发动机排放污染及控制技术的研究.docx
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发动机排放污染及控制技术的研究
发动机排放污染及控制技术的研究
随着汽车工业的不断发展,汽车的保有量不断增加,汽车在给人们带来方便的同时,也对人们的健康和社会环境造成了危害。
据报载,随着我国国民经济的持续快速发展,大城市大气环境污染变得日益突出,北京、广州、上海、重庆等大城市,单车污染物排放量较大,市区的大气污染以机动车为首要污染源。
据环保部门的研究结果,机动车排放对大气污染物中CO、HC、NOx的分担率,北京市分别为63.4%、73.5%和46%,上海市中心地区分别为86%、96%和56%。
许多国家大中城市的空气污染有五成以上来源于汽车所排出的废气。
汽车已成为主要的污染源,研究汽车排放污染的防治技术成为当前的重要课题。
一、发动机的排放污染
1.1排放污染的来源及其危害
发动机排放污染主要来自三个方面：
一是从排气管排出的废气，如CO、HC、NOx及So2、铅化合物和炭烟等；二是曲轴箱窜气，主要是HC化合物；三是从油箱、化油器及油泵、油管接头处蒸发的汽油蒸汽。
排放中的CO是一种无色无味而有毒的气体，当人吸人C0后，它与血液中的红血球相结合，阻碍血液吸收和输送氧气，从而引起头晕、头痛等中毒症状，严重时甚至死亡。
Nox是No、No2等氮氧化合物的总称，它会刺激人眼黏膜，引起结膜炎，严重时还会引起肺炎和肺气肿。
HC对人眼及呼吸系统均有刺激作用，对农作物也有危害。
碳烟微粒和其他杂质粉尘是柴油机的主要排放物，由于其粒径极小，约为0.01～0．2mm，能长期悬浮于空气中，易于通过呼吸系统而沉积于人体的肺泡内，极具致癌作用。
1.2、发动机排放污染的主要原因
1.2.1.CO的形成
CO的生成主要是由于燃烧时的氧气相对不足，燃油中的碳不能与足够的氧结合而产生的。
其生成量主要取决于混合气的浓度。
它是汽油机排气中有害成分浓度最大的物质。
在柴油机上，因其空气量充足，所以柴油机排气中含C0很少。
其反应式为：
2CO
→2CO+O
2H
O→2H
+0
CO
+H
→CO+H
O（水煤气反应）
汽油机CO排放特点
柴油机的CO排放
1.2.2HC的形成
汽车排放HC的来源有三个：
（1）燃料未燃烧、不完全燃烧或部分被分解、氧化而生成的HC；
（2）曲轴箱通风口蒸发出的HC；（3）燃油箱及化油器泄露出的燃油蒸气。
HC排放的特点
1.2.3NOx的形成
NOx是在燃烧室高温高压状态下，空气中氧和氨发生化学反应形成的。
其生成量主要取决于燃烧的最高温度、高温持续时间。
柴油机的压缩比高，因而NOx是柴油机排放中主要的有害成分。
HC加上NOx在太阳光中的紫外线照射下会发生光化学反应，生成一种有毒气体。
1.2.4碳烟的形成
柴油机在高负荷时，因燃料增多而空气不足，使大量油烟随排气排出。
柴油机车低速和减速行驶时其细微粒子的排放量是汽油机的20至90倍，是天然气汽车的60至370倍。
碳烟的排放特性
1.3使用因素对排气污染的影响
1.3.1混合气成分
发动机排出的有害气体受混合气成分的影响很大。
在理论空燃比（a=14．8）以内，随空燃比下降混台气变浓，燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧生成物增加，使CO、HC迅速增加，NOx急剧下降。
在n=16附近，CO及HC排出量很少，而NOx排出量最大；在a>17时，随空燃比再增加时，因混台气体不均匀造成局部缺氧仍有少时CO生成。
同时，因CO氧化反应速度慢，燃烧温度下降，使HC排放量又增加，NOx却迅速下降。
可见，减少CO及HC最合适的混台比，NOx却最大。
1．3．2点火提前角及喷油时刻
点火提前角减小时，由于点火推迟，后燃增加，气缸及排气温度上升促进了未燃烧成分的氧化，使HC及NOx排放浓度减小。
当点火提前角增加时，则HC及NOx排放浓度增加对于柴油机，随喷油提前角减小，循环最高温度下降，减少了NOx的生成量。
1．3．3负荷的影响
负荷是通过混合气成分对燃烧产物中有害物质发生影响的。
汽油机在怠速及小负荷工况运行时，化油器供给的混台气偏浓，而且燃烧室温度较低，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧，使CO排放量增加；同时，燃烧室温度低，燃烧室激拎现象严重，未燃烧的燃油增多，结果致使HC排放量增多。
中等负荷时，化油器供给经济混合气，氧气充足，易完全燃烧，废气中CO含量最少，HC含量也较低；由于燃烧室温度提高，NOx生成量增多。
在满负荷时，化油器供给浓混合气，使燃烧室内气体压力和温度升高，致使NOx生量增加；同时还提高了排气温度，使HC在排气中继续燃烧，其排放量减少；但CO因氧气不足，而生成量偏多。
柴油机在怠速时生成少量的CO；满负荷时，生成NOx及碳烟较多。
1．3．4发动机转速的影响
发动机转速影响进气、混合气形成和燃烧过程，从而影响了有害物质的生成。
在一定负荷下，随转速的升高，气缸内紊流增强，促进混合气的混合，改善了缸内的燃烧，使CO、HC排放减少。
NOx的生成量与混台气成分有关，当用浓混合气时，由于转速升高散热时间相对缩短，缸内燃烧温度升高，使NOx的生成量增加。
当用稀混合气时，由于燃烧相应的曲轴转角增加，燃烧温度反而会下降，使NOx的生量下降。
由以上可知，适当提高怠速转速，会使混合气变稀，CO及HC的排放减少。
因此，从减少发动机的排气污染出发，可适当提高发动机怠速转速。
1．3．5压缩比的影响
提高压缩比，会提高发动机的功率，但同时也使燃烧的最高温度上升，从而使NOx的生成量上升。
所以从减少排气污染的角度出发，应降低压缩比。
1．3．6发动机热状况的影响
发动机的热状况对废气有害物质的排放量有直接影响。
随冷却液温度的提高，燃烧条件改善，HC排放减少，但NO,的排放量增加。
二、发动机排放控制技术
控制机动车污染物排放的技术可以分为两类:
一、降低污染物生成量的技术,又称为机内净化技术;二、净化或处理发动机排出后污染物的技术,又称为机外净化技术。
随着发动机技术的进步和发展,目前车辆排放控制的机内、机外净化技术都达到了比较完善的地步。
2.1 机内净化技术
从发动机有害污染物的生成机理及影响因素出发,通过对发动机进行调正或改进,达到控制燃烧、减少和抑制污染物生成的各种技术称为机内净化技术。
简单地说就是降低污染物生成量的技术,如改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控汽油喷射和电控点火技术、采用废气再循环技术等。
这是一种通过改进发动机燃烧过程、减少污染物排放的方式。
2.1.1进气温度自动控制空气滤清器
也称为恒温空气滤清器。
它除具有普通空气滤清器的功用外，还能够自动控制避气温度，使之保持在40℃左右，以保证寒冷季节汽油良好的雾化，减少发动机HC和C0的排放。
对于化油器发动机，这类空气滤清器式发动机上更为多见。
2.1.2废气再循环（EGR）控制装置
它的作用是将部分排出的废气再送人进气系统，与新鲜的混合气混台，以降低燃烧温度，减少NOx的排放。
通过EGR使NOx的排放量急剧下降，但是混台气的着火性也变差，发动机的油耗、功率、扭矩特性也随之恶化。
因此，EGR必须控制在一定的范围内。
此外，的有些工况（如起动、怠速和轻负荷工况）时，发动机的燃烧温度较低，NOx不会超量，因此，在这些工况时，不能进行废气再循环。
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-进气节流阀；8-文丘里管；9-文丘里管
10-EGR冷却器；11-带EGR泵的涡轮增压器
12-VNT涡轮增压器；
2．1．3减速废气净化装置
在汽车减速时，节气门突然关闭，这时由于发动机转速还未下降，进气歧管形成高真空，进入气缸的混合气锐减，使得混合气残存废气比例猛增，缸内燃烧条件恶化，混合气不能完全燃烧，会造成排气中的HC迅速增加。
减速废气净化装置此时会供给气缸额外的混合气，以帮助缸内混合气完全燃烧，降低HC的排放量。
2.1.4 电子控制技术
汽油发动机是汽车的主要动力装置,而电子控制系统以其低排放、低油耗和高效率等优点广泛应用在汽油发动机上,逐渐地取代了化油器式汽油发动机。
发动机电子控制系统由传感器、电子控制单元ECU和执行器组成。
电子控制单元ECU根据进气绝对压力和发动机转速确定基本喷油持续时间和点火正时,然后根据相关传感器检测的信号修正基本喷油持续时间和点火正时,由此得到发动机在对应工况下运行的最佳喷油时间和点火正时,使可燃混合气充分燃烧,从而减少尾气中有害物质的排放。
发动机电子控制系统,不仅具有燃油喷射控制、点火控制和怠速控制主要功能,而且具有起动控制、燃油泵控制、燃油蒸发EVAP控制、废气再循环控制等辅助功能。
2.1.5 可变气门正时和升程
气门正时直接或间接地影响着发动机的尾气排放。
本田ACCORD装备的F23A3和F20B1发动机上就采用了电子控制的可变气门正时和升程（即VTEC）技术,有效地减少了发动机低转速范围的排放污染物,特别是HC的排放量。
VTEC工作原理:
在低转速区,主摇臂和辅助摇臂发挥作用,分别由主凸轮和辅助凸轮驱动,与此相对应,主进气门和辅助进气门以不同的升程和正时开启,其中辅助进气门开启的升程很小,在燃烧室中形成进气涡流,防止进气口处的燃料积聚;在高转速区,中间摇臂发挥作用,由中间凸轮驱动,与此对应,主进气门和辅助进气门以相同的、较高的升程开启,实现高功率输出。
主摇臂、辅助摇臂和中间摇臂之间的切换控制,是ECU通过电磁阀对VTEC的控制油路进行控制,进而控制摇臂中间的活塞动作而实现的。
如图2所示,油压驱动正时活塞、同步活塞,将三个摇臂连接起来,中间凸轮因升程最高而起作用,使两个进气门根据中间凸轮的作用而开启。
2.2 机外净化技术
在汽车发动机燃烧生成的废气排出发动机排气门后,但还未排入到大气环境之前,进一步采取净化措施,以减少最终汽车污染物排放的技术,被称为机外净化技术。
简单地说就是对排出发动机排气口的污染物进行进一步处理和净化的技术。
2.2.1催化转化器和氧传感器闭环控制
三元催化转化器是一种非常有效地净化尾气有害排放的装置,可以同时将尾气中的HC、CO和NOx转化为CO2、H2O和N2。
三元催化转化器的转化效率与空燃比之间存在一定的关系,当发动机在理想空燃比附近运转时,转化器的转化效率最高。
所以,采用三元催化转化器的车辆,都采用氧传感器信息反馈电子控制系统,以保证发动机在理想空燃比附近工作。
催化剂是直接影响催化转化效率的主要因素,通常使用的催化剂有贵金属铂、钯和铑,一般来说,催化剂含量越高,转化率就越高。
催化反应面积是影响转化率的另一个重要因素,为了增大有效反应面积,催化剂都涂装在蜂窝状的载体上,随着加工工艺水平的不断提高,蜂窝载体的孔密度也不断在提高,通常可达到62目Pcm2～93目Pcm2。
催化转化器的起燃特性（Light-off）
2.2.2排气歧管后置
催化转化器对反应气体温度有一定要求,如果温度过低,未达到催化剂的催化温度,催化反应就无法进行。
发动机在冷机起动或低温条件运转时,由于排气温度较低,催化剂发挥作用都存在一定的滞后期,这将会影响到整车排放水平。
从Ⅲ排放标准开始,增加了整车低温排放试验的规定,如何缩短催化反应的滞后期,将会直接影响到测试结果。
通过将排气歧管的位置设计到发动机的后部（即进气歧管迎风）,使流入催化转化器的废气温度提高,催化剂能够很快达到工作温度,使废气处理效果得到改善。
2.2.3催化转化器加热装置
为了加快催化器起燃速度,可以采用电加热装置,这种装置的缺点是能量消耗大,并需要采用在线诊断技术。
HC吸附器电加热装置,是另外一种有效降低冷起动排放的方法。
在冷机起动时,由HC吸附器作为过渡,先吸附大约60%的HC,通过电加热约30秒后达到起燃温度,利用导入的二次空气进行氧化,温度的升高可以加热后面的催化器。
2.2.4 斜置催化转化器
为了有效发挥催化剂的催化作用,需要反应气体与催化剂充分接触。
在空间允许的前提下,通过将催化转化器由通常的水平安装改为倾斜安装,废气可以均匀地流过催化剂,使催化剂吸附效果得到改善,催化剂的催化作用得到充分发挥。
2.2.5 废气再循环（EGR）系统
废气再循环就是将废气引入发动机燃烧室中再燃烧,以降低废气中NOX的排放。
由于引入燃烧室中废气量的多少,将会影响发动机的性能,所以采用EGR系统,一定要与电子控制系统相配合。
通常情况下,ECU根据传感器测得的发动机的冷却水温、节气门开度、转速和空气温度等参数,改变通往EGR阀的电流来调节EGR阀的升程,控制废气再循环量,同时兼顾发动机的运转性能和排放水平。
三、总结
（1）汽车尾气排放净化是一项综合课题,不仅要求研发机构不断改进发动机设计,提高控制系统精确性,研制有效的废气净化装置,而且要求石油化工领域不断提高燃油品质,以满足新型发动机和净化装置的要求。
（2）为了减少汽车尾气有害排放,首先应该采取机内净化措施,即通过改进发动机设计,采用电子控制、可变气门正时和升程、可变进气管等先进技术,优化燃烧条件,减少未完全燃烧混合气的生成。
（3）对于发动机工作已产生的有害气体,通过加装三元催化转化器和氧传感器,将有害气体HC、CO和NOx转化为CO2、H2O和N2。
为了进一步提高转化效率,可以通过优化布置转化器安装位置,采用排气歧管后置、安装加热器等措施。
（4）在采用EGR系统减少NOX排量时,一定要与电子控制系统相结合,合理控制再循环到发动机燃烧室中的废气量。
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