西华大学吉林大学汽车专业发动机原理之第七章排放控制

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1、第七章第七章 排气污染与控制排气污染与控制 第一节第一节 概述概述 环保与节能n环境问题n能源危机汽车排放占大气污染物比例 1、CO：无色无臭无味的气体，破坏造血功能，呈中毒症状。 2、NOx：指NO和NO2，NO2是褐色有刺激性的气体。 3、HC：包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化产物。某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害。 光化学烟雾：其中最主要的生成物是臭氧O3，它具有很强的氧化力和特殊的臭味，使橡胶裂开，植物受损，可见度降低，并刺激眼睛及咽喉。 汽车的主要排放污染物 排气中的微粒是指经空气稀释后的排气，它是在低于52温度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上沉积的除

2、水以外的物质，如柴油机的碳烟粒子，汽油机的铅及硫酸盐等。 微粒排放 1排放物的浓度C 在一定排气容积中，有害排放物所占的容积（或质量）比例，称为排放物的浓度。 ppm、或mgm3，浓度较大时用，而浓度较小时用ppm （1ppm=0.0001）。 2排放物的质量排放量G 用单位时间内（或一次试验）有害排放物的质量排放量G来衡量，单位是 gh（或 g试验）。 3排放物的比排放量g 每单位功率小时排出污染物的质量称为比排放量 g（kWh） 。排放指标排放指标第二节第二节 有害排放物的生成有害排放物的生成 主要是NO，NO2排出量较少。 NO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生在燃料燃烧反应所形成的环境

3、中，其主导反应过程是 ON2NON NO2NOO一、氮氧化物一、氮氧化物 （1）高温 （2）富氧 （3）充足的反应时间促使促使NO生成的因素生成的因素燃烧过程中生成的重要的中间产物。生成的机理比较复杂，一般经历如下步骤： RHRRO2RCHORCOCOCO在火焰中及火焰后，以缓慢的速率氧化成CO2。 主要影响因素：混合气浓度。二、一氧化碳二、一氧化碳CO生成与排出有三个渠道： 废气（尾气）：占6O以上 曲轴箱窜气由排出：占25 燃油蒸气漏泄：占1520左右三、未燃碳氢化合物三、未燃碳氢化合物（HC） 1）缝隙效应 2）壁面激冷与淬熄 3）油膜及沉积物吸附 4）减速、加速及怠速等瞬态工况燃烧过程

4、中燃烧过程中HC生成的主要途径生成的主要途径 柴油机微粒的主要成分：碳烟粒子。它是燃料在燃烧过程中经历了一系列物理化学变化后形成的。四、微粒四、微粒第三节第三节 影响汽油机有害排放物影响汽油机有害排放物生成的主要因素生成的主要因素 汽油机：预混燃烧，其可燃混合气浓度范围比较窄，在一些工况下（如怠速、满负荷等）经常处于浓混合气工作，因而混合气成分是影响排放的最主要的因素。 一、混合气成分一、混合气成分 CO：空燃比AF增加，CO浓度逐渐下降； NOx：浓度两头低，中间高，NO生成必须兼具高温、富氧两个条件。 HC：两头高，中间低，与燃油消耗率的变化趋势基本一致。 减少点火提前角：降低NO及HC均

5、有利，但以牺牲动力性为代价。二、点火正时二、点火正时 废气再循环：NO浓度逐渐下降，但燃烧的有效性降低，动力性变差。三、吸入废气量的影响三、吸入废气量的影响 对于不同的运行工况，各种有害排放物的差异很大。 怠速与减速工况，是HC生成的主要工况。四、工况四、工况第四节第四节 影响柴油机有害排放物影响柴油机有害排放物生成的主要因素生成的主要因素 柴油机燃烧：一种多相非均匀混合物的不稳定的燃烧过程。 喷雾过程、油束形成、混合气的浓度与分布以及燃烧室形式等，对排放物生成均有复杂的影响。一、柴油机燃烧及排放物生成的特点一、柴油机燃烧及排放物生成的特点 由于油雾及油蒸气在空间浓度分布不同，可大致分为稀燃火

6、焰熄灭区、稀燃火焰区、油束心部，油束尾部和后喷部以及壁面油膜，从油束边缘到油束核心部分，局部空燃比可从无穷大变到零。根据负荷不同，各区排放物生成的性质也不一样。 未燃HC：在低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区；在高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处。 CO：低负荷时，主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上生成CO；高负荷时，在油束心部、油束尾部及后喷部，因局部缺氧而产生CO。 NOx：在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。 碳烟：高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。 醛类：主要在稀燃

7、火焰熄灭区，由于低温氧化而产生醛类中间产物。 CO：柴油机过量空气系数1，加上柴油蒸发性比汽油小，因此柴油机的 HC及CO排放浓度一般比汽油机低得多，但在接近满负荷时（AF减小），CO浓度骤增。 NO：生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷工况。与汽油机不同的是，柴油机NO2的生成浓度较高。NO2浓度随 AF增加而减少。 碳烟：混合气变浓，排烟浓度增多。 二、混合气成分二、混合气成分 延迟喷油是降低NOx的主要措施之一。 为了在延迟喷油以后燃烧不致恶化，加强缸内气流运动、促进混合气形成、提高喷油速率以及改善喷雾质量是很有必要的。 延迟喷油的同时提高喷油速率，要比单纯延迟喷油定时的效果好。 三、喷

8、油时刻三、喷油时刻四、燃烧室类型四、燃烧室类型 分隔式燃烧室生成的NOx、CO、HC和碳烟的排放浓度均低于直喷式的，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右。 原因：这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。习题：n1、发动机主要的有害排放物有哪些？它们的生成原因是什么？n2、影响发动机有害排放物生成的主要因素有哪些？第五节第五节 有害排放物的控制有害排放物的控制 1）以降低排放为目标，通过改进发动机燃烧过程为主的机内处理方法。 2）对燃烧排出的有害物，在排气系统等处进行后处理。 3）对曲轴箱窜气或油蒸气部分进行处理。2）、3）又称为机外处理方法。控制措施分类控制措施分类 排气的

9、后处理是指气体排出发动机气缸以后，在排气系统中进一步减少有害成分的措施，主要指催化转换器。 包括用来减少HC和CO排放的氧化催化转换器；减少NOx排放的还原催化转换器；同时减少HC、CO及NOx排放的三元催化转换器；用于减少HC和CO的热反应器；。对于柴油机的碳烟微粒净化装置也属排气后处理。 一、排气的后处理一、排气的后处理 各类催化转换器均由金属外壳和活性催化材料组成。 常见的有两种结构形式：一类是整体陶瓷峰窝结构，它在作为载体的多孔性氧化铝陶瓷表面渗透一层活性催化剂；另一类是颗粒式结构，它将催化材料浸透在大量直径为23mm的多孔性陶瓷小球表面。 这两类转换器均应保证排气流畅，并使气流与催化

10、剂有较大的接触面积。但催化剂的材料不同，转换器的功能也不一样。 催化转换器的结构形式催化转换器的结构形式 氧化催化转换器的作用是把排气中的CO和HC氧化成CO2和H2O。由于贵金属内在活性高，低温时的活性损失小，同时抗燃料中硫污染的能力强，因此最适合于用作催化材料。目前应用最广泛的氧化催化材料是铂（Pt）和钯（Pd）的混合物。这些氧化催化剂的转换效率随温度而变化，如图所示。在温度足够高时使用新的催化剂，对CO的转换效率可达9899，对HC的转换效率可达95，但在温度低于25O300时，其转换效率急剧下降。 1氧化催化转换器氧化催化转换器 三元催化剂包含铂（Pt）和铑（Rh），PtRh在217的

11、范围内，此外还含有Al2O3、NIO、CeO2（氧化铈），用氧化铝作为载体材料。使用三元催化剂时，应将混合气成分严格控制在理论空燃比附近（1），这样催化剂才能促使CO及HC的氧化反应和NOx的还原反应同时进行，生成CO2、H2O及N2。而且，只有在接近理论空燃比的窄狭范围内，对这三种有害成分才有高的转换效率。这是目前车用汽油机上应用最广泛的机外净化措施（见图817）。 2三元催化转换器三元催化转换器图8-18所示为整体多孔陶瓷催化过滤器-燃烧器再生系统。微粒过滤器由多孔陶瓷材料制成，其过滤效率较高。在过滤器入口前，设置一燃烧器，靠泵及喷油器向燃烧器供给少量燃油，利用排气的氧或另外供给空气，用火

12、花塞或电热塞点燃，由高温燃气再烧掉微粒。一般经过12min后，即可完成再生过程，燃烧器停止工作。3柴油机微粒过滤及再生装置柴油机微粒过滤及再生装置 另外还有一类金属丝网过滤器一加浓排气的HC及CO组合系统（图8 19）。排气通过附有催化剂的金属丝网，由废气再循环或者调整喷油正时，促使排气中的HC及CO在催化作用下氧化，从而产生较高的热量将微粒烧掉。 发动机的前处理应包括防止汽油蒸发的措施，以及为降低NOx生成而采取的废气再循环的措施。 二、发动机的前处理二、发动机的前处理 为改善发动机低温起动时的排放性能，促进燃料汽化，在进气管入口处设置温度传感器，在进气温度较低时，通过进气负压开启热空气控制

13、阀，使排气管热量加热进气，当进气温度较高时，可自动切断。 对进气混合气进行预热的方法是，用排气管预热、水温预热或利用正温度效应（PTC）元件进行电加温，当温度到达一定值以后，PTC元件能自动停止对混合气的电加热。总之，对混合气预热及控制起动时的进气温度，能显著降低排气中CO及HC的浓度。 1进气温度控制和混合气预热系统进气温度控制和混合气预热系统 从空气滤清器引出一股新鲜空气进入曲轴箱，再经流量调节阀（PCV阀）把窜入曲轴箱的气体和空气的混合气一起吸入气缸烧掉。PCV阀是用真空操作和一个可变喷嘴控制的阀。其作用是在怠速、低速小负荷时减少送入气缸的抽气量，避免混合气过稀而造成失火。在节气门全开时

14、，即进气管真空度低，气缸窜气量大时，提供足够的流量。这种系统在一些国家的法规上规定必须采用。 2曲轴箱强制通风封闭系统（曲轴箱强制通风封闭系统（PCV系统）系统） 从油箱蒸发出来的油蒸气，贮气罐流入炭罐被活性炭所吸附。当发动机工作时，由进气负压控制开启净化控制阀，在罐内被吸附的油蒸气与从炭罐下部流入的空气一起被吸入进气管。 3油蒸气吸附装置油蒸气吸附装置 使少量废气（520）再次循环进入气缸，降低燃烧温度，可抑制NOx生成。应根据不同工况决定是否采用废气再循环，或确定废气再循环量的多少。例如，在汽油机暖机过程中，在怠速及低负荷时，在高负荷、高转速或油门全开时，一般不进行废气再循环，并要求随着负

15、荷增加，废气再循环量应增加到允许的限度。根据工况不同，利用计算机控制废气再循环（EGR）阀的开度，可以获得较高的控制精度。在严格控制NOx排放的国家，废气再循环（EGR）装置已成为净化NOx的主要方法。 4、废气再循环装置（、废气再循环装置（EGR） 以日产 VG20发动机采用 ECCS（Electronic Concentrated engine Control System）电子式发动机集中控制系统为例，说明排放治理的具体实践。这种控制方式由一台微机控制以适应发动机所有的运转工况，使燃料喷射、点火时刻、怠速、排气净化均处于最佳状态，由于有了AF的最优控制，因而不需要设置废气再循环（EGR）

16、装置。 图824为该系统的净化措施。 三、应用举例三、应用举例 l）发动机改造：包括改进燃烧室、设置汽油喷射系统、可变进气控制、进气管加温、配气相位设计等。 2）三元催化反应器：使用铂（Pt）和铑（Rh）材料、整体式。 3）空燃比（AF）反馈控制装置：由氧（O2）传感器及电控单元（ECU）进行理论空燃比的反馈控制，在低温、怠速、高负荷等工况下，由传感器和开关信号给出停止反馈控制。对于 AF的微小变化以及急速瞬变工况，可以快速对空燃比进行智能修正。 4）减速时断油装置 5）点火时刻控制装置：根据运行状态，从电控单元储存的点火时刻中选择最佳点火时刻及通电时间，还进行爆震反馈控制。 6）怠速控制：使

17、用步进电机式的辅助空气控制阀（AACV）及电控单元，控制怠速及减速时补充空气，以实现怠速转速的最佳控制。 7）排气温度报警 8）汽油蒸气吸附装置：活性炭罐式。 9）曲轴箱强制通风封闭系统。第六节第六节 排放法规与试验方法排放法规与试验方法 从20世纪60年代开始，世界各国及地区相继以法律形式对汽车排出的有害成分予以强制性限制。其中，美国、日本及欧洲经济委员会（ECE）对汽车排放的限制尤为严格。目前，这些国家的法规中对排放测试的装置、分析仪器、取样方法等，大都取得了一致，所不同的是，车辆试验的规范（即行驶循环的工况曲线）及对有害排放物的最大容许限值不同。 一、各国排放法规简介一、各国排放法规简介

18、 现以轿车及轻型车辆的排放法规为例加以说明。各国对汽车排放的测试方法都是根据相同的原理：在底盘测功机（转鼓试验台）上模拟其特定行驶循环（被认为足以代表某特定地区的行驶情况），并测定所排出有害物质的量，测功机可调节得使制动功率相当于在实际道路上遇到行驶阻力时发出的功率，而用惯性质量模拟汽车质量。 在取样方法上，1987年欧洲经济委员会开始改用定容取样（CVS）法，现在美国、日本、欧洲都采用了这种统一的取样方法。 所谓定容取样，是一种接近于汽车排气扩散到大气中实际状态的取样方法，又称为变稀释度取样法。它是将排气与稀释气体相混合，再以固定不变的容积流量输入分析系统，用以测定排气成分的真实浓度。该法易

19、于进行连续测量以及对有害成分质量排放率的自动实时计算。 各国采用的分析仪器大致相同。测定CO及CO2浓度的标准方法是采用不分光红外线分析仪（NDIR），测定HC含量的标准方法是氢火焰离子分析仪（FID），测定NOx的标准方法是化学发光分析仪（CLD）。 在模拟行驶工况的试验规范及排放限值上，各国是不相同的。例如，目前美国对于轿车及轻型车采用的试验规范是美国环保局 EPA LA4CH冷热起动工况法，日本现行的排放法规是10工况热起动行驶循环法和11工况冷起动行驶循环法，欧洲经济委员会现行采用的是ECE15工况法。 自 1996年起，欧洲采用新的试验规范91441EGW（图825）。 为了评定2.

20、7t以上重型车用柴油机的排放水平，美国制定了13工况法，这原是一种稳态的台架试验规范，但实际上车用发动机在起动、瞬态等工况下的排放比稳态时严重，从1984年12月起，美国重型柴油机排放试验改用瞬态过渡试验规范。日本对车用柴油机原采用6工况法，目前也广泛使用美国的13工况法。欧洲1980年在ECE法规中提出了对重型柴油机车辆的排放限制，试验循环为13工况法，与美国的13工况法十分相近。 我国轻型汽车是指使用点燃式四行程发动机或压燃式发动机、最大总质量为4003500kg、最大设计车速不小于50kmh的轿车、客车和货车。 排气污染物的测试是在底盘测功机上进行的。 二、我国汽车的排放法规二、我国汽车

21、的排放法规 我国轻型汽车试验程序由15个工况组成（包括怠速、换档、等速及减速等工况），每次试验重复4个循环，工况运转循环示意图见图826，整个试验的平均速度为19km/h，有效行驶时间为195s，每循环理论行驶距离为1.013km，试验当量距离（4个循环）为4.052km。 1. 试验规范试验规范 我国规定的排气取样系统应该是定容取样系统（CVS）。该系统是将车辆的排气用周围空气在受控制的条件下连续地稀释，探头S1采集环境空气，探头S2采集稀释排气的样气，定容取样系统能计量稀释排气的总容积，并能连续地按规定容积比例将样气收集在取样袋中待分析用。 2排气取样系统排气取样系统 规定CO、CO2应采

22、用不分光红外线吸收型（ NDIR） 分 析 仪 ， HC应 采 用 氢 火 焰 离 子 型（FID）分析仪，NOx应采用化学发光型（CLD）分 析 仪 或 者 采 用 不 分 光 紫 外 线 共 谐 吸 收 型（NDUVR）分析仪，两者均需带有NOxNO转换器。 3分析仪器分析仪器红外线是波长为0.8600um（工业上多用215um）的电磁波。多数气体对一定波长的红外线具有吸收能力，其吸收能量与气体浓度有关，例如CO能吸收波长4.55um的红外线。由此， NDIR的基本原理如图 828所示。 （1）不分光红外线吸收型分析仪（）不分光红外线吸收型分析仪（NDIR） 由光源发出两束能量相等的平行红

23、外线，其波长为27um，进入左右两室，左室为基准室，充满不吸收红外线的标准气体如N2，右室为分析室，测量开始前也充入与左室相同的气体，这样红外线穿过两室，射入检测电容器的能量相等。测量时将待测气体通过分析室，由于待测气体吸收红外线，使穿过右室的红外线能量减少，则检测器中金属薄膜右侧的压力减小，薄膜向右凸起，电容量减少，并且正比于待测气体的浓度；然后把电容量调制为超低频交流电压的信号，经放大、整流后在记录仪上显示。 FID工作原理是利用有机HC在氢火焰的高温（约2000）中燃烧，一部分分子或原子就会离子化而生成自由离子；在外加电场作用下，离子向两极移动，形成离子电流，其电流大小与待测气体的流量和

24、浓度成正比。据此原理制成的FID简图示于图829。由于HC中各组成沸点不同以及为消除水的影响，在直接取样时应加热，一般汽油机为150左右，柴油机在200以上。 FID分析仪可测从几个到50000ppm浓度的HC，而且线性好，不受其它气体干扰，反应速度高。 （2）氢火焰离子型分析仪（）氢火焰离子型分析仪（FID） 化学发光法原理如下： NOO3NO2*+O2 NO2*NO2十hv 当气样中的NO和O3（臭氧）反应生成NO2时，大约有10的NO2处于激化状态（以NO2*表示）。这些激态分子向基态过渡时，发射出波长0.59-2.5um的光量子hv，其强度与NO量成正比。利用光电倍增管将这一光能转变为电信号输出，可推算出NO浓度。CLD工作示意图见830。排气中的NO2要在NO2NO转换器中转换成NO，再与O3反应。 CLD灵敏度高，响应性好，其感度可为0.1ppm。在10000ppm范围内输出特性为线性关系，适用于连续分析。（3）化学发光型分析仪（）化学发光型分析仪（CLD）