第七章排气控制装置.

第七章排气污染与控制第七章排气污染与控制——概述7.1概述1．汽车发动机的排气污染汽车发动机的排气是城市大气污染的主要原因，因此，控制发动机排放污染物是当前的主要研究发展方向之一。汽车发动机排放的有害物质种类主要是CO、HC、NOX和微粒(PM)，绝大多数污染物出现在废气中，少量HC来自于曲轴箱和燃料系统泄露的燃料及润滑油蒸发物，包括气缸窜入曲轴箱的燃气。发动机排放污染物的危害有二个方面：（1）危及人体健康；（2）破坏环境。除了发动机排放污染物质造成对大气的直接污染，汽车有害排放物还可能通过与环境物质或有害物质之间的化学反应，形成二次污染。第七章排气污染与控制7.1概述2、汽车排放污染的危害已经确定的典型的环境效应是：（1）酸雨，汽车排放污染物中酸性物质溶解于水后形成；（2）光化学烟雾，汽车有害排放物中HC与NOX在强阳光作用下，相互反应生成的有毒烟雾，主要成分是臭氧和PAN（过氧酰基硝酸盐）；（3）臭氧层空洞，卤族元素在强阳光照射时，消耗臭氧，导致臭氧层破坏；（4）温室效应，汽车排放使大气中CO2浓度增加，气温上升。汽车有害排放物对人体和生物的危害有：CO：血液输氧能力降低、神经中枢受损，严重时危及生命。HC：刺激鼻、眼和呼吸道粘膜，引发呼吸道疾病。NOX：刺激人眼粘膜，对神经中枢有抑制作用，使呼吸系统失调，引发疾病。微粒：微粒是气固态的物质颗粒，因表面吸附多种有毒、致病、致癌或致命物质而具有危害。光化学烟雾对人体呼吸系统以及粘膜有强烈刺激，引发肺水肿疾病。此外，对植物生长有抑制作用。第七章排气污染与控制7.1概述3、汽车排放控制技术标准经过几十年的努力，汽车发动机排放的污染物质数量已经大大减少。除CO2以外，现在100辆汽车排放的污染物数量才相当于1950年一辆汽车的排放量。控制汽车排放的努力，集中体现在由各国政府制定并强制实施的汽车排放控制技术标准。这是因为环境污染影响到整个地球和人类社会，并涉及各方面的经济利益。为突出汽车排放控制技术标准的强制性，它们也被称为排放法规。汽车排放法规的主要内容是：（1）限值：有害排放物的限制数量或浓度；（2）试验规范：检测汽车或发动机有害排放物时的试验条件、要求和程序（流程）；（3）采样方法：检测试验时，采集样品的原理、方法和要求；（4）检测仪器：统一规定测试仪器的工作原理。但是，由于汽车保有量的持续增加，汽车排放污染物的总量仍不断上升，环境保护的形势非常严峻，特别是CO2的排放。第七章排气污染与控制——有害排放物生成机理7.2有害排放物生成机理1．NOX生成机理NOX排放的生成机理目前尚无统一认识，比较认可的是用捷尔杜维奇链反应解释NO生成，并用其代表NOX的生成机理。这个反应机理表示NOX生成反应是不分支的链反应，而且是吸热反应。第七章排气污染与控制7.2有害排放物生成机理生成要素根据化学反应平衡原理、NOX的生成机理、平衡浓度的模拟计算和发动机台架试验的结果，提示NOX生成的主要要素是：（1）反应温度（2）氧气浓度（3）反应时间汽油机燃烧温度比柴油机高，因此，反应温度是影响汽油机NOX排放的主要因素；氧气浓度通过空燃比对汽油机NOX排放产生影响，在一定的空燃比范围中，汽油机有较高的NOX排放；汽油机的转速较高，反应时间对汽油机的NOX排放影响较小。柴油机燃烧的特点时空气充足，燃烧温度比较低，因此，氧气浓度是影响柴油机NOX排放的主要因素；氧气浓度通过空燃比对柴油机NOX排放发生影响，在一定的空燃比范围中，柴油机有较高的NOX排放；柴油机的转速虽然比汽油机低，但燃烧时间仍然较短，故反应时间对柴油机的NOX排放影响较小。第七章排气污染与控制7.2有害排放物生成机理2、CO生成机理（1）缺氧与局部缺氧燃烧根据化学计量学原理，当空气过量，氧气充足，稀混合气燃烧时，燃料应该能完全燃烧，不会产生CO；空气不足，缺氧或局部缺氧，即浓混合气燃烧时，会产生较多的CO。即空气充足空气不足第七章排气污染与控制7.2有害排放物生成机理（2）燃烧过程不完善实际燃烧过程是一个非常复杂的链式反应。燃烧过程中产生大量中间产物，包括CO。链式反应中断、不正常燃烧（如表面点火、爆震以及后燃过于严重），即燃烧过程不完善，都形成CO排放。有很多原因可以导致燃烧过程不完善。如局部断火、缺火、活性粒子碰撞壁面而失去活性、混合气过浓或过稀、废气稀释过度、各种点火故障等等。这些原因都会造成燃烧过程不完善。汽油机燃烧时，混合气浓度变化较大，既有缺氧的浓混合气，也有氧气充足的稀混合气。电控汽油喷射式发动机基本是浓混合气。因此，汽油机CO排放的主要因素是缺氧和燃烧不完善。柴油机燃烧时空气充足，但混合气浓度不均匀。因此，局部缺氧和燃烧不完善是柴油机CO排放的主要因素。第七章排气污染与控制7.2有害排放物生成机理3、HC生成机理（1）缸壁激冷效应燃烧室壁面附近区域的混合气不能燃烧现象称为缸壁激冷效应。（2）燃烧室缝隙效应发动机燃烧室缝隙中混合气不能燃烧的现象称为缝隙效应。（3）燃烧过程不完善发动机排放的HC主要是燃烧过程中间产物。燃烧过程不完善，形成HC排放。（4）扫气和漏气少量混合气在气门重叠时，直接从进气门流向排气门（扫气）。气门关闭不严（漏气），也可导致HC排放。（5）润滑系统与燃料系统的蒸发部分HC排放来自燃料系统和曲轴箱的气体泄露。燃料系统的泄露完全是燃油蒸汽，曲轴箱泄露的气体包括气缸窜气和润滑油蒸汽。第七章排气污染与控制7.2有害排放物生成机理HC是燃烧过程中间产物，是可燃烧气体。随着燃烧的进行会逐渐减少，并且在排气过程和排气管内会进一步氧化。仅就燃烧来说，汽油机气缸内是混合气。因此，燃烧过程不完善、壁面激冷效应和缝隙效应是汽油机HC排放的主要原因，扫气漏气则是次要原因；柴油机气缸中，壁面区域和缝隙中几乎全部是空气，换气时出现扫气也完全是空气，燃烧时混合气浓度不均匀，存在混合气极其稀薄的区域，因此，柴油机的HC排放主要原因是燃烧过程不完善。第七章排气污染与控制7.2有害排放物生成机理4、微粒与汽油机相比，柴油机的微粒排放比较突出。柴油机微粒排放的类型（1）白烟白烟在起动及暖机过程前期，发动机温度在250℃时出现，主要成分为燃油颗粒，微粒直径较小。在起动及暖机过程前期，发动机温度低，压缩压力相对降低，喷油量小，喷油压力下降，油束雾化不好，同时，燃烧条件差，存在局部混合气过浓或油束心部、后部在扩散燃烧时未能充分燃烧现象。未能燃烧燃料在排气过程受已燃气体的加热变成燃油蒸汽，形成白烟。（2）蓝烟蓝烟在暖机过程后期，温度为250℃至着火温度出现，主要成分为润滑油颗粒，微粒直径略大。在暖机过程后期，发动机温度逐渐升高，燃烧室壁面温度提高，使壁面润滑油蒸发，但气缸供油量少，燃烧热量小，燃烧温度低，不能使润滑油蒸汽燃烧，因而形成蓝烟排出。第七章排气污染与控制7.2有害排放物生成机理（3）黑烟（碳烟）黑烟在急加速过程或大负荷时出现，主要成分为碳颗粒，微粒直径较大，直径范围宽。柴油机的微粒排放主要是碳烟。碳烟生成机理碳烟是燃烧过程的中间产物。燃烧过程中包括分子裂解、分解以及聚合等反应，在局部缺氧燃烧时，就出现碳烟。碳烟生成有两条路线：高温下裂解、复聚和环构；较低温度下聚合、环构和脱氢。（1）高温路线第七章排气污染与控制7.2有害排放物生成机理（2）低温路线柴油机碳烟生成主要按高温路线，即高温并缺氧燃烧是碳烟生成的主要原因。随着燃烧过程进行，碳烟也会氧化燃烧。发动机碳烟排放数量取决于碳烟生成和氧化矛盾作用的结果。在燃烧过程中，碳烟生成几乎不可避免。因此，重要的是加强氧化燃烧，才能减少碳烟排放数量。第七章排气污染与控制——有害排放物的控制7.3有害排放物控制措施7.3.1概述针对内因采取的控制措施，前处理净化；针对外因采取的控制措施，机内净化；补救措施，后处理净化，包括排气后处理；非排气的污染物控制。7.3.2前处理净化1、提高燃油品质：环保汽油和环保柴油（配方燃油）；开发新型燃油添加剂。2、采用EGR第七章排气污染与控制7.3有害排放物的控制7.3.3后处理净化1、排气后处理（1）三元催化净化器；（2）柴油机微粒捕集器。（3）SCR2、非排气的污染物控制（1）曲轴箱强制通风装置非排气的污染控制装置-曲轴箱强制通风系统（2）汽油蒸发控制系统1.汽油蒸发控制系统的功用●汽油蒸发控制系统实际是一个单独系统，为控制发动机的燃油蒸汽排放而设置。但因为结构上与燃油系统联系密切，所以纳入本章介绍。●功用：将汽油蒸汽收集起来，送入气缸燃烧。●关键部件：碳罐●碳罐作用：吸附汽油蒸汽●碳罐结构：外壳、活性炭和阀门等。非排气的污染控制装置-汽油蒸发控制系统2、非排气的污染物控制2.典型系统介绍（1）真空直接控制式汽油蒸发控制系统●化油器汽油机。●工作原理：——吸附时蒸汽流向：①汽油箱→汽液分离器→碳罐；②化油器→碳罐。——解吸时蒸汽流向：碳罐→限流阀→进气歧管→气缸燃烧。●结构特点：利用真空控制限流阀的开闭，从而控制蒸汽的解吸。非排气的污染控制装置-汽油蒸发控制系统2.典型系统介绍（2）电子控制式汽油蒸发控制系统非排气的污染控制装置-汽油蒸发控制系统2.典型系统介绍（2）电子控制式汽油蒸发控制系统●电喷汽油机。●工作原理：——吸附时蒸汽流向：汽油箱→单向阀8开启→碳罐。——解吸时蒸汽流向：碳罐→单向阀7→进气歧管→气缸燃烧——油箱真空时空气流向：碳罐→单向阀9→油箱。●系统组成：碳罐、汽液分离器、电磁阀等。●结构特点：利用电磁阀的开闭控制汽油蒸汽的解吸与吸附，电磁阀的开闭受ECU的控制。单向阀的作用是控制气流方向。非排气的污染控制装置-汽油蒸发控制系统第七章排气污染与控制7.3有害排放物的控制7.3.4机内净化措施1、采用计算机控制汽油机——电子控制汽油喷射：精确控制空燃比、点火提前角和EGR率等。柴油机——电子控制高压共轨柴油喷射：精确控制空燃比、喷油提前角、喷油规律等。2、改进燃烧稀薄燃烧系统、分层燃烧系统、GDI和HCCI等。3、采取各种可变技术可变配气技术、可变压缩比技术、可变工作气缸数和可变增压系统等。4、控制进气温度5、提高进气效率6、采取增压中冷思考题1.简要分析HC、NOx和PM的产生机理。2.分析发动机工作工程中排放污染物的控制措施。3.列举发动机排放后处理控制措施。