排氣污染與控制優(yōu)秀教學課件

第八章排氣污染與控制

2023/3/311發(fā)動機原理第一節(jié)概述

2023/3/312發(fā)動機原理環(huán)保與節(jié)能環(huán)境保護與節(jié)能是當今車用動力技術發(fā)展的兩個主要著眼點。以發(fā)動機為動力的汽車是城市大氣污染的主要來源。據世界一些主要大城市的統(tǒng)計表明，在未治理前，汽車排放中的主要有害成分占城市大氣該污染物總量中的比例是很高的。此外，還有微粒、硫化物、鉛、磷及醛等污染，這些污染物對人體的危害很大。2023/3/313發(fā)動機原理HC排放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。HC中的大部分對人體健康不產生直接影響，但其中的某些醛類和多環(huán)芳香烴對人體有嚴重危害。HC可在陽光作用下與NOX進行光化學反應，形成一種毒性較大的光化學煙霧。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。2023/3/315發(fā)動機原理NOX排放NOX主要是指NO和NO2，一般用NOX表示。發(fā)生在與燃料燃燒反應相伴的高溫與富氧的環(huán)境中。NO的毒性比NO2小，但NO在大氣中緩慢氧化形成NO2。NO2是褐色有刺激性的氣體，對肺和心肌有很強的毒害作用。NOX是在地面附近形成光化煙霧的主要因素之一。2023/3/316發(fā)動機原理微粒（PM）排放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。2023/3/317發(fā)動機原理第二節(jié)汽油機有害排放物的生成機理和影響因素2023/3/319發(fā)動機原理一、CO的生成機理一氧化碳（CO）是碳氫燃料在燃燒過程中生成的重要的中間產物。CO生成的機理比較復雜，但一般認為，燃料分子（RH）經高溫氧化生成CO要經歷如下步驟：RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO這里R代表碳氫根。CO在火焰中及火焰后，以緩慢的速率氧化成CO2。2023/3/3110發(fā)動機原理二、HC的生成機理未燃碳氫化合物（HC）的生成與排出有三個渠道：排氣：占6O％以上曲軸箱竄氣：占25％蒸發(fā)：占15％～20％左右2023/3/3111發(fā)動機原理三、NOX的生成機理發(fā)動機排出的氮氧化物（NOX）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)境中，其主導反應過程是：O＋N2NO＋NN＋O2NO＋O2023/3/3113發(fā)動機原理促使NOX生成的因素（1）高溫（2）富氧（3）充足的反應時間2023/3/3114發(fā)動機原理

汽油機是一種預混燃燒，它靠電火花進行外源點火，火核形成以后，以火焰?zhèn)鞑樘卣鳎淇扇蓟旌蠚鉂舛确秶容^窄，混合氣成分是影響排放的最主要的因素。四、影響因素--混合氣成分2023/3/3115發(fā)動機原理2023/3/3117發(fā)動機原理

EGR可以抑制燃燒的最高溫度，有利于抑制NO的生成。但燃燒的有效性降低，動力性變差。影響因素--吸入廢氣量(EGR)2023/3/3118發(fā)動機原理影響因素--工況從汽油機排放特性圖看出，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。在怠速工況下，燃燒環(huán)境溫度比較低，缸內殘余廢氣量比較大，混合氣比較濃，致使燃燒惡化，HC排放濃度增加；在減速工況下，很高的進氣管真空度使進氣管內沉積的燃料油膜大量蒸發(fā)，這是HC增加的重要原因。2023/3/3119發(fā)動機原理第三節(jié)汽油機有害排放物

控制技術2023/3/3121發(fā)動機原理控制措施分類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。2023/3/3122發(fā)動機原理2023/3/3123發(fā)動機原理

在發(fā)動機部分負荷正常工況時，曲軸箱內的所有竄缸氣體通過PCV閥，進入進氣歧管；在怠速或低速時（a），進氣歧管中相對真空度較高，真空吸力大，允許少量曲軸箱蒸氣混合氣通過；當發(fā)動機轉速或負荷加大時（b），進氣管真空度下降，吸力減小，允許較多的氣體通過；發(fā)動機全負荷工作時，PCV閥的彈簧使閥門開后到最大流量狀態(tài)（b）；發(fā)動機回火時PCV閥起保護作用，（c）。PCV閥的工作原理2023/3/3125發(fā)動機原理

系統(tǒng)的主要組成有止回閥、凈化控制閥、活性炭罐等如燃料箱中壓力變高時，止回閥開啟，蒸發(fā)燃料被活性炭吸附。當由吸氣壓力控制的凈化控制閥打開時，被吸附在活性炭上的燃料蒸氣和經過活性炭罐的空氣濾清器的空氣一起被吸入進氣系統(tǒng)，再進入氣缸燃燒

二、燃油蒸發(fā)凈化裝置2023/3/3126發(fā)動機原理

EGR系統(tǒng)的主要工作參數為EGR率R，其定義為：R＝Gr／（Gr＋Ga）；式中Ga表示進入發(fā)動機的空氣和燃油混合氣的質量流量；Gr表示進入發(fā)動機的再循環(huán)廢氣質量流量。EGR率對發(fā)動機性能的影響

2023/3/3129發(fā)動機原理

2023/3/3130發(fā)動機原理2023/3/3131發(fā)動機原理1、工作原理2、催化器性能評價參數3、催化反應條件4、車用三效催化劑的要求5、催化轉化器的結構6、催化器的壽命與失效7、汽油機排氣后處理之未來四、汽油機三效催化轉化器2023/3/3132發(fā)動機原理HCCONOxH2OCO2N21、工作原理2023/3/3133發(fā)動機原理2、催化器性能評價參數（1）轉換效率催化器出、入口濃度分別代表有害氣體（HC、CO、NOx）的濃度?？梢姡D換效率表示把HC、CO、NOx等有害氣體轉換成無害氣體的百分率。轉換效率的測定一般在發(fā)動機試驗臺或裝車試驗中進行2023/3/3134發(fā)動機原理SV簡稱空速，主要用于評價催化器的安裝占用空間的程度。顯然，在同樣的排氣流量下，排氣催化轉化器所允許的空速SV越大，催化器的體積就越小?；蛘哒f，SV越小，在同樣的排氣流量下，反應氣體在催化器中的停留時間越長，轉換效率越高。（2）空間速度2023/3/3135發(fā)動機原理3、催化反應的條件（1）空燃比條件2023/3/3136發(fā)動機原理（2）溫度條件一般稱轉化效率為50％所對應的溫度為催化劑的起燃（Light-off）溫度。一般三效催化劑對各種污染物的起燃溫度在220一270℃之間。在發(fā)動機冷起動與暖機時，催化劑溫度很低，凈化效能很差。用美國測試循環(huán)進行測試時，CO和HC的50％—80％是在冷起動后1min內排放的。為緩解這個問題，正在研究用電加熱催化劑加速它在冷起動后的起燃或采用緊耦型催化器。2023/3/3137發(fā)動機原理4、車用三效催化劑的要求起燃溫度低；有較高的儲氧能力，以補償空燃比的波動；耐高溫，不易熱老化；對雜質不敏感，不易中毒；盡量不產生H2S、NH3等物質；成本合理。2023/3/3138發(fā)動機原理5、催化轉化器的結構（圓形）

外殼減振密封墊載體與催化劑2023/3/3139發(fā)動機原理催化轉化器的結構（橢圓形）

2023/3/3140發(fā)動機原理不銹鋼外殼催化轉化器2023/3/3141發(fā)動機原理載體與催化劑貴金屬Pt,Rh,Pd氧化鋁助催化劑催化劑涂層載體2023/3/3142發(fā)動機原理催化劑三效催化劑的主要活性材料是貴金屬鉑Pt和銠Rh。Pt主要催化CO和HC的氧化反應，Rh催化NOx的還原反應。一般貴金屬的用量為每升載體1g，Pt/Rh比為5:1左右。由于Pt很貴，也有研究用鈀Pd部分或全部代替Pt。Pd的氧化活性不錯，但其晶體結構容易容納雜質，易受雜質中毒。為進一步降低成本，正在大力研究用鈣鈦礦型稀土催化劑(或加上過渡金屬氧化物催化劑)代替貴金屬的可能性，但尚未大量用于汽車發(fā)動機。2023/3/3143發(fā)動機原理助催化劑為了改善三效催化劑的性能，除了氧化鋁和貴金屬外，三效催化劑中還可能含有各種各樣的添加劑或助催化劑，如鎳Ni、鈰Ce、鑭La、鋇Ba、鋯Zr、鐵Fe和硅Si等。它們起多種多樣的作用，如加強催化活性、穩(wěn)定載體以及防止貴金屬燒結等。2023/3/3144發(fā)動機原理6、催化器的壽命與失效催化轉換器一般要求壽命在10萬km以上。貴金屬催化劑報廢后，貴金屬可以回收再用。2023/3/3145發(fā)動機原理催化轉化器老化失效形式化學老化熱老化積垢老化機械老化中毒：不可逆吸附或發(fā)生表面反應抑制：毒物的競爭可逆吸附毒物導致催化劑表面重構發(fā)生載體孔結構的阻塞活性組分的燒結形成合金載體結構發(fā)生變化貴金屬-賤金屬的相互作用貴金屬表面重組貴金屬揮發(fā)碳沉積（結碳）熱沖擊磨損機械破壞2023/3/3146發(fā)動機原理7、汽油機排氣后處理之未來2023/3/3147發(fā)動機原理載體技術——催化器新型載體目前，也有用金屬作為催化劑的載體材料。一般用厚度不超過0.1mm的極薄不銹鋼帶，一層帶波紋一層不帶波紋地交替疊合，卷成螺線形或S形，焊裝在金屬圓筒內。這種載體的優(yōu)點是結構緊湊，熱容量小，有利于提高內燃機冷起動時的凈化效果，機械強度和熱強度高，工作可靠；缺點是質量大，成本高，涂敷活性層困難。它一般做成小的，安裝在陶瓷主催化轉化器前，用來改善冷起動凈化性能，或用于振動較大的場合，如摩托車。2023/3/3148發(fā)動機原理快速起燃技術—電加熱催化轉化器（EHC）2023/3/3149發(fā)動機原理快速起燃技術—緊耦合型催化轉化器（CCC）2023/3/3150發(fā)動機原理第四節(jié)柴油機有害排放物的生成機理和影響因素2023/3/3151發(fā)動機原理一、柴油機中的主要污染物1、主要成分：柴油機排氣的有害成分主要有CO、HC、NOX

、硫化物以及顆粒物（或稱微粒物）等。2023/3/3152發(fā)動機原理2、特性：由于柴油機使用的混合氣的平均空燃比較理論空燃比大，所以：（1）CO及HC排放明顯低于汽油機（2）柴油機NO的排放幾乎與汽油機相當（3）顆粒物排量遠高于汽油機（4）柴油機的排放特性與燃燒室的形式等有很大關系，特別是直噴式與間接噴射式柴油機的排放有較大的不同。渦流燃燒室柴油機的NO、CO、HC和煙度普遍低于直噴式柴油機，特別是NOX排放濃度一般比直噴式柴油機的低1／3～1／2。但是，渦流室柴油機的燃油消耗率比直噴柴油機的高，冷起動性差，工作平穩(wěn)，噪聲小。2023/3/3153發(fā)動機原理二、CO的生成機理柴油機總是在稀混合氣下運轉(指平均過量空氣系數大于1)，CO排放量要比點燃機低得多，只有在負荷很大接近冒煙界限時才急劇增加。低負荷時，缸內溫度低，部分燃油難以氧化形成CO2，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。2023/3/3154發(fā)動機原理

柴油機與汽油機相比燃油中含有高沸點（高相對分子質量）的碳氫化合物成分由于在燃燒過程油注中大量的燃油化合物發(fā)生高溫分解，因此柴油機排出的碳氫化合物的成分要比汽油機中的復雜在柴油機中，燃燒進行的同時，發(fā)生著燃油的蒸發(fā)，燃料與空氣、燃燒產物與未燃氣體的混合，這就使HC化合物的產生變得非常復雜一般認為柴油機中HC排放物的產生主要有兩種途徑：（1）是由于混合氣過稀以致在燃燒室內不能滿足自燃及擴散火焰?zhèn)鞑サ臈l件（2）是燃油空氣混合氣過濃而不能著火及燃燒。三、HC的生成機理2023/3/3155發(fā)動機原理由于過濃或過稀而避開正常燃燒的燃油，在膨脹過程中通過進一步的混合，進而發(fā)生緩慢的氧化而被燒掉，最后排出的HC是不完全混合的或氧化過程淬熄所造成的。這些排出的不完全燃燒產物HC的形成可由圖4－2予以說明。2023/3/3156發(fā)動機原理2023/3/3157發(fā)動機原理

圖4－2a表示滯燃期內噴入氣缸的燃油形成不完全燃燒產物的路徑。圖4－2b表示燃燒開始之后噴入氣缸的燃油形成HC的路徑更為復雜，主要由燃油局部過濃造成。在滯燃期之后噴射的燃油，當與空氣混合時燃油快速氧化或燃油高溫分解的產物導致完全燃燒。燃油和熱解產物緩慢與空氣混合引起過濃混合氣或者燃燒反應的淬熄，產生不完全燃燒產物、高溫分解產物和出現(xiàn)在排氣里的未燃燒的燃油。

2023/3/3158發(fā)動機原理

一旦燃油開始噴入氣缸，噴注斷面上燃油空氣混合比的分布就產生變化?；旌媳鹊陀谪氂腿紵龢O限的燃油量，隨時間迅速增加。圖4－3表示了在著火時油注中的當量比φ分布。

未燃HC排放與點火延遲的長短關系如圖4－4所示，圖中的數據為柴油機轉速2800r／min時，不同燃油、負荷、噴油定時、增壓壓力時的試驗結果?？梢姡敎计谠鲩L超出其最小值以上時（由于發(fā)動運轉條件變化），HC排放以一定的增長速率上升。因此，在滯燃期中噴入燃油的過分稀釋是碳氫化合物排放的重要來源，特別是在長滯燃期條件下尤其如此。

2023/3/3159發(fā)動機原理2023/3/3160發(fā)動機原理

在燃燒期間進入氣缸并由于與空氣緩慢或不良混合而導致HC排放的燃油有兩種：一種是在燃燒過程后期以低速離開噴油嘴的燃油，主要是油嘴壓力室容積所致，當然嚴重的二次噴射也會增加HC排放另一種是在過量噴射條件下進入缸內的多余燃油由此可見，在柴油機正常運轉條件下，形成HC排放的原因有兩個：其一是滯燃期中形成的過稀混合氣；其二是在燃燒過程后期，低速離開噴油嘴的燃油的不良混合，燃油的低速和滯后噴射如二次噴射等是很值得注意的2023/3/3161發(fā)動機原理

柴油機燃燒期間的非均勻的燃油分布導致了非均勻的燃氣成分及燃氣溫度，使燃油空氣的混合和燃燒過程變得極為復雜在燃燒完全、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圖4－5顯示了直噴式柴油機的通過快速取樣閥（開啟時間lms）測取的整個燃燒過程中各主要物質的含量、壓力、溫度以及當量比等隨時間的變化過程四、

NO的生成機理2023/3/3162發(fā)動機原理2023/3/3163發(fā)動機原理圖中的試驗數據取自直噴式柴油機（缸徑95mm、沖程110mm）活塞頂邊緣附近測量結果。在燃燒開始以后，測量點的NO含量開始上升，當燃氣當量比由富油轉變?yōu)樨氂停ù藭rCO濃度達最大值），NO含量達到最高點。當活塞頂燃燒室里NO含量達最大值時（上止點后15oCA），火焰已傳播到燃燒室內大部分空間，隨后燃氣因與過量空氣混合而變稀，NO含量也隨著稀釋作用的發(fā)生，形成速度變緩而下降。2023/3/3164發(fā)動機原理五、微粒的生成機理柴油機排氣中微粒的主要成分是碳煙粒子。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。首先燃料分子在高溫中裂解或氧化裂解，所生成的裂解產物主要是乙炔，乙炔是生成碳煙的重要中間物，接著形成碳煙核心，以上為成核階段，成核后同時經歷表面增長和凝聚兩個過程。當碳煙粒子長大到某一尺寸時，增長速度急劇下降。以后便以集聚方式形成鏈狀結構物。從核的萌發(fā)到成長、集聚這一系列生成過程，都伴隨著碳煙的氧化。因此，排氣管排出的碳煙濃度是碳煙生成和氧化相競爭的結果。2023/3/3165發(fā)動機原理六、影響因素--混合氣成分從宏觀上講，柴油機在運轉中總有一定數量的過量空氣，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（圖8－9）。但在接近滿負荷時（A／F減?。珻O濃度驟增。如圖8－9所示，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A／F增加而減少。柴油機排氣中有碳煙排出，隨著混合氣變濃，排煙濃度增多。2023/3/3166發(fā)動機原理影響因素--噴油時刻延遲噴油是降低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。2023/3/3167發(fā)動機原理影響因素--燃燒室類型2023/3/3168發(fā)動機原理2023/3/3169發(fā)動機原理2023/3/3170發(fā)動機原理由排放特性可知：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。在噴油開始和燃燒初期，副燃燒室的空燃比較小，氧濃度較低，燃料不可能燃燒完全，從而形成較多的CO及未燃烴。副燃燒室在著火后溫度較高，但氧濃度低，對生成NOx仍有不利的影響。主燃燒室內有充足的新鮮空氣，使來自副燃燒室的CO及HC進一步氧化。高溫燃氣進入主燃燒室后，溫度有所下降，抑制了NOx的生成。2023/3/3171發(fā)動機原理第五節(jié)柴油機有害排放物

控制技術2023/3/3172發(fā)動機原理一、柴油機機內凈化措施

燃燒過程的優(yōu)化措施優(yōu)化增壓和增壓中冷降低機油消耗量優(yōu)化發(fā)動機冷卻低含硫燃油減少噴嘴壓力室容積預噴射燃油

2023/3/3173發(fā)動機原理

1、燃燒過程的優(yōu)化措施

采用可變定時的高效燃油噴射系統(tǒng)

低渦流燃燒過程可變渦流的4氣門機構優(yōu)化噴油規(guī)律排氣再循環(huán)（EGR）噴水2023/3/3174發(fā)動機原理

2、優(yōu)化增壓和增壓中冷

除了優(yōu)化燃燒的措施外，為滿足現(xiàn)代載重汽車的排放要求，采用增壓系統(tǒng)也是很重要的。很早人們就得知采用提高充氣效率的增壓措施，結合有效的增壓空氣中冷，可達到節(jié)省燃油耗，同時降低有害物排放的目的。因而近年的柴油機幾乎全部采用增壓中冷，這就是一個明顯的例證。

2023/3/3175發(fā)動機原理3、降低機油消耗量

除了上述優(yōu)化燃燒過程以降低顆粒排放和氮氧化物排放措施外，降低機油耗對滿足低顆粒排放限值也是很重要的。若對滿足美國1991年排放限值發(fā)動機總的顆粒排放進行分析，則可發(fā)現(xiàn)總的顆粒排放量中，約有25％來自機油，含硫部分占15％。自1994年起美國燃油含硫量降低到0.05％

，因此含硫量顯著下降，顯然顆粒排放控制的重點必須放在降低機油顆粒上。為滿足美國94年法規(guī)限值，顆粒物排放中機油顆粒約為0.014g/（kW·h）。2023/3/3176發(fā)動機原理

4、優(yōu)化發(fā)動機冷卻

為滿足低氮氧化物排放限值的另一個不可忽視的方面就是優(yōu)化發(fā)動機機體和缸蓋的冷卻邊界條件。這方面的試驗表明：在不改變燃燒的邊界條件下，優(yōu)化冷卻后，氮氧化物排放下降15％，其中絕大部分是由于加強缸套冷卻所得到的（下降約占10％），而缸蓋溫度下降只能使氮氧化物下降5％。

圖4—33所示為噴油定時、增壓空氣溫度和發(fā)動機零件溫度變化對顆粒和氮氧化物排放的影響。可見顆粒和氮氧化物排放性能相互矛盾，零件溫度變化和增壓空氣溫度變化所產生的影響基本一致?？傊瑑?yōu)化發(fā)動機的冷卻對降低排放具有明顯的意義。

2023/3/3177發(fā)動機原理2023/3/3178發(fā)動機原理

5、低含硫燃油確保顆粒排放降低的基本前提是采用高十六烷值和低含硫量的燃油。特別是采用氧化催化器在高負荷工況進行試驗時，低含硫量的燃油對降低排放更具有關鍵的意義。2023/3/3179發(fā)動機原理

6、減少噴嘴壓力室容積噴嘴壓力室容積中的燃油在燃燒后期，受熱膨脹后，有可能滴漏入燃燒室中，此時油滴不能完全燃燒，HC排放量會增加，因此應盡可能減少這一容積。圖4-35a所示為通常的壓力室容積，圖4-35b所示的是減小容積的噴嘴結構。底特律柴油機公司的試驗表明，壓力室容積愈小，HC排放濃度愈低。圖4-36為HC的排放濃度隨壓力室室容積的變化，曲線1、2、3、4依次表示壓力室容積3.5mm3、0.7mm3、0.5mm3和無壓力室容積時的試驗結果。圖a的試驗轉速為2100r／min，圖b的試驗轉速為1200r／min。可見，當壓力室容積由3.5mm3減少到0.5mm3時，HC含量可降低75％以上。另外，對燃油經濟性、排煙及NO也沒有不良的影響。

2023/3/3180發(fā)動機原理2023/3/3181發(fā)動機原理

7、預噴射燃油

里卡圖公司在單缸ω形燃燒室柴油機上，采用雙泵噴射系統(tǒng)的試驗表明，在上止點前45°預噴10％～15％的循環(huán)供油量，能較好地降低

NO量。向進氣管預噴部分輕質油或柴油，亦可降低排氣煙度及NO排放量圖4-37所示的為在直噴柴油機上向進氣管預噴柴油的試驗結果。試驗表明，要嚴格控制噴量及預噴時間，方能取得降低排放的效果。可見，缸內預噴燃油的排放比進氣管預噴燃油時的排放高，但發(fā)動機的平均有效壓力較高

2023/3/3182發(fā)動機原理柴油機機后凈化措施

氧化催化器（DOC）

微粒捕集器（DPF）稀NOX催化還原器（LNC）NOX吸附器（LNT）選擇性催化還原器（SCR）LNCNOxNOx/PMControlLNTOxidationCatalystCombinationPMSolidsSOFSCRActivePassiveDPF(DieselParticulateFilter)IntegratedSystemOff-Board/ReplaceFBCCatalystBasedDieselParticulateFiltersCSFEngineManagementNon-CatalyzedReusableActiveCDPFFBCTypeConcent.Cat.TypeLoadingCat.TypeLoadingIntakeRestric.ExhaustRestric.ExhaustHeatAdd.DPFApplicationExample1

–FBC+DOC+DPFSupplementalHCSCR4NO+O2+4NH3

4N2+6H2O2NO2+O2+4NH33N2+6H2OSCR4N2+2CO2+4H2O4NO+O2+2CO(NH2)2二、柴油機機后凈化措施

2023/3/3183發(fā)動機原理不同國家不同排放標準下對于柴油機的應對措施

柴油機排放綜合控制技術（DPF+SCR）FUELTIMELINE2005:EUULSD50ppmS2005:JapanULSD50ppmS2006:EPA/CARBULSD15ppmS2007:USNon-roadLSD500ppmS2009:EUSULSD10ppmS2010:USNon-roadULSD15ppmS(2000)(2005)(2008)China2010China2007Nothing,orDOCtocontrolodorDOC+DPF+FBC,orDOC+CDPF,orDOC,SCRDOC+CDPFDOC+CDPF+SCR2023/3/3184發(fā)動機原理三、柴油機排氣微粒捕集器（DPF）DPF主要用于凈化柴油機排氣中的微粒。目前正在開發(fā)的DPF有體積型和表面型兩大類，前者被捕集的微粒沉積在過濾材料體內，后者則大部分沉積在表面上。體積型DPF的濾芯用泡沫陶瓷、鋼絲棉或陶瓷纖維筒等較疏松的材料制成。它們受熱均勻，在熱再生過程中不易損壞，但捕集效率不高，一般在50％一70％之間，特別在氣流速度較高時效率下降；另一個缺點是阻力大，因而緊湊性不好。表面型DPF主要用與汽油機三效催化劑整體蜂窩陶瓷載體類似的堇青石蜂窩陶瓷塊作為濾芯。柴油機微粒再生技術是DPF應用的關鍵。2023/3/3185發(fā)動機原理主要內容1、微粒捕集器的結構原理2、微粒捕集器的再生方法3、柴油機排氣后處理之未來2023/3/3186發(fā)動機原理1、微粒捕集器的結構原理-體積型2023/3/3187發(fā)動機原理微粒捕集器的結構原理-表面型2023/3/3188發(fā)動機原理2023/3/3189發(fā)動機原理典型的微粒捕集裝置OutletSectionFilterSectionCatalystSectionInletSectionV-Clamps2023/3/3190發(fā)動機原理微粒捕集系統(tǒng)車載安裝圖CRTbehindheatshieldInlettoCRTTemperatureandBackpressureDDECTemperatureOutletofCRT2023/3/3191發(fā)動機原理試驗后的微粒捕集器進口出口2023/3/3192發(fā)動機原理試驗后微粒捕集器外殼進口部分出口部分2023/3/3193發(fā)動機原理l噴油助燃再生l電加熱再生l微波加熱再生l催化再生l連續(xù)再生l添加劑再生l進氣節(jié)流再生l排氣節(jié)流再生l后燃再生l逆向噴氣再生l機械振動再生利用外部熱源再生（主動再生）降低微?；罨茉偕ū粍釉偕├冒l(fā)動機熱能再生（主動再生）非加熱機械式再生（主動再生）再生方法2、微粒捕集器的再生方法2023/3/3194發(fā)動機原理陶瓷纖維纏繞微粒捕集及催化再生過程2023/3/3195發(fā)動機原理電加熱再生2023/3/3196發(fā)動機原理噴油助燃再生2023/3/3197發(fā)動機原理微波加熱再生2023/3/3198發(fā)動機原理柴油機排放控制的技術趨勢是：先進柴油機技術（電控柴油噴射技術、高壓共軌系統(tǒng)、增壓中冷技術、帶冷卻的EGR等）先進排氣后處理技術（FBC、DOC、DPF、CDPF、CSF、SCR、LNC、LNT等）柴油品質保證（低硫、超低硫柴油）2023/3/3199發(fā)動機原理3、柴油機排氣后處理之未來2023/3/31100發(fā)動機原理壁流陶瓷捕集器的進一步研究增加捕集容量、延長再生周期2023/3/31101發(fā)動機原理過流式微粒捕集原理減小捕集量，延長使用時間2023/3/31102發(fā)動機原理Pt催化劑DPF發(fā)動機排氣凈化后排氣

NO+O2→NO2C+NO2→CO2+N2C+O2→CO2InletSectionCatalystSectionFilterSectionOutletSectionHoneycombCatalystWall-flowFilter連續(xù)再生捕集器（CRT）2023/3/31103發(fā)動機原理柴油機排氣四效凈化技術2023/3/31104發(fā)動機原理HSOVurea(NH2)2COExhaustGasHydrolysisCatalyst(H)(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2SCRCatalyst(S)4NH3+4NO+O24N2+6H2O2NH3+NO+NO22N2+3H2O8NH3+6NO27N2+12H2OOxidationCatalyst(O)4NH3+3O22N2+6H2OOxidationCatalyst(V)2NO+O22NO24HC+3O22CO2+2H2O2CO+O22CO22023/3/31105發(fā)動機原理第六節(jié)

排放法規(guī)與試驗方法

2023/3/31106發(fā)動機原理一、我國汽車排放治理標準的沿革不同國家在大氣污染防治工作方面的進展有所不同。因為各國的發(fā)達程度，汽車保有量、城市規(guī)劃特點、氣候和地形等各不相同，對大氣污染嚴重性和治理緊迫性的認識理念也不盡相同。總的說來，汽車數量多，城市大氣污染嚴重的國家，措施采取得較早，限制得也更嚴格。各國根據自己的國情制定自己的標準。這在我國的歷次標準中都有體現(xiàn)；另一方面，隨著全球經濟一體化的進展，國際上要求統(tǒng)一排放標準的呼聲日益增高。在我國的第三批即新標準中，既考慮我國的實際情況，又跨出了與國際接軌的一大步。2023/3/31107發(fā)動機原理1．我國汽車排放標準化零的突破——1983年我國第一批汽車排放標準的頒布我國從198O年開始著手制訂汽車排放標準，1983年頒布了GB－384H83（汽油車怠速污染物排放標準》等第一批有關汽車排放的標準（見附錄2表1）。分別規(guī)定了汽油車怠速污染物、柴油車自由加速煙度和柴油機全負荷煙度排放的限值和測量方法，見附錄2表2，附錄2表3和附錄2表4。2023/3/31108發(fā)動機原理2023/3/31109發(fā)動機原理2023/3/31110發(fā)動機原理2．汽車排放標準體系的基本形成——1993年14項汽車排放標準的出臺1989－1993年我國頒布了GB一14761．l—93輕型汽車排氣污染物排放標準》等14項標準（見附錄2表5），分別規(guī)定了汽油車和柴油車污染物排放的限值和測試方法，基本形成了我國的汽車排放標準體系。其中《汽油車怠速污染物排放標準》、《柴油車自由加速煙度排放標準》和《汽車柴油機全負荷煙度排放標準》等分別見附錄2表6、附錄2表7和附錄2表8。2023/3/31111發(fā)動機原理2023/3/31112發(fā)動機原理2023/3/31113發(fā)動機原理2023/3/31114發(fā)動機原理3．我國汽車排放標準走上與國際接軌的新臺階——1999年以來多項汽車排放標準的頒布隨著國民經濟的不斷發(fā)展，原有的大部分有關汽車排放的標準已經不適應可持續(xù)發(fā)展的要求，在1993年第二次標準出臺之前，有關部門就開始對制定新標準進行醞釀和準備。1990年，全國汽車標準化技術委員在制定《汽車行業(yè)“八五”標準體系》時，對國際上通行的歐洲、美國和日本三大汽車管理體系、技術法規(guī)和標準體系進行了研究和分析。2023/3/31115發(fā)動機原理通過論證，考慮歐洲的道路情況相對而言與我國比較接近，我國引進的車型多數為歐洲車型等情況，確立了這樣的共識：我國汽車強制性標準的技術內容主要以歐洲經濟委員會發(fā)布的ECE汽車技術法規(guī)為參照對象。但這個思路的貫徹需要一定的時間，1993年頒布的14項排放標準各自參照了不同國家的技術法規(guī)，有的在一個標準中出現(xiàn)了幾個國家的法規(guī)內容，有的則是我國獨創(chuàng)，使得我國的汽車排放標準體系與國際上美國和歐洲兩大體系無法接軌，直接影響我國與國際間的交流，也不適應國際排放法規(guī)協(xié)調、統(tǒng)一化的趨勢。2023/3/31116發(fā)動機原理14項汽車排放標準出臺的第二年，即1994年我國汽車行業(yè)開始進行汽車排放標準修訂的基礎研究工作。1994年7月原機械工業(yè)部汽車工業(yè)司在天津組織召開汽車排放標準研討工作會議，責成中國汽車技術研究中心、長春汽車研究所、東風汽車工程研究院和重汽集團技術中心，參照歐洲經濟委員會（ECE）汽車技術法規(guī)體系，制定我國的汽車技術法規(guī)，其中包括汽車排放技術標準。1996年5月開始著手制定。其間與歐洲聯(lián)盟簽定了合作協(xié)議，歐洲聯(lián)盟派專家與我國的技術人員進行技術研討，派八批專家就ECE排放法規(guī)的制定背景，以及轉化ECE法規(guī)過程中的不明確內容進行答疑。2023/3/31117發(fā)動機原理在制定有關標準的過程中，為了摸清我國車用柴油機可見污染物的排放水平，并對ECER24的測試方法進行驗證，原汽車工業(yè)司于1997年9月組織進行了全國車用柴油機可見污染物排放普測。2023/3/31118發(fā)動機原理為配合四項排放標準的實施，原汽車工業(yè)司還進行了以下技術準備工作：（1）組建總投資26億人民幣的汽車電子汽油噴射系統(tǒng)企業(yè)（聯(lián)合汽車電子公司）；（2）與美國福特汽車公司合作，開展稀土加少量資金屬的汽車催化轉化劑的開發(fā)研究；（3）進行輕型汽車排放檢測設備對比試驗；（4）制定汽車排放試驗室認可管理辦法。2023/3/31119發(fā)動機原理1999年3月4日頒布了國家標準GB14761－1999《汽車排放污染物限值及測試方法》等四項國家標準（見附錄2表9），2000年1月1日實施。2000年12月28日頒布了《在用汽車排氣污染物限值排放標準》，這個標準規(guī)定了在用汽油車和柴油車排氣污染物的限值及測試方法，2001年7月1日實施。2001年與汽車排放有關的一批標準出臺，汽車排放標準體系進一步完善。2023/3/31120發(fā)動機原理2023/3/31121發(fā)動機原理

4．我國三批汽車排放標準的比較我國的第一批即1983年汽車排放標準是根據我國當時汽車制造和檢測的實際水平制定的。現(xiàn)在看來，有許多不足之處，如：（1）對NOx未加限制，只限制CO和HC，而且僅限于怠速工況；（2）對限值的要求，既無新車與在用車之分，又無車型之分；（3）對柴油車的自由加速煙度和全負荷煙度排放加以限制，而不限制CO、HC和N0x。2023/3/31122發(fā)動機原理第二批標準的改進：1993年汽車排放標準形成了一個比較完整的體系。與1983年標準比有了較大的改進：（1）有了新出產車與在用車之分；（2）在用車只限制怠速CO和HC的排放，新出產車則CO、HC和NOx都限制；（3）新出產車試驗有型式認證和產品一致性試驗之分。被試車輛要在底盤測功機上進行15工況試驗；（4）新出產車考慮了最大總質量的差別；（5）在用車則有1995年7月1日前后之別；（6）對汽油車燃油蒸發(fā)污染物排放有了限制。2023/3/31123發(fā)動機原理第三批標準的特點：1999年汽車排放標準與1993年汽車排放標準相比部分特點如下：（1）先進性控制汽車排放的水平等同歐洲1號法規(guī)。全面等效地采用了歐洲汽車排放法規(guī)的技術內容。GB14761—199外汽車排放污染物限值及測試方法》控制汽車排放的水平等同于歐洲1號法規(guī)；GB17691－199則壓燃式發(fā)動機和裝用壓燃式發(fā)動機的車輛排氣污染物限值及測試方法》等效采用歐洲l、歐洲2排放限值。2000年1月1日起執(zhí)行歐洲1（比歐洲晚7年），從2005年1月1日起執(zhí)行歐洲2（比歐洲晚9年）；而＊B3847－199則壓燃式發(fā)動機和裝用壓燃式發(fā)動機的車輛排氣可見污染物限值及測試方法顧u等效采用ECER24／O3的全部內容，排放水平與歐洲同步；2023/3/31124發(fā)動機原理（2）方便性將汽車排放污染物排放限值與測試方法合并為一體，使用標準較為方便；（3）性能要求的全面性汽車和車用發(fā)動機的開發(fā)既要保證環(huán)境保護和排放控制，又要最大限度滿足整車的性能要求。因此，將汽車發(fā)動機凈功率測試方法列入這批標準之中。2023/3/31125發(fā)動機原理（4）科學性首次在我國對柴油機實施工況法排放標準：試驗方法采用歐洲國家和日本一直采用的穩(wěn)態(tài)13工況排放試驗循環(huán)（美國從1984年起采用瞬態(tài)工況循環(huán)法，測試設備造價昂貴，試驗要求復雜，實施難度大）；首次在我國對柴油機的氣態(tài)排放物進行限制：標準規(guī)定氣態(tài)污染物排放采用直接取樣法排氣分析系統(tǒng)測量，微粒排放采用全流稀釋系統(tǒng)或分流稀釋系統(tǒng)測量；采用符合歐洲CECRF－03－A－84標準的柴油作為型式認證和生產一致性檢查試驗用油，以排除柴油本身品質不同的影響；2023/3/31126發(fā)動機原理全負荷煙度試驗方法與1993年標準基本相同，但使用的煙度計不同。1993年標準規(guī)定采用濾紙式煙度計，新標準規(guī)定必須采用不透光炯度計，微粒測量單位為光吸收系數；對于不常用的低速全負荷工況限值稍寬，以保證發(fā)動機低速動力性的發(fā)揮；對中高速常用工況則限值很嚴，以滿足環(huán)保要求；考慮到改善燃燒技術實施的難易木同，對大排量壓燃式發(fā)動機微粒排放的限值要求更嚴；規(guī)定型式認證試驗和生產一致性試驗限值為同一值；自由加速微粒排放試驗也規(guī)定必須采用不透光煙度計，木能使用濾紙式煙度計，因為后者不能測量瞬態(tài)可見污染物排放濃度的大?。灰?guī)定在發(fā)動機臺架上也可以進行自由加速試驗，但發(fā)動機要與測功機脫開，飛輪轉動慣量要與整車相當；2023/3/31127發(fā)動機原理1993年標準基于當時“只要自由加速煙度排放小，全負荷煙度排放也一定小。”的認識，而對自由加速工況寄予了過高的期望，將自由加速煙度值規(guī)定得很嚴，定型限值為3.5FSN，比全負荷煙度排放限值加嚴0.5FSN，成為世界之最。實際上，自由加速煙度排放與全負荷煙度排放之間并沒有必然的內在聯(lián)系，在柴油機結構一定情況下，前者與噴油泵起始段的油量大小有關，后者與正常工作段的油量大小有關。過分限制自由加速工況的油量，不但不能減少全負荷工況的煙度排放，而且會影響柴油車的起動性能；值得注意的是，自由加速工況在汽車實際行駛中并不存在，不論自由加速煙度排放如何，并不能證明柴油機實際排煙的多少；自由加速煙度試驗還經常出觀測值不準和重復性差的問題，若用濾紙煙度計測量，誤差更大。這些新的認識說明科技在發(fā)展，人們的認識在前進。毫無疑問，新標準要完善得多。2023/3/31128發(fā)動機原理應當指出，由于自由加速可見污染物排放試驗方法簡便易行，不損害車輛，并能初步判斷發(fā)動機技術狀況是否惡化，以及廢氣渦輪增壓器響應特性是否下降，新標準仍采用了自由加速法，但自由加速煙度不能嚴格地直接地用來判斷柴油機煙度排放是否超標，其地位和作用是輔助性的。柴油機煙度排放受大氣影響很大，如同在湖北地區(qū)，通一臺柴油機冬夏之差達1FSN。1993年標準沒有考慮煙度校正。在ECE成員國中，柴油車和柴油機生產廠及有關檢驗部門，都有完備的全天候試驗條件，不需要作大氣修正。但我國，絕大多數柴油車和柴油機生產廠及有關檢驗部門不具有全天候試驗條件，而我國幅員遼闊，溫度和海拔相差很大，為了科學公正地貫徹新標準，1999年標準中規(guī)定了大氣校正的方法。2023/3/31129發(fā)動機原理二、我國、歐盟和美國的排放法規(guī)、標準的限值2023/3/31130發(fā)動機原理2023/3/31131發(fā)動機原理2023/3/31132發(fā)動機原理2023/3/31133發(fā)動機原理2023/3/31134發(fā)動機原理2023/3/31135發(fā)動機原理3-2自由加速試驗（1）自由加速可見污染物型式認證試驗：機械增壓和非增壓機：沒有限值，記錄實測值；廢氣渦輪增壓機：全負荷最大可見污染物排放對應的名義流量所規(guī)定的限值再加0.5m-1。（2）也可以在發(fā)動機臺架上進行自由加速試驗，但發(fā)動機要與測功機脫開，飛輪轉動慣量要與整車相當。（3）原標準規(guī)定自由加速煙度的限值嚴于全負荷，是基于自由加速煙度值大與全負荷煙度的認識，實際上并不一定。2023/3/31136發(fā)動機原理2023/3/31137發(fā)動機原理2023/3/31138發(fā)動機原理2023/3/31139發(fā)動機原理2023/3/31140發(fā)動機原理2023/3/31141發(fā)動機原理2023/3/31142發(fā)動機原理2023/3/31143發(fā)動機原理2023/3/31144發(fā)動機原理2023/3/31145發(fā)動機原理2023/3/31146發(fā)動機原理2023/3/31147發(fā)動機原理2023/3/31148發(fā)動機原理三、各國的試驗方法目前，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））不同。2023/3/31149發(fā)動機原理現(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。2023/3/31150發(fā)動機原理在取樣方法上，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。2023/3/31151發(fā)動機原理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）。2023/3/31152發(fā)動機原理

第一部分（ECE），試驗時需運行4個循環(huán)，總時間為13min。每循環(huán)持續(xù)時間為195s，總里程為4.052km，每循環(huán)里程為1.013km，平均車速為18.7km／h（不包括怠速時為27.01km／h）最高車速為50km／h，怠速時間占31％。第二部分為附加的市區(qū)行駛工況（EUDC），總時間為1220s，試驗里程為11.007km，平均速度為32.5km／h（不包括怠速時為42.6km／h），最高車速為120k／h，怠速時間占26.2％。取樣開始時刻為試驗開始40s后。歐3（2000年）改為啟動后即取樣。

2023/3/31153發(fā)動機原理四、我國汽車的試驗方法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400～3500kg、最大設計車速不小于50km／h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。2023/3/31154發(fā)動機原理1.試驗規(guī)范參照歐洲試驗規(guī)范，其中ECE15工況組成（包括怠速、換檔、等速及減速等工況），每次試驗重復