第七章 排放控制

1、第七章第七章 排氣污染與控制排氣污染與控制 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 環(huán)保與節(jié)能n環(huán)境問題n能源危機汽車排放占大氣污染物比例 1、co：無色無臭無味的氣體，破壞造血功能，呈中毒癥狀。 2、nox：指no和no2，no2是褐色有刺激性的氣體。 3、hc：包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解產物和部分氧化產物。某些醛類和多環(huán)芳香烴對人體有嚴重危害。 光化學煙霧：其中最主要的生成物是臭氧o3，它具有很強的氧化力和特殊的臭味，使橡膠裂開，植物受損，可見度降低，并刺激眼睛及咽喉。 汽車的主要排放污染物 排氣中的微粒是指經空氣稀釋后的排氣，它是在低于52溫度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維濾紙上沉積的除

2、水以外的物質，如柴油機的碳煙粒子，汽油機的鉛及硫酸鹽等。 微粒排放 1排放物的濃度c 在一定排氣容積中，有害排放物所占的容積（或質量）比例，稱為排放物的濃度。 ppm、或mgm3，濃度較大時用，而濃度較小時用ppm （1ppm=0.0001）。 2排放物的質量排放量g 用單位時間內（或一次試驗）有害排放物的質量排放量g來衡量，單位是 gh（或 g試驗）。 3排放物的比排放量g 每單位功率小時排出污染物的質量稱為比排放量 g（kwh） 。排放指標排放指標第二節(jié)第二節(jié) 有害排放物的生成有害排放物的生成 主要是no，no2排出量較少。 no的產生：可以認為，氮的氧化反應發(fā)生在燃料燃燒反應所形成的環(huán)境

3、中，其主導反應過程是 on2non no2noo一、氮氧化物一、氮氧化物 （1）高溫 （2）富氧 （3）充足的反應時間促使促使no生成的因素生成的因素燃燒過程中生成的重要的中間產物。生成的機理比較復雜，一般經歷如下步驟： rhrro2rchorcococo在火焰中及火焰后，以緩慢的速率氧化成co2。 主要影響因素：混合氣濃度。二、一氧化碳二、一氧化碳co生成與排出有三個渠道： 廢氣（尾氣）：占6o以上 曲軸箱竄氣由排出：占25 燃油蒸氣漏泄：占1520左右三、未燃碳氫化合物三、未燃碳氫化合物（hc） 1）縫隙效應 2）壁面激冷與淬熄 3）油膜及沉積物吸附 4）減速、加速及怠速等瞬態(tài)工況燃燒過程

4、中燃燒過程中hc生成的主要途徑生成的主要途徑 柴油機微粒的主要成分：碳煙粒子。它是燃料在燃燒過程中經歷了一系列物理化學變化后形成的。四、微粒四、微粒第三節(jié)第三節(jié) 影響汽油機有害排放影響汽油機有害排放物生成的主要因素物生成的主要因素 汽油機：預混燃燒，其可燃混合氣濃度范圍比較窄，在一些工況下（如怠速、滿負荷等）經常處于濃混合氣工作，因而混合氣成分是影響排放的最主要的因素。 一、混合氣成分一、混合氣成分 co：空燃比af增加，co濃度逐漸下降； nox：濃度兩頭低，中間高，no生成必須兼具高溫、富氧兩個條件。 hc：兩頭高，中間低，與燃油消耗率的變化趨勢基本一致。 減少點火提前角：降低no及hc均

5、有利，但以犧牲動力性為代價。二、點火正時二、點火正時 廢氣再循環(huán)：no濃度逐漸下降，但燃燒的有效性降低，動力性變差。三、吸入廢氣量的影響三、吸入廢氣量的影響 對于不同的運行工況，各種有害排放物的差異很大。 怠速與減速工況，是hc生成的主要工況。四、工況四、工況第四節(jié)第四節(jié) 影響柴油機有害排放影響柴油機有害排放物生成的主要因素物生成的主要因素 柴油機燃燒：一種多相非均勻混合物的不穩(wěn)定的燃燒過程。 噴霧過程、油束形成、混合氣的濃度與分布以及燃燒室形式等，對排放物生成均有復雜的影響。一、柴油機燃燒及排放物生成的特點一、柴油機燃燒及排放物生成的特點 由于油霧及油蒸氣在空間濃度分布不同，可大致分為稀燃火

6、焰熄滅區(qū)、稀燃火焰區(qū)、油束心部，油束尾部和后噴部以及壁面油膜，從油束邊緣到油束核心部分，局部空燃比可從無窮大變到零。根據負荷不同，各區(qū)排放物生成的性質也不一樣。 未燃hc：在低負荷時，主要產生在稀燃火焰熄滅區(qū)；在高負荷時，主要產生在油束心部、油束尾部和后噴部及壁面油膜處。 co：低負荷時，主要在稀燃火焰熄滅區(qū)及稀燃火焰區(qū)的交界面上生成co；高負荷時，在油束心部、油束尾部及后噴部，因局部缺氧而產生co。 nox：在燃燒完全、供氧充分及溫度較高的稀燃火焰區(qū)及油束心部產生較多。 碳煙：高負荷時，在油束心部、油束尾部和后噴部的氧濃度低，氣體溫度高，燃油分子容易發(fā)生高溫裂解而形成碳煙。 醛類：主要在稀燃

7、火焰熄滅區(qū)，由于低溫氧化而產生醛類中間產物。 co：柴油機過量空氣系數1，加上柴油蒸發(fā)性比汽油小，因此柴油機的 hc及co排放濃度一般比汽油機低得多，但在接近滿負荷時（af減?。?，co濃度驟增。 no：生成率最高處仍出現(xiàn)在油量較大的高負荷工況。與汽油機不同的是，柴油機no2的生成濃度較高。no2濃度隨 af增加而減少。 碳煙：混合氣變濃，排煙濃度增多。 二、混合氣成分二、混合氣成分 延遲噴油是降低nox的主要措施之一。 為了在延遲噴油以后燃燒不致惡化，加強缸內氣流運動、促進混合氣形成、提高噴油速率以及改善噴霧質量是很有必要的。 延遲噴油的同時提高噴油速率，要比單純延遲噴油定時的效果好。 三、噴

8、油時刻三、噴油時刻四、燃燒室類型四、燃燒室類型 分隔式燃燒室生成的nox、co、hc和碳煙的排放濃度均低于直噴式的，特別是nox排放濃度一般比直噴式燃燒室的低50左右。 原因：這種燃燒室的燃燒及排放物的生成分兩個階段進行。習題：n1、發(fā)動機主要的有害排放物有哪些？它們的生成原因是什么？n2、影響發(fā)動機有害排放物生成的主要因素有哪些？第五節(jié)第五節(jié) 有害排放物的控制有害排放物的控制 1）以降低排放為目標，通過改進發(fā)動機燃燒過程為主的機內處理方法。 2）對燃燒排出的有害物，在排氣系統(tǒng)等處進行后處理。 3）對曲軸箱竄氣或油蒸氣部分進行處理。2）、3）又稱為機外處理方法。控制措施分類控制措施分類 排氣的

9、后處理是指氣體排出發(fā)動機氣缸以后，在排氣系統(tǒng)中進一步減少有害成分的措施，主要指催化轉換器。 包括用來減少hc和co排放的氧化催化轉換器；減少nox排放的還原催化轉換器；同時減少hc、co及nox排放的三元催化轉換器；用于減少hc和co的熱反應器；。對于柴油機的碳煙微粒凈化裝置也屬排氣后處理。 一、排氣的后處理一、排氣的后處理 各類催化轉換器均由金屬外殼和活性催化材料組成。 常見的有兩種結構形式：一類是整體陶瓷峰窩結構，它在作為載體的多孔性氧化鋁陶瓷表面滲透一層活性催化劑；另一類是顆粒式結構，它將催化材料浸透在大量直徑為23mm的多孔性陶瓷小球表面。 這兩類轉換器均應保證排氣流暢，并使氣流與催化

10、劑有較大的接觸面積。但催化劑的材料不同，轉換器的功能也不一樣。 催化轉換器的結構形式催化轉換器的結構形式 氧化催化轉換器的作用是把排氣中的co和hc氧化成co2和h2o。由于貴金屬內在活性高，低溫時的活性損失小，同時抗燃料中硫污染的能力強，因此最適合于用作催化材料。目前應用最廣泛的氧化催化材料是鉑（pt）和鈀（pd）的混合物。這些氧化催化劑的轉換效率隨溫度而變化，如圖所示。在溫度足夠高時使用新的催化劑，對co的轉換效率可達9899，對hc的轉換效率可達95，但在溫度低于25o300時，其轉換效率急劇下降。 1氧化催化轉換器氧化催化轉換器 三元催化劑包含鉑（pt）和銠（rh），ptrh在217的

11、范圍內，此外還含有al2o3、nio、ceo2（氧化鈰），用氧化鋁作為載體材料。使用三元催化劑時，應將混合氣成分嚴格控制在理論空燃比附近（1），這樣催化劑才能促使co及hc的氧化反應和nox的還原反應同時進行，生成co2、h2o及n2。而且，只有在接近理論空燃比的窄狹范圍內，對這三種有害成分才有高的轉換效率。這是目前車用汽油機上應用最廣泛的機外凈化措施（見圖817）。 2三元催化轉換器三元催化轉換器圖8-18所示為整體多孔陶瓷催化過濾器-燃燒器再生系統(tǒng)。微粒過濾器由多孔陶瓷材料制成，其過濾效率較高。在過濾器入口前，設置一燃燒器，靠泵及噴油器向燃燒器供給少量燃油，利用排氣的氧或另外供給空氣，用火

12、花塞或電熱塞點燃，由高溫燃氣再燒掉微粒。一般經過12min后，即可完成再生過程，燃燒器停止工作。3柴油機微粒過濾及再生裝置柴油機微粒過濾及再生裝置 另外還有一類金屬絲網過濾器一加濃排氣的hc及co組合系統(tǒng)（圖8 19）。排氣通過附有催化劑的金屬絲網，由廢氣再循環(huán)或者調整噴油正時，促使排氣中的hc及co在催化作用下氧化，從而產生較高的熱量將微粒燒掉。 發(fā)動機的前處理應包括防止汽油蒸發(fā)的措施，以及為降低nox生成而采取的廢氣再循環(huán)的措施。 二、發(fā)動機的前處理二、發(fā)動機的前處理 為改善發(fā)動機低溫起動時的排放性能，促進燃料汽化，在進氣管入口處設置溫度傳感器，在進氣溫度較低時，通過進氣負壓開啟熱空氣控制

13、閥，使排氣管熱量加熱進氣，當進氣溫度較高時，可自動切斷。 對進氣混合氣進行預熱的方法是，用排氣管預熱、水溫預熱或利用正溫度效應（ptc）元件進行電加溫，當溫度到達一定值以后，ptc元件能自動停止對混合氣的電加熱。總之，對混合氣預熱及控制起動時的進氣溫度，能顯著降低排氣中co及hc的濃度。 1進氣溫度控制和混合氣預熱系統(tǒng)進氣溫度控制和混合氣預熱系統(tǒng) 從空氣濾清器引出一股新鮮空氣進入曲軸箱，再經流量調節(jié)閥（pcv閥）把竄入曲軸箱的氣體和空氣的混合氣一起吸入氣缸燒掉。pcv閥是用真空操作和一個可變噴嘴控制的閥。其作用是在怠速、低速小負荷時減少送入氣缸的抽氣量，避免混合氣過稀而造成失火。在節(jié)氣門全開時

14、，即進氣管真空度低，氣缸竄氣量大時，提供足夠的流量。這種系統(tǒng)在一些國家的法規(guī)上規(guī)定必須采用。 2曲軸箱強制通風封閉系統(tǒng)（曲軸箱強制通風封閉系統(tǒng)（pcv系統(tǒng)）系統(tǒng)） 從油箱蒸發(fā)出來的油蒸氣，貯氣罐流入炭罐被活性炭所吸附。當發(fā)動機工作時，由進氣負壓控制開啟凈化控制閥，在罐內被吸附的油蒸氣與從炭罐下部流入的空氣一起被吸入進氣管。 3油蒸氣吸附裝置油蒸氣吸附裝置 使少量廢氣（520）再次循環(huán)進入氣缸，降低燃燒溫度，可抑制nox生成。應根據不同工況決定是否采用廢氣再循環(huán)，或確定廢氣再循環(huán)量的多少。例如，在汽油機暖機過程中，在怠速及低負荷時，在高負荷、高轉速或油門全開時，一般不進行廢氣再循環(huán)，并要求隨著負

15、荷增加，廢氣再循環(huán)量應增加到允許的限度。根據工況不同，利用計算機控制廢氣再循環(huán)（egr）閥的開度，可以獲得較高的控制精度。在嚴格控制nox排放的國家，廢氣再循環(huán)（egr）裝置已成為凈化nox的主要方法。 4、廢氣再循環(huán)裝置（、廢氣再循環(huán)裝置（egr） 以日產 vg20發(fā)動機采用 eccs（electronic concentrated engine control system）電子式發(fā)動機集中控制系統(tǒng)為例，說明排放治理的具體實踐。這種控制方式由一臺微機控制以適應發(fā)動機所有的運轉工況，使燃料噴射、點火時刻、怠速、排氣凈化均處于最佳狀態(tài)，由于有了af的最優(yōu)控制，因而不需要設置廢氣再循環(huán)（egr）

16、裝置。 圖824為該系統(tǒng)的凈化措施。 三、應用舉例三、應用舉例 l）發(fā)動機改造：包括改進燃燒室、設置汽油噴射系統(tǒng)、可變進氣控制、進氣管加溫、配氣相位設計等。 2）三元催化反應器：使用鉑（pt）和銠（rh）材料、整體式。 3）空燃比（af）反饋控制裝置：由氧（o2）傳感器及電控單元（ecu）進行理論空燃比的反饋控制，在低溫、怠速、高負荷等工況下，由傳感器和開關信號給出停止反饋控制。對于 af的微小變化以及急速瞬變工況，可以快速對空燃比進行智能修正。 4）減速時斷油裝置 5）點火時刻控制裝置：根據運行狀態(tài)，從電控單元儲存的點火時刻中選擇最佳點火時刻及通電時間，還進行爆震反饋控制。 6）怠速控制：使

17、用步進電機式的輔助空氣控制閥（aacv）及電控單元，控制怠速及減速時補充空氣，以實現(xiàn)怠速轉速的最佳控制。 7）排氣溫度報警 8）汽油蒸氣吸附裝置：活性炭罐式。 9）曲軸箱強制通風封閉系統(tǒng)。第六節(jié)第六節(jié) 排放法規(guī)與試驗方法排放法規(guī)與試驗方法 從20世紀60年代開始，世界各國及地區(qū)相繼以法律形式對汽車排出的有害成分予以強制性限制。其中，美國、日本及歐洲經濟委員會（ece）對汽車排放的限制尤為嚴格。目前，這些國家的法規(guī)中對排放測試的裝置、分析儀器、取樣方法等，大都取得了一致，所不同的是，車輛試驗的規(guī)范（即行駛循環(huán)的工況曲線）及對有害排放物的最大容許限值不同。 一、各國排放法規(guī)簡介一、各國排放法規(guī)簡介

18、 現(xiàn)以轎車及輕型車輛的排放法規(guī)為例加以說明。各國對汽車排放的測試方法都是根據相同的原理：在底盤測功機（轉鼓試驗臺）上模擬其特定行駛循環(huán)（被認為足以代表某特定地區(qū)的行駛情況），并測定所排出有害物質的量，測功機可調節(jié)得使制動功率相當于在實際道路上遇到行駛阻力時發(fā)出的功率，而用慣性質量模擬汽車質量。 在取樣方法上，1987年歐洲經濟委員會開始改用定容取樣（cvs）法，現(xiàn)在美國、日本、歐洲都采用了這種統(tǒng)一的取樣方法。 所謂定容取樣，是一種接近于汽車排氣擴散到大氣中實際狀態(tài)的取樣方法，又稱為變稀釋度取樣法。它是將排氣與稀釋氣體相混合，再以固定不變的容積流量輸入分析系統(tǒng)，用以測定排氣成分的真實濃度。該法易

19、于進行連續(xù)測量以及對有害成分質量排放率的自動實時計算。 各國采用的分析儀器大致相同。測定co及co2濃度的標準方法是采用不分光紅外線分析儀（ndir），測定hc含量的標準方法是氫火焰離子分析儀（fid），測定nox的標準方法是化學發(fā)光分析儀（cld）。 在模擬行駛工況的試驗規(guī)范及排放限值上，各國是不相同的。例如，目前美國對于轎車及輕型車采用的試驗規(guī)范是美國環(huán)保局 epa la4ch冷熱起動工況法，日本現(xiàn)行的排放法規(guī)是10工況熱起動行駛循環(huán)法和11工況冷起動行駛循環(huán)法，歐洲經濟委員會現(xiàn)行采用的是ece15工況法。 自 1996年起，歐洲采用新的試驗規(guī)范91441egw（圖825）。 為了評定2.

20、7t以上重型車用柴油機的排放水平，美國制定了13工況法，這原是一種穩(wěn)態(tài)的臺架試驗規(guī)范，但實際上車用發(fā)動機在起動、瞬態(tài)等工況下的排放比穩(wěn)態(tài)時嚴重，從1984年12月起，美國重型柴油機排放試驗改用瞬態(tài)過渡試驗規(guī)范。日本對車用柴油機原采用6工況法，目前也廣泛使用美國的13工況法。歐洲1980年在ece法規(guī)中提出了對重型柴油機車輛的排放限制，試驗循環(huán)為13工況法，與美國的13工況法十分相近。 我國輕型汽車是指使用點燃式四行程發(fā)動機或壓燃式發(fā)動機、最大總質量為4003500kg、最大設計車速不小于50kmh的轎車、客車和貨車。 排氣污染物的測試是在底盤測功機上進行的。 二、我國汽車的排放法規(guī)二、我國汽車

21、的排放法規(guī) 我國輕型汽車試驗程序由15個工況組成（包括怠速、換檔、等速及減速等工況），每次試驗重復4個循環(huán)，工況運轉循環(huán)示意圖見圖826，整個試驗的平均速度為19km/h，有效行駛時間為195s，每循環(huán)理論行駛距離為1.013km，試驗當量距離（4個循環(huán)）為4.052km。 1. 試驗規(guī)范試驗規(guī)范 我國規(guī)定的排氣取樣系統(tǒng)應該是定容取樣系統(tǒng)（cvs）。該系統(tǒng)是將車輛的排氣用周圍空氣在受控制的條件下連續(xù)地稀釋，探頭s1采集環(huán)境空氣，探頭s2采集稀釋排氣的樣氣，定容取樣系統(tǒng)能計量稀釋排氣的總容積，并能連續(xù)地按規(guī)定容積比例將樣氣收集在取樣袋中待分析用。 2排氣取樣系統(tǒng)排氣取樣系統(tǒng) 規(guī)定co、co2應采用不分光紅外線吸收型（ndir）分析儀，hc應采用氫火焰離子型（fid）分析儀，nox應采用化學發(fā)光型（cld）分析儀或者采用不分光紫外線共諧吸收型（nduvr）分析儀，兩者均需帶有noxno轉換器。 3分析儀器分析儀器紅外線是波長為0.8600um（工業(yè)上多用215um）的電磁波。多數氣體對一定波長的紅外線具有吸收能力，其吸收能量與氣體濃度有關，例如co能吸收波長4.55um的紅外線。由此， ndir的基本原理如圖 828所示。 （1）不分光紅外線吸收型分析儀（）不分光紅外線吸收型分析儀（ndir） 由光源發(fā)出兩束能量相等的平行紅外線，其波長為27u