发布时间 : 星期六 文章汽车发动机原理课后答案 王建昕 帅石金 清华大学出版社更新完毕开始阅读
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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