第六章-发动机有害解析课件.ppt

1、发动机的有害排放物 随着汽车保有量的与日俱增，汽车排气对人类健康的危害及对环境的污染也日甚一日。对此，世界各国都制定了相应的法规或标准，以期把汽车的有害排放物控制在较低的水平。例如，在美国特别是在加里福尼亚州，自1990年以来，排放标准愈益严格。为了满足排放标准，必须对发动机的徘气进行净化。近几年来，汽车界开发和创制出许多净化排气的新技术和新装置。发动机的有害排放物 以内燃机为动力的汽车是城市大气的主要污染源之一。汽车排放的污染物主要有一氧化碳CO、碳氢化合物(HC)、氯氧化合物(NOX)和微粒。CO是燃油的不完全燃烧产物，是一种无色无臭无味的气体。它与血液中血红素的亲和力是氧气的300倍，因

2、此当人吸入CO后，血液吸收和运送氧的能力降低，导致头晕、头痛等中毒症状。当吸人体积分数为0.3的CO气体时，可致人于死亡。NOx主要是指NO和NO2，产生于燃烧室内高温富氧的环境中。空气中含NOx可刺激口腔及鼻粘膜、眼角膜等。当NOx的体积分数超过一定值时，几分钟可使人出现肺气肿而死亡。HC包括未燃和末完全燃烧的燃油和润滑油蒸气。HC和NOx在阳光照射下形成光化学烟雾。其中主要的生成物是臭氧，它具有强氧化件、可使橡胶开裂、植物受害。大气能见度降低，并刺激人眼和咽喉。柴油机的排放物是大气污染的一个主要来源柴油机有害排放物及其危害 柴油机排气中包含各种成分，其基本成分是二氧化碳（CO2），水蒸气（

3、H2O），过剩的氧气（O2）以及存留下来的氮气（N2）等。他们是燃料和空气完全燃烧后的产物，从毒物学的观点看，排气中的这些成分是无害的，除上述基本成分外，柴油机排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC），氮氧化合物（NOX），微粒（PT）及醛类生平。这些成分的质量总和在柴油机排气中所占的比例虽然还不到1%，但它们大部分是有害的，或有强烈刺激的臭味，有的还有致癌作用，因此被列为有害排放物。控制方法之一高压共轨喷射系统 柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧，而喷射系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素，要改进传统的由柱塞泵分缸脉动喷射系统难度较大，高压

4、共轨喷射系统被世界内燃机行业公认为二十世纪三大突破之一（另外两项是汽油直喷技术和DME代用燃料）。高压共轨喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷射系统。它主要有高压泵，带调压阀的共轨管，带电磁阀的喷油器，ECU（电子控制单元）和各种传感器组成高压共轨系统不再用柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波，再通过各高压油管输送到喷油器上，由喷油器上的电磁阀的动作控制喷油的开始和终止。电磁阀作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量

5、原理，因此又可称为压力时间控制式控喷射系统。高压共轨喷射系统的特点是；喷油压力的建立与喷油过程无关；喷油压力，喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；喷油定时与喷油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点；能实现预喷射，快速停喷和多段喷射。因此高压共轨喷射系统通过对喷油要素的优化控制柴油机燃烧更充分，从而减少燃烧中有害物的形成，使柴油机的有害排放，噪声排放和冷起动性能都得到很大改善。控制方法之二废气再循环系统废气再循环系统是将柴油机产生的废气的一小部分再送回气缸。由于柴油机中富余的氧气较多，当送回汽缸的废气与新鲜空气混合后，该过程导致气缸内氧气浓度降低，使燃烧速度减慢，燃烧温度下降，

6、从而减少有害成分氮氧化物（NOX）的形成。目前采用和研究废气再循环系统有多种类型，日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统在柴油机进气过程中，排气门稍有提升，使部分高压废气回流到汽缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的形状和将废气再循环系统微升来实现的。在脉冲式废气再循环系统中，废气被重新送回气缸内，因此废气的压力应高到足以使气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时，从而利用废气的压力波才能实现，在该废气再循环系统中，废气压力“脉冲”被有效利用。增压中冷柴油机实现废气再循环还有另外两种方式，一种是将涡轮前的排气引入中冷器之后，称为高压废气反向。采用可变截面涡轮增压器，可以扩大

7、废气再循环有效工作范围，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最好方法。另一种是将涡轮后的排气引入压气机之前，称为低压废气再循环系统，它可有效降低氮氧化物（NOX），而废气循环工作范围较大，与柴油机匹配能有效地发挥其功能。控制方法之三增压中冷技术 所谓增压，就是增加进入柴油机汽缸内的空气密度。中冷则是将压缩后的空气的温度降低。因此，柴油机采用增压中冷系统后，滞燃期缩短，在稀烯火焰熄灭区内积压的燃油量较少，从而减少排气中有害成分碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的生成。目前，增压方法主要有机械增压三种方式。其中废气涡轮增压器主要

8、是由涡轮和压气机组成，它与柴油机没有机械传动联系，柴油机排出的废气经排气管进入涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至柴油机进气管。增压中冷柴油机在压气机出口和柴油机进气管入口之间增设中间冷却器（简称中冷器），使压缩后的空气的温度下降，密度增大。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低，以及机械负荷加不多的前提下，大幅度地提高柴油机的功率，降低有害物的排放。废气涡轮增压方式与机械增压和气波增压方式比较，结构简单，工作可靠，在柴油机上得到普遍采用，其他两种增压方式基本不使用。中冷器控制方法之四微粒捕集器 柴油机微粒捕集器，可将排气中微粒捕捉不使其排出机

9、外，再利用催化剂、氧化器、燃烧器等进行分解、燃烧。这利装置可将柴油机排气中有害物微粒减少70%90%。用来捕集微粒的过滤器的材料和结构有许多种，常用的有整体式陶瓷、金属丝网、纺织纤维圈、陶瓷纤维、泡沫陶瓷等。这些过滤材料的捕集原理一般认为有以下几种：1碰撞机理：柴油机废气流经捕集单元时，其流线发生了多次拐弯，在流线拐弯处，较大的微粒由于运动惯性大多脱离原来的流线与捕集单元相碰，并吸附或沉积于其上。2截流机理：柴油机废气流经捕集单元时发生两种情况，一是粒径比过滤材料孔隙大的微粒就被挡住并被粘附住，即发生筛滤效应；二是粒径比过滤材料孔隙小的微粒由于粘着与聚合作用而部分被截流。3扩散原理：柴油机废气

10、中的微粒物由于气体分子热运动的碰撞而产生布朗运动，县城越小的微粒越显著，又会造成扩散效应。当废气流经捕集单元时，纤维状的捕集单元对微粒的运动起到了汇合的作用，从而有可能将微粒捕集。4重力沉降机理：当缓慢运行的柴油机废气流经捕集器时，废气逗留时间比较长，较大的粒子的可能在重力作用下发生脱离流线的位移而沉淀在捕集单元上。目前不是很成熟微粒捕集器 排气系统中安装微粒捕集器后将会使柴油机的排气背压提高。功率下降，捕集材料上沉积的微粒越多，排气背压越高。因此，必须定期清除沉积在过滤材料上的微粒。清除沉积在过滤材料上的微粒的过程为捕集器的再生。在柴油机正常工作的转速和负荷下，排气温度一般在250500，而

11、微粒的燃点一般为550600，依靠柴油机的排气很难使捕集器再生。要使捕集器再生必须降低微粒的燃点或提高排气温度。通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层可以降低微粒的燃点，使微粒能在较低的温度下燃烧掉，一般称主动再生。另一种是利用外部能源，如电热器加热补燃和燃烧器加热补燃来提高排气温度将捕集器材料上的微粒燃烧掉，一般称为被动再生。被动再生是一种定期再生，需要复杂的检测和控制技术以决定再生时间。当前，捕集器再生将主动再生和被动再生技术结合起来，效果显著。控制方法之五催化净化装置 催化净化装置是一种内部装有催化剂的装置，装在发动机的排气管中。催化剂能使发动机排气中的有害成分加速转变成无害成分

12、。催化净化方法有两种，一种是催化氧化法，它以铂、钯、黄金、钴、镍等金属及其氧化作为催化剂，使有害成分一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）氧化成无害成分二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）。另一种是催化还原法，它以碱金属，钴铬合金作为催化剂，使有害成分氮氧化合物（NOX）还原为氮气（N2）和氧气（O2）。目前催化净化装置有氧化催化反应装置和三元催化反应装置（用于汽油发动机）。氧化催化反应装置仅依靠氧化反应降低有害成分一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），柴油机和汽油机都适用。三元催化反应装置则氧化与还原反应同时进行，能使一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）三种有害成分同时得到

13、净化处理，它要求发动机的空燃比精确地控制在理论空燃比附近的最佳范围内，以保证同时对三种有害成分高效率净化，因此，三元催化反应装置一般与燃油电子喷射发动机一起使用，用氧传感器检测排气中的氧浓度，反馈控制发动机的空燃比范围。由于柴油机排气中残留的氧量较多，使氧传感器的控制不灵敏，故三元催化反应装置一般不用于柴油机，而只用于汽油机。控制方法之六采用代用燃料当前，世界石油制品的消耗量逐年上升，石油资源日益枯竭。国际油价居高不下，积极寻找并研究代用燃料以成为降低有害物排放的另一个方向。二甲醛（DME）就是一种很有前途的代用燃料，其化学分子式为CH3OCH3，原来用于喷雾工业。通过Danish公司的革新，

14、其工业生产成本明显降低，基本上达到与柴油机同的价格水平，并且DME可由煤天然气、甚至生物来制取，用于甲醛时的NOX值较用柴油时可降低50%以上。采用二甲醛的特点是，由于其喷射压力低，所以当最高喷射压力为2535MPa时就可获得满意的功率、油耗和排放指标。其前提条件是喷射系统应设计成共轨式，并且需要特殊的防护措施。综上所述，随着柴油机的广泛使用，柴油机的环境污染，噪声污染、冷起动性能及振动，已经成为衡量柴油机的技术水平的重要指标，同时也是决定柴油机能否继续扩大其市场占有率的主要因素之一。因此，要满足现行及未来的排放法规，就必须降低有害物质CO、HC、NOx和微粒的排放，也即是采取各种技术措施，从而获得良好的动力性，经济性和低排放目标。曲轴箱通风装置工作演示