汽车构造课件第六章排放控制

第六章发动机有害排放物的控制系统第一节有害排放物一氧化碳碳氢化合物氮氧化合物微粒1、一氧化碳（CO）特性：CO是燃料不完全燃烧的产物，是一种无色臭无味的气体。其溶点为—205。0oC，沸点为—191．5oC，发火点为651．0oC。它与血液中血红素的亲和力是氧气的300倍，因此当人吸人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CO气体的体积分数达到0．3％时，可致人于死亡产生原因：生成CO的主要原因是CH燃料的不完全燃烧，除此之外，在燃烧过程中局部高温热分解也是重要原因。当燃烧温度达到2000K以上的高温状态时，即使在过量空气系数大于1的混合气中燃烧，燃烧生成物中的稳定分子C02和H2O的一部分，按以下反应式被高温分解为CO、NO以及H、O、OH等活性分子，并在CO2、H2O、CO、O、H、O、OH的共存状态下达到平衡，即CO2=CO+1/2O2H2O=H2+1/2O2H2O=1/2H2+HO造成HC燃料不完全燃烧的主要原因有：氧气不足，即混合气过浓或局部混合气过浓；燃烧温度过低；燃烧室容积过小而使燃烧滞留时间不充分；空气和燃料混合不充分等。。汽油机CO排放特点控制方法:促进混合气的形成，有效控制燃烧温度，都可以有效地降低CO的生成2、碳氢化合物(HC)特性：HC化合物在阳光照射下引起光化学反应，产生臭氧(O3)、PAH等具有强氧化特性的物质，形成光化学烟雾。它不仅降低大气能见度，使橡胶开裂，植物受害，刺激人的眼睛和咽喉，而且在HC化合物中的PAH是致癌物质，是导致碳烟的副产物。产生原因：1、HC化合物产生的主要原因有未完全燃烧生成的HC、2、由燃料供给系统泄漏产生的HC3、未燃燃料从燃烧室直接排出的HC等三种。其中引起未完全燃烧的原因是燃烧室内的氧气量不足，燃烧室壁面温度过低，以及混合气形成不充分或燃烧室内局部混合气过浓等。1)排气—55～65%（机内排放）2)曲轴箱—20～25%3)燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发—15～20%HC排放的特点控制方法:HC化合物的控制方法主要有采用C含量少的代用燃料；或采用电控技术改善燃烧，保证混合气的浓度和燃烧温度最佳等。3、氮氧化合物NOX特性：NOx也是一种燃烧生成物，是NO和NO2的总称。其中绝大部分是NO(约占95％)，在燃烧后期或排气过程中，大部分NO氧化成NO2。NOx对大气环境、植物生长乃至人类身体健康有极大的危害。NO在大气层中，与O2反应急速氧化成NO2，直接破坏大气层。此外，NO2是呈红褐色的有害气体，有强烈的刺激味，对肺和心肌等都有很强的损害作用。同时，NO2和HC一样也是形成光化学烟雾的主要元素之一。产生原因：NOx是在高温时完全燃烧状态下生成的，决定其产生量的多少的是发动机燃烧时所能达到的最高温度和压力的大小。控制方法:1、降低混合气中氧的浓度，2、降低燃烧温度，3、缩短在高温燃烧带内的滞留时间4、改善混合气的形成等。汽油机NOX排放的影响因素1.过量空气系数AirExcessiveRatio2.点火正时IgnitionTiming0.5c3.EGRRatio4.负荷EngineLoad三、柴油机NOX排放的影响因素（自然吸气直喷柴油机，6×102mm×118mm，）16.5c1.负荷与转速EngineLoadandSpeed2.喷油定时InjectionTiming3.EGRRatioEGR率NOxppm4、微粒特性：微粒(碳烟)是柴油机的主要有害排放物之一，由可溶性有机成分(SOF)和不可溶成分组成。柴油机排气中的微粒尺寸比较小，可长期悬浮在大气中，不仅降低大气的可见度，而且易于被人吸人肺部，同时微粒中的SOF成分具有致癌物。产生原因：碳烟是HC系列燃料的燃烧产物，所以其产生与HC系列燃料的燃烧状态直接有关。对预混合火焰，在燃料过多的浓混合气下，混合气接近火焰带时受到火焰面的高温热辐射而热分解成碳烟。产生碳烟的另一个条件就是温度场。对预混合火焰，当温度在2100—2400K时碳烟生成量最大，火焰温度进一步升高时，碳烟生成量反而减少。在扩散火焰区内，产生碳烟的主要原因是缺氧。碳烟的排放特性PMEmissionCharacteristics控制方法:控制碳烟的方法主要有两条基本途径：1、提高火焰温度，但这种方法与控制NOx排放量互相矛盾；2、控制火焰领域内的混合气浓度，避免过浓状态。为此，对预混合火焰需要供给充分的氧气；而对扩散火焰，需要促进混合气的形成。因此，控制碳烟最基本的原理就是如何控制火焰领域内的混合气浓度。排气净化方法(1)前处理：对燃料和空气在进入发动机气缸前进行处理，以减少燃烧后排气中的有害成分。如采用代用燃料（包括醇类燃料、氢气、液化石油气、天然气等）。(2)机内处理：包括对燃料、供给系及点火系等各系统的设计与改进，以减少排气中的有害成分的生成。如增加废气再循环系统、降低压缩比、缩小燃烧室激冷区、加强燃烧室内涡流、延迟点火时间、加大点火能量、采用燃油喷射、采用稀薄燃烧等。(3)后处理：在发动机将废气排入大气前，应用净化装置，在排气系统中进行处理，以减少排入大气中的有害成分。如采用二次空气喷射、热反应器再次燃烧法和催化反应器等。汽油机与柴油机的比较汽油机柴油机一氧化碳高低碳氢高低氮氧化物低高微粒低高第二节汽油机的排放控制装置催化转化装置降低低温HC排放装置稀薄NOX催化转化装置废气再循环装置1、催化转化装置催化转化装置是利用催化剂的作用，将排气中的CO、HC和NO。转换为对人体无害的气体的一种排气净化装置，也称作催化净化转化装置。催化转化装置是在催化剂的作用下通过氧化反应、还原反应、水性气体反应和水蒸气改质反应，将排气中的CO、HC及NOx三种有害气体转换成无害气体CO2、N2、H2和H2O。根据催化转化装置的净化形式，可分为氧化催化转化装置、还原催化转化装置以及三元催化转化装置。氧化催化转化装置氧化催化转化装置只是将排气中的CO和HC氧化为CO2和H2O。作为氧化催化剂，主要用Pt(钯)和Pd(铂)等贵金属。为了氧化HC和CO，将Pt、Pd独立或二者组合为催化剂。实际使用的Pt／Pd组合之比是在2．3／1附近，一般多使用Pt／Pd之比等于2／1或2．5／1的催化剂。贵金属Pd易受Pb(铅)的侵蚀，而贵金属Pt容易受热劣化。影响催化反应的基本因素是反应物质的浓度、温度以及空间速度(单位时间内的气体流量)。因此，为了提高反应效率，需要适当控制这些因素。一般催化剂的工作温度为300oC以上，空间速度为每小时数万升以下。作为反应物的浓度，很重要的因素就是氧气的浓度和被氧化物质(CO、HC、H2)浓度之间的平衡关系。因此，为了在排气过程中氧化HC和CO排放物，或者作为排气净化装置，采用催化装置或热废气反应器时，需要向排气系统供给新鲜空气，并称之为2次空气。三元催化转化装置三元催化转化装置是能同时净化汽车尾气排放中的CO、HC和NO。的后处理装置。但这种三元催化转化装置的有效净化作用受空燃比的影响，即在理论空燃比附近很窄的空燃比范围内才具备有效的净化效果，所以使用中要求精确控制空燃比。2、降低低温HC排放装置安装三元催化转化装置后，汽车向大气排出的HC主要是在排气温度达到催化剂开始反应温度之前的冷态下排出的。因此，降低HC的关键在于如何控制发动机刚起动后的冷态下HC的排放量。其控制方法有以下几种。1．直接催化这种方式是将催化转化装置直接安装在排气管之后，加快催化剂的升温速度。因此，HC净化在早期开始，对降低冷态下的HC很有效。但是这种方式存在的问题是，由于催化转化装置安装在离发动机排气管尽可能接近的位置，所以受高温的影响影响寿命。2．利用电加热催化转化装置这种装置是一个通过外部电力提前加热催化，以降低冷态下HC排放量的系统(EHC：ElectricallyHeatedCatalyst)。外部供电方式有蓄电池供电和交流发电机供电两种。交流发电机供电方式的特点是可以施加高电压，减小电流。电加热催化转化装置(EHC)的主要缺点是耗电量大，耐久可靠性较差。3．二次燃烧装置这是一种将燃料的一部分或过浓混合气送到催化转化装置之前，由燃烧器点火燃烧促进催化的装置。这种方式多数是将燃烧器放在催化转化装置之前，并专门设置燃料和空气的供给系统。采用这种系统后，可在发动机起动后的6s内将催化转化装置人口温度升高到300oC左右，使HC排放量降低90％左右。但当燃烧器点火失败时，HC排放量反而增加。这种方式的主要缺点是结构复杂。4．采用HC捕捉器HC捕捉器的特点是不需要外部能量，也能将低温排出的HC吸附。它主要采用沸石或活性炭作为吸附剂。HC捕捉器在低温时吸附的HC，在吸附剂温度上升时被释放出来，所以常与三元催化转化装置同时使。3、稀薄NOX催化转化装置随着节能与排放要求的不断提高，已开发研究和应用稀薄燃烧技术。由于这种燃烧方式的空燃比大于理论空燃比，所以三元催化转化装置不再适用。因此，专门开发出了稀薄混合气燃烧时的NOx催化转化装置。这种催化转化装置主要有NOx。直接分解型和NOx吸附还原型两种。直接分解型催化转化装置是一种在稀薄混合气下以HC为还原剂直接净化NOx的方式。这种方式通过Cu—沸石以及Pt(铂)系列贵金属催化剂，将NOx吸附在催化剂表面上，然后由HC还原消除贵金属表面上所吸附的氧，使NOx直接分解为N2和O2。NOx吸附还原型催化转化装置是一种在稀薄燃烧时吸附NOx，在浓或者理论空燃比时将吸附的NOx进行还原净化的系统。4、废气再循环装置废气再循环+涡轮增压第三节其它排放物的控制系统汽车蒸发控制系统强制式曲轴箱通风系统一、汽车蒸发控制系统汽油箱等燃料供给系中的燃料随时都在蒸发汽化，若不加以回收或控制，则当发动机停机时，汽油蒸发物(HC)将逸入大气，造成对环境的污染。汽油蒸发控制系统的作用就是将这些汽油蒸发物收集和储存在炭罐内，当发动机工作时再将其送入气缸烧掉。汽车蒸发控制系统二、强制式曲轴箱通风系统PCV是PositiveCrankcaseVentilation(曲轴箱强制通风)的缩写。它的作用是防止窜气进入大气，同时防止机油变质。当发动机作功燃烧过程的末端，一些未燃混合气在高压力下从活塞环漏入曲轴箱内，业内将这种泄漏称为“窜气”。这些窜气会从曲轴箱内逸入大气中造成污染。这些窜入的混合气不被排除，还会稀释曲轴箱内的机油，使机油变质造成发动机机件过早磨损。PCV装置主要由通气软管、PCV阀组成。通气软管一条一般接通空气滤清器至气门室盖，另一条接通PCV阀至进气歧管。PCV阀由柱塞式阀门和弹簧构成，位于进气歧管的一侧，进气歧管的真空度决定了PCV阀的开闭及开启的程度，而PCV阀的开闭及开启的程度又决定了窜气混合气被重新吸入进气歧管参加燃烧的数量。当发动机常速或转速比较慢时，气流量小，窜气也少，PCV阀开度较小甚至关闭，因而被强制吸入燃烧的窜气也比较少甚至没有。当发动机加速或转速比较高时，气流量大，窜气也大，PCV阀开度较大，因而被强制吸入燃烧的窜气也比较多。完