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1、第七章第七章 排气污染与控制排气污染与控制 第一节第一节 概述概述 环保与节能n环境问题n能源危机汽车排放占大气污染物比例 1、CO：无色无臭无味的气体，破坏造血功能，呈中毒症状。2、NOx：指NO和NO2，NO2是褐色有刺激性的气体。3、HC：包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化产物。某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害。光化学烟雾：其中最主要的生成物是臭氧O3，它具有很强的氧化力和特殊的臭味，使橡胶裂开，植物受损，可见度降低，并刺激眼睛及咽喉。汽车的主要排放污染物 排气中的微粒是指经空气稀释后的排气，它是在低于52温度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上沉积的除水以外的
2、物质，如柴油机的碳烟粒子，汽油机的铅及硫酸盐等。微粒排放 1排放物的浓度C 在一定排气容积中，有害排放物所占的容积（或质量）比例，称为排放物的浓度。ppm、或mgm3，浓度较大时用，而浓度较小时用ppm（1ppm=0.0001）。2排放物的质量排放量G 用单位时间内（或一次试验）有害排放物的质量排放量G来衡量，单位是 gh（或 g试验）。3排放物的比排放量g 每单位功率小时排出污染物的质量称为比排放量 g（kWh）。排放指标排放指标第二节第二节 有害排放物的生成有害排放物的生成 主要是NO，NO2排出量较少。NO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生在燃料燃烧反应所形成的环境中，其主导反应过程是
3、ON2NON NO2NOO一、氮氧化物一、氮氧化物 （1）高温 （2）富氧 （3）充足的反应时间促使促使NO生成的因素生成的因素燃烧过程中生成的重要的中间产物。生成的机理比较复杂，一般经历如下步骤：RHRRO2RCHORCOCOCO在火焰中及火焰后，以缓慢的速率氧化成CO2。主要影响因素：混合气浓度。二、一氧化碳二、一氧化碳CO生成与排出有三个渠道：废气（尾气）：占6O以上 曲轴箱窜气由排出：占25 燃油蒸气漏泄：占1520左右三、未燃碳氢化合物三、未燃碳氢化合物（HC）1）缝隙效应 2）壁面激冷与淬熄 3）油膜及沉积物吸附 4）减速、加速及怠速等瞬态工况燃烧过程中燃烧过程中HC生成的主要途径
4、生成的主要途径 柴油机微粒的主要成分：碳烟粒子。它是燃料在燃烧过程中经历了一系列物理化学变化后形成的。四、微粒四、微粒第三节第三节 影响汽油机有害排放影响汽油机有害排放物生成的主要因素物生成的主要因素 汽油机：预混燃烧，其可燃混合气浓度范围比较窄，在一些工况下（如怠速、满负荷等）经常处于浓混合气工作，因而混合气成分是影响排放的最主要的因素。一、混合气成分一、混合气成分 CO：空燃比AF增加，CO浓度逐渐下降；NOx：浓度两头低，中间高，NO生成必须兼具高温、富氧两个条件。HC：两头高，中间低，与燃油消耗率的变化趋势基本一致。减少点火提前角：降低NO及HC均有利，但以牺牲动力性为代价。二、点火正
5、时二、点火正时 废气再循环：NO浓度逐渐下降，但燃烧的有效性降低，动力性变差。三、吸入废气量的影响三、吸入废气量的影响 对于不同的运行工况，各种有害排放物的差异很大。怠速与减速工况，是HC生成的主要工况。四、工况四、工况第四节第四节 影响柴油机有害排放影响柴油机有害排放物生成的主要因素物生成的主要因素 柴油机燃烧：一种多相非均匀混合物的不稳定的燃烧过程。喷雾过程、油束形成、混合气的浓度与分布以及燃烧室形式等，对排放物生成均有复杂的影响。一、柴油机燃烧及排放物生成的特点一、柴油机燃烧及排放物生成的特点 由于油雾及油蒸气在空间浓度分布不同，可大致分为稀燃火焰熄灭区、稀燃火焰区、油束心部，油束尾部和
6、后喷部以及壁面油膜，从油束边缘到油束核心部分，局部空燃比可从无穷大变到零。根据负荷不同，各区排放物生成的性质也不一样。未燃HC：在低负荷时，主要产生在稀燃火焰熄灭区；在高负荷时，主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处。CO：低负荷时，主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上生成CO；高负荷时，在油束心部、油束尾部及后喷部，因局部缺氧而产生CO。NOx：在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多。碳烟：高负荷时，在油束心部、油束尾部和后喷部的氧浓度低，气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。醛类：主要在稀燃火焰熄灭区，由于低温氧化而产生醛类中间产物。CO：柴
7、油机过量空气系数1，加上柴油蒸发性比汽油小，因此柴油机的 HC及CO排放浓度一般比汽油机低得多，但在接近满负荷时（AF减小），CO浓度骤增。NO：生成率最高处仍出现在油量较大的高负荷工况。与汽油机不同的是，柴油机NO2的生成浓度较高。NO2浓度随 AF增加而减少。碳烟：混合气变浓，排烟浓度增多。二、混合气成分二、混合气成分 延迟喷油是降低NOx的主要措施之一。为了在延迟喷油以后燃烧不致恶化，加强缸内气流运动、促进混合气形成、提高喷油速率以及改善喷雾质量是很有必要的。延迟喷油的同时提高喷油速率，要比单纯延迟喷油定时的效果好。三、喷油时刻三、喷油时刻四、燃烧室类型四、燃烧室类型 分隔式燃烧室生成的
8、NOx、CO、HC和碳烟的排放浓度均低于直喷式的，特别是NOx排放浓度一般比直喷式燃烧室的低50左右。原因：这种燃烧室的燃烧及排放物的生成分两个阶段进行。习题：n1、发动机主要的有害排放物有哪些？它们的生成原因是什么？n2、影响发动机有害排放物生成的主要因素有哪些？第五节第五节 有害排放物的控制有害排放物的控制 1）以降低排放为目标，通过改进发动机燃烧过程为主的机内处理方法。2）对燃烧排出的有害物，在排气系统等处进行后处理。3）对曲轴箱窜气或油蒸气部分进行处理。2）、3）又称为机外处理方法。控制措施分类控制措施分类 排气的后处理是指气体排出发动机气缸以后，在排气系统中进一步减少有害成分的措施，
9、主要指催化转换器。包括用来减少HC和CO排放的氧化催化转换器；减少NOx排放的还原催化转换器；同时减少HC、CO及NOx排放的三元催化转换器；用于减少HC和CO的热反应器；。对于柴油机的碳烟微粒净化装置也属排气后处理。一、排气的后处理一、排气的后处理 各类催化转换器均由金属外壳和活性催化材料组成。常见的有两种结构形式：一类是整体陶瓷峰窝结构，它在作为载体的多孔性氧化铝陶瓷表面渗透一层活性催化剂；另一类是颗粒式结构，它将催化材料浸透在大量直径为23mm的多孔性陶瓷小球表面。这两类转换器均应保证排气流畅，并使气流与催化剂有较大的接触面积。但催化剂的材料不同，转换器的功能也不一样。催化转换器的结构形
10、式催化转换器的结构形式 氧化催化转换器的作用是把排气中的CO和HC氧化成CO2和H2O。由于贵金属内在活性高，低温时的活性损失小，同时抗燃料中硫污染的能力强，因此最适合于用作催化材料。目前应用最广泛的氧化催化材料是铂（Pt）和钯（Pd）的混合物。这些氧化催化剂的转换效率随温度而变化，如图所示。在温度足够高时使用新的催化剂，对CO的转换效率可达9899，对HC的转换效率可达95，但在温度低于25O300时，其转换效率急剧下降。1氧化催化转换器氧化催化转换器 三元催化剂包含铂（Pt）和铑（Rh），PtRh在217的范围内，此外还含有Al2O3、NIO、CeO2（氧化铈），用氧化铝作为载体材料。使用
11、三元催化剂时，应将混合气成分严格控制在理论空燃比附近（1），这样催化剂才能促使CO及HC的氧化反应和NOx的还原反应同时进行，生成CO2、H2O及N2。而且，只有在接近理论空燃比的窄狭范围内，对这三种有害成分才有高的转换效率。这是目前车用汽油机上应用最广泛的机外净化措施（见图817）。2三元催化转换器三元催化转换器图8-18所示为整体多孔陶瓷催化过滤器-燃烧器再生系统。微粒过滤器由多孔陶瓷材料制成，其过滤效率较高。在过滤器入口前，设置一燃烧器，靠泵及喷油器向燃烧器供给少量燃油，利用排气的氧或另外供给空气，用火花塞或电热塞点燃，由高温燃气再烧掉微粒。一般经过12min后，即可完成再生过程，燃烧器
12、停止工作。3柴油机微粒过滤及再生装置柴油机微粒过滤及再生装置 另外还有一类金属丝网过滤器一加浓排气的HC及CO组合系统（图8 19）。排气通过附有催化剂的金属丝网，由废气再循环或者调整喷油正时，促使排气中的HC及CO在催化作用下氧化，从而产生较高的热量将微粒烧掉。发动机的前处理应包括防止汽油蒸发的措施，以及为降低NOx生成而采取的废气再循环的措施。二、发动机的前处理二、发动机的前处理 为改善发动机低温起动时的排放性能，促进燃料汽化，在进气管入口处设置温度传感器，在进气温度较低时，通过进气负压开启热空气控制阀，使排气管热量加热进气，当进气温度较高时，可自动切断。对进气混合气进行预热的方法是，用排
13、气管预热、水温预热或利用正温度效应（PTC）元件进行电加温，当温度到达一定值以后，PTC元件能自动停止对混合气的电加热。总之，对混合气预热及控制起动时的进气温度，能显著降低排气中CO及HC的浓度。1进气温度控制和混合气预热系统进气温度控制和混合气预热系统 从空气滤清器引出一股新鲜空气进入曲轴箱，再经流量调节阀（PCV阀）把窜入曲轴箱的气体和空气的混合气一起吸入气缸烧掉。PCV阀是用真空操作和一个可变喷嘴控制的阀。其作用是在怠速、低速小负荷时减少送入气缸的抽气量，避免混合气过稀而造成失火。在节气门全开时，即进气管真空度低，气缸窜气量大时，提供足够的流量。这种系统在一些国家的法规上规定必须采用。2
14、曲轴箱强制通风封闭系统（曲轴箱强制通风封闭系统（PCV系统）系统）从油箱蒸发出来的油蒸气，贮气罐流入炭罐被活性炭所吸附。当发动机工作时，由进气负压控制开启净化控制阀，在罐内被吸附的油蒸气与从炭罐下部流入的空气一起被吸入进气管。3油蒸气吸附装置油蒸气吸附装置 使少量废气（520）再次循环进入气缸，降低燃烧温度，可抑制NOx生成。应根据不同工况决定是否采用废气再循环，或确定废气再循环量的多少。例如，在汽油机暖机过程中，在怠速及低负荷时，在高负荷、高转速或油门全开时，一般不进行废气再循环，并要求随着负荷增加，废气再循环量应增加到允许的限度。根据工况不同，利用计算机控制废气再循环（EGR）阀的开度，可
15、以获得较高的控制精度。在严格控制NOx排放的国家，废气再循环（EGR）装置已成为净化NOx的主要方法。4、废气再循环装置（、废气再循环装置（EGR）以日产 VG20发动机采用 ECCS（Electronic Concentrated engine Control System）电子式发动机集中控制系统为例，说明排放治理的具体实践。这种控制方式由一台微机控制以适应发动机所有的运转工况，使燃料喷射、点火时刻、怠速、排气净化均处于最佳状态，由于有了AF的最优控制，因而不需要设置废气再循环（EGR）装置。图824为该系统的净化措施。三、应用举例三、应用举例 l）发动机改造：包括改进燃烧室、设置汽油喷射
16、系统、可变进气控制、进气管加温、配气相位设计等。2）三元催化反应器：使用铂（Pt）和铑（Rh）材料、整体式。3）空燃比（AF）反馈控制装置：由氧（O2）传感器及电控单元（ECU）进行理论空燃比的反馈控制，在低温、怠速、高负荷等工况下，由传感器和开关信号给出停止反馈控制。对于 AF的微小变化以及急速瞬变工况，可以快速对空燃比进行智能修正。4）减速时断油装置 5）点火时刻控制装置：根据运行状态，从电控单元储存的点火时刻中选择最佳点火时刻及通电时间，还进行爆震反馈控制。6）怠速控制：使用步进电机式的辅助空气控制阀（AACV）及电控单元，控制怠速及减速时补充空气，以实现怠速转速的最佳控制。7）排气温度报警 8）汽油蒸气吸附装置：活性炭罐式。9）曲轴箱强制通风封闭系统。第六节第六节 排放法规与试验方法排放法规与试验方法 从20世纪60年代开始，世界各国及地区相继以法律形式对汽车排出的有害成分予以强制性限制。其中，美国、日本及欧洲经济委员会（ECE）对汽车排放的限制尤为严格。目前，这些国家的法规中对排放测试的装置、分析仪器、取样方法等，大都取得了一致，所不同的是，车辆试验的规范（即行驶循环的工况曲
