摩托车发动机原理第九章排气污染与控制

第九章排气污染与控制第一节概述2019/9/14发动机原理3环保与节能•环境保护与节能是当今车用动力技术发展的两个主要着眼点。•以发动机为动力的汽车是城市大气污染的主要来源。据世界一些主要大城市的统计表明，在未治理前，汽车排放中的主要有害成分占城市大气该污染物总量中的比例是很高的。•此外，还有微粒、硫化物、铅、磷及醛等污染，这些污染物对人体的危害很大。2019/9/14发动机原理4CO排放•CO主要是在缺氧环境下的不完全燃烧产物，是一种无色无臭无味的气体，它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍，人体吸入微量，将破坏造血功能，呈中毒症状；吸入含体积浓度0.3％的CO气体，则可在30min内使人致命。2019/9/14发动机原理5HC排放•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。HC中的大部分对人体健康不产生直接影响，但其中的某些醛类和多环芳香烃对人体有严重危害。•HC可在阳光作用下与NOX进行光化学反应，形成一种毒性较大的光化学烟雾。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。2019/9/14发动机原理6NOX排放•NOX主要是指NO和NO2，一般用NOX表示。发生在与燃料燃烧反应相伴的高温与富氧的环境中。•NO的毒性比NO2小，但NO在大气中缓慢氧化形成NO2。NO2是褐色有刺激性的气体，对肺和心肌有很强的毒害作用。•NOX是在地面附近形成光化烟雾的主要因素之一。2019/9/14发动机原理7排放指标•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。体积分数通常以％和10-6（百万分比）表示，质量浓度常用mg/m3计量。•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g/h（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/（kW·h）]。第二节汽油机有害排放物的生成机理和影响因素2019/9/14发动机原理9一、CO的生成机理•一氧化碳（CO）是碳氢燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。CO生成的机理比较复杂，但一般认为，燃料分子（RH）经高温氧化生成CO要经历如下步骤：•RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO•这里R代表碳氢根。CO在火焰中及火焰后，以缓慢的速率氧化成CO2。2019/9/14发动机原理10二、HC的生成机理•未燃碳氢化合物（HC）的生成与排出有三个渠道：–排气：占6O％以上–曲轴箱窜气：占25％–蒸发：占15％～20％左右2019/9/14发动机原理11燃烧过程中HC生成的主要途径•1）缝隙效应•2）壁面激冷与淬熄•3）润滑油膜吸附•4）减速及怠速工况2019/9/14发动机原理12三、NOX的生成机理•发动机排出的氮氧化物（NOX）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：–O＋N2NO＋N–N＋O2NO＋O2019/9/14发动机原理13促使NOX生成的因素•（1）高温•（2）富氧•（3）充足的反应时间2019/9/14发动机原理14汽油机是一种预混燃烧，它靠电火花进行外源点火，火核形成以后，以火焰传播为特征，其可燃混合气浓度范围比较窄，混合气成分是影响排放的最主要的因素。四、影响因素--混合气成分2019/9/14发动机原理15影响因素--点火正时2019/9/14发动机原理162019/9/14发动机原理17EGR可以抑制燃烧的最高温度，有利于抑制NO的生成。但燃烧的有效性降低，动力性变差。影响因素--吸入废气量(EGR)2019/9/14发动机原理18影响因素--工况•从汽油机排放特性图看出，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。在怠速工况下，燃烧环境温度比较低，缸内残余废气量比较大，混合气比较浓，致使燃烧恶化，HC排放浓度增加；在减速工况下，很高的进气管真空度使进气管内沉积的燃料油膜大量蒸发，这是HC增加的重要原因。2019/9/14发动机原理19第三节汽油机有害排放物控制技术2019/9/14发动机原理21控制措施分类•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。2019/9/14发动机原理222019/9/14发动机原理23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。当窜缸气体量大于阀门的流通能力时，曲轴箱中过量的窜气量将通过空气滤清器连接管2进入空气滤清器，进入气缸再次燃烧。一、曲轴箱强制通风系统（PCV系统）2019/9/14发动机原理24•在发动机部分负荷正常工况时，曲轴箱内的所有窜缸气体通过PCV阀，进入进气歧管；•在怠速或低速时（a），进气歧管中相对真空度较高，真空吸力大，允许少量曲轴箱蒸气混合气通过；•当发动机转速或负荷加大时（b），进气管真空度下降，吸力减小，允许较多的气体通过；发动机全负荷工作时，PCV阀的弹簧使阀门开后到最大流量状态（b）；•发动机回火时PCV阀起保护作用，（c）。PCV阀的工作原理2019/9/14发动机原理25系统的主要组成有止回阀、净化控制阀、活性炭罐等如燃料箱中压力变高时，止回阀开启，蒸发燃料被活性炭吸附。当由吸气压力控制的净化控制阀打开时，被吸附在活性炭上的燃料蒸气和经过活性炭罐的空气滤清器的空气一起被吸入进气系统，再进入气缸燃烧二、燃油蒸发净化装置2019/9/14发动机原理26三、废气再循环装置（EGR）2019/9/14发动机原理27•当发动机处于怠速时，无真空压力作用在EGR阀的隔膜上，弹簧保持阀门关闭，不进行EGR。•随着负荷增大，真空口处真空增大，一般当真空度超过10kPa时，阀门开启，开始进行EGR。•真空度升到25kPa时，隔膜上升到最高位置。•当节气门全开时，真空口处的真空很小，EGR阀关闭，空气燃油混合气不被稀释，以保证汽车发动机动力性能。•在暖车过程中，冷却液和发动机进气温度都较低，NO的排放量也很低，应关闭EGR阀。此时关闭EGR阀工作由温度控制开关实现。一般而言，发动机冷却液温度低于40℃时，应使EGR阀保持关闭。2019/9/14发动机原理28•EGR系统的主要工作参数为EGR率R，其定义为：R＝Gr／（Gr＋Ga）；式中Ga表示进入发动机的空气和燃油混合气的质量流量；Gr表示进入发动机的再循环废气质量流量。EGR率对发动机性能的影响2019/9/14发动机原理292019/9/14发动机原理302019/9/14发动机原理31•1、工作原理•2、催化器性能评价参数•3、催化反应条件•4、车用三效催化剂的要求•5、催化转化器的结构•6、催化器的寿命与失效•7、汽油机排气后处理之未来四、汽油机三效催化转化器2019/9/14发动机原理32HCCONOxH2OCO2N2222NOHCONOxHCCOTWC1、工作原理2019/9/14发动机原理332、催化器性能评价参数•（1）转换效率%1001%催化器入口浓度催化器出口浓度）转换效率（催化器出、入口浓度分别代表有害气体（HC、CO、NOx）的浓度。可见，转换效率表示把HC、CO、NOx等有害气体转换成无害气体的百分率。转换效率的测定一般在发动机试验台或装车试验中进行2019/9/14发动机原理34）催化器体积（）量（催化器排出气体体积流331/)(dmhdmhSVSV简称空速，主要用于评价催化器的安装占用空间的程度。显然，在同样的排气流量下，排气催化转化器所允许的空速SV越大，催化器的体积就越小。或者说，SV越小，在同样的排气流量下，反应气体在催化器中的停留时间越长，转换效率越高。（2）空间速度2019/9/14发动机原理353、催化反应的条件（1）空燃比条件2019/9/14发动机原理36（2）温度条件•一般称转化效率为50％所对应的温度为催化剂的起燃（Light-off）温度。•一般三效催化剂对各种污染物的起燃温度在220一270℃之间。在发动机冷起动与暖机时，催化剂温度很低，净化效能很差。用美国FTP-75测试循环进行测试时，CO和HC的50％—80％是在冷起动后1min内排放的。为缓解这个问题，正在研究用电加热催化剂加速它在冷起动后的起燃或采用紧耦型催化器。2019/9/14发动机原理374、车用三效催化剂的要求•起燃温度低；•有较高的储氧能力，以补偿空燃比的波动；•耐高温，不易热老化；•对杂质不敏感，不易中毒；•尽量不产生H2S、NH3等物质；•成本合理。2019/9/14发动机原理385、催化转化器的结构（圆形）外壳减振密封垫载体与催化剂2019/9/14发动机原理39催化转化器的结构（椭圆形）2019/9/14发动机原理40不锈钢外壳催化转化器2019/9/14发动机原理41载体与催化剂贵金属Pt,Rh,Pd氧化铝助催化剂催化剂涂层载体2019/9/14发动机原理42催化剂•三效催化剂的主要活性材料是贵金属铂Pt和铑Rh。Pt主要催化CO和HC的氧化反应，Rh催化NOx的还原反应。一般贵金属的用量为每升载体1g，Pt/Rh比为5:1左右。由于Pt很贵，也有研究用钯Pd部分或全部代替Pt。Pd的氧化活性不错，但其晶体结构容易容纳杂质，易受杂质中毒。•为进一步降低成本，正在大力研究用钙钛矿型稀土催化剂(或加上过渡金属氧化物催化剂)代替贵金属的可能性，但尚未大量用于汽车发动机。2019/9/14发动机原理43助催化剂•为了改善三效催化剂的性能，除了氧化铝和贵金属外，三效催化剂中还可能含有各种各样的添加剂或助催化剂，如镍Ni、铈Ce、镧La、钡Ba、锆Zr、铁Fe和硅Si等。它们起多种多样的作用，如加强催化活性、稳定载体以及防止贵金属烧结等。2019/9/14发动机原理446、催化器的寿命与失效•催化转换器一般要求寿命在10万km以上。贵金属催化剂报废后，贵金属可以回收再用。2019/9/14发动机原理45催化转化器老化失效形式化学老化热老化积垢老化机械老化中毒：不可逆吸附或发生表面反应抑制：毒物的竞争可逆吸附毒物导致催化剂表面重构发生载体孔结构的阻塞活性组分的烧结形成合金载体结构发生变化贵金属-贱金属的相互作用贵金属表面重组贵金属挥发碳沉积（结碳）热冲击磨损机械破坏2019/9/14发动机原理467、汽油机排气后处理之未来2019/9/14发动机原理47载体技术——催化器新型载体•目前，也有用金属作为催化剂的载体材料。一般用厚度不超过0.1mm的极薄不锈钢带，一层带波纹一层不带波纹地交替叠合，卷成螺线形或S形，焊装在金属圆筒内。•这种载体的优点是结构紧凑，热容量小，有利于提高内燃机冷起动时的净化效果，机械强度和热强度高，工作可靠；缺点是质量大，成本高，涂敷活性层困难。•它一般做成小的，安装在陶瓷主催化转化器前，用来改善冷起动净化性能，或用于振动较大的场合，如摩托车。2019/9/14发动机原理48快速起燃技术—电加热催化转化器（EHC）2019/9/14发动机原理49快速起燃技术—紧耦合型催化转化器（CCC）第六节排放法规与试验方法2019/9/14发动机原理51一、我国汽车排放治理标准的沿革•不同国家在大气污染防治工作方面的进展有所不同。因为各国的发达程度，汽车保有量、城市规划特点、气候和地形等各不相同，对大气污染严重性和治理紧迫性的认识理念也不尽相同。总的说来，汽车数量多，城市大气污染严重的国家，措施采取得较早，限制得也更严格。各国根据自己的国情制定自己的标准。•这在我国的历次标准中都有体现；另一方面，随着全球经济一体化的进展，国际上要求统一排放标准的呼声日益增高。在我国的第三批即新标准中，既考虑我国的实际情况，又跨出了与国际接轨的一大步。20