6.第六章發(fā)動(dòng)機(jī)有害

1、發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物 隨著汽車保有量的與日俱增，汽車排氣對(duì)人類健康的危害及對(duì)環(huán)境的污染也日甚一日。對(duì)此，世界各國都制定了相應(yīng)的法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，以期把汽車的有害排放物控制在較低的水平。例如，在美國特別是在加里福尼亞州，自1990年以來，排放標(biāo)準(zhǔn)愈益嚴(yán)格。為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的徘氣進(jìn)行凈化。近幾年來，汽車界開發(fā)和創(chuàng)制出許多凈化排氣的新技術(shù)和新裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物 以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車是城市大氣的主要污染源之一。汽車排放的污染物主要有一氧化碳CO、碳?xì)浠衔?HC)、氯氧化合物(NOX)和微粒。 CO是燃油的不完全燃燒產(chǎn)物，是一種無色無臭無味的氣體。它與血液中血紅素的親和力是氧氣的300倍，

2、因此當(dāng)人吸入CO后，血液吸收和運(yùn)送氧的能力降低，導(dǎo)致頭暈、頭痛等中毒癥狀。當(dāng)吸人體積分?jǐn)?shù)為0.3的CO氣體時(shí)，可致人于死亡。 NOx主要是指NO和NO2 ，產(chǎn)生于燃燒室內(nèi)高溫富氧的環(huán)境中?？諝庵泻琋Ox可刺激口腔及鼻粘膜、眼角膜等。當(dāng)NOx的體積分?jǐn)?shù)超過一定值時(shí)，幾分鐘可使人出現(xiàn)肺氣腫而死亡。 HC包括未燃和末完全燃燒的燃油和潤滑油蒸氣。HC和NOx在陽光照射下形成光化學(xué)煙霧。其中主要的生成物是臭氧，它具有強(qiáng)氧化件、可使橡膠開裂、植物受害。大氣能見度降低，并刺激人眼和咽喉。柴油機(jī)的排放物是大氣污染的一個(gè)主要來源柴油機(jī)有害排放物及其危害 柴油機(jī)排氣中包含各種成分，其基本成分是二氧化碳（CO2），

3、水蒸氣（H2O），過剩的氧氣（O2）以及存留下來的氮?dú)猓∟2）等。他們是燃料和空氣完全燃燒后的產(chǎn)物，從毒物學(xué)的觀點(diǎn)看，排氣中的這些成分是無害的，除上述基本成分外，柴油機(jī)排氣中還含有不完全燃燒的產(chǎn)物和燃燒反應(yīng)的中間產(chǎn)物，包括一氧化碳（CO），碳?xì)浠衔铮℉C），氮氧化合物（NOX），微粒（PT）及醛類生平。這些成分的質(zhì)量總和在柴油機(jī)排氣中所占的比例雖然還不到1%，但它們大部分是有害的，或有強(qiáng)烈刺激的臭味，有的還有致癌作用，因此被列為有害排放物。 控制方法之一高壓共軌噴射系統(tǒng) 柴油機(jī)降低排放的對(duì)策主要是改善燃燒，而噴射系統(tǒng)性能是影響柴油機(jī)燃燒過程的關(guān)鍵因素，要改進(jìn)傳統(tǒng)的由柱塞泵分缸脈動(dòng)噴射系統(tǒng)難度

4、較大，高壓共軌噴射系統(tǒng)被世界內(nèi)燃機(jī)行業(yè)公認(rèn)為二十世紀(jì)三大突破之一（另外兩項(xiàng)是汽油直噴技術(shù)和DME代用燃料）。 高壓共軌噴射系統(tǒng)是建立在直噴技術(shù)、預(yù)噴射技術(shù)和電控技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種全新概念的噴射系統(tǒng)。它主要有高壓泵，帶調(diào)壓閥的共軌管，帶電磁閥的噴油器，ECU（電子控制單元）和各種傳感器組成高壓共軌系統(tǒng)不再用柱塞泵分缸脈動(dòng)供油原理，而是用一個(gè)設(shè)置在噴油泵和噴油器之間的具有較大容積的共軌管把高壓油泵輸出的燃油蓄積起來并平抑壓力波，再通過各高壓油管輸送到噴油器上，由噴油器上的電磁閥的動(dòng)作控制噴油的開始和終止。電磁閥作用的時(shí)刻決定噴油定時(shí)，起作用的持續(xù)時(shí)間和共軌壓力共同決定噴油量。由于這種系統(tǒng)采用壓力時(shí)

5、間式燃油計(jì)量原理，因此又可稱為壓力時(shí)間控制式控噴射系統(tǒng)。高壓共軌噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)是；噴油壓力的建立與噴油過程無關(guān)；噴油壓力，噴油過程和噴油持續(xù)期不受負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的影響；噴油定時(shí)與噴油計(jì)量完全分開，可以自由調(diào)整每缸的噴油量和噴油始點(diǎn)；能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射，快速停噴和多段噴射。因此高壓共軌噴射系統(tǒng)通過對(duì)噴油要素的優(yōu)化控制柴油機(jī)燃燒更充分，從而減少燃燒中有害物的形成，使柴油機(jī)的有害排放，噪聲排放和冷起動(dòng)性能都得到很大改善?？刂品椒ㄖU氣再循環(huán)系統(tǒng)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)是將柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣的一小部分再送回氣缸。由于柴油機(jī)中富余的氧氣較多，當(dāng)送回汽缸的廢氣與新鮮空氣混合后，該過程導(dǎo)致氣缸內(nèi)氧氣濃度降低，使燃燒速度減慢，燃

6、燒溫度下降，從而減少有害成分氮氧化物（NOX）的形成。目前采用和研究廢氣再循環(huán)系統(tǒng)有多種類型，日野汽車公司開發(fā)的脈沖式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在柴油機(jī)進(jìn)氣過程中，排氣門稍有提升，使部分高壓廢氣回流到汽缸內(nèi)。排氣門的這個(gè)作用是通過修改排氣門凸輪的形狀和將廢氣再循環(huán)系統(tǒng)微升來實(shí)現(xiàn)的。在脈沖式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，廢氣被重新送回氣缸內(nèi)，因此廢氣的壓力應(yīng)高到足以使氣流反向。要達(dá)到這樣高的壓力只有通過優(yōu)化氣門微升和定時(shí)，從而利用廢氣的壓力波才能實(shí)現(xiàn)，在該廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，廢氣壓力“脈沖”被有效利用。增壓中冷柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)還有另外兩種方式，一種是將渦輪前的排氣引入中冷器之后，稱為高壓廢氣反向。采用可變截面渦輪增壓

7、器，可以擴(kuò)大廢氣再循環(huán)有效工作范圍，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，這可能是將高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)用于增壓中冷柴油機(jī)的最好方法。另一種是將渦輪后的排氣引入壓氣機(jī)之前，稱為低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，它可有效降低氮氧化物（NOX），而廢氣循環(huán)工作范圍較大，與柴油機(jī)匹配能有效地發(fā)揮其功能?？刂品椒ㄖ鰤褐欣浼夹g(shù) 所謂增壓，就是增加進(jìn)入柴油機(jī)汽缸內(nèi)的空氣密度。中冷則是將壓縮后的空氣的溫度降低。因此，柴油機(jī)采用增壓中冷系統(tǒng)后，滯燃期縮短，在稀烯火焰熄滅區(qū)內(nèi)積壓的燃油量較少，從而減少排氣中有害成分碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOX）的生成。目前，增壓方法主要有機(jī)械增壓三種方式。其中廢氣渦

8、輪增壓器主要是由渦輪和壓氣機(jī)組成，它與柴油機(jī)沒有機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系，柴油機(jī)排出的廢氣經(jīng)排氣管進(jìn)入渦輪，對(duì)渦輪作功，渦輪葉輪與壓氣機(jī)葉輪同軸，從而帶動(dòng)壓氣機(jī)吸入外界空氣并壓縮后送至柴油機(jī)進(jìn)氣管。增壓中冷柴油機(jī)在壓氣機(jī)出口和柴油機(jī)進(jìn)氣管入口之間增設(shè)中間冷卻器（簡稱中冷器），使壓縮后的空氣的溫度下降，密度增大。增壓中冷可以在柴油機(jī)的熱負(fù)荷不增加甚至降低，以及機(jī)械負(fù)荷加不多的前提下，大幅度地提高柴油機(jī)的功率，降低有害物的排放。 廢氣渦輪增壓方式與機(jī)械增壓和氣波增壓方式比較，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，在柴油機(jī)上得到普遍采用，其他兩種增壓方式基本不使用。中冷器控制方法之四微粒捕集器 柴油機(jī)微粒捕集器，可將排氣中微粒捕

9、捉不使其排出機(jī)外，再利用催化劑、氧化器、燃燒器等進(jìn)行分解、燃燒。這利裝置可將柴油機(jī)排氣中有害物微粒減少70%90%。 用來捕集微粒的過濾器的材料和結(jié)構(gòu)有許多種，常用的有整體式陶瓷、金屬絲網(wǎng)、紡織纖維圈、陶瓷纖維、泡沫陶瓷等。這些過濾材料的捕集原理一般認(rèn)為有以下幾種： 1碰撞機(jī)理：柴油機(jī)廢氣流經(jīng)捕集單元時(shí)，其流線發(fā)生了多次拐彎，在流線拐彎處，較大的微粒由于運(yùn)動(dòng)慣性大多脫離原來的流線與捕集單元相碰，并吸附或沉積于其上。 2截流機(jī)理：柴油機(jī)廢氣流經(jīng)捕集單元時(shí)發(fā)生兩種情況，一是粒徑比過濾材料孔隙大的微粒就被擋住并被粘附住，即發(fā)生篩濾效應(yīng)；二是粒徑比過濾材料孔隙小的微粒由于粘著與聚合作用而部分被截流。

10、3擴(kuò)散原理：柴油機(jī)廢氣中的微粒物由于氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的碰撞而產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)，縣城越小的微粒越顯著，又會(huì)造成擴(kuò)散效應(yīng)。當(dāng)廢氣流經(jīng)捕集單元時(shí)，纖維狀的捕集單元對(duì)微粒的運(yùn)動(dòng)起到了匯合的作用，從而有可能將微粒捕集。 4重力沉降機(jī)理：當(dāng)緩慢運(yùn)行的柴油機(jī)廢氣流經(jīng)捕集器時(shí)，廢氣逗留時(shí)間比較長，較大的粒子的可能在重力作用下發(fā)生脫離流線的位移而沉淀在捕集單元上。 目前不是很成熟微粒捕集器 排氣系統(tǒng)中安裝微粒捕集器后將會(huì)使柴油機(jī)的排氣背壓提高。功率下降，捕集材料上沉積的微粒越多，排氣背壓越高。因此，必須定期清除沉積在過濾材料上的微粒。 清除沉積在過濾材料上的微粒的過程為捕集器的再生。在柴油機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，排

11、氣溫度一般在250500，而微粒的燃點(diǎn)一般為550600，依靠柴油機(jī)的排氣很難使捕集器再生。要使捕集器再生必須降低微粒的燃點(diǎn)或提高排氣溫度。通過在燃油中加入添加劑或在過濾材料表面涂催化層可以降低微粒的燃點(diǎn)，使微粒能在較低的溫度下燃燒掉，一般稱主動(dòng)再生。另一種是利用外部能源，如電熱器加熱補(bǔ)燃和燃燒器加熱補(bǔ)燃來提高排氣溫度將捕集器材料上的微粒燃燒掉，一般稱為被動(dòng)再生。被動(dòng)再生是一種定期再生，需要復(fù)雜的檢測和控制技術(shù)以決定再生時(shí)間。當(dāng)前，捕集器再生將主動(dòng)再生和被動(dòng)再生技術(shù)結(jié)合起來，效果顯著。 控制方法之五催化凈化裝置 催化凈化裝置是一種內(nèi)部裝有催化劑的裝置，裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管中。催化劑能使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣

12、中的有害成分加速轉(zhuǎn)變成無害成分。催化凈化方法有兩種，一種是催化氧化法，它以鉑、鈀、黃金、鈷、鎳等金屬及其氧化作為催化劑，使有害成分一氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C）氧化成無害成分二氧化碳（CO2）和水蒸氣（H2O）。另一種是催化還原法，它以堿金屬，鈷鉻合金作為催化劑，使有害成分氮氧化合物（NOX）還原為氮?dú)猓∟2）和氧氣（O2）。目前催化凈化裝置有氧化催化反應(yīng)裝置和三元催化反應(yīng)裝置（用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)）。氧化催化反應(yīng)裝置僅依靠氧化反應(yīng)降低有害成分一氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C），柴油機(jī)和汽油機(jī)都適用。三元催化反應(yīng)裝置則氧化與還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，能使一氧化碳（CO），碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物

13、（NOX）三種有害成分同時(shí)得到凈化處理，它要求發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比精確地控制在理論空燃比附近的最佳范圍內(nèi)，以保證同時(shí)對(duì)三種有害成分高效率凈化，因此，三元催化反應(yīng)裝置一般與燃油電子噴射發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用，用氧傳感器檢測排氣中的氧濃度，反饋控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比范圍。由于柴油機(jī)排氣中殘留的氧量較多，使氧傳感器的控制不靈敏，故三元催化反應(yīng)裝置一般不用于柴油機(jī)，而只用于汽油機(jī)?？刂品椒ㄖ捎么萌剂袭?dāng)前，世界石油制品的消耗量逐年上升，石油資源日益枯竭。國際油價(jià)居高不下，積極尋找并研究代用燃料以成為降低有害物排放的另一個(gè)方向。二甲醛（DME）就是一種很有前途的代用燃料，其化學(xué)分子式為CH3OCH3，原來用于噴霧工業(yè)。通過Danish公司的革新，其工業(yè)生產(chǎn)成本明顯降低，基本上達(dá)到與柴油機(jī)同的價(jià)格水平，并且DME可由煤天然氣、甚至生物來制取，用于甲醛時(shí)的NOX值較用柴油時(shí)可降低50%以上。采用二甲醛的特點(diǎn)是，由于其噴射壓力低，所以當(dāng)最高噴射壓力為2535MPa時(shí)就可獲得滿意的功率、