第七章排氣控制裝置

第七章排氣污染與控制第七章排氣污染與控制

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概述7.1概述1．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣污染

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣是城市大氣污染的主要原因，因此，控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物是當(dāng)前的主要研究發(fā)展方向之一。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放的有害物質(zhì)種類主要是CO、HC、NOX和微粒(PM)，絕大多數(shù)污染物出現(xiàn)在廢氣中，少量HC來自于曲軸箱和燃料系統(tǒng)泄露的燃料及潤(rùn)滑油蒸發(fā)物，包括氣缸竄入曲軸箱的燃?xì)?。發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的危害有二個(gè)方面：（1）危及人體健康；（2）破壞環(huán)境。除了發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物質(zhì)造成對(duì)大氣的直接污染，汽車有害排放物還可能通過與環(huán)境物質(zhì)或有害物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，形成二次污染。第七章排氣污染與控制7.1概述2、汽車排放污染的危害

已經(jīng)確定的典型的環(huán)境效應(yīng)是：（1）酸雨，汽車排放污染物中酸性物質(zhì)溶解于水后形成；（2）光化學(xué)煙霧，汽車有害排放物中HC與NOX在強(qiáng)陽光作用下，相互反應(yīng)生成的有毒煙霧，主要成分是臭氧和PAN（過氧?；跛猁}）；（3）臭氧層空洞，鹵族元素在強(qiáng)陽光照射時(shí)，消耗臭氧，導(dǎo)致臭氧層破壞；（4）溫室效應(yīng)，汽車排放使大氣中CO2濃度增加，氣溫上升。汽車有害排放物對(duì)人體和生物的危害有：

CO：血液輸氧能力降低、神經(jīng)中樞受損，嚴(yán)重時(shí)危及生命。

HC：刺激鼻、眼和呼吸道粘膜，引發(fā)呼吸道疾病。

NOX

：刺激人眼粘膜，對(duì)神經(jīng)中樞有抑制作用，使呼吸系統(tǒng)失調(diào)，引發(fā)疾病。微粒：微粒是氣固態(tài)的物質(zhì)顆粒，因表面吸附多種有毒、致病、致癌或致命物質(zhì)而具有危害。光化學(xué)煙霧對(duì)人體呼吸系統(tǒng)以及粘膜有強(qiáng)烈刺激，引發(fā)肺水腫疾病。此外，對(duì)植物生長(zhǎng)有抑制作用。第七章排氣污染與控制7.1概述3、汽車排放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過幾十年的努力，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放的污染物質(zhì)數(shù)量已經(jīng)大大減少。除CO2以外，現(xiàn)在100輛汽車排放的污染物數(shù)量才相當(dāng)于1950年一輛汽車的排放量。控制汽車排放的努力，集中體現(xiàn)在由各國(guó)政府制定并強(qiáng)制實(shí)施的汽車排放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)榄h(huán)境污染影響到整個(gè)地球和人類社會(huì)，并涉及各方面的經(jīng)濟(jì)利益。為突出汽車排放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制性，它們也被稱為排放法規(guī)。汽車排放法規(guī)的主要內(nèi)容是：（1）限值：有害排放物的限制數(shù)量或濃度；（2）試驗(yàn)規(guī)范：檢測(cè)汽車或發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物時(shí)的試驗(yàn)條件、要求和程序（流程）；（3）采樣方法：檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，采集樣品的原理、方法和要求；（4）檢測(cè)儀器：統(tǒng)一規(guī)定測(cè)試儀器的工作原理。但是，由于汽車保有量的持續(xù)增加，汽車排放污染物的總量仍不斷上升，環(huán)境保護(hù)的形勢(shì)非常嚴(yán)峻，特別是CO2的排放。第七章排氣污染與控制

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有害排放物生成機(jī)理7.2有害排放物生成機(jī)理1．NOX

生成機(jī)理

NOX排放的生成機(jī)理目前尚無統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，比較認(rèn)可的是用捷爾杜維奇鏈反應(yīng)解釋NO生成，并用其代表NOX的生成機(jī)理。

這個(gè)反應(yīng)機(jī)理表示NOX生成反應(yīng)是不分支的鏈反應(yīng)，而且是吸熱反應(yīng)。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機(jī)理

生成要素根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理、NOX

的生成機(jī)理、平衡濃度的模擬計(jì)算和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，提示NOX生成的主要要素是：（1）反應(yīng)溫度（2）氧氣濃度（3）反應(yīng)時(shí)間汽油機(jī)燃燒溫度比柴油機(jī)高，因此，反應(yīng)溫度是影響汽油機(jī)NOX

排放的主要因素；氧氣濃度通過空燃比對(duì)汽油機(jī)NOX排放產(chǎn)生影響，在一定的空燃比范圍中，汽油機(jī)有較高的NOX排放；汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，反應(yīng)時(shí)間對(duì)汽油機(jī)的NOX排放影響較小。柴油機(jī)燃燒的特點(diǎn)時(shí)空氣充足，燃燒溫度比較低，因此，氧氣濃度是影響柴油機(jī)NOX排放的主要因素；氧氣濃度通過空燃比對(duì)柴油機(jī)NOX排放發(fā)生影響，在一定的空燃比范圍中，柴油機(jī)有較高的NOX排放；柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速雖然比汽油機(jī)低，但燃燒時(shí)間仍然較短，故反應(yīng)時(shí)間對(duì)柴油機(jī)的NOX排放影響較小。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機(jī)理

2、CO

生成機(jī)理（1）缺氧與局部缺氧燃燒根據(jù)化學(xué)計(jì)量學(xué)原理，當(dāng)空氣過量，氧氣充足，稀混合氣燃燒時(shí)，燃料應(yīng)該能完全燃燒，不會(huì)產(chǎn)生CO；空氣不足，缺氧或局部缺氧，即濃混合氣燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的CO。即空氣充足空氣不足第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機(jī)理（2）燃燒過程不完善實(shí)際燃燒過程是一個(gè)非常復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。燃燒過程中產(chǎn)生大量中間產(chǎn)物，包括CO。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷、不正常燃燒（如表面點(diǎn)火、爆震以及后燃過于嚴(yán)重），即燃燒過程不完善，都形成CO排放。有很多原因可以導(dǎo)致燃燒過程不完善。如局部斷火、缺火、活性粒子碰撞壁面而失去活性、混合氣過濃或過稀、廢氣稀釋過度、各種點(diǎn)火故障等等。這些原因都會(huì)造成燃燒過程不完善。汽油機(jī)燃燒時(shí)，混合氣濃度變化較大，既有缺氧的濃混合氣，也有氧氣充足的稀混合氣。電控汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)基本是濃混合氣。因此，汽油機(jī)CO排放的主要因素是缺氧和燃燒不完善。柴油機(jī)燃燒時(shí)空氣充足，但混合氣濃度不均勻。因此，局部缺氧和燃燒不完善是柴油機(jī)CO排放的主要因素。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機(jī)理3、HC

生成機(jī)理（1）缸壁激冷效應(yīng)燃燒室壁面附近區(qū)域的混合氣不能燃燒現(xiàn)象稱為缸壁激冷效應(yīng)。（2）燃燒室縫隙效應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室縫隙中混合氣不能燃燒的現(xiàn)象稱為縫隙效應(yīng)。（3）燃燒過程不完善發(fā)動(dòng)機(jī)排放的HC主要是燃燒過程中間產(chǎn)物。燃燒過程不完善，形成HC排放。（4）掃氣和漏氣少量混合氣在氣門重疊時(shí)，直接從進(jìn)氣門流向排氣門（掃氣）。氣門關(guān)閉不嚴(yán)（漏氣），也可導(dǎo)致HC排放。（5）潤(rùn)滑系統(tǒng)與燃料系統(tǒng)的蒸發(fā)部分HC排放來自燃料系統(tǒng)和曲軸箱的氣體泄露。燃料系統(tǒng)的泄露完全是燃油蒸汽，曲軸箱泄露的氣體包括氣缸竄氣和潤(rùn)滑油蒸汽。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機(jī)理

HC是燃燒過程中間產(chǎn)物，是可燃燒氣體。隨著燃燒的進(jìn)行會(huì)逐漸減少，并且在排氣過程和排氣管內(nèi)會(huì)進(jìn)一步氧化。僅就燃燒來說，汽油機(jī)氣缸內(nèi)是混合氣。因此，燃燒過程不完善、壁面激冷效應(yīng)和縫隙效應(yīng)是汽油機(jī)HC排放的主要原因，掃氣漏氣則是次要原因；柴油機(jī)氣缸中，壁面區(qū)域和縫隙中幾乎全部是空氣，換氣時(shí)出現(xiàn)掃氣也完全是空氣，燃燒時(shí)混合氣濃度不均勻，存在混合氣極其稀薄的區(qū)域，因此，柴油機(jī)的HC排放主要原因是燃燒過程不完善。

第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機(jī)理4、微粒

與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的微粒排放比較突出。柴油機(jī)微粒排放的類型（1）白煙白煙在起動(dòng)及暖機(jī)過程前期，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度在250℃時(shí)出現(xiàn)，主要成分為燃油顆粒，微粒直徑較小。在起動(dòng)及暖機(jī)過程前期，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低，壓縮壓力相對(duì)降低，噴油量小，噴油壓力下降，油束霧化不好，同時(shí)，燃燒條件差，存在局部混合氣過濃或油束心部、后部在擴(kuò)散燃燒時(shí)未能充分燃燒現(xiàn)象。未能燃燒燃料在排氣過程受已燃?xì)怏w的加熱變成燃油蒸汽，形成白煙。（2）藍(lán)煙藍(lán)煙在暖機(jī)過程后期，溫度為250℃至著火溫度出現(xiàn)，主要成分為潤(rùn)滑油顆粒，微粒直徑略大。在暖機(jī)過程后期，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度逐漸升高，燃燒室壁面溫度提高，使壁面潤(rùn)滑油蒸發(fā)，但氣缸供油量少，燃燒熱量小，燃燒溫度低，不能使?jié)櫥驼羝紵?，因而形成藍(lán)煙排出。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機(jī)理

（3）黑煙（碳煙）黑煙在急加速過程或大負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)，主要成分為碳顆粒，微粒直徑較大，直徑范圍寬。

柴油機(jī)的微粒排放主要是碳煙。碳煙生成機(jī)理碳煙是燃燒過程的中間產(chǎn)物。燃燒過程中包括分子裂解、分解以及聚合等反應(yīng)，在局部缺氧燃燒時(shí)，就出現(xiàn)碳煙。碳煙生成有兩條路線：高溫下裂解、復(fù)聚和環(huán)構(gòu)；較低溫度下聚合、環(huán)構(gòu)和脫氫。（1）高溫路線第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機(jī)理

（2）低溫路線

柴油機(jī)碳煙生成主要按高溫路線，即高溫并缺氧燃燒是碳煙生成的主要原因。隨著燃燒過程進(jìn)行，碳煙也會(huì)氧化燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放數(shù)量取決于碳煙生成和氧化矛盾作用的結(jié)果。在燃燒過程中，碳煙生成幾乎不可避免。因此，重要的是加強(qiáng)氧化燃燒，才能減少碳煙排放數(shù)量。第七章排氣污染與控制

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有害排放物的控制7.3有害排放物控制措施

7.3.1概述針對(duì)內(nèi)因采取的控制措施，前處理凈化；

針對(duì)外因采取的控制措施，機(jī)內(nèi)凈化；補(bǔ)救措施，后處理凈化，包括排氣后處理；非排氣的污染物控制。

7.3.2前處理凈化

1、提高燃油品質(zhì)：環(huán)保汽油和環(huán)保柴油（配方燃油）；開發(fā)新型燃油添加劑。

2、采用EGR第七章排氣污染與控制7.3有害排放物的控制

7.3.3后處理凈化

1、排氣后處理（1）三元催化凈化器；（2）柴油機(jī)微粒捕集器。

（3）SCR

2、非排氣的污染物控制

（1）曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置非排氣的污染控制裝置-曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)（2）

汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)1.汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的功用

●汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)，為控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油蒸汽排放而設(shè)置。但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上與燃油系統(tǒng)聯(lián)系密切，所以納入本章介紹?！窆τ茫簩⑵驼羝占饋恚腿霘飧兹紵?。

●關(guān)鍵部件：碳罐

●碳罐作用：吸附汽油蒸汽

●碳罐結(jié)構(gòu)：外殼、活性炭和閥門等。非排氣的污染控制裝置-汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)

2、非排氣的污染物控制2.典型系統(tǒng)介紹（1）真空直接控制式汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)

●化油器汽油機(jī)。●工作原理：

——吸附時(shí)蒸汽流向：①汽油箱→汽液分離器→碳罐；②化油器→碳罐。

——解吸時(shí)蒸汽流向：碳罐→限流閥→進(jìn)氣歧管→氣缸燃燒?！窠Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)：利用真空控制限流閥的開閉，從而控制蒸汽的解吸。非排氣的污染控制裝置-汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)2.典型系統(tǒng)介紹（2）電子控制式汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)非排氣的污染控制裝置-汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)2.典型系統(tǒng)介紹（2）電子控制式汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)

●電噴汽油機(jī)?！窆ぷ髟恚?/p>

——吸附時(shí)蒸汽流向：汽油箱→單向閥8開啟→碳罐。

——解吸時(shí)蒸汽流向：碳罐→單向閥7→進(jìn)氣歧管→氣缸燃燒

——油箱真空時(shí)空氣流向：碳罐→單向閥9→油箱?！裣到y(tǒng)組成：碳罐、汽液分離器、電磁閥等。

●結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：利用電磁閥的開閉控制汽油蒸汽的解吸與吸附，電磁閥的開閉受ECU的控制。單向閥的作用是控制氣流方向。非排氣的污染控制裝置-汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)第七章排氣污染與控制7.3有害排放物的控制

7.3.4機(jī)內(nèi)凈化措施

1、采用計(jì)算機(jī)控制汽油機(jī)——電子控制汽油噴射：精確控制空燃比、點(diǎn)火提前