汽车发动机排放技术研究

发动机排放技术的应用分析与探讨汽车与交通学院车辆 121 班201200205021陈善*2014/11/25广西科技大学汽车系发动机排放技术的应用分析与探讨摘 要随着国民经济的腾飞和人民生活水平的大幅度提高，汽车产业得到了迅猛发展。随着汽车保有量的增加，汽车排放污染物导致的大气污染日趋严重，汽车排放控制技术和治理成为汽车技术研究和保证人类社会可持续发展的重要课题。本文针对我国汽车排放污染控制技术的实际状况，依据汽车排放污染物产生机理和控制基本方法，通过实验分析和计算机模拟分析，对汽车排放控制技术的机内处理技术和机外净化技术进行探讨:首先研究汽车排放技术研究的意义所在，再结合现阶段的排放控制现状，深入的进行探讨发动机排放技术的应用分析。关键词危害，发动机，排放，技术，分析，探讨广西科技大学汽车系目录关键词 .2引言 .11 发动机排放技术研究的意义 .11.1 汽车发动机排放物的成分 .11.2 汽车发动机排放物的危害 .11.3 汽车发动机排放技术的研究意义 .32 我国汽车排放的现状 .33 汽车发动机排放技术的应用分析 .4机内技术 .43.1 燃油电控喷射系统 .43.2 多气门技术 .53.3 涡轮增压技术 .53.4 废气再循环技术 .63.5 低排放燃烧系统 .63.5.1 汽油机 .6稀薄燃烧系统 .6分层燃烧系统， .73.5.2 柴油机 .7直喷燃烧系统， .7机外技术 .73.6 汽油机三效催化转化技术 .73.7 汽油机热反应技术 .83.8 柴油机的 DPF(微粒捕集) .83.9 柴油机氧化催化（DOC 或者 OCC） .9广西科技大学汽车系1引言汽车作为现代化交通工具，给予了人们的生产与生存带来十分方便的同时，可是它的尾气排放物，给大气环境造成严重污染。随着汽车工业的发展和城市汽车保有量的增加，环境问题日益突出。在我们获益于汽车发展提高生活质量的同时，应尽量避免由此带来的排放污染恶化我们的环境。在汽车工业发展和环境保护之间，需要寻求新的平衡。随着汽车保有量迅速增加，我国城市大气污染日益严重，其中部分城市干道空气中的二氧化碳， 一氧化碳和一氧化氮浓度超过了国家规定的环境空气质量标准：在沿海的一些城市，汽车排放污染已成为城市空气污染的主要因素。1 发动机排放技术研究的意义1.1 汽车发动机排放物的成分汽车的排放污染物主要包括：二氧化碳(c02)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、微粒物(由碳烟、铅氧化物等重金属氧化物等组成)和硫化物等。这些污染物由汽车的排气管、曲轴箱和燃油系统排出。分别称为尾气排放污染物、曲轴箱污染物和燃油蒸发污染物。它们是燃料和空气完全燃烧后的产物，从毒物学的观点看排气中的这些成分是无害的。除上述基本成分外，内燃机排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，包括CO、HC、NOX、s02、固体颗粒等。虽然这些成分的质量总和在内燃机排放气中所占的比例不大(汽油机中只占5、柴油机中不到1)，但是它们都是有害的，因此被列为有害排放物。1.2 汽车发动机排放物的危害(1)COCO是一种无色无味的有毒气体，它不易与其他物质发生反应而成为大气成份中比较稳定的组成部分，能停留23年。当人们吸入过多的CO后，会中毒死亡，因为CO可与血液中的血红素结合阻碍血液吸收氧气。它引起的公害称为汽车尾气第一排气公害。(2)HCHC包括未燃烧和完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解后一部分氧化产物，如广西科技大学汽车系2烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃、醛、酮、有机酸等数几种成分。烷烃基本上无味，对于它在空气中可能存在的浓度，没有发现对人体健康有什么直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用,对黏膜有刺激，经代谢转化会转变成对基因有毒的环氧衍生物。烯烃是与氮氧化物一起形成有害的光化学烟雾的罪魁祸首之一。芳烃有芳香味，有危险的毒性，苯在较高的浓度下可能引起白血病，有损肝脏和中枢神经系统。多环芳烃及其衍生物有致癌作用。来自尾气排放中的醛类主要有甲醛、乙醛和丙烯醛。它们都刺激眼黏膜、喉和支气管，对血液有毒害，可能还有遗传毒性和致癌活性，碳氢化合物不仅危害人与动物，而且还会使生态环境遭到破坏，严重影响农作物的生长，使农业减产。它成为汽车尾气排放的第二公害。(3)NOx汽车排放的NOx绝大部分是一氧化氮(N0)，少量是二氧化氮(N02)。NO是无色气体。与血液中的血红素的结合能力比C0还强。容易使人们中毒而死亡。高浓度的NO能引起中枢神经的障碍，会影响肺的功能。NO在空气中氧化比较缓慢，而在紫外线作用下迅速地氧化成N02。N02是褐色气体，有特殊的刺激性气味，被吸入人体后与水分结合生成硝酸，引起咳嗽，气喘，甚至肺气肿。它也是产生酸雨和引起气候变化产生烟雾的主要原因。(4)硫化物发动机燃料中的硫燃烧后产生S02它在空气中会缓慢转化为三氧化硫(S03)，而在氧化催化剂作用下会快速转化为S03。S02是无色气体，是一种中等程度的刺激剂，有很强的亲水性，与水结合生成亚硫酸对人的口鼻黏膜有强烈的刺激性，S02氧化生成的硫酸盐微粒会深入肺内造成长期影响，硫化物又是造成大气中酸雨的元凶。燃料中含硫量可能成为将来排放控制的难点。(5)微粒(PM，Particulate Matter)微粒(也称“颗粒)，英文简写为PM，通常被定义为经空气稀释后的柴油机排气，在低于517的温度下流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质，汽车排放的PM，主要成分是碳，其粒度一般小于O瓤m。可深入人体肺部造成机械性超负荷，损伤肺内各种通道的自净机制，从而使其它化合物容易发挥致癌作用。碳粒上还吸附有多种有机物，具有不同程度的致癌作用。广西科技大学汽车系3(6)光化学烟雾光化学烟雾是由汽车内燃机排气中的NO。和HC排入大气后在太阳光的紫外线作用下发生的光化学反应，生成N02氧化剂、气溶胶等二次污染物，这些一次及二次污染物的混合物成为光化学烟雾，刺激咽喉和眼睛。烟雾还具有氧化性，能使橡胶开裂，植物变黄和枯死。在机动车排放的几种污染物中，影响较大的污染物是CO、HC、NOx和可吸入颗粒物。统计数据显示，一些大城市机动车产生的污染物排放量占污染物总排放量的比例分别为CO：60，HC：86，NOx：54。根据预测，2010年汽车排放污染物总量将占空气污染源的64。1.3 汽车发动机排放技术的研究意义汽车作为现代化交通工具，给予了人们的生产与生存带来十分方便的同时，可是它的尾气排放物，给大气环境造成严重污染。随着汽车工业的发展和城市汽车保有量的增加，环境问题日益突出。在我们获益于汽车发展提高生活质量的同时，应尽量避免由此带来的排放污染恶化我们的环境。在汽车工业发展和环境保护之间，需要寻求新的平衡。随着汽车保有量迅速增加，我国城市大气污染日益严重，其中部分城市干道空气中的二氧化碳， 一氧化碳和一氧化氮浓度超过了国家规定的环境空气质量标准：在沿海的一些城市，汽车排放污染已成为城市空气污染的主要因素。汽车对大气的污染主要源自发动机排出的废气，三种有害排放物 co、NOx 和约占 60%的 hc 都是由发动机排气管排出的。此外，曲轴箱气体和燃油蒸气的 hc 排放各约占汽车 hc 总排放的 20%。对汽车排放的控制，就是通过改善燃烧、降低燃烧温度、阻断曲轴箱气体和燃油蒸气排放、净化排气管废气等手段，使汽车对大气的污染减小到最低的限度，以缓解汽车保有量增加对环境所带来的负面影响，满足人类对环境质量不断提高的要求。2 我国汽车排放的现状20世纪90年代初以前，我国大气污染属于煤烟型，主要污染源来自工业废气排放。2000年全国有燃煤工业锅炉50多万台，年耗煤占全国的1/3；这些锅炉构成了煤烟排放的主要部分。2000年6月份的统计资料显示，全国23.8万家有污染工业企业中，达标率88.6%；工业污染的65%集中在17925家重点企业，其中达广西科技大学汽车系4标率78.9%88。20世纪90年代后期，机动车增长引起的尾气型污染（如NOX、CO、SO2等）在许多城市逐渐取代了煤烟型污染89，成为城市大气污染的主要来源；同时，由于我国部分大城市人口过度集中、城市建筑物高以及道路拥挤等，导致污染物不容易扩散，所以机动车污染物的排放密度及其造成的大气污染物浓度高出发达国家好几倍90，进一步加剧了机动车尾气对人体健康的危害。 2005 年，我国绝大部分监测城市的 NO2 浓度低于国家二级空气质量标准的浓度限值 0.08mg/m3（不同成分污染物的我国环境空气质量标准，见表 2.5） ，然而在北京市、上海市和广州市等大城市，NO2 浓度仍然较高，见表 2.6。此外，在 2005 年，北京市和广州市的 CO 年平均浓度分别达到了 2.0 mg/m3 和 1.63 mg/m3，说明这两个城市的 CO 的污染浓度相对较高；在 2005 年，北京市、上海市和广州市三个城市的 PM 浓度最高达到了 0.103 mg/m3，最低为 0.06 mg/m390。因此，大城市的机动车尾气污染物排放尤其需要给予重视。3 汽车发动机排放技术的应用分析机内技术机内净化技术主要是指通过改进发动机本身的设计和优化发动机燃烧过程来降低排放。主要措施有燃烧系统优化、电子控制技术、汽油机直喷技术(GDI)、可变进排气系统和废气再循环控制系统等。这些措施大部分通过发动机精确的电控系统来实现。3.1 燃油电控喷射系统汽油喷射发动机与化油器式发动机相比，突出的优点是能准确控制混合气的质量，保证汽缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。电子控制燃油喷射装置的缺点就是成本比化油器高一点，因此价格也就贵一些，故障率虽低,一旦坏了就难以修复（电脑件只能整件更换） ，但是与它的运行经济性和环保性相比，这些缺点就微不足道了。分类汽油喷射型式分为机械式和电子控制式两种。机械式汽油喷射装置是一种以机械液力控制的喷射技术，早在 30年代就应用在飞机发动机，50 年代开始应用在德国奔驰 300BL 轿车发动机上。广西科技大学汽车系5集成电路的出现使电子技术能在发动机上得到应用，一种更好的汽油喷射装置电子控制汽油喷射技术也就应运而生了。 结构任何一种电子控制汽油喷射装置，都是由喷油油路，传感器组和电子控制单元(微型电脑)三大部分组成。当喷射器安装在原来化油器位置上，称为单点电控燃油喷射装置；当喷射器安装在每个气缸的进气管上，称为多点电控燃油喷射装置。原理喷油油路由电动油泵，燃油滤清器，油压调节器，喷射器等组成，电控单元发出的指令信号可将喷射器头部的针阀打开，将燃油喷出。传感器好似人的眼耳鼻等器官，专门接受温度，混合气浓度，空气流量和压力，曲轴转速等数值并传送给“中枢神经“的电子控制单元。电子控制单元是一个微计算机，内有集成电路以及其它精密的电子元件。它汇集了发动机上各个传感器采集的信号和点火分电器的信号，在千分之几十秒内分析和计算出下一个循环所需供给的油量，并及时向喷射器发出喷油的指令，使燃油和空气形成理想的混合气进入气缸燃烧产生动力。历史从 60 年代起，随着汽车数量的日益增多，汽车废气排放物与燃油消耗量的不断上升困扰着人们，迫使人们去寻找一种能使汽车排气净化，节约燃料的新技术装置去取替已有几十年历史的化油器，汽油喷射技术的发明和应用，使人们这一理想能以实现。早在 1967 年，德国波许公司成功地研制了 D 型电子控制汽油喷射装置，用在大众轿车上。这种装置是以进气管里面的压力做参数，但是它与化油器相比，仍然存在结构复杂，成本高，不稳定的缺点。针对这些缺点，波许公司又开发了一种称为 L 型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空气流量做参数，可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量，据此喷射出相应的汽油。这种装置由于设计合理，工作可靠，广泛为欧洲和日本等汽车制造公司所采用，并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的邹型。至 1979年起美 国的通用，福特，日本的丰田，三菱，日产等汽车公司都推出了各自的电子控制汽油喷射装置，尤其是多气门发动机的推广，使电子控制喷射技术得到迅速的普及和应用。到目前为止，欧美日等主要汽车生产大国的轿车燃油供给系统，95%以上安装了燃油喷射装置。3.2 多气门技术采用多气门技术，减少进气阻力，提高充量系数。还采用气门连续可变正时控制和升程控制技术实现发动机随转速和工况的变化达到最佳的充气效率。广西科技大学汽车系6这是使气排放达到欧排放限值的重要技术。3.3 涡轮增压技术废气涡轮增压系统：这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大 20%30%。但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。3.4 废气再循环技术废气再循环技术是一项广泛应用的技术，用来降低NOx。EGR通过使一部分废气流回进气管来降低最高燃烧温度，抑制NO的生成。但EGR率过大会使燃烧恶化，燃油消耗率增大，HC排放上升。电子控制废气再循环系统可实现非线性控制，控制范围和自由度大，更符合净化的实际需要。3.5 低排放燃烧系统3.5.1 汽油机稀薄燃烧系统取消机械节气门，利用废气控制加热进气来达到调节发动机负荷的目的。采用无节气门进气预热的方式来调节发动机的负荷比用机械节气门来调节发动广西科技大学汽车系7机的负荷可使发动机中、低负荷下的热效率至少提高10以上，混合气温度的提高使燃料稀燃限变宽，发动机可在很稀的当量比下稳定工作并且不会发生爆震，但燃烧的最高温度却大大低于化学当量比燃烧的温度，导致NOx排放大大降低。由于闭环电喷系统是牺牲经济性为前提，稀薄燃烧技术是为了兼顾汽车排放经济性和排放而开发的，稀薄燃烧技术主要采用稀燃、速燃和层燃技术。采用稀薄混合气，可较全面地降低有害排放物和提高压缩比，既减少了