振动。
高速,,正脱,,反跳, 及弹簧振动。
低速，开闭撞声及摩擦声。
影响,n ↑ 噪声 ↑
③正时齿轮噪声
原因：内因，刚度周期变化，制造误差。
外因，曲轴扭转振动，驱动载荷周期变化。
④喷油系统噪声
原因：喷油泵、喷油器、高压油管振动。
液体性噪声：压力脉动,空穴现象、管道共振。
机械性噪声：齿轮冲击声、齿轮轴轴承振动等。
2,进排气噪声
空气动力性噪声,仅次于本体噪声与风扇噪声。
原因,A 空气声（脉动声）、涡流声
基频噪声，气栓共振声、废气喷柱、冲击。
涡流声，气体通过气门产生的涡流。
B 幅射声（扩散声）、进排气零件表面辐射
振动引起压力波、机械振动。
影响：消声器,密封、接头紧固。
3,风扇噪声 —— 最大噪声源之一
空气动力性噪声。
原因：旋转噪声 ； 涡流噪声 ；机械噪声。
二、传动系噪声
声源：变速器噪声、传动轴、驱动桥噪声。
变速器噪声
原因,1、齿轮振动
2、发动机振动传到变速箱
3、轴承声
4、搅油声
影响因素,n n ↑ dB ↑ 共振时达到最大值
p p ↑ dB↑
结构 变速器形式、档位、制造精度、调整
Znfo? nDVSf t?
三、轮胎噪声
声源：花纹噪声、道路噪声、弹性振动、风噪声。
1、花纹噪声
2、道路噪声，路面凹凸不平产生的。
3、弹性振动
4、风噪声,Va小时可以忽略。
影响因素：轮胎花纹, Va, P,Pa。
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