排放控制

第六章汽油机排放控制技术第一节汽油机废气机内净化措施精确的混合气制备精确的点火定时与可靠的点火系统汽油机稀燃与快速燃烧系统汽油机结构参数的优化废气再循环进气恒温装置蒸发控制系统曲轴箱通风装置汽油机排放控制的发展历程1964年开始使用闭式曲轴箱通风。1973年起使用热转换器（氧化转换器）。1975年起使用三效催化转换器。1976年起使用三效催化转换器与氧（）传感器，需要时再加上废气再循环，空气二次喷射技术。1980年代，稀燃、分层发动机技术开始应用1990年代，汽油直喷技术开始应用2000年以后，CAI技术开始研究降低有害气体排放的措施与效果一、精确的混合气制备化油器：利用流体力学的原理，基本上满足了汽油机各工况对混合气浓度的复杂要求，堪称技术的奇迹。但随着排放法规的逐步严格，需利用三效催化转换器来降低汽油机排放，而三效催化转换器在过量空气系数等于1时，才能有效地降低汽油机中3种有害成分的排放，因此化油器完成了其历史使命，逐步退出历史舞台。进气道汽油喷射（EFI）：根据进气流量喷入响应的燃油，这样控制喷油量比较精确，比较容易根据汽油机运转状态进行过量空气系数的优化，有效控制有害排放物的生成。缸内汽油喷射（GDI）：将汽油用高压直接喷入气缸，空气计量与燃油喷射量都是电子控制，对过量空气系数的控制也非常精确，因而能有效地控制汽油机有害排放物地生成。二、精确的点火定时与可靠的点火系统点火定时与点火能量对火焰传播有决定性影响，因此，对汽油机燃油消耗和排气污染物排放有很大影响。点火能量的提高可以扩大混合气着火界限，提高汽油机稀混合气运转的能力，同时也可以提高汽油机的废气再循环量，降低NOx排放，提高部分负荷时的发动机功率。采用电子式无触点系统可以根据汽油机转速与负荷优化控制汽油机的点火定时，进一步提高汽油机性能。与爆震传感器结合，还可以根据环境条件的变化来改变点火定时，壁面爆震的发生。三、汽油机稀燃与快速燃烧系统稀薄燃烧技术是汽油机提高部分负荷经济性与降低排放的有效措施。四、汽油机结构参数的优化对汽油机排放影响较大的结构参数：–燃烧室；–压缩比–行程缸径比；–气缸容积。１、部分负荷火花塞位置对油耗和HC的影响火花塞中置，缩短了火焰传播距离，降低了爆震危险，使得汽油机压缩比可以提高，油耗降低；另外，多气门汽油机燃烧室比较紧凑，紧凑的燃烧室具有冷激表面小，降低HC排放。２、面容比对HC排放的影响面容比是衡量燃烧室结构紧凑与否的重要指标，小面容比燃烧室有利于降低HC排放。３、行程缸径比S/D及气缸容积Vh对降低汽油机排放的影响研究表明，长行程汽油机燃烧速度快，点火定时可以相对后移。长行程汽油机的最高放热率大，燃烧温度高，这些因素有利于降低汽油机的HC排放和燃油消耗，这些优点在低负荷时更为明显。由于长行程汽油机的燃烧特点，提高了汽油机的抗爆震能力，使汽油机的压缩比可以进一步提高。在同样压缩比条件下，长行程汽油机优化燃烧室的条件也比较好。气缸容积越大，面容比越小，气缸相对散热面积越小。长行程与大气缸汽油机的NOx排放也会增大。行程缸径比S/D及气缸容积Vh对HC、指示效率的影响五、真空式进气恒温装置进气温度变化影响空燃比，汽车机动性很大，可行驶在大气温度各异的地区。为此有必要使进气温度恒定，使有害排放物维持在允许的水平。真空式进气恒温装置是在排气管周围设置一个金属罩盖，用管子接到进气管上。根据进气时设置在空气滤清器内的温度传感器（常为双金属片）感受的进气温度高低，断开或接通进气管内的真空度与真空马达压力室的通路，从而控制与真空马达相连的控制阀的开度，控制排气管周围热气与冷空气的比例，来控制进气温度。六、活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统供油系统中由于温度变化，再加上汽油是益挥发性液体，燃油容易蒸发到大气中。常用活性炭罐作为汽油蒸汽的暂存空间。发动机不运转时，来自燃油系统、油箱等的汽油蒸汽进入活性炭罐被吸附在活性炭上；当发动机运转时，利用进气管真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸汽与进入炭罐的新鲜空气一起吸入燃烧室烧掉。七、曲轴箱强制通风装置当汽油机运转时，燃烧室中高压可燃混合气和已燃气体或多或少会通过活塞组和气缸之间的间隙，进入曲轴箱。为防止曲轴箱压力过高，早期发动机直接将曲轴箱与大气相通。为控制通风中大量未燃HC进入大气，对曲轴箱进行强制通风。在C管中装有闭式呼吸口6，它与空气滤清器1中的净气室相通，新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱，和曲轴箱的窜气混合，经气缸盖罩通入A管，通过计量阀3控制后。吸入进气管4，从而实现窜气的再燃烧。曲轴箱强制通风计量阀（PCV阀）PCV阀是一个流通截面随阀两端压差变化而变化的单向阀。它根据弹簧力和进气管真空度的平衡情况启闭气体的通路。进气管真空度大时，就把阀芯吸向右方（a），气体流通截面变小，反之增大。第二节汽油机废气后处理技术二次空气喷射；排气热反应器；再次燃烧法（后燃法）；催化反应器。一、发动机对废气后处理技术的要求发动机机内净化措施往往与提高功率和经济性发生冲突，并且随着排放标准的不断严格，改善工作过程机内净化的余地越来越小。废气后处理器应满足：–较高的排气污染物转换效率；–较低的气体流通阻力。车用内燃机废气后处理器还要考虑：–较长的使用寿命；较小的体积；–不产生新的污染物；足够的机械强度；–较高的耐热性；容易维修；–可以接受的成本。二、二次空气喷射二次空气喷射是将新鲜空气喷射到排气门附近，使高温废气和新鲜空气接触混合，以使未燃HC、CO进一步燃烧。右图二次空气供给装置中，二次空气由发动机驱动的叶片式空气供给泵2，通过两根软管输送，一路从化油器6下侧经回火防止阀10进入进气管；另一路通过防止废气倒流的单向阀4，经空气分配管5，送到各缸排气门附近。三、排气热反应器排气热反应器一般和空气二次喷射共同使用。在过浓混合气状态下，可以在排气管紧挨排气门的地方加入氧化反应所需的空气，氧化反应热可提高排气温度。排气在高温中的滞留时间也是决定HC、CO净化效果的重要因素。为了加长这段时间，可以采用加大排气管容积和排气管绝热等措施。排气热反应器的使用效果净化效果在汽油机过量空气系数0.8～0.9，加入二次空气总过量空气系数在1.1。不能降低NOx排放。四、再次燃烧法（后燃法）再次燃烧法是在排气管中设置点火源，使排气中的CO、HC燃烧干净。后燃法类型：–只设置点火塞，用排气中未燃成分作燃料；–另外供给燃料形成火焰，用这种火焰作点火源（直接火焰式）。在此燃烧法不仅结构复杂而且增加燃料消耗，浪费能源，因此很少用。五、催化转换器类型催化剂可以提高一定类型的化学反应的速度，而不消耗本身。选择合适的催化剂可以使HC和CO的氧化反应在较低的温度下仍能顺利进行。根据不同类型汽油机，催化转换器大致有：–热转换器（氧化催化转换器）；–双床催化（氧化还原）催化转换器：缺氧双床催化转换器；富氧双床催化转换器。–三效催化转换器；–NOx吸附催化转换器。铅的作用：1）抑制爆震2）减少气门与座的磨损3）毒害催化剂（60升含铅汽油就使催化剂活性降低70％）１、热转换器（氧化催化转换器）热转换器是将排出的CO、HC等有害气体借助催化剂进一步氧化，以生成CO2和H2O。为使反应顺利进行的条件：–引入足够的O2；–转换器必须隔热并保持在600℃；–结构合理，有足够的反应时间；–控制燃烧最高温度，防止转换器烧坏。热转换器的温度保持在反应所需最低温度600℃，这样的温度不是所有工况都能达到，为此在Al2O3载体上覆盖一层多孔的活性涂层Al2O3，比面积超过100m2/g。再在涂层上用电解方法涂覆催化物质如Pt、Rh（还原剂）、Pd等贵金属（每个转换器消耗约1g贵金属），在催化剂的作用下，CO、HC的最低反应温度可降低到250℃。贵重金属用量为：1～2g/dm3。非贵重金属：CuO，NiO。起燃温度350℃热转换器工作原理氧化催化转换器对NOx无效，因此需要事先在燃烧室内对NOx进行削减。氧化催化方式有将空燃比设定在过浓区和稀薄区。将空燃比设在最大功率附近的过浓区，汽油机性能下降不多，但CO、HC则增加很多。因此用空气泵将空气送入排气中，使CO、HC在氧化催化转换器内进行稳定氧化反应。将空燃比设定在稀薄区，汽油机功率有所下降，但经济性好，CO和HC较少，二次空气量可减少。一般增加EGR对NOx进行净化。２、双床催化（氧化还原）催化转换器双床催化转换器是先利用排气中的还原气体CO、HC来还原NOx，然后在喷入二次空气以氧化CO和HC。缺氧双床催化转换器必须在浓混合气状态下运行，油耗高，很不经济，目前少用。富氧双床催化转换器汽油机的最低油耗点在富氧区，为了降低汽油机的燃油消耗率，稀燃汽油机重新兴起。这种汽油机不适合三效催化转换器，而采用富氧双床催化转换器。３、三效催化转换器三效催化转换器是一种能同时净化NOx、CO、HC3种有害气体排放的催化转换器，它是汽油机排气废气后处理种最有效的方法。为了同时处理这3种气体，必须保证NOx还原所需的CO、HC和H2等还原性气体和为保证CO、HC氧化反应所需的O2。所以允许的空燃比范围非常窄。右图是过量空气系数对三效催化转换器效率的影响曲线。NO+CO=1/2N2+CO2NO+H2=1/2N2+H2ONO+HnCmN2+H2O+CO2三效催化转化器的主要成分：Pt/Rh=2/7。其余为A2O3，NiO和CeO2三效催化转换器控制原理图三效催化转换器闭环控制系统为保证空气过量系数在当量比附近，三效催化转换器必须和传感器（氧传感器）结合构成的闭环控制系统。传感器测量排气中的氧含量，并将它转换成电信号输入调节器，调节器根据它来对根据进气流量传感器确定的燃油量进行校正，以保证实际过量空气系数变化在1%以内。三效催化转换器结构４、NOx吸附催化转换器三效催化转换器不能满足稀燃汽油机NOx的净化要求。可以采用NOx吸附催化转换器。转换器种含有贵金属和碱土金属作为活性成分，在稀混合气状态，NO在贵金属的催化作用下，被氧化成NO2，这样NOx都以NO2的形式出现，并和碱土金属结合，排气中的HC和CO被直接氧化成H2O和CO2。在达到碱土金属吸附极限前，将汽油机短暂进入浓混合气状态，使排气中产生足够的还原剂（CO、HC、H2等），与碱土金属中析出的NO2反应生成CO2和N2，这个过程叫NOx的吸附催化转换器的再生过程。第三节汽油机废气再循环技术废气再循环的主要目的是降低NOx排放。废气再循环同时稀释混合气（但很少改变过量空气系数），减少换气损失，提高汽油机经济性。在有足够氧气的条件下，内燃机NOx形成主要取决于发动机的燃烧温度。废气再循环是通过降低发动机燃烧温度，减少NOx排放的主要手段之一。废气再循环降低发动机燃烧温度的途径：–提高混合气的热容比，CO2的热容比是O2的1.5倍左右，废气成分的增加，使混合气热容比提高。–降低混合气O2的浓度，由于一部分空气被废气取代，混合气中O2的浓度响应减少。–降低燃烧速度，以上两种效应使发动机燃烧温度降低，增加了燃烧时的散热，降低了最高燃烧温度。一、废气再循环对汽油机NOx排放的影响二、汽油机废气再循环的种类内燃机废气再循环分为：–内部废气再循环，进、排气门重叠开启时，部分废气回流到气缸。双凸轮轴四气门或电磁气门控制汽油机可以通过可变进气相位，取得较好的废气再循环效果。–外部废气再循环，把经过冷却的废气引入进气管，与新鲜混合气（汽油机）或空气（柴油机）一起进入气缸。外部废气再循环一般应用于部分负荷，满负荷时应用废气再循环影响功率，怠速时应用废气再循环影响运转稳定性。外部废气再循环分为：–气电式废气再循环；–电磁式废气再循环。三、气电式废气再循环气电式废气再循环系统中，废气再循环量是由废气再循环阀的开度和紧排气管之间压力差共同决定的，它的控制是通过控制废气再循环阀5的位置来实现。该位置主要是由作用在阀顶端的膜片上的真空腔内的