吉林大学汽车构造第6章 发动机有害排放物的控制系统讲义

第六章发动机有害排放物的控制系统第一节汽车发动机的有害排放物第二节汽油机的排放控制装置第三节柴油机排气后处理装置第一节汽车发动机的有害排放物发动机的有害排放物：主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）和微粒排放。一、一氧化碳（CO）：碳氢燃料的不完全产物，人吸入后将降低血液吸收和运送氧气的能力。一氧化碳（CO）是碳氢燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。CO生成的机理比较复杂。氧气不足;产生原因：燃烧温度低；燃烧时间不足；混合不均。从化学当量的角度看，CO的生成率主要受混合气浓度c的影响。二、碳氢化合物（HC）：包括未燃和未完全燃烧的燃油和润滑油蒸汽。HC和NOx在阳光照射下形成光化学烟雾，其主要生成物是臭氧，具有强烈氧化性，对人类、环境危害极大。尾气HC占总量的60％；产生来源：曲轴箱窜气HC占总量的25％；供油系统的蒸气HC占总量的15％～20％左右。在燃烧过程中HC的生成途径：氧气不足、缝隙效应、激冷与淬熄。三、氮氧化物（NOx）：发动机排出的氮氧化物主要是NO（占95%），NO2排出量较少。高温；主要原因：富氧；滞留时间。四、微粒排放：主要指柴油机排气中的碳烟，其表面吸附的可融性有机物对人的呼吸道有害。（1）形成原因碳烟是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的。（2）危害0.1m以下的微粒对人体的危害最大，吸入肺叶后会吸附在肺细胞上，其中可溶性有机物、多环芳香烃等是致癌物质。汽油车排放的来源第二节汽油机的排放控制装置氧化催化转化装置一、催化转化装置还原催化转换装置三元催化转换装置1、氧化催化转化装置氧化转换器只将排气中的CO、HC氧化成CO2和H2O，又称为二元催化转换器，必须提供二次空气作为氧化剂。☆催化反应器→低温下使用三元催化转换器可以同时降低CO、HC和NOx的排放。它可以以排气中的CO和HC作为还原剂，将Nox还原成氮气（N2）和氧气（O2），而CO和HC则被氧化为CO2和H2O。当空燃比在理论空燃比A/F=14.7（a=1）附近时，氧化-还原反应达到平衡，CO、HC和NOx的排放同时达到最低。2、三元催化转化装置废气转化效率与a的关系（1）油品：催化转换器不能使用加铅汽油，会使催化剂失效；（2）排温：催化转换器仅在温度超过350C才起作用，因此，催化转换器都安装在温度较高的排气歧管后面附近；（3）混合气成分：混合气空燃比必须在14.7附近。混合气过浓或气缸缺火，都会使转换器过热。☆三元催化转换器使用原则二、降低低温HC排放装置1．直接催化将催化转化装置直接安装在排气管之后，加快催化剂的升温速度。对降低冷态下的HC很有效。存在的问题:由于催化转化装置安装在离发动机排气管尽可能接近的位置，所以受高温的影响，促进催化剂的热劣化，因此，需要提高催化装置的耐热性。2．利用电加热催化转化装置通过外部电力提前加热催化，电加热催化转化装置的主要缺点是耗电量大，耐久可靠性较差。3．二次燃烧装置这是一种将燃料的一部分或过浓混合气送到催化转化装置之前，由燃烧器点火燃烧促进催化的装置。这种方式的主要缺点是结构复杂。4．采用HC捕捉器三、稀薄NOx催化转化装置稀薄燃烧技术的空燃比大于理论空燃比，所以三元催化转化装置三元催化转换器不再适用。因此，专门开发出了稀薄混合气燃烧时的NOx催化转化装置。这种催化转化装置主要有NOx直接分解型：是一种在稀薄混合气下以HC为还原剂直接净化NOx的方式。NOx吸附还原型：是一种在稀薄燃烧时吸附NOx，在浓或者理论空燃比时将吸附的NOx进行还原净化的系统。四、排气再循环（EGR）系统废气再循环：把发动机排出的部分废气回送到进气管，并与新鲜混合气一起进入气缸。由于废气中含有大量的CO2，在不参与燃烧，却吸收了大量的热，因此，降低了最高燃烧温度，又使混合气中氧的成份降低，因此减少了NOx排放。废气再循环过多，会影响发动机怠速、低转速小负荷、暖机工况的运转稳定性，因此，必须根据发动机工况的变化控制废气再循环率（参与废气再循环的废气比例）。现代轿车发动机排气再循环（EGR）系统由电脑控制，主要由废气再循环阀（EGR阀）控制废气再循环的废气量。而EGR阀的开度大小由电磁阀和真空调节阀控制作用在EGR阀上真空膜片室内的进气管真空度大小，改变膜片的位置，就改变了EGR阀的开度大小，从而改变了废气再循环的废气量。排气再循环（EGR）结构组成及工作原理1-电控单元2-EGR阀3-真空电磁阀(VSV)4-三元催化器5-氧传感器6-水温传感器（1）低温、低速时不投入工作（2）高速、中等负荷时投入工作（3）大负荷时不投入工作1、汽油蒸发控制系统作用:防止燃油箱和化油器浮子室内的燃油蒸发（HC化合物）排入大气造成污染方法:将这些汽油蒸气收集和储存在活性炭罐内，在发动机工作时再将其送入气缸烧掉。发动机停机后，燃油蒸气进入炭罐，被活性炭吸附。发动机起动后，进气管真空度经真空软管10传送到限流阀8，膜片上移并将限流孔开启，新鲜空气自炭罐底部向上流过炭罐，与吸附在活性炭表面的汽油蒸气，经限流孔和汽油蒸气管9进入进气歧管。五、其他排放物的控制装置图6燃油蒸发（EVAP）控制系统1-汽油箱2-燃油泵3-蒸发阀4-双通阀5-碳罐6-EVAP控制电磁阀7-进气软管-节气门9-滤网10-量孔怠速时，传送到膜片上方的真空度很小，致使孔径较大的限流孔关闭，以免破坏怠速时混合气的空燃比；大负荷或高转速工况下，限流阀全开，大、小限流孔均开启。当发动机在中、小负荷下工作（水温75C）时，电脑给EVAP控制电磁阀提供搭铁回路，EVAP控制电磁阀开启，活性碳罐与进气管之间形成通路，新鲜空气即从活性碳罐下方的控制量孔进入活性碳罐，清除吸附在碳粒表面上的燃油蒸气，并与其一起通过进气管进入气缸内燃烧。发动机工作时，进气管真空度沿着曲轴箱气体软管所形成的通道，将进入空滤器的新鲜空气经空气软管吸入气缸盖罩内，再由缸盖和机体上的孔道进入曲轴箱，与曲轴箱气体混合后，经PVC阀进入进气管和气缸。2、强制式曲轴箱通风装置（PCV系统）恒温进气空气滤清器的结构见图6-1、图6-2所示。（进气管真空度作用在真空控制膜盒7上，控制控制阀8开大或关小）3、恒温进气第三节柴油机排气后处理装置1.柴油机排放特点2.EGR系统3.氧化催化转化器4.NOx还原催化转化器5.颗粒捕捉器（DPFDiesePraticulateFilter)特点：（1）无燃油蒸发排放问题；（2）与汽油机相比，HC和CO排放量少得多，而NOx排放处于同一量级；（3）有颗粒物（PM）排放问题。难点：（1）废气总是处于氧化氛围（过量空气系数大于1）中，NOx难以还原；（2）排气温度明显低于汽油机的排气温度，碳烟难以氧化；（3）排气中含有大量的SOx和微粒，容易导致催化剂中毒。低压回路方式直接联接压气机7入口端和废气涡轮5出口端来实现EGR的方法(图6-13a)。由于压气机7的入口处为负压，而废气涡轮5出口压力为正，所以通过联接适当的EGR回流管6，就可以很容易地实现EGR。但由于这种方式的废气直接流过压气机7和中冷器8，所以易造成压气机的腐蚀和中冷器的污染等。高压回路方式直接联接压气机后的中冷器8出口端和废气涡轮5入口端来实现EGR。由于这种EGR方式的废气不流过压气机和中冷器，所以不存在对压气机和中冷器的腐蚀和污染问题；但可实现的EGR率取决于排气压力和进气压力之差。特别是在中、大负荷时，由于增压进气压力提高，所以很难实现EGR。内部EGR方式利用进、排气管中的气体脉动进行EGR的方式。对发动机各工作循环，在进气管和排气管中气流的压力脉动都很大。在这种压力脉动的作用下，使某一缸在进气过程中，其排气门处出现正压波。此时，如果能再次开启排气门，就可实现EGR。在排气凸轮中除控制排气所需凸轮1(主凸轮)以外，又增设内部EGR专用凸轮2(EGR用凸轮)。通过这种机构，在进气过程中的适当时刻再次开启排气门3，使排出的废气回流到气缸内部，以实现EGR。内部EGR系统不需要排气节流，所以不影响泵气损失，因而对经济性无影响，同时不需要EGR阀以及EGR管路等，所以结构比较简单。内部EGR方式柴油机排气后处理装置颗粒捕捉器目的：（1）氧化剂可以转化可溶性有机组分（SOF）中的大部分碳氢化合物，从而达到降低微粒排放的效果；（2）进一步降低HC和CO的排放，包括乙醛等。要求：过滤材料：DPF再生方法：（1）高过滤效率；（2）低排气阻力；（3）耐高温。（1）陶瓷蜂窝载体；（2）陶瓷纤维编织物；（3）金属纤维编制物。（1）电加热再生；（2）燃烧器加热再生；（3）反吹式再生；（4）连续催化再生。颗粒捕捉器的过滤材料壁流式柴油机颗粒过滤器颗粒捕捉器再生系统颗粒捕捉器再生系统典型的柴油机排气后处理方案