發(fā)動機排放控制技術應用分析

1、發(fā)動機排放控制技術應用分析目 錄摘要 21 緒論 32 排放系統(tǒng) 32.1發(fā)動機排放系統(tǒng)的構成 32.2設計排放系統(tǒng)的必要性及其功能 33發(fā)動機排放控制技術的應用 33.1三元催化器 33.1.1簡介 43.1.2工作原理43.1.3性能特點 43.2曲軸箱通風 53.2.1作用 53.2.2形式與特點 54排放后處理 74.1排氣后處理所要研究解決的主要問題 74.2排放系統(tǒng)設計及催化劑發(fā)展的趨勢 84.3基本的化學反應 94.4基本的后處理方案95 結論 10參考文獻 10致謝語 11發(fā)動機排放控制技術應用分析【摘要】 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，我國的汽車保有量急劇增加，汽車廢氣對空氣的污染

2、已成為嚴重的社會公害。在汽車密集的城市，汽車排放污染,不僅是一個環(huán)境保護問題,而且本身也造成能源浪費。汽車排氣中的CO、HC對大氣產生很大的污染。汽車排放污染對人們的生活環(huán)境造成了極大的影響，嚴重地威脅到人們的身體健康，同時也危害著一些動、植物的生存和生長，破壞了自然界的生態(tài)平衡。因此，解決汽車的排氣污染成為亟待認真研究的重要課題。為了保護我們的生存環(huán)境，關愛生命健康，必須嚴格限制汽車尾氣排放。嚴格汽車排放 關愛生命健康。【關鍵詞】污染 排放 研究 生態(tài)平衡 1緒論 為車發(fā)動機的排放達到較低的法規(guī)限值要求，僅僅靠改善燃料品質及發(fā)動機工作過程是很難實現的，需要通過排氣后處理系統(tǒng)才能達到目的。目前

3、國內大部分汽車還沒有排氣后處理裝置，然而根據國外汽車排放控制技術發(fā)展的趨勢，汽車不僅需要裝后處理器，而且要設計控制排放的整個系統(tǒng)，成為發(fā)動機供油、冷卻、潤滑等系統(tǒng)之外的一個新系統(tǒng)，簡稱為排放系統(tǒng)。2排放系統(tǒng)2.1發(fā)動機排放系統(tǒng)的構成（1）排氣管（2）后處理裝置（3）消聲器2.2設計排放系統(tǒng)的必要性及其功能將發(fā)動機排氣管、后處理裝置及消聲器等作為一個單獨的系統(tǒng)設計，除了因為降低排放日益顯得重要外，還有下列原因： (1) 低排放、低油耗及高功率是現代車用發(fā)動機追求的主要目標，然而有些發(fā)動機參數的控制措施對實現這三大目標是矛盾的，例如混合氣空燃比的控制，為了實現低油耗及低CO2排放，需要采用稀混合氣

4、燃料，而當前使用的三元催化劑并不能適應稀混合氣的燃燒。如果將三者統(tǒng)一作為單獨的系統(tǒng)處理，就能較好地解決矛盾。 (2) 現有排氣系統(tǒng)除了要考慮低排放外，還要考慮降低噪聲及排氣熱量的再利用，因此要將三者統(tǒng)一起來，納入一個新的系統(tǒng)-排放系統(tǒng)。(3) 至今無論發(fā)動機排氣系統(tǒng)還是后處理裝置的方案及型式都較多，隨著公司及發(fā)動機系列不同而不同。同時現代汽車使用燃料的種類又增多，使用的燃料不同，排放物的組成及降低排放物的對策也不同，很有必要將排放問題從一個系統(tǒng)角度考慮，逐步實現規(guī)范化、標準化或者模塊化。(4) 現代電子技術及發(fā)動機可變技術的發(fā)展，有可能將原來發(fā)動機排氣管路的設計與降低排放結合起來，成為一個單獨

5、的排放系統(tǒng)進行設計。 3. 發(fā)動機排放控制技術的應用3.1三元催化器3.1.1簡介三元催化器，是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機外凈化裝置，它可將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮氣。當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為五色、無毒的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。3.1.2工作原理三元催化器的工作原理是：當高溫的汽車尾氣通過凈化裝

6、置時，三元催化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為五色、無毒的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。3.1.3性能特點 三元催化器性能穩(wěn)定、質量可靠、壽命長，其產品廣泛適用于本田、奧德賽、別克、奧迪、帕薩特、桑塔納、現代、別克、奧拓、昌河、捷達等車型。另外承攬不銹鋼制品、過濾器、機箱機柜等加工業(yè)。三元催化器的載體部件是一塊多孔陶瓷材料，安裝在特制的排氣管當中。稱它是載體，是因為它本身并不參加催化反應，而是在上面覆蓋著一層鉑、銠

7、、鈀等貴重金屬。它可以把廢氣中的 HC、CO 變成水和 CO2, 同時把 Nox 分解成氮氣和氧氣。HC、CO 是有毒氣體，過多吸入會導致人死亡，而 NOX 會直接導致光化學煙霧的發(fā)生。經過研究證明，三元催化器是減少這些排放物的最有效的方法。通過氧化和還原反應，一氧化碳被氧化成二氧化碳，碳氫化合物被氧化成水和二氧化碳，氮氧化合物被還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體都變成了無害氣體。三元催化劑最低要在 350 攝氏度的時候起反應，溫度過低時，轉換效率急劇下降；而催化劑的活性溫度 ( 最佳的工作溫度 ) 是 400 到 800 左右，過高也會使催化劑老化加劇。在理想的空燃比 (14.7 ：1) 下，催

8、化轉化的效果也最好。3.2曲軸箱通風3.2.1作用 在發(fā)動機工作時，總有一部分可燃混合氣和廢氣經活塞環(huán)竄到曲軸箱內，竄到曲軸箱內的汽油蒸氣凝結后將使機油變稀，性能變壞。廢氣內含有水蒸氣和二氧化硫，水蒸氣凝結在機油中形成泡沫，破壞機油供給，這種現象在冬季尤為嚴重；二氧化硫遇水生成亞硫酸，亞硫酸遇到空氣中的氧生成硫酸，這些酸性物質的出現不僅使機油變質，而且也會使零件受到腐蝕。由于可燃混合氣和廢氣竄到曲軸箱內，曲軸箱內的壓力將增大，機油會從曲軸油封、曲軸箱襯墊等處滲出而流失。流失到大氣中的機油蒸氣會加大發(fā)動機對大氣的污染。發(fā)動機裝有曲軸箱通風裝置就可以避免或減輕上述現象，因此，發(fā)動機曲軸箱通風裝置的

9、作用是：1.防止機油變質:2.防止曲軸油封、曲軸箱襯墊滲漏；3.防止各種油蒸氣污染大氣。3.2.2形式與特點 1.自然通風 自曲軸箱內抽出的氣體可以直接導入大氣中去，這種通風方式叫自然通風。這種通風方式結構比較簡單，使用方便，但導入大氣中的可燃混合氣和機油蒸氣容易污染大氣，因此，現代發(fā)動機使用不多。按導入大氣中的方式自然通風有普通式和呼吸器式。(1)普通式 曲軸箱內的油蒸氣通過機油管的加油口直接與大氣相通。這種通風方式不需要專門的機件，各種油蒸氣直接排入到大氣中去，對大氣產生了污染，因此它適用于要求不高的農村用的一些拖拉機上的內燃機。(2)呼吸器式 曲軸箱內的油蒸氣通過一個呼吸器式的裝置與大氣

10、相通。這種呼吸器裝置是一個過濾裝置可將有害氣體吸附，防止污染大氣。圖 l為南京躍進集團與意大利合資生產的依維柯輕型客車發(fā)動機的呼吸器式裝置。呼吸器用螺栓固定在氣缸體上的一側，底部的側面有一進氣口與曲軸箱相通，上部的出氣口用二橡膠管與大氣相通。呼吸器內部焊有兩層填滿鍍缽鋼絲的過濾網，以分離油霧和氣體。 發(fā)動機工作時，竄入曲軸箱的各種氣體由呼吸器的進氣口；進入呼吸器，經過濾網的過濾、分離，最后干凈的空氣由出氣口經橡膠管排出。由于有兩層過濾網，油霧極少排出，既保證了曲軸箱內的壓力平衡，又防止曲軸箱內的油氣對大氣的污染。2.強制通風 利用發(fā)動機進氣系統(tǒng)的抽吸作用抽吸曲軸箱內的氣體，這種通風方式叫強制通

11、風。這種通風方式結構有些復雜，但可以將竄入曲軸箱內的可燃混合氣和廢氣回收使用，不僅有利于提高發(fā)動機的經濟性，而且還減輕發(fā)動機的排放污染，因此在現代汽車發(fā)動機上廣泛使用。按抽吸曲軸箱內氣體的形式強制通風有一般式、單向閥式、油氣分離式和綜合式。(1)一般式只是用橡膠管把曲軸箱與進氣管道連接起來的通風方式為一般式強制通風。這種通風方式結構比較簡單，只需管路連接，中間不需要其它部件連接，適用于一些小型發(fā)動機上。BJ492Q汽油機曲軸箱為一般式強制通風裝置?？諝鉃V清器1上部裝有進氣軟管5通至氣門室罩內，挺桿室蓋上有一出氣管4通至化油器2的入口。發(fā)動機工作時，曲軸箱內氣體經出氣管吸入化油器，由空氣濾清器濾

12、清的新鮮空氣經進氣軟管、氣門室罩補充到曲軸箱。(2)單向閥式單向閥式在連接曲軸箱與進氣管的管路中連接一個單向閥，防止把曲軸箱內的機油吸出，適用于車用汽油機，如EQ6100Q、日本三菱帕杰羅(獵豹)汽車發(fā)動機等。氣門室罩上裝有一小空氣濾清器2，在曲軸箱和進氣管之間用出氣管1相連，并在進入進氣管之前的連接管處裝有一單向閥3。當發(fā)動機工作時，曲軸箱內的蒸氣經出氣管、單向閥吸入氣缸中，而新鮮空氣經氣門室罩上的小空氣濾清器進入曲軸箱內。單向閥的作用是防止發(fā)動機在低速小負荷時進氣管的真空度太大而將機油從曲軸箱內吸出。圖 4為曲軸箱通風單向閥，主要由閥4、閥體1、閥座2和彈簧3組成。發(fā)動機在怠速時進氣管內真

13、空度大，單向閥被吸在閥座上，曲軸箱內廢氣經閥上小孔進入進氣管；隨發(fā)動機負荷增大，進氣管的真空度下降，閥在彈簧力的作用下向外頂開，這時通氣量逐漸加大；發(fā)動機大負荷時，閥完全打開，通風量最大，因而起到更新曲軸箱內空氣的作用。(3)油氣分離器式在連接曲軸箱與進氣管的管路中連接一個油氣分離器，把從曲軸箱內抽吸的油、氣進行分離，使液態(tài)的油流回曲軸箱，氣態(tài)的氣吸入進氣管，這樣可以減少機油的消耗。斯太爾發(fā)動機的油氣分離器，它安裝在發(fā)動機氣缸蓋的前端。 發(fā)動機工作時，竄入曲軸箱內的油氣經管路進入油氣分離器，由于該油氣分離器的容積下平面呈傾斜的，所以液態(tài)的油沿斜面、回油管流回曲軸箱，而氣態(tài)的氣經連接管進入進氣道

14、。(4)綜合式在連接曲軸箱與進氣管的管路中不僅連接一個單向閥，而且還連接一個油氣分離器，大大減少機油的消耗，保證發(fā)動機在各種工況下機油潤滑的穩(wěn)定。CA6102Q汽油機的曲軸箱為綜合式強制通風裝置。在氣缸蓋前罩蓋上安裝曲軸箱通風進氣空氣濾清器(圖中未畫出)，在氣缸蓋后罩蓋上安裝曲軸箱通風出氣口濾清器3，該濾清器內有油氣分離作用，因此也稱油氣分離器。油氣分離器里面設有濾芯，濾芯上端有隔板，使其油氣分離效果更好；單向閥設在油氣分離器的頂部，這樣擺脫了高溫環(huán)境對閥的粘結、堵塞等影響。發(fā)動機工作時，漏入曲軸箱內的可燃混合氣和廢氣在進氣管真空度的作用下，經挺桿室、擋油板2、曲軸箱通風出氣口濾清器3、通風軟

15、管5和單向閥6進入發(fā)動機進氣管與新鮮混合氣混合，進入氣缸中燒掉。新鮮氣體再經氣缸蓋前罩蓋上的曲軸箱通風進氣口空氣濾清器進入曲軸箱。4.排放后處理車用發(fā)動機排氣后處理主要包括兩方面內容：排氣催化反應及去除微粒，將有害排放物減到最低程度。4.1排氣后處理所要研究解決的主要問題研究和設計汽車發(fā)動機排放系統(tǒng)必須要了解存在的問題。目前車用發(fā)動機排氣后處理存在的主要問題如下：(1) 點火溫度較高催化劑都要在較高的溫度下才能對排放物起催化作用，即點火溫度較高。因此在發(fā)動機冷啟動及低溫下工作時，排氣溫度低，HC及CO排放高，而催化劑卻不能對它們起催化、轉化的作用。(2) 不能同時適應理論空燃比及稀混合氣的需要

16、一般三元催化劑適合在發(fā)動機使用理論空燃比混合氣時，同時對HC、CO及NOx起催化轉化作用。而在使用稀混合氣時，排氣中氧含量多時NOx的還原作用就低。(3) 微粒過濾器工作一段時間后，其中微粒增多，使排氣阻力增加，需要將其中微粒燒掉并排除掉，盡管已有多種技術可使微粒過濾器的功能恢復，但是仍需研究出一種更簡單的辦法。(4) 貴重金屬價格高催化劑中需要有鉑（Pt）、鈀（Pd）及銠（Rh）等貴金屬，這些金屬資源不豐富，價格高。需要尋求資源豐富、價格低的金屬作催化劑用。(5) 催化劑中毒的問題催化劑在高溫作用下長期使用容易老化，轉化效率降低。另外更重要的問題是受排氣中硫化物、鉛等影響，催化劑會顯著降低催

17、化效率。此外還會產生臭味的硫化氫。4.2排放系統(tǒng)設計及催化劑發(fā)展的趨勢根據未來排放法規(guī)的要求，目前排氣后處理的有關技術、排放系統(tǒng)設計及催化劑的發(fā)展將著重有以下幾個方面：(1) 重視催化機理的基礎研究過去較長的時間內，提高催化劑的效率主要靠選擇、配對及不同質量比例等進行試驗、篩選。今后將要進行更多的基礎研究及微觀分析。催化劑現代理論是以活性部位學說為基礎。活性部位就是指催化材料晶體上的點。在這些點上，催化劑促使排氣中一些成分，被吸附在上面進行化學反應?，F代排放系統(tǒng)的設計與研究人員正在著手研究催化劑不同反應能力模式的基本原因，了解在不同氧化物體系中，專門起催化作用的活性部位的本質。從而能通過這些微

18、觀的基礎研究，形成一個專門的催化反應學說領域，將研究成果應用到未來排放催化系統(tǒng)的設計中，獲得更高的催化反應效率。 (2) 加強排放系統(tǒng)的空氣動力學研究過去對發(fā)動機缸內氣體流動研究得較多?，F代及未來將致力于排放系統(tǒng)氣體動力學的研究，該研究包括以下三方面內容：一是催化反應器中排氣流動的研究，二是排氣動能及可變技術的研究，三是降低排氣阻力及噪聲的研究。這三個方面的研究要達到多種目的，會有一些干擾的矛盾產生，必要時如何采取折中方案，妥善解決這些矛盾，以便使綜合效果最佳，這也是研發(fā)工作者的主要任務之一。 (3) 單獨進行排放系統(tǒng)所需空燃比的調節(jié)提高發(fā)動機性能，降低油耗所需要的空燃比與提高催化效率所需要的

19、空燃比是不一樣的，存在一些矛盾。未來發(fā)展的趨勢是采取一些措施，調節(jié)排放催化系統(tǒng)中的空燃比，或者說調節(jié)其含氧量，這樣使發(fā)動機本身及排放系統(tǒng)空燃比的調節(jié)分開，使兩者都能得到最大的效益。(4) 研究適合稀燃需要的催化劑發(fā)動機采用稀混合氣快速燃燒技術日益受到重視，采用燃油直接噴入汽缸及稀燃的技術，可以使發(fā)動機兼?zhèn)涓弑裙β始暗陀秃牡膬?yōu)點。然而需要開發(fā)適應稀燃發(fā)動機的新型催化劑，以便能在含氧量較多的排氣中，也能使NOx還原轉化。(5) 研究開發(fā)適合清潔燃料發(fā)動機的排放系統(tǒng)使用醇燃料、氣體燃料及靈活燃料的汽車排氣中的成份與汽油、柴油相比，有一定變化，增加了未燃醇、甲烷、甲醛及乙醛等，這些排放物同樣污染大氣環(huán)境，影響人類健康及生態(tài)的平衡?，F有催化劑不能很好地抑制、消除這些排放物。需要根據這些排放物生成的特點、氧化轉化機理及條件，研究新的催化劑及排放系統(tǒng)。4.3基本的化學反應排氣催化反應是通過催化反應器中的催化劑的作用，加速排氣中有害物質向無害物質的轉化。例如使HC及CO氧化成H2O及CO2；加速NOx還原成N2、N2O、NH3及H2O等。催化劑的作用是降低反應溫度，加快轉化速率。4.4基本的后處理方案（1）在汽油機上應用催化反應器的技術方案有以下4種：僅采用兩級催化反應器，CO及HC被轉化成無害的CO2及H2O；采用兩級催化反應器，第一級是