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(jī)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(chǎn)物和部分氧化產(chǎn)物。某些醛類和多環(huán)芳香烴對人體有嚴(yán)重危害。 光化學(xué)煙霧：其中最主要的生成物是臭氧o3，它具有很強(qiáng)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(jīng)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(zhì)，如柴油機(jī)的碳煙粒子，汽油機(jī)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(zhì)量）比例，稱為排放物的濃度。 ppm、或mgm3，濃度較大時(shí)用，而濃度較小時(shí)用ppm （1ppm=0.0001）。 2排放物的質(zhì)量排放量g 用單位時(shí)間內(nèi)（或一次試驗(yàn)）有害排放物的質(zhì)量排放量g來衡量，單位是 gh（或 g試驗(yàn)）。 3排放物的比排放量g 每單位功率小時(shí)排出污染物的質(zhì)量稱為比排放量 g（kwh） 。排放指標(biāo)排放指標(biāo)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(chǎn)生：可以認(rèn)為，氮的氧化反應(yīng)發(fā)生在燃料燃燒反應(yīng)所形成的環(huán)境

3、中，其主導(dǎo)反應(yīng)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(yīng)時(shí)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(chǎn)物。生成的機(jī)理比較復(fù)雜，一般經(jīng)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(gè)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?xì)浠衔锶?、未燃碳?xì)浠衔铮╤c） 1）縫隙效應(yīng) 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(jī)微粒的主要成分：碳煙粒子。它是燃料在燃燒過程中經(jīng)歷了一系列物理化學(xué)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(jī)有害排放影響汽油機(jī)有害排放物生成的主要因素物生成的主要因素 汽油機(jī)：預(yù)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(fù)荷等）經(jīng)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(gè)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(diǎn)火提前角：降低no及hc均

5、有利，但以犧牲動(dòng)力性為代價(jià)。二、點(diǎn)火正時(shí)二、點(diǎn)火正時(shí) 廢氣再循環(huán)：no濃度逐漸下降，但燃燒的有效性降低，動(dòng)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(yùn)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(jī)有害排放影響柴油機(jī)有害排放物生成的主要因素物生成的主要因素 柴油機(jī)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(fù)雜的影響。一、柴油機(jī)燃燒及排放物生成的特點(diǎn)一、柴油機(jī)燃燒及排放物生成的特點(diǎn) 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(jù)負(fù)荷不同，各區(qū)排放物生成的性質(zhì)也不一樣。 未燃hc：在低負(fù)荷時(shí)，主要產(chǎn)生在稀燃火焰熄滅區(qū)；在高負(fù)荷時(shí)，主要產(chǎn)生在油束心部、油束尾部和后噴部及壁面油膜處。 co：低負(fù)荷時(shí)，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(fù)荷時(shí)，在油束心部、油束尾部及后噴部，因局部缺氧而產(chǎn)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(chǎn)生較多。 碳煙：高負(fù)荷時(shí)，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(chǎn)生醛類中間產(chǎn)物。 co：柴油機(jī)過量空氣系數(shù)1，加上柴油蒸發(fā)性比汽油小，因此柴油機(jī)的 hc及co排放濃度一般比汽油機(jī)低得多，但在接近滿負(fù)荷時(shí)（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(fù)荷工況。與汽油機(jī)不同的是，柴油機(jī)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(qiáng)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)混合氣形成、提高噴油速率以及改善噴霧質(zhì)量是很有必要的。 延遲噴油的同時(shí)提高噴油速率，要比單純延遲噴油定時(shí)的效果好。 三、噴

8、油時(shí)刻三、噴油時(shí)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(gè)階段進(jìn)行。習(xí)題：n1、發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(biāo)，通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程為主的機(jī)內(nèi)處理方法。 2）對燃燒排出的有害物，在排氣系統(tǒng)等處進(jìn)行后處理。 3）對曲軸箱竄氣或油蒸氣部分進(jìn)行處理。2）、3）又稱為機(jī)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(dòng)機(jī)氣缸以后，在排氣系統(tǒng)中進(jìn)一步減少有害成分的措施，主要指催化轉(zhuǎn)換器。 包括用來減少hc和co排放的氧化催化轉(zhuǎn)換器；減少nox排放的還原催化轉(zhuǎn)換器；同時(shí)減少hc、co及nox排放的三元催化轉(zhuǎn)換器；用于減少hc和co的熱反應(yīng)器；。對于柴油機(jī)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(zhuǎn)換器均由金屬外殼和活性催化材料組成。 常見的有兩種結(jié)構(gòu)形式：一類是整體陶瓷峰窩結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換器均應(yīng)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(zhuǎn)換器的功能也不一樣。 催化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式催化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式 氧化催化轉(zhuǎn)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(nèi)在活性高，低溫時(shí)的活性損失小，同時(shí)抗燃料中硫污染的能力強(qiáng)，因此最適合于用作催化材料。目前應(yīng)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(zhuǎn)換效率隨溫度而變化，如圖所示。在溫度足夠高時(shí)使用新的催化劑，對co的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)9899，對hc的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95，但在溫度低于25o300時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率急劇下降。 1氧化催化轉(zhuǎn)換器氧化催化轉(zhuǎn)換器 三元催化劑包含鉑（pt）和銠（rh），ptrh在217的

11、范圍內(nèi)，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(shí)，應(yīng)將混合氣成分嚴(yán)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(yīng)和nox的還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)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(nèi)，對這三種有害成分才有高的轉(zhuǎn)換效率。這是目前車用汽油機(jī)上應(yīng)用最廣泛的機(jī)外凈化措施（見圖817）。 2三元催化轉(zhuǎn)換器三元催化轉(zhuǎn)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(shè)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(diǎn)燃，由高溫燃?xì)庠贌粑⒘?。一般?jīng)過12min后，即可完成再生過程，燃燒器停止工作。3柴油機(jī)微粒過濾及再生裝置柴油機(jī)微粒過濾及再生裝置 另外還有一類金屬絲網(wǎng)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(wǎng)，由廢氣再循環(huán)或者調(diào)整噴油正時(shí)，促使排氣中的hc及co在催化作用下氧化，從而產(chǎn)生較高的熱量將微粒燒掉。 發(fā)動(dòng)機(jī)的前處理應(yīng)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(dòng)機(jī)的前處理二、發(fā)動(dòng)機(jī)的前處理 為改善發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)時(shí)的排放性能，促進(jìn)燃料汽化，在進(jìn)氣管入口處設(shè)置溫度傳感器，在進(jìn)氣溫度較低時(shí)，通過進(jìn)氣負(fù)壓開啟熱空氣控制

13、閥，使排氣管熱量加熱進(jìn)氣，當(dāng)進(jìn)氣溫度較高時(shí)，可自動(dòng)切斷。 對進(jìn)氣混合氣進(jìn)行預(yù)熱的方法是，用排氣管預(yù)熱、水溫預(yù)熱或利用正溫度效應(yīng)（ptc）元件進(jìn)行電加溫，當(dāng)溫度到達(dá)一定值以后，ptc元件能自動(dòng)停止對混合氣的電加熱?？傊瑢旌蠚忸A(yù)熱及控制起動(dòng)時(shí)的進(jìn)氣溫度，能顯著降低排氣中co及hc的濃度。 1進(jìn)氣溫度控制和混合氣預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)氣溫度控制和混合氣預(yù)熱系統(tǒng) 從空氣濾清器引出一股新鮮空氣進(jìn)入曲軸箱，再經(jīng)流量調(diào)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(gè)可變噴嘴控制的閥。其作用是在怠速、低速小負(fù)荷時(shí)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(shí)

14、，即進(jìn)氣管真空度低，氣缸竄氣量大時(shí)，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(qiáng)制通風(fēng)封閉系統(tǒng)（曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由進(jìn)氣負(fù)壓控制開啟凈化控制閥，在罐內(nèi)被吸附的油蒸氣與從炭罐下部流入的空氣一起被吸入進(jìn)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(jìn)入氣缸，降低燃燒溫度，可抑制nox生成。應(yīng)根據(jù)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(jī)暖機(jī)過程中，在怠速及低負(fù)荷時(shí)，在高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速或油門全開時(shí)，一般不進(jìn)行廢氣再循環(huán)，并要求隨著負(fù)

15、荷增加，廢氣再循環(huán)量應(yīng)增加到允許的限度。根據(jù)工況不同，利用計(jì)算機(jī)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(yán)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(chǎn) vg20發(fā)動(dòng)機(jī)采用 eccs（electronic concentrated engine control system）電子式發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制系統(tǒng)為例，說明排放治理的具體實(shí)踐。這種控制方式由一臺微機(jī)控制以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)所有的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，使燃料噴射、點(diǎn)火時(shí)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(shè)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(yīng)用舉例三、應(yīng)用舉例 l）發(fā)動(dòng)機(jī)改造：包括改進(jìn)燃燒室、設(shè)置汽油噴射系統(tǒng)、可變進(jìn)氣控制、進(jìn)氣管加溫、配氣相位設(shè)計(jì)等。 2）三元催化反應(yīng)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(jìn)行理論空燃比的反饋控制，在低溫、怠速、高負(fù)荷等工況下，由傳感器和開關(guān)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(jìn)行智能修正。 4）減速時(shí)斷油裝置 5）點(diǎn)火時(shí)刻控制裝置：根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)，從電控單元儲(chǔ)存的點(diǎn)火時(shí)刻中選擇最佳點(diǎn)火時(shí)刻及通電時(shí)間，還進(jìn)行爆震反饋控制。 6）怠速控制：使

17、用步進(jìn)電機(jī)式的輔助空氣控制閥（aacv）及電控單元，控制怠速及減速時(shí)補(bǔ)充空氣，以實(shí)現(xiàn)怠速轉(zhuǎn)速的最佳控制。 7）排氣溫度報(bào)警 8）汽油蒸氣吸附裝置：活性炭罐式。 9）曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)封閉系統(tǒng)。第六節(jié)第六節(jié) 排放法規(guī)與試驗(yàn)方法排放法規(guī)與試驗(yàn)方法 從20世紀(jì)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(qiáng)制性限制。其中，美國、日本及歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ece）對汽車排放的限制尤為嚴(yán)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(yàn)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(jù)相同的原理：在底盤測功機(jī)（轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺）上模擬其特定行駛循環(huán)（被認(rèn)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(zhì)的量，測功機(jī)可調(diào)節(jié)得使制動(dòng)功率相當(dāng)于在實(shí)際道路上遇到行駛阻力時(shí)發(fā)出的功率，而用慣性質(zhì)量模擬汽車質(zhì)量。 在取樣方法上，1987年歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)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(kuò)散到大氣中實(shí)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(shí)濃度。該法易

19、于進(jìn)行連續(xù)測量以及對有害成分質(zhì)量排放率的自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算。 各國采用的分析儀器大致相同。測定co及co2濃度的標(biāo)準(zhǔn)方法是采用不分光紅外線分析儀（ndir），測定hc含量的標(biāo)準(zhǔn)方法是氫火焰離子分析儀（fid），測定nox的標(biāo)準(zhǔn)方法是化學(xué)發(fā)光分析儀（cld）。 在模擬行駛工況的試驗(yàn)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(yàn)規(guī)范是美國環(huán)保局 epa la4ch冷熱起動(dòng)工況法，日本現(xiàn)行的排放法規(guī)是10工況熱起動(dòng)行駛循環(huán)法和11工況冷起動(dòng)行駛循環(huán)法，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)現(xiàn)行采用的是ece15工況法。 自 1996年起，歐洲采用新的試驗(yàn)規(guī)范91441egw（圖825）。 為了評定2.

20、7t以上重型車用柴油機(jī)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(yàn)規(guī)范，但實(shí)際上車用發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、瞬態(tài)等工況下的排放比穩(wěn)態(tài)時(shí)嚴(yán)重，從1984年12月起，美國重型柴油機(jī)排放試驗(yàn)改用瞬態(tài)過渡試驗(yàn)規(guī)范。日本對車用柴油機(jī)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(jī)車輛的排放限制，試驗(yàn)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(diǎn)燃式四行程發(fā)動(dòng)機(jī)或壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)、最大總質(zhì)量為4003500kg、最大設(shè)計(jì)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(jī)上進(jìn)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(yàn)程序由15個(gè)工況組成（包括怠速、換檔、等速及減速等工況），每次試驗(yàn)重復(fù)4個(gè)循環(huán)，工況運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)示意圖見圖826，整個(gè)試驗(yàn)的平均速度為19km/h，有效行駛時(shí)間為195s，每循環(huán)理論行駛距離為1.013km，試驗(yàn)當(dāng)量距離（4個(gè)循環(huán)）為4.052km。 1. 試驗(yàn)規(guī)范試驗(yàn)規(guī)范 我國規(guī)定的排氣取樣系統(tǒng)應(yīng)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(jì)量稀釋排氣的總?cè)莘e，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(yīng)采用不分光紅外線吸收型（ndir）分析儀，hc應(yīng)采用氫火焰離子型（fid）分析儀，nox應(yīng)采用化學(xué)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(zhuǎn)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(shù)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(guān)，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