第八章 内燃机污染物的生成与控制

第八章内燃机污染物的生成与控制第一节概述第二节污染物的生成机理和影响因素第三节内燃机的排放控制第四节内燃机的排气后处理第五节排放法规第六节OBD技术简介第一节概述内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时，如果不考虑燃料中的微量杂质的话，将只产生二氧化碳(和水蒸气(H2O)。水在地球上大量存在，内燃机排出的水分不会对地球水循环构成重大影响。至于CO2，过去并不认为它是一种污染物，但因为含碳化石燃料的大量使用，使地球的碳循环失衡。大气中的CO2体积分数已从工业时代开始时的2.8×10-4增加到现在的3.85×10-4左右，加剧了“温室效应”，引起全人类的关注。第二节污染物的生成机理和影响因素一、一氧化碳二、碳氢化合物三、氮氧化物四、颗粒物一、一氧化碳图8-1点燃机用11种不同H/C比的燃料时的CO排放量与空燃比A/F一、一氧化碳图8-2二、碳氢化合物(1)排气在缸内工作过程中生成并随排气排出，称为HC的排气排放物，主要是在燃烧过程中未来得及燃烧或未完全燃烧的燃料或润滑油。(2)曲轴箱从燃烧室通过活塞与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气，含有大量HC。(3)蒸发从汽油机和其他轻质液体燃料点燃机的燃油系统，即从燃油箱、化油器、燃油管接头等处以及停车后进气管中的油膜蒸发的燃油蒸气，如果进入大气，同样构成HC排放物，称为蒸发排放物。三、氮氧化物图8-3三、氮氧化物0804.TIF三、氮氧化物图8-5柴油机两种转速在不同负荷下的NA/F自然吸气直喷柴油机，6×102mm×118mm16.5三、氮氧化物图8-6CO、HC、N四、颗粒物图8-7烃类燃料燃烧时碳烟DS生成的温度T生成区内点的密度定性表示碳烟相对生成量四、颗粒物图8-8关系(试验用柴油机同图8-5)第三节内燃机的排放控制一、点燃式内燃机二、压燃式内燃机第三节内燃机的排放控制图8-9曲轴箱强制通风(PCV)系统1—空气滤清器2—化油器3—PCV阀4—进气管5—排气管6—闭式呼吸口7—通风管8—补气管9—气缸盖罩一、点燃式内燃机(一)曲轴箱排放物的控制㊀(二)蒸发排放物的控制㊀(三)冷起动、暖机和怠速排放控制㊀(四)低排放燃料供给系统(五)低排放点火系统(六)低排放燃烧系统(七)排气再循环(一)曲轴箱排放物的控制㊀图8-10PCV阀的构造和工作原理(一)曲轴箱排放物的控制㊀图8-11发动机窜气流量特性(二)蒸发排放物的控制㊀图8-12活性炭罐式汽油蒸发排放控制系统a)系统简图b)化油器控制阀c)膜片阀1—空气滤清器2—化油器平衡孔3—化油器浮子室4—化油器控制阀5—膜片阀6—液气分离器7—带双向弹簧阀的油箱盖8—燃油箱9—活性炭罐10—炭罐清除单向阀11—发动机进气管(二)蒸发排放物的控制㊀图8-13车用汽油机电控燃油蒸发排放物控制系统框图1—电控器2—清除空气滤清器3—发动机进气管4—清除电磁阀5—泄漏检测泵6—活性炭罐7—燃油箱(三)冷起动、暖机和怠速排放控制㊀图8-14活性炭罐清除电磁阀构造1—电磁线圈2—橡胶缓冲挡块3—铁心4—橡胶密封唇5—接进气管接头6—接炭罐接头7—回位弹簧(四)低排放燃料供给系统图8-15车用汽油机在部分负荷下，点(上止点前)对燃油消NHC排放的影响(五)低排放点火系统点火系统的性能，如点火正时脉谱和点火能量特性，对点燃机的燃烧有重要作用，从而影响发动机的性能和排放。为使点燃机高效节能、动力强劲、排放最低，要求点火可靠，正时优化。如果某缸失火，该缸内的所有燃料均将直接进入排气管，使发动机的HC排放突然出现很大的峰值，时间平均或累计HC排放量也相应增加。点火可靠性主要取决于点火能量，当然也要求火花塞工作可靠。(六)低排放燃烧系统不论是从改善动力性、经济性出发，还是从降低排放出发，对点燃机燃烧系统的要求都是一致的，归根结底，就是应尽可能使燃烧系统紧凑。另外，从比排放量指标看，凡是提高发动机比功率而不相应增加排放量的措施，就是低排放措施。(七)排气再循环1)发动机暖机过程中，充量温度较低，NOx排放量不大，为防止排气回流破坏燃烧的稳定性，一般在发动机冷却液温度低于50℃时不进行EGR。2)发动机怠速和小负荷运转时，NOx排放量也不大，一般也不进行EGR。3)由于NOx排放量随发动机负荷增大而显著增加，EGR率应随负荷增大而相应增加。4)接近全负荷时，为使发动机保持足够的动力性能，即使NOx排放量很大，也不允许进行EGR。5)为了实现EGR的最佳效果，要保证各缸的EGR率一致。(七)排气再循环图8-16EGR率对点燃机中等负荷N充量系数0.5，转速1600r/min，点火正时MBT图8-17车用汽油机的EGR控制系统框图a)真空控制机械式EGR系统b)电控真空驱动EGR系统c)闭环电控EGR系统1—真空驱动EGR阀2—排气管3—发动机4—进气管5—温控阀6—电控真空调节器7—电控器8—EGR阀位置传感器9—电磁式EGR阀图8-18带阀位传感器的线性位移电磁式EGR阀结构实例二、压燃式内燃机(一)增压(二)低排放燃油喷射系统(三)气流组织和多气门技术(四)低排放燃烧室(五)排气再循环(一)增压增压是提高柴油机功率密度的主要手段。增压在车用柴油机上的应用的最大推动力来自排放控制的压力。现在，不仅重型车用柴油机，而且中型、轻型车，甚至轿车用柴油机几乎都采用增压，而且增压度越来越高，增压加中冷的应用越来越多。(二)低排放燃油喷射系统1.喷油正时的控制2.循环喷油量的控制3.优化喷油规律4.低排放喷油器5.提高喷油压力1.喷油正时的控制•喷油正时对柴油机的性能和排放有显著的影响(图8-6)，推迟喷油是降低柴油机NOx的最有效的而且最简单易行的办法。在常用的喷油提前角θinj范围内，θinj每减小1°(CA),NOx的排放量可减少20%左右。但是，推迟喷油是否可行还必须考虑PM排放和燃油消耗恶化的程度，进行最优的折中。•传统的机械式喷油泵，其喷油正时控制的灵活性受到很大限制。电子控制的应用使正时的控制得心应手。例如，在高压油路中设置一个电磁阀就可解决这一问题。2.循环喷油量的控制柴油机的循环喷油量当然要随负荷的增大而增加，同时要根据转速的变化进行适当的调节。电控喷油系统可以给出各种需求的调速特性。各缸循环喷油量的均匀性要给予关注：小负荷时喷油量的不均匀性往往导致HC排放量增加，大负荷时喷油量的不均匀性导致PM排放加剧。3.优化喷油规律喷油规律对直喷射式柴油机的燃烧过程的进展(热力学上的表现为放热规律)有重大的影响。低排放柴油机的供油规律应为初期缓慢、中期急速、后期快断。初期喷油速率低以抑制在滞燃期内形成的可燃混合气量，减小预混合燃烧分量，降低初期燃烧速率，以达到降低压力升高率和最高燃烧压力和温度、抑制NOx的生成及降低燃烧噪声的目的。在喷油中期应急速喷油，即尽快达到较大的最高喷油速率，以加速扩散燃烧，防止DS大量生成和热效率的恶化。在喷油后期要迅速结束喷射，以避免低的喷油压力使燃油雾化变差，导致燃烧不完全，使HC和SOF排放量增加。先缓后急的喷油规律，在某种程度上可通过双弹簧喷油器实现。4.低排放喷油器图8-19压力室结构不同的喷嘴a)标准压力室喷嘴b)小压力室喷嘴c)无压力室喷嘴5.提高喷油压力柴油机中的燃油喷雾细度取决于很多因素，如喷油压力(即喷孔前后的压力差)、喷嘴结构和几何特性、燃油的粘度和表面张力等物性参数、喷入空间的介质密度等。喷油压力越高，喷孔直径越小，喷孔对油流初始扰动越大，燃油的粘度和表面张力越小，介质密度越大，燃油喷雾就越细。在其他因素不能有很大变化的条件下，改善喷雾细度的最有效手段是提高喷油压力(三)气流组织和多气门技术图8-20重型车用柴油机各种燃烧系统燃料经济性和排放性的比较6缸，排量10L，每缸4气门，增压中冷方案Ⅰ：缩口深坑燃烧室，5135MPa，有进气涡流方案Ⅱ：缩口深坑燃烧室，7135MPa，进气涡流强度减半方案Ⅲ：敞口浅平燃烧室，8150MPa，进气涡流强度减半方案Ⅳ：敞口浅平燃烧室，8180MPa，零涡流(四)低排放燃烧室设计直喷式燃烧室时，首先要尽可能增大燃烧室的有效容积比，以提高缸内空气利用率，降低DS和PM排放。为此，首先要避免采用短行程结构。现已确认，长行程、低转速的柴油机，其燃料经济性和排放性比短行程、高转速的柴油机好。为了弥补长行程机动力性的不足，可以采用增压或提高增压度加以解决。现代车用高速柴油机的行程缸径比S/D已增大到1.2～1.3，而传统的数值是1.0～1.2。此外，为提高有效容积比，要尽可能缩小活塞顶面到气缸盖底面之间的余隙。为此，要提高机体、活塞、连杆和曲轴等主要零件与此余隙相关的尺寸的加工精度，减小气缸盖衬垫压紧厚度的公差。(五)排气再循环1)用排气脉冲阀6(图8-21a)。2)用节流阀7对进气进行节流(图8-21b)。3)在进气系统中装一个文丘里管8(图8-21c)。4)用专门的EGR泵(图8-21d)。5)用可变喷嘴的涡轮增压器VNT(图8-21e)。(五)排气再循环图8-21增压中冷柴油机的EGR系统a)用排气脉冲阀的EGR系统b)用进气节流阀的EGR系统c)用文丘里管的EGR系统d)用EGR泵的EGR系统e)用VNT涡轮增压器的EGR系统1—电控器2—中冷器3—柴油机4—涡轮增压器5—EGR阀6—排气脉冲阀7—节流阀8—文丘里管9—文丘里管旁通阀10—EGR冷却器11—带EGR泵的涡轮增压器12—VNT涡轮增压器第四节内燃机的排气后处理一、三效催化转化器二、氧化催化转化器三、富氧降NOx催化转化器四、柴油机排气颗粒物捕集器一、三效催化转化器(一)催化反应机理(二)催化转化器的构造(三)催化转化器的工作特性(一)催化反应机理图8-22三效催化转化器的构造1—外壳2—减振密封衬垫3—催化剂(二)催化转化器的构造图8-23车用催化剂的典型结构1—堇青石陶瓷峰窝载体2—γ-A性涂层3—催化活性物质(三)催化转化器的工作特性1.空燃比特性2.起燃特性3.空速特性4.流动特性5.耐久特性1.空燃比特性图8-24化器转化效率η影响2.起燃特性图8-25三效催化剂的起燃温度特性3.空速特性催化剂的空速SV定义为单位催化剂体积的被催化气体体积流量，其单位为s-1或h-1，具体视流量单位中所用的时间单位而定。SV的大小实际上表示反应气体在催化剂中的停留时间tr。SV越高，tr越短，会使转化效率降低。实际上都希望用体积较小的催化剂实现较高的转化效率，以降低成本，这就要求催化剂有很好的空速特性，至少在SV＝30s-1内保持高的转化效率。一般，催化剂体积与发动机排量之比为0.5～1.0。4.流动特性•催化转化器给发动机排气系统增加了阻力，加大排气背压，导致发动机的动力性与经济性恶化。一般要求催化转化器的流动阻力不超过5kPa。•催化转化器的流动阻力主要由蜂窝载体的细小孔道引起。排气在催化剂孔道内的流动是层流，其阻力与流速、孔道长度成正比，与孔道面积成反比。从降低阻力角度，减小孔道密度是有利的，但这不利于转化效率，所以实际的发展趋势正相反。兼顾效率和阻力的最佳途径是减小孔道之间的壁厚。目前，蜂窝陶瓷制造工艺上可能的最小壁厚为0.1mm左右。在这方面金属载体有优势。5.耐久特性图8-26催化剂的失活对其起燃温度特性的影响1—新鲜催化剂2—活性位损失3—扩散不畅4—严重覆盖和堵塞二、氧化催化转化器对车用四冲程汽油机来说，早期的氧化催化转化器因不能有效控制NOx的排放已被三效催化转化器淘汰。但是，对于稀燃发动机来说，NOx排放较少，而未燃HC排放较多，氧化催化转化器还有用武之地，如稀燃天然气发动机一般采用氧化催化转化器。对氧化催化剂的要求不像三效催化剂那样严格，用Pt或Pd就很好，不必用最昂贵的Rh，甚至不含贵金属的配方也可考虑。三、富氧降NOx催化转化器1.稀燃汽油机用NOx催化转化器2.柴油机用NOx催化转化器1.稀燃汽油机用NOx催化转化器稀燃汽油机，特别是分层充量高度稀燃的汽油机，可提高燃料经济性，同时减少CO2排放。NOx排放在ϕa=1.1～1.2时达到极大值，此后逐渐减少，但仍不能满足法规要求。2.柴油机用N