第八章 内燃机污染物的生成与控制.ppt

第八章内燃机污染物的生成与控制 第一节概述第二节污染物的生成机理和影响因素第三节内燃机的排放控制第四节内燃机的排气后处理第五节排放法规第六节OBD技术简介 第一节概述 内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时 如果不考虑燃料中的微量杂质的话 将只产生二氧化碳 和水蒸气 H2O 水在地球上大量存在 内燃机排出的水分不会对地球水循环构成重大影响 至于CO2 过去并不认为它是一种污染物 但因为含碳化石燃料的大量使用 使地球的碳循环失衡 大气中的CO2体积分数已从工业时代开始时的2 8 10 4增加到现在的3 85 10 4左右 加剧了 温室效应 引起全人类的关注 第二节污染物的生成机理和影响因素 一 一氧化碳二 碳氢化合物三 氮氧化物四 颗粒物 一 一氧化碳 图8 1点燃机用11种不同H C比的燃料时的CO排放量与空燃比A F及过量空气系数 的关系 一 一氧化碳 图8 2典型的车用柴油机污染物排放量与总过量空气系数 的关系 二 碳氢化合物 1 排气在缸内工作过程中生成并随排气排出 称为HC的排气排放物 主要是在燃烧过程中未来得及燃烧或未完全燃烧的燃料或润滑油 2 曲轴箱从燃烧室通过活塞与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气 含有大量HC 3 蒸发从汽油机和其他轻质液体燃料点燃机的燃油系统 即从燃油箱 化油器 燃油管接头等处以及停车后进气管中的油膜蒸发的燃油蒸气 如果进入大气 同样构成HC排放物 称为蒸发排放物 三 氮氧化物 图8 3排气中 随点火提前角 三 氮氧化物 0804 TIF 三 氮氧化物 图8 5柴油机两种转速在不同负荷下的N 排放和对应的空燃比A F自然吸气直喷柴油机 6 102mm 118mm 16 5 三 氮氧化物 图8 6车用柴油机燃油消耗率 排气烟度 气体排放CO HC N 随喷油正时 的变化趋势 四 颗粒物 图8 7烃类燃料燃烧时碳烟DS生成的温度T和过量空气系数 条件生成区内点的密度定性表示碳烟相对生成量 四 颗粒物 图8 8柴油机颗粒物排放 与负荷的关系 试验用柴油机同图8 5 第三节内燃机的排放控制 一 点燃式内燃机二 压燃式内燃机 第三节内燃机的排放控制 图8 9曲轴箱强制通风 PCV 系统1 空气滤清器2 化油器3 PCV阀4 进气管5 排气管6 闭式呼吸口7 通风管8 补气管9 气缸盖罩 一 点燃式内燃机 一 曲轴箱排放物的控制 二 蒸发排放物的控制 三 冷起动 暖机和怠速排放控制 四 低排放燃料供给系统 五 低排放点火系统 六 低排放燃烧系统 七 排气再循环 一 曲轴箱排放物的控制 图8 10PCV阀的构造和工作原理 一 曲轴箱排放物的控制 图8 11发动机窜气流量特性 二 蒸发排放物的控制 图8 12活性炭罐式汽油蒸发排放控制系统a 系统简图b 化油器控制阀c 膜片阀1 空气滤清器2 化油器平衡孔3 化油器浮子室4 化油器控制阀5 膜片阀6 液气分离器7 带双向弹簧阀的油箱盖8 燃油箱9 活性炭罐10 炭罐清除单向阀11 发动机进气管 二 蒸发排放物的控制 图8 13车用汽油机电控燃油蒸发排放物控制系统框图1 电控器2 清除空气滤清器3 发动机进气管4 清除电磁阀5 泄漏检测泵6 活性炭罐7 燃油箱 三 冷起动 暖机和怠速排放控制 图8 14活性炭罐清除电磁阀构造1 电磁线圈2 橡胶缓冲挡块3 铁心4 橡胶密封唇5 接进气管接头6 接炭罐接头7 回位弹簧 四 低排放燃料供给系统 图8 15车用汽油机在部分负荷下 点火提前角 上止点前 对燃油消耗率 和N HC排放的影响 五 低排放点火系统 点火系统的性能 如点火正时脉谱和点火能量特性 对点燃机的燃烧有重要作用 从而影响发动机的性能和排放 为使点燃机高效节能 动力强劲 排放最低 要求点火可靠 正时优化 如果某缸失火 该缸内的所有燃料均将直接进入排气管 使发动机的HC排放突然出现很大的峰值 时间平均或累计HC排放量也相应增加 点火可靠性主要取决于点火能量 当然也要求火花塞工作可靠 六 低排放燃烧系统 不论是从改善动力性 经济性出发 还是从降低排放出发 对点燃机燃烧系统的要求都是一致的 归根结底 就是应尽可能使燃烧系统紧凑 另外 从比排放量指标看 凡是提高发动机比功率而不相应增加排放量的措施 就是低排放措施 七 排气再循环 1 发动机暖机过程中 充量温度较低 NOx排放量不大 为防止排气回流破坏燃烧的稳定性 一般在发动机冷却液温度低于50 时不进行EGR 2 发动机怠速和小负荷运转时 NOx排放量也不大 一般也不进行EGR 3 由于NOx排放量随发动机负荷增大而显著增加 EGR率应随负荷增大而相应增加 4 接近全负荷时 为使发动机保持足够的动力性能 即使NOx排放量很大 也不允许进行EGR 5 为了实现EGR的最佳效果 要保证各缸的EGR率一致 七 排气再循环 图8 16EGR率对点燃机中等负荷N 排放的影响充量系数0 5 转速1600r min 点火正时MBT 图8 17车用汽油机的EGR控制系统框图a 真空控制机械式EGR系统b 电控真空驱动EGR系统c 闭环电控EGR系统1 真空驱动EGR阀2 排气管3 发动机4 进气管5 温控阀6 电控真空调节器7 电控器8 EGR阀位置传感器9 电磁式EGR阀 图8 18带阀位传感器的线性位移电磁式EGR阀结构实例 二 压燃式内燃机 一 增压 二 低排放燃油喷射系统 三 气流组织和多气门技术 四 低排放燃烧室 五 排气再循环 一 增压 增压是提高柴油机功率密度的主要手段 增压在车用柴油机上的应用的最大推动力来自排放控制的压力 现在 不仅重型车用柴油机 而且中型 轻型车 甚至轿车用柴油机几乎都采用增压 而且增压度越来越高 增压加中冷的应用越来越多 二 低排放燃油喷射系统 1 喷油正时的控制2 循环喷油量的控制3 优化喷油规律4 低排放喷油器5 提高喷油压力 1 喷油正时的控制 喷油正时对柴油机的性能和排放有显著的影响 图8 6 推迟喷油是降低柴油机NOx的最有效的而且最简单易行的办法 在常用的喷油提前角 inj范围内 inj每减小1 CA NOx的排放量可减少20 左右 但是 推迟喷油是否可行还必须考虑PM排放和燃油消耗恶化的程度 进行最优的折中 传统的机械式喷油泵 其喷油正时控制的灵活性受到很大限制 电子控制的应用使正时的控制得心应手 例如 在高压油路中设置一个电磁阀就可解决这一问题 2 循环喷油量的控制 柴油机的循环喷油量当然要随负荷的增大而增加 同时要根据转速的变化进行适当的调节 电控喷油系统可以给出各种需求的调速特性 各缸循环喷油量的均匀性要给予关注 小负荷时喷油量的不均匀性往往导致HC排放量增加 大负荷时喷油量的不均匀性导致PM排放加剧 3 优化喷油规律 喷油规律对直喷射式柴油机的燃烧过程的进展 热力学上的表现为放热规律 有重大的影响 低排放柴油机的供油规律应为初期缓慢 中期急速 后期快断 初期喷油速率低以抑制在滞燃期内形成的可燃混合气量 减小预混合燃烧分量 降低初期燃烧速率 以达到降低压力升高率和最高燃烧压力和温度 抑制NOx的生成及降低燃烧噪声的目的 在喷油中期应急速喷油 即尽快达到较大的最高喷油速率 以加速扩散燃烧 防止DS大量生成和热效率的恶化 在喷油后期要迅速结束喷射 以避免低的喷油压力使燃油雾化变差 导致燃烧不完全 使HC和SOF排放量增加 先缓后急的喷油规律 在某种程度上可通过双弹簧喷油器实现 4 低排放喷油器 图8 19压力室结构不同的喷嘴a 标准压力室喷嘴b 小压力室喷嘴c 无压力室喷嘴 5 提高喷油压力 柴油机中的燃油喷雾细度取决于很多因素 如喷油压力 即喷孔前后的压力差 喷嘴结构和几何特性 燃油的粘度和表面张力等物性参数 喷入空间的介质密度等 喷油压力越高 喷孔直径越小 喷孔对油流初始扰动越大 燃油的粘度和表面张力越小 介质密度越大 燃油喷雾就越细 在其他因素不能有很大变化的条件下 改善喷雾细度的最有效手段是提高喷油压力 三 气流组织和多气门技术 图8 20重型车用柴油机各种燃烧系统燃料经济性和排放性的比较6缸 排量10L 每缸4气门 增压中冷方案 缩口深坑燃烧室 5孔喷油器 135MPa 有进气涡流方案 缩口深坑燃烧室 7孔喷油器 135MPa 进气涡流强度减半方案 敞口浅平燃烧室 8孔喷油器 150MPa 进气涡流强度减半方案 敞口浅平燃烧室 8孔喷油器 180MPa 零涡流 四 低排放燃烧室 设计直喷式燃烧室时 首先要尽可能增大燃烧室的有效容积比 以提高缸内空气利用率 降低DS和PM排放 为此 首先要避免采用短行程结构 现已确认 长行程 低转速的柴油机 其燃料经济性和排放性比短行程 高转速的柴油机好 为了弥补长行程机动力性的不足 可以采用增压或提高增压度加以解决 现代车用高速柴油机的行程缸径比S D已增大到1 2 1 3 而传统的数值是1 0 1 2 此外 为提高有效容积比 要尽可能缩小活塞顶面到气缸盖底面之间的余隙 为此 要提高机体 活塞 连杆和曲轴等主要零件与此余隙相关的尺寸的加工精度 减小气缸盖衬垫压紧厚度的公差 五 排气再循环 1 用排气脉冲阀6 图8 21a 2 用节流阀7对进气进行节流 图8 21b 3 在进气系统中装一个文丘里管8 图8 21c 4 用专门的EGR泵 图8 21d 5 用可变喷嘴的涡轮增压器VNT 图8 21e 五 排气再循环 图8 21增压中冷柴油机的EGR系统a 用排气脉冲阀的EGR系统b 用进气节流阀的EGR系统c 用文丘里管的EGR系统d 用EGR泵的EGR系统e 用VNT涡轮增压器的EGR系统1 电控器2 中冷器3 柴油机4 涡轮增压器5 EGR阀6 排气脉冲阀7 节流阀8 文丘里管9 文丘里管旁通阀10 EGR冷却器11 带EGR泵的涡轮增压器12 VNT涡轮增压器 第四节内燃机的排气后处理 一 三效催化转化器二 氧化催化转化器三 富氧降NOx催化转化器四 柴油机排气颗粒物捕集器 一 三效催化转化器 一 催化反应机理 二 催化转化器的构造 三 催化转化器的工作特性 一 催化反应机理 图8 22三效催化转化器的构造1 外壳2 减振密封衬垫3 催化剂 二 催化转化器的构造 图8 23车用催化剂的典型结构1 堇青石陶瓷峰窝载体2 A 活性涂层3 催化活性物质 三 催化转化器的工作特性 1 空燃比特性2 起燃特性3 空速特性4 流动特性5 耐久特性 1 空燃比特性 图8 24过量空气系数 对三效催化转化器转化效率 影响 2 起燃特性 图8 25三效催化剂的起燃温度特性 3 空速特性 催化剂的空速SV定义为单位催化剂体积的被催化气体体积流量 其单位为s 1或h 1 具体视流量单位中所用的时间单位而定 SV的大小实际上表示反应气体在催化剂中的停留时间tr SV越高 tr越短 会使转化效率降低 实际上都希望用体积较小的催化剂实现较高的转化效率 以降低成本 这就要求催化剂有很好的空速特性 至少在SV 30s 1内保持高的转化效率 一般 催化剂体积与发动机排量之比为0 5 1 0 4 流动特性 催化转化器给发动机排气系统增加了阻力 加大排气背压 导致发动机的动力性与经济性恶化 一般要求催化转化器的流动阻力不超过5kPa 催化转化器的流动阻力主要由蜂窝载体的细小孔道引起 排气在催化剂孔道内的流动是层流 其阻力与流速 孔道长度成正比 与孔道面积成反比 从降低阻力角度 减小孔道密度是有利的 但这不利于转化效率 所以实际的发展趋势正相反 兼顾效率和阻力的最佳途径是减小孔道之间的壁厚 目前 蜂窝陶瓷制造工艺上可能的最小壁厚为0 1mm左右 在这方面金属载体有优势 5 耐久特性 图8 26催化剂的失活对其起燃温度特性的影响1 新鲜催化剂2 活性位损失3 扩散不畅4 严重覆盖和堵塞 二 氧化催化转化器 对车用四冲程汽油机来说 早期的氧化催化转化器因不能有效控制NOx的排放已被三效催化转化器淘汰 但是 对于稀燃发动机来说 NOx排放较少 而未燃HC排放较多 氧化催化转化器还有用武之地 如稀燃天然气发动机一般采用氧化催化转化器 对氧化催化剂的要求不像三效催化剂那样严格 用Pt或Pd就很好 不必用最昂贵的Rh 甚至不含贵金属的配方也可考虑 三 富氧降NOx催化转化器 1 稀燃汽油机用NOx催化转化器2 柴油机用NOx催化转化器 1 稀燃汽油机用NOx催化转化器 稀燃汽油机 特别是分层充量高度稀燃的汽油机 可提高燃料经济性 同时减少CO2排放 NOx排放在 a 1 1 1 2时达到极大值 此后逐渐减少 但仍不能满足法规要求 2 柴油机用NOx催化转化器 图8 27 Ti 催化剂上N NO比对N 转化的影响 2 柴油机用NOx催化转化器 图8 28选择性催化还原系统示意图 2 柴油机用NOx催化转化器 图8 29用做DPF滤芯的壁流式堇青石蜂窝陶瓷块1 陶瓷滤芯2 再生用螺线电热丝3 再生用回形针形电热丝 四 柴油机排气颗粒物捕集器 图8 30CRT系统示意图 第五节排放法规 一 排放测试规范二 取样系统三 测量技术简介四 排放限值 一 排放测试规范 内燃机以及以内燃机为动力源的车辆的排放测试应该在尽可能接近实际使用条件下进行 使测试结果符合实际排放水平 轻型汽车 指小轿车 小型客车 小型客货两用车和轻型货车 用的内燃机 因为运行工况变化频繁激烈 影响因素复杂 一般都把装内燃机的整辆汽车装在底盘测功机上测量排放 测量结果以g km计 而重型汽车 指重型货车和大客车等 用的内燃机功率很大 而工况变化比较平稳 则把内燃机装在发动机测功机上测量排放 测量结果以g kW h 计 二 取样系统 一般排气成分分析仪都是测量该成分在排气中的体积分数 然后根据内燃机的排气总流量算出该成分的总排放量 这在内燃机以稳定工况运转时比较容易实现 当内燃机变工况运转时 理论上可先测出成分体积分数和排气流量随时间的变化 然后把它们对时间积分计算总量 但实际上由于排气管压力随工况变化复杂 取样系统和测量仪器动态响应不同 以及在气流输送过程中各工况的气样部分混合 使体积分数曲线不能再现发动机排放的时间历程 造成很大误差 于是各国排放法规都推荐采用测量排放平均值的方法来确定排放总量 例如 把一个规定测试循环中的所有排气都收集到气袋里 然后测量气袋的总体积和各组分体积分数 就可算出该循环的总排放量 但这种方法需要用很大气袋来收集排气 很不方便 同时不能保证在取样过程中高温气样不发生物理和化学变化 导致测量结果的失真 所以 现在世界各国一致规定对内燃 三 测量技术简介 1 气体污染物的检测2 颗粒物的测量和分析3 排气可见污染物测量4 曲轴箱排放物和蒸发排放物的测量 1 气体污染物的检测 内燃机排放的气体污染物一般浓度很低 多种成分混杂 可能互相干扰 而且有时浓度变化很快 因此对检测技术提出了很高的要求 对所测成分应有高度的选择性 不受伴生成分的影响 应有足够的灵敏度 可分辨10 6 10 5的数量级 结果有良好的重复性和稳定性 有可能进行在线连续分析 2 颗粒物的测量和分析 目前世界各国的排放法规只规定PM排放的质量限值 所以PM排放质量的精确测定是首要的任务 但是 有关PM排放的进一步研究 要求对其进行仔细的物理和化学表征 3 排气可见污染物测量 颗粒物的质量测量是用目前柴油机排放法规规定的PM测量方法 但所用设备复杂 操作费时 且不能追踪PM的瞬时排放特性 由于PM的生成以碳烟DS粒子为核心 虽然表面凝聚着SOF 但在中等以上负荷下DS比例大 SOF比例小 所以 主要表征DS含量的排气烟度测量长期以来一直得到广泛应用 烟度测量结果虽然重复性和可比性较差 但由于测量设备 烟度计 简单 便宜 操作方便 在柴油机研究 开发工作中作为PM排放对比手段 以及在柴油机制造 生产过程中作为品质监控手段还是很有用的