內(nèi)燃機污染物的生成與控制

1、第八章內(nèi)燃機污染物的生成與控制第一節(jié)概述第二節(jié)污染物的生成機理和影響因素第三節(jié)內(nèi)燃機的排放控制第四節(jié)內(nèi)燃機的排氣后處理第五節(jié)排 放 法 規(guī)第六節(jié)OBD技術簡介第一節(jié)概述內(nèi)燃機用碳氫化合物燃料在燃燒室內(nèi)完全燃燒時，如果不考慮燃料中的微量雜質(zhì)的話，將只產(chǎn)生二氧化碳(和水蒸氣(H2O)。水在地球上大量存在，內(nèi)燃機排出的水分不會對地球水循環(huán)構成重大影響。至于CO2，過去并不認為它是一種污染物，但因為含碳化石燃料的大量使用，使地球的碳循環(huán)失衡。大氣中的CO2體積分數(shù)已從工業(yè)時代開始時的2.810-4增加到現(xiàn)在的3.8510-4左右，加劇了“溫室效應”，引起全人類的關注。第二節(jié)污染物的生成機理和影響因素一

2、、一氧化碳二、碳氫化合物三、氮氧化物四、顆粒物一、一氧化碳圖8-1點燃機用11種不同H/C比的燃料時的CO排放量與空燃比A/F及過量空氣系數(shù)的關系一、一氧化碳圖8-2典型的車用柴油機污染物排放量與總過量空氣系數(shù)的關系二、碳氫化合物(1) 排氣在缸內(nèi)工作過程中生成并隨排氣排出，稱為HC的排氣排放物，主要是在燃燒過程中未來得及燃燒或未完全燃燒的燃料或潤滑油。(2) 曲軸箱從燃燒室通過活塞與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱的竄氣，含有大量HC。(3) 蒸發(fā)從汽油機和其他輕質(zhì)液體燃料點燃機的燃油系統(tǒng)，即從燃油箱、化油器、燃油管接頭等處以及停車后進氣管中的油膜蒸發(fā)的燃油蒸氣，如果進入大氣，同樣構成HC排放物，稱

3、為蒸發(fā)排放物。三、氮氧化物圖8-3排氣中隨點火提前角三、氮氧化物0804.TIF三、氮氧化物圖8-5柴油機兩種轉速在不同負荷下的N排放和對應的空燃比A/F自然吸氣直噴柴油機，6102mm118mm，16.5三、氮氧化物圖8-6車用柴油機燃油消耗率、排氣煙度、氣體排放CO、HC、N隨噴油正時的變化趨勢四、顆粒物圖8-7烴類燃料燃燒時碳煙DS生成的溫度T和過量空氣系數(shù)條件生成區(qū)內(nèi)點的密度定性表示碳煙相對生成量四、顆粒物圖8-8柴油機顆粒物排放與負荷的關系(試驗用柴油機同圖8-5)第三節(jié)內(nèi)燃機的排放控制一、點燃式內(nèi)燃機二、壓燃式內(nèi)燃機第三節(jié)內(nèi)燃機的排放控制圖8-9曲軸箱強制通風(PCV)系統(tǒng)1空氣濾

4、清器2化油器3PCV閥4進氣管5排氣管6閉式呼吸口7通風管8補氣管9氣缸蓋罩一、點燃式內(nèi)燃機(一) 曲軸箱排放物的控制(二) 蒸發(fā)排放物的控制(三) 冷起動、暖機和怠速排放控制(四) 低排放燃料供給系統(tǒng)(五) 低排放點火系統(tǒng)(六) 低排放燃燒系統(tǒng)(七) 排氣再循環(huán)(一) 曲軸箱排放物的控制圖8-10PCV閥的構造和工作原理(一) 曲軸箱排放物的控制圖8-11發(fā)動機竄氣流量特性(二) 蒸發(fā)排放物的控制圖8-12活性炭罐式汽油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)a) 系統(tǒng)簡圖b) 化油器控制閥c) 膜片閥1空氣濾清器2化油器平衡孔3化油器浮子室4化油器控制閥5膜片閥6液氣分離器7帶雙向彈簧閥的油箱蓋8燃油箱9活性炭罐

5、10炭罐清除單向閥11發(fā)動機進氣管(二) 蒸發(fā)排放物的控制圖8-13車用汽油機電控燃油蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng)框圖1電控器2清除空氣濾清器3發(fā)動機進氣管4清除電磁閥5泄漏檢測泵6活性炭罐7燃油箱(三) 冷起動、暖機和怠速排放控制圖8-14活性炭罐清除電磁閥構造1電磁線圈2橡膠緩沖擋塊3鐵心4橡膠密封唇5接進氣管接頭6接炭罐接頭7回位彈簧(四) 低排放燃料供給系統(tǒng)圖8-15車用汽油機在部分負荷下，點火提前角(上止點前)對燃油消耗率和N、HC排放的影響(五) 低排放點火系統(tǒng)點火系統(tǒng)的性能，如點火正時脈譜和點火能量特性，對點燃機的燃燒有重要作用，從而影響發(fā)動機的性能和排放。為使點燃機高效節(jié)能、動力強勁、排

6、放最低，要求點火可靠，正時優(yōu)化。如果某缸失火，該缸內(nèi)的所有燃料均將直接進入排氣管，使發(fā)動機的HC排放突然出現(xiàn)很大的峰值，時間平均或累計HC排放量也相應增加。點火可靠性主要取決于點火能量，當然也要求火花塞工作可靠。(六) 低排放燃燒系統(tǒng)不論是從改善動力性、經(jīng)濟性出發(fā)，還是從降低排放出發(fā)，對點燃機燃燒系統(tǒng)的要求都是一致的，歸根結底，就是應盡可能使燃燒系統(tǒng)緊湊。另外，從比排放量指標看，凡是提高發(fā)動機比功率而不相應增加排放量的措施，就是低排放措施。(七) 排氣再循環(huán)1) 發(fā)動機暖機過程中，充量溫度較低，NOx排放量不大，為防止排氣回流破壞燃燒的穩(wěn)定性，一般在發(fā)動機冷卻液溫度低于50時不進行EGR。2)

7、 發(fā)動機怠速和小負荷運轉時，NOx排放量也不大，一般也不進行EGR。3) 由于NOx排放量隨發(fā)動機負荷增大而顯著增加，EGR率應隨負荷增大而相應增加。4) 接近全負荷時，為使發(fā)動機保持足夠的動力性能，即使NOx排放量很大，也不允許進行EGR。5) 為了實現(xiàn)EGR的最佳效果，要保證各缸的EGR率一致。(七) 排氣再循環(huán)圖8-16EGR率對點燃機中等負荷N排放的影響充量系數(shù)0.5，轉速1600r/min，點火正時MBT圖8-17車用汽油機的EGR控制系統(tǒng)框圖a) 真空控制機械式EGR系統(tǒng)b) 電控真空驅(qū)動EGR系統(tǒng)c) 閉環(huán)電控EGR系統(tǒng)1真空驅(qū)動EGR閥2排氣管3發(fā)動機4進氣管5溫控閥6電控真空

8、調(diào)節(jié)器7電控器8EGR閥位置傳感器9電磁式EGR閥圖8-18帶閥位傳感器的線性位移電磁式EGR閥結構實例二、壓燃式內(nèi)燃機(一) 增壓(二) 低排放燃油噴射系統(tǒng)(三) 氣流組織和多氣門技術(四) 低排放燃燒室(五) 排氣再循環(huán)(一) 增壓增壓是提高柴油機功率密度的主要手段。增壓在車用柴油機上的應用的最大推動力來自排放控制的壓力?，F(xiàn)在，不僅重型車用柴油機，而且中型、輕型車，甚至轎車用柴油機幾乎都采用增壓，而且增壓度越來越高，增壓加中冷的應用越來越多。(二) 低排放燃油噴射系統(tǒng)1.噴油正時的控制2.循環(huán)噴油量的控制3.優(yōu)化噴油規(guī)律4.低排放噴油器5.提高噴油壓力1.噴油正時的控制噴油正時對柴油機的性

9、能和排放有顯著的影響(圖8-6)，推遲噴油是降低柴油機NOx的最有效的而且最簡單易行的辦法。在常用的噴油提前角inj范圍內(nèi)，inj每減小1(CA),NOx的排放量可減少20%左右。但是，推遲噴油是否可行還必須考慮PM排放和燃油消耗惡化的程度，進行最優(yōu)的折中。傳統(tǒng)的機械式噴油泵，其噴油正時控制的靈活性受到很大限制。電子控制的應用使正時的控制得心應手。例如，在高壓油路中設置一個電磁閥就可解決這一問題。2.循環(huán)噴油量的控制柴油機的循環(huán)噴油量當然要隨負荷的增大而增加，同時要根據(jù)轉速的變化進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)。電控噴油系統(tǒng)可以給出各種需求的調(diào)速特性。各缸循環(huán)噴油量的均勻性要給予關注：小負荷時噴油量的不均勻性往

10、往導致HC排放量增加，大負荷時噴油量的不均勻性導致PM排放加劇。3.優(yōu)化噴油規(guī)律噴油規(guī)律對直噴射式柴油機的燃燒過程的進展(熱力學上的表現(xiàn)為放熱規(guī)律)有重大的影響。低排放柴油機的供油規(guī)律應為初期緩慢、中期急速、后期快斷。初期噴油速率低以抑制在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量，減小預混合燃燒分量，降低初期燃燒速率，以達到降低壓力升高率和最高燃燒壓力和溫度、抑制NOx的生成及降低燃燒噪聲的目的。在噴油中期應急速噴油，即盡快達到較大的最高噴油速率，以加速擴散燃燒，防止DS大量生成和熱效率的惡化。在噴油后期要迅速結束噴射，以避免低的噴油壓力使燃油霧化變差，導致燃燒不完全，使HC和SOF排放量增加。先緩后急的噴

11、油規(guī)律，在某種程度上可通過雙彈簧噴油器實現(xiàn)。4.低排放噴油器圖8-19壓力室結構不同的噴嘴a) 標準壓力室噴嘴b) 小壓力室噴嘴c) 無壓力室噴嘴5.提高噴油壓力柴油機中的燃油噴霧細度取決于很多因素，如噴油壓力(即噴孔前后的壓力差)、噴嘴結構和幾何特性、燃油的粘度和表面張力等物性參數(shù)、噴入空間的介質(zhì)密度等。噴油壓力越高，噴孔直徑越小，噴孔對油流初始擾動越大，燃油的粘度和表面張力越小，介質(zhì)密度越大，燃油噴霧就越細。在其他因素不能有很大變化的條件下，改善噴霧細度的最有效手段是提高噴油壓力(三) 氣流組織和多氣門技術圖8-20重型車用柴油機各種燃燒系統(tǒng)燃料經(jīng)濟性和排放性的比較6缸，排量10L，每缸4

12、氣門，增壓中冷方案：縮口深坑燃燒室，5孔噴油器135MPa，有進氣渦流方案：縮口深坑燃燒室，7孔噴油器135MPa，進氣渦流強度減半方案：敞口淺平燃燒室，8孔噴油器150MPa，進氣渦流強度減半方案：敞口淺平燃燒室，8孔噴油器180MPa，零渦流(四) 低排放燃燒室設計直噴式燃燒室時，首先要盡可能增大燃燒室的有效容積比，以提高缸內(nèi)空氣利用率，降低DS和PM排放。為此，首先要避免采用短行程結構?，F(xiàn)已確認，長行程、低轉速的柴油機，其燃料經(jīng)濟性和排放性比短行程、高轉速的柴油機好。為了彌補長行程機動力性的不足，可以采用增壓或提高增壓度加以解決。現(xiàn)代車用高速柴油機的行程缸徑比S/D已增大到1.21.3，

13、而傳統(tǒng)的數(shù)值是1.01.2。此外，為提高有效容積比，要盡可能縮小活塞頂面到氣缸蓋底面之間的余隙。為此，要提高機體、活塞、連桿和曲軸等主要零件與此余隙相關的尺寸的加工精度，減小氣缸蓋襯墊壓緊厚度的公差。(五) 排氣再循環(huán)1) 用排氣脈沖閥6(圖8-21a)。2) 用節(jié)流閥7對進氣進行節(jié)流(圖8-21b)。3) 在進氣系統(tǒng)中裝一個文丘里管8(圖8-21c)。4) 用專門的EGR泵(圖8-21d)。5) 用可變噴嘴的渦輪增壓器VNT(圖8-21e)。(五) 排氣再循環(huán)圖8-21增壓中冷柴油機的EGR系統(tǒng)a) 用排氣脈沖閥的EGR系統(tǒng)b) 用進氣節(jié)流閥的EGR系統(tǒng)c) 用文丘里管的EGR系統(tǒng)d) 用E

14、GR泵的EGR系統(tǒng)e) 用VNT渦輪增壓器的EGR系統(tǒng)1電控器2中冷器3柴油機4渦輪增壓器5EGR閥6排氣脈沖閥7節(jié)流閥8文丘里管9文丘里管旁通閥10EGR冷卻器11帶EGR泵的渦輪增壓器12VNT渦輪增壓器第四節(jié)內(nèi)燃機的排氣后處理一、三效催化轉化器二、氧化催化轉化器三、富氧降NOx催化轉化器四、柴油機排氣顆粒物捕集器一、三效催化轉化器(一) 催化反應機理(二) 催化轉化器的構造(三) 催化轉化器的工作特性(一) 催化反應機理圖8-22三效催化轉化器的構造1外殼2減振密封襯墊3催化劑(二) 催化轉化器的構造圖8-23車用催化劑的典型結構1堇青石陶瓷峰窩載體2-A活性涂層3催化活性物質(zhì)(三) 催

15、化轉化器的工作特性1.空燃比特性2.起燃特性3.空速特性4.流動特性5.耐久特性1.空燃比特性圖8-24過量空氣系數(shù)對三效催化轉化器轉化效率影響2.起燃特性圖8-25三效催化劑的起燃溫度特性3.空速特性催化劑的空速SV定義為單位催化劑體積的被催化氣體體積流量，其單位為s-1或h-1，具體視流量單位中所用的時間單位而定。SV的大小實際上表示反應氣體在催化劑中的停留時間tr。SV越高，tr越短，會使轉化效率降低。實際上都希望用體積較小的催化劑實現(xiàn)較高的轉化效率，以降低成本，這就要求催化劑有很好的空速特性，至少在SV30s-1內(nèi)保持高的轉化效率。一般，催化劑體積與發(fā)動機排量之比為0.51.0。4.流

16、動特性催化轉化器給發(fā)動機排氣系統(tǒng)增加了阻力，加大排氣背壓，導致發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性惡化。一般要求催化轉化器的流動阻力不超過5kPa。催化轉化器的流動阻力主要由蜂窩載體的細小孔道引起。排氣在催化劑孔道內(nèi)的流動是層流，其阻力與流速、孔道長度成正比，與孔道面積成反比。從降低阻力角度，減小孔道密度是有利的，但這不利于轉化效率，所以實際的發(fā)展趨勢正相反。兼顧效率和阻力的最佳途徑是減小孔道之間的壁厚。目前，蜂窩陶瓷制造工藝上可能的最小壁厚為0.1mm左右。在這方面金屬載體有優(yōu)勢。5.耐久特性圖8-26催化劑的失活對其起燃溫度特性的影響1新鮮催化劑2活性位損失3擴散不暢4嚴重覆蓋和堵塞二、氧化催化轉化器對

17、車用四沖程汽油機來說，早期的氧化催化轉化器因不能有效控制NOx的排放已被三效催化轉化器淘汰。但是，對于稀燃發(fā)動機來說，NOx排放較少，而未燃HC排放較多，氧化催化轉化器還有用武之地，如稀燃天然氣發(fā)動機一般采用氧化催化轉化器。對氧化催化劑的要求不像三效催化劑那樣嚴格，用Pt或Pd就很好，不必用最昂貴的Rh，甚至不含貴金屬的配方也可考慮。三、富氧降NOx催化轉化器1.稀燃汽油機用NOx催化轉化器2.柴油機用NOx催化轉化器1.稀燃汽油機用NOx催化轉化器稀燃汽油機，特別是分層充量高度稀燃的汽油機，可提高燃料經(jīng)濟性，同時減少CO2排放。NOx排放在?a=1.11.2時達到極大值，此后逐漸減少，但仍不

18、能滿足法規(guī)要求。2.柴油機用NOx催化轉化器圖8-27/Ti催化劑上N/NO比對N轉化的影響2.柴油機用NOx催化轉化器圖8-28選擇性催化還原系統(tǒng)示意圖2.柴油機用NOx催化轉化器圖8-29用做DPF濾芯的壁流式堇青石蜂窩陶瓷塊1陶瓷濾芯2再生用螺線電熱絲3再生用回形針形電熱絲四、柴油機排氣顆粒物捕集器圖8-30CRT系統(tǒng)示意圖第五節(jié)排 放 法 規(guī)一、排放測試規(guī)范二、取樣系統(tǒng)三、測量技術簡介四、排放限值一、排放測試規(guī)范內(nèi)燃機以及以內(nèi)燃機為動力源的車輛的排放測試應該在盡可能接近實際使用條件下進行，使測試結果符合實際排放水平。輕型汽車(指小轎車、小型客車、小型客貨兩用車和輕型貨車)用的內(nèi)燃機，因

19、為運行工況變化頻繁激烈，影響因素復雜，一般都把裝內(nèi)燃機的整輛汽車裝在底盤測功機上測量排放，測量結果以g/km計；而重型汽車(指重型貨車和大客車等)用的內(nèi)燃機功率很大，而工況變化比較平穩(wěn)，則把內(nèi)燃機裝在發(fā)動機測功機上測量排放，測量結果以g/(kWh)計。二、取樣系統(tǒng)一般排氣成分分析儀都是測量該成分在排氣中的體積分數(shù)，然后根據(jù)內(nèi)燃機的排氣總流量算出該成分的總排放量。這在內(nèi)燃機以穩(wěn)定工況運轉時比較容易實現(xiàn)。當內(nèi)燃機變工況運轉時，理論上可先測出成分體積分數(shù)和排氣流量隨時間的變化，然后把它們對時間積分計算總量。但實際上由于排氣管壓力隨工況變化復雜，取樣系統(tǒng)和測量儀器動態(tài)響應不同，以及在氣流輸送過程中各工

20、況的氣樣部分混合，使體積分數(shù)曲線不能再現(xiàn)發(fā)動機排放的時間歷程，造成很大誤差。于是各國排放法規(guī)都推薦采用測量排放平均值的方法來確定排放總量。例如，把一個規(guī)定測試循環(huán)中的所有排氣都收集到氣袋里，然后測量氣袋的總體積和各組分體積分數(shù)，就可算出該循環(huán)的總排放量。但這種方法需要用很大氣袋來收集排氣，很不方便，同時不能保證在取樣過程中高溫氣樣不發(fā)生物理和化學變化，導致測量結果的失真。所以，現(xiàn)在世界各國一致規(guī)定對內(nèi)燃三、測量技術簡介1.氣體污染物的檢測2.顆粒物的測量和分析3.排氣可見污染物測量4.曲軸箱排放物和蒸發(fā)排放物的測量1.氣體污染物的檢測內(nèi)燃機排放的氣體污染物一般濃度很低，多種成分混雜，可能互相干

21、擾，而且有時濃度變化很快，因此對檢測技術提出了很高的要求：對所測成分應有高度的選擇性，不受伴生成分的影響；應有足夠的靈敏度，可分辨10-610-5的數(shù)量級；結果有良好的重復性和穩(wěn)定性；有可能進行在線連續(xù)分析。2.顆粒物的測量和分析目前世界各國的排放法規(guī)只規(guī)定PM排放的質(zhì)量限值，所以PM排放質(zhì)量的精確測定是首要的任務。但是，有關PM排放的進一步研究，要求對其進行仔細的物理和化學表征。3.排氣可見污染物測量顆粒物的質(zhì)量測量是用目前柴油機排放法規(guī)規(guī)定的PM測量方法，但所用設備復雜，操作費時，且不能追蹤PM的瞬時排放特性。由于PM的生成以碳煙DS粒子為核心，雖然表面凝聚著SOF，但在中等以上負荷下DS比例大，SOF比例小，所以，主要表征DS含量的排氣煙度測量長期以來一直得到廣泛應用。煙度測量結果雖然重復性和可比性較差，但