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1、第9章 发动机排放污染物净化方案及分析本章主要内容：讨论了汽油车和柴油车分别达到欧II、欧III和欧IV排放标准的一般净化方案，介绍了混合动力新技术。汽车排放标准不同，排放限值也不同。汽车排放标准日趋严格，排放限值越来越低，对车用发动机机内净化和后处理净化提出的要求愈来愈高，其净化方案也会不同。机内净化采用在第四章和第五章中所阐述的降低污染物生成量的技术，后处理净化采用在第六章和第七章中所阐述的用净化装置降低排气中污染物的技术。从第二章中知道汽车各种排放污染物的生成机理不同，影响因素很多，其净化措施之功效既存在一致性，也可能存在对立性。同一净化措施对某种主要排放污染物有良好的净化效果，但也可能
2、对其它排放污染物有负面作用。因此，一般采用机内净化和后处理净化相结合的综合净化方案。9.1 汽油车排放污染物一般净化方案对汽油车来说，其排放污染物主要有CO、HC和NOX，对于二气门或多气门、非增压或增压发动机，均可采用闭环电控燃油喷射系统加三效催化转化器，使其同时净化CO、HC和NOX，并能使净化效率最高，便可达到欧排放标准。其方案示意图如图9-1所示。 图9-1 达到欧排放标准的汽油车净化方案示意图由于欧排放标准与欧排放标准的主要区别在于排放限值更小，且需考虑冷起动排放，前者要求净化效率更高，后者要求汽车一起动就应有良好的净化效果，即要求起动时三效催化转化器内的温度就大于起燃温度，要做到这
3、一点，必须一方面使催化剂的起燃温度尽可能低，另一方面通过强制加热方式使转化器内的温度在起动时就已超过起燃温度。一般情况下，要满足欧排放标准的要求，二气门、非增压汽油发动机可采用闭环电控燃油喷射系统加紧凑耦合型三效催化转化器或前置双催化转化器或三效催化转化器辅以强制加热，其方案示意图如图9-2a)所示。对于多气门、增压汽油发动机则可采用闭环电控燃油喷射系统加低起燃温度的三效催化转化器或紧凑耦合型三效催化转化器，其方案示意图如图9-2b)所示。a)二气门非增压汽油发动机 b)多气门增压汽油发动机图9-2 达到欧排放标准的汽油车净化方案示意图为了使发动机满足欧洲号法规的要求，也可采用缸内直喷稀薄燃烧
4、汽油机GDI发动机。GDI发动机所采用的净化技术主要是降低HC和NOX的排放量。该净化技术主要由以下四项技术构成：采用二阶段燃烧，提前激活催化剂；采用反应式排气管；大量EGR；使用稀NOX催化剂。图9-3所示为三菱汽车公司的缸内直喷汽油机排放控制措施示意图。采用二阶段燃烧和反应式排气管的目的是为了降低HC排放量，这种方法是在汽车起动后的冷车这段时间内，通过二阶段燃烧和使用反应式排气管使三效催化剂在短时间内达到起燃温度。为使发动机在稀燃状态下能够有效还原NOX，GDI发动机使用了NOX吸附催化转换器。为了净化发动机在理论空燃比状态下工作时排气中的HC和NOX，GDI发动机在NOX吸附型催化器之后
5、还配置了三效催化转换器，三效催化器的位置尽量靠近发动机，以更快激活催化剂，减少HC排放。 图9-3 三菱汽车公司的缸内直喷汽油机排放控制措施欧排放标准在冷起动和各工况的排放限值比欧更小，二气门和非增压汽油发动机难以满足，一般应是在多气门增压汽油发动机的基础上采用综合控制的发动机管理系统加紧凑耦合型三效催化转化器或前置双催化转化器或三效催化转化器辅以强制加热，为进一步降低NOX，可同时采用废气再循环，其方案示意图如图9-4所示。图9-4 达到欧排放标准的汽油车净化方案示意图9.2 柴油车排放污染物一般净化方案柴油发动机排放物中的HC、CO含量很低，一般只有汽油发动机的几十分之一，其NOX排放量与
6、汽油机大致处于同一数量级，但柴油机的微粒排放量相当高，约为汽油机的3080倍。因此，柴油车排放主要控制NOX和微粒的排放量。为达到欧排放标准，采用涡轮增压中冷和高压喷射减少微粒，采用废气再循环降低NOX， 有的采用电子控制喷油，有的仍用机械控制。典型的欧净化方案示意图如图9-5所示。 图9-5 达到欧排放标准的柴油车净化方案示意图为达到欧排放标准，需采用电子控制，喷油压力要更高，且每循环多次喷射。其方案有高压共轨或泵喷嘴喷油系统；采用多气门和可变喷嘴涡轮增压中冷以进一步降低微粒的排放；为进一步降低NOX采用冷却废气再循环，对于重型柴油货车还需安装氧化催化转化器。典型的欧净化方案示意图如图9-6
7、所示。在欧净化方案的基础上采用微粒捕集器，进一步降低微粒；采用多级中冷废气再循环进一步降低NOX，再加上先进的电控技术，对微粒和NOX再降低，便可使柴油车达到欧排放标准。其典型的净化方案示意图如图9-7所示。图9-6 达到欧排放标准的柴油车净化方案示意图 图9-7 达到欧排放标准的柴油车净化方案示意图要满足规定的排放限值，除发动机本身需采取上述各种措施外，还要求使用无铅低含硫量的燃油。对于柴油机，欧标准要求使用含硫量500ppm(0.05%)的柴油，欧标准要求使用含硫量200ppm(0.02%)的柴油，而欧标准可能要求使用含硫量55ppm(0.0055%)的柴油。为满足日趋严格的排放法规的要求
8、，各汽车公司、高校和研究院所必须加速开发新产品，采取有效的机内、机外净化措施，有效控制发动机的废气排放，同时对于石油和化工等其它产业也应采取有效措施。只有各相关行业共同努力，才能不断提高大气质量，改善人类生存环境。9.3 混合动力车9.3.1 混合动力汽车发展概况二十世纪九十年代以来，世界各国对环保的呼声日益高涨，电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的发展。由于一般电池的能量密度与汽油相差极大，远未达到人们所要求的数值，所以，倘若在十年内燃料电池技术没有重大突破，电动汽车将无法取代燃油发动机汽车。在这种情况下，“准绿色”的新型产品混合动力
9、型汽车登上了历史舞台。所谓混合动力汽车（HEV），是将一种或多种的能量转换技术(如发动机、燃料电池、发电机、电机)和一种或多种能量存储技术(如燃料、电池、超级电容器、飞轮)集合于一体。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又利用了电动机无污染、低噪声的长处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10%以上（对于城市公交车辆热效率可提高30%左右），废气排放可改善30%以上。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些国家已经进入实用阶段。九十年代以来，在各国政府的支持下，国外各知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包
10、括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术，使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。1997年10月，全球首辆商业性混合动力型汽车“PRIUS”由日本丰田公司研制成功。随后，其它汽车公司也推出了相应的混合动力汽车产品。九十年代起，我国开始电动汽车和混合动力汽车的研制，也取得了一定的进展。1998年，清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车；目前，东风、奇瑞等汽车公司的863计划电动汽车重大项目也取得了可喜的成绩。随着各国汽车排放法规的日趋严格，混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低，混合动力汽车的市场份额将逐渐增大，已成为本世纪头20年重点发展的
11、新型汽车。9.3.2 混合动力汽车的类型和控制策略先进的驱动技术是混合动力汽车取得成功并实现其优越性的关键。混合动力汽车是将电力驱动和辅助动力单元(Auxiliary Power Unit，简称APU)合用到一辆汽车上。这个辅助动力单元通常采用一台发动机或动力发电机组。一方面，发动机始终在最佳工作点上驱动发电机或直接驱动汽车，排放少、效率高；另一方面，蓄电池又可得到发电机的不断补充充电，从而，在减小蓄电池容量和体积的同时提高了汽车最高速度，加大了续驶里程，延长了蓄电池的使用寿命。根据动力系统的连接方式，目前开发研制的混合动力汽车基本上可分为三类即串联式、并联式和混联式等。1. 串联式混合动力汽
12、车这种系统更接近于电动汽车，它由燃油发动机、发电机、电池和电动机等动力装置以串联方式连接组成。在这种系统中，一台小型的燃油发动机直接驱动发电机发电，电能被储存于蓄电池或传给电动机以驱动车轮。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动；负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机；车辆制动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率变速器给蓄电池充电。串联式HEV动力传动系的组成如图9-8所示。这种类型车能以超低排放模式工作。由于串联式HEV动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可以使发动机稳定
13、于高效区或低排放区附近工作。但串联式HEV动力传动系的综合效率较低，这是因为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经二次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失。图9-8 串联式HEV动力传动系示意图2. 并联式混合动力汽车并联式HEV动力传动系的组成如图9-9所示。这种系统更接近传统意义上的燃油汽车，此系统的发动机和电动机是并列连接到驱动桥上的。汽车行驶时，发动机与电动机可以分别独立或共同向汽车驱动轮提供动力。并联式混合动力汽车主要由燃油发动机提供动力，动力性较好。其驱动系统控制较复杂，电池总容量仅是串联式的1/3，能量传递损失小。但由于发动机与汽车驱
14、动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响，很难在最佳工作区工作，燃油经济性和排放性能均较串联式差。综上所述，并联式HEV布置方案由于在传动系组成及控制方面更接近于传统汽车传动系，并且所需的电机功率较小，电池组数量少，整车的价位也较低。更可贵的是，并联式HEV可采用传统汽车用内燃机，从而可把传统车用内燃机的最新研究成果应用到混合动力汽车上，节省了研发资金，目前这种结构的传动系应用比较广泛。图9-9 并联式HEV动力传动系示意图3. 混联式混合动力汽车典型的混联式HEV动力传动系布置方案简图如图9-10所示，在该系统上既装有电动机又装有发电机，具备了串、并联结构
15、各自的特点。这种系统包括两条能量传递路线，一是机械能传递路线，内燃机输出的机械能可通过机械装置直接驱动车轮；二是电能传递路线，发动机输出的机械能通过发电机转化成电能由电动机驱动车轮。同时，电池连接到发电机和电动机之间，可接受充电或提供辅助动力。图9-10a所示的开关式结构通过离合器的结合与分离来实现串联分支与并联分支间的相互切换。离合器分离，切断了发动机和发电机与驱动轮的机械连接，系统以串联模式运行；离合器结合，发动机与驱动轮有了机械连接，系统以并联模式运行。图9-10b所示的分路式结构中，串联分支与并联分支都始终处于工作状态，而由行星齿轮传动在串联分支和并联分支间进行发动机输出能量的合理分配
16、。此结构可通过发电机对串联分支实施各种各样的控制，同时又可通过并联分支来维持发动机与驱动轮间的机械连接，最终实现对发动机的转速控制。混联式HEV布置方案综合了串、并联二种布置方案的优缺点，是一种相对比较完善的动力系统，其电池的体积、重量、成本较低。内燃机总在最高效率下工作，具有很好的燃油经济性和较低的排放，加速性和平稳性也很好，可以说在许多方面弥补了串联式和并联式混合动力汽车的缺点。混联式HEV控制系统和机械结构最为复杂，技术难度最大，增加了开发和生产成本，不过，随着控制技术和制造技术的发展，现代混合动力汽车更倾向于选择这种结构。图9-10 混联式HEV动力传动系示意图在以上三种方式中，串联式混合动力汽车的污染最小，但是能量在传递过程中损
