排放控制.ppt

第六章汽油机排放控制技术 第一节汽油机废气机内净化措施 精确的混合气制备精确的点火定时与可靠的点火系统汽油机稀燃与快速燃烧系统汽油机结构参数的优化废气再循环进气恒温装置蒸发控制系统曲轴箱通风装置 汽油机排放控制的发展历程 1964年开始使用闭式曲轴箱通风 1973年起使用热转换器 氧化转换器 1975年起使用三效催化转换器 1976年起使用三效催化转换器与氧 传感器 需要时再加上废气再循环 空气二次喷射技术 1980年代 稀燃 分层发动机技术开始应用1990年代 汽油直喷技术开始应用2000年以后 CAI技术开始研究 降低有害气体排放的措施与效果 一 精确的混合气制备 化油器 利用流体力学的原理 基本上满足了汽油机各工况对混合气浓度的复杂要求 堪称技术的奇迹 但随着排放法规的逐步严格 需利用三效催化转换器来降低汽油机排放 而三效催化转换器在过量空气系数等于1时 才能有效地降低汽油机中3种有害成分的排放 因此化油器完成了其历史使命 逐步退出历史舞台 进气道汽油喷射 EFI 根据进气流量喷入响应的燃油 这样控制喷油量比较精确 比较容易根据汽油机运转状态进行过量空气系数的优化 有效控制有害排放物的生成 缸内汽油喷射 GDI 将汽油用高压直接喷入气缸 空气计量与燃油喷射量都是电子控制 对过量空气系数的控制也非常精确 因而能有效地控制汽油机有害排放物地生成 二 精确的点火定时与可靠的点火系统 点火定时与点火能量对火焰传播有决定性影响 因此 对汽油机燃油消耗和排气污染物排放有很大影响 点火能量的提高可以扩大混合气着火界限 提高汽油机稀混合气运转的能力 同时也可以提高汽油机的废气再循环量 降低NOx排放 提高部分负荷时的发动机功率 采用电子式无触点系统可以根据汽油机转速与负荷优化控制汽油机的点火定时 进一步提高汽油机性能 与爆震传感器结合 还可以根据环境条件的变化来改变点火定时 壁面爆震的发生 三 汽油机稀燃与快速燃烧系统 稀薄燃烧技术是汽油机提高部分负荷经济性与降低排放的有效措施 四 汽油机结构参数的优化 对汽油机排放影响较大的结构参数 燃烧室 压缩比行程缸径比 气缸容积 部分负荷火花塞位置对油耗和HC的影响 火花塞中置 缩短了火焰传播距离 降低了爆震危险 使得汽油机压缩比可以提高 油耗降低 另外 多气门汽油机燃烧室比较紧凑 紧凑的燃烧室具有冷激表面小 降低HC排放 面容比对HC排放的影响 面容比是衡量燃烧室结构紧凑与否的重要指标 小面容比燃烧室有利于降低HC排放 行程缸径比S D及气缸容积Vh对降低汽油机排放的影响 研究表明 长行程汽油机燃烧速度快 点火定时可以相对后移 长行程汽油机的最高放热率大 燃烧温度高 这些因素有利于降低汽油机的HC排放和燃油消耗 这些优点在低负荷时更为明显 由于长行程汽油机的燃烧特点 提高了汽油机的抗爆震能力 使汽油机的压缩比可以进一步提高 在同样压缩比条件下 长行程汽油机优化燃烧室的条件也比较好 气缸容积越大 面容比越小 气缸相对散热面积越小 长行程与大气缸汽油机的NOx排放也会增大 行程缸径比S D及气缸容积Vh对HC 指示效率的影响 五 真空式进气恒温装置 进气温度变化影响空燃比 汽车机动性很大 可行驶在大气温度各异的地区 为此有必要使进气温度恒定 使有害排放物维持在允许的水平 真空式进气恒温装置是在排气管周围设置一个金属罩盖 用管子接到进气管上 根据进气时设置在空气滤清器内的温度传感器 常为双金属片 感受的进气温度高低 断开或接通进气管内的真空度与真空马达压力室的通路 从而控制与真空马达相连的控制阀的开度 控制排气管周围热气与冷空气的比例 来控制进气温度 六 活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统 供油系统中由于温度变化 再加上汽油是益挥发性液体 燃油容易蒸发到大气中 常用活性炭罐作为汽油蒸汽的暂存空间 发动机不运转时 来自燃油系统 油箱等的汽油蒸汽进入活性炭罐被吸附在活性炭上 当发动机运转时 利用进气管真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸汽与进入炭罐的新鲜空气一起吸入燃烧室烧掉 七 曲轴箱强制通风装置 当汽油机运转时 燃烧室中高压可燃混合气和已燃气体或多或少会通过活塞组和气缸之间的间隙 进入曲轴箱 为防止曲轴箱压力过高 早期发动机直接将曲轴箱与大气相通 为控制通风中大量未燃HC进入大气 对曲轴箱进行强制通风 在C管中装有闭式呼吸口6 它与空气滤清器1中的净气室相通 新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱 和曲轴箱的窜气混合 经气缸盖罩通入A管 通过计量阀3控制后 吸入进气管4 从而实现窜气的再燃烧 曲轴箱强制通风计量阀 PCV阀 PCV阀是一个流通截面随阀两端压差变化而变化的单向阀 它根据弹簧力和进气管真空度的平衡情况启闭气体的通路 进气管真空度大时 就把阀芯吸向右方 a 气体流通截面变小 反之增大 第二节汽油机废气后处理技术 二次空气喷射 排气热反应器 再次燃烧法 后燃法 催化反应器 一 发动机对废气后处理技术的要求 发动机机内净化措施往往与提高功率和经济性发生冲突 并且随着排放标准的不断严格 改善工作过程机内净化的余地越来越小 废气后处理器应满足 较高的排气污染物转换效率 较低的气体流通阻力 车用内燃机废气后处理器还要考虑 较长的使用寿命 较小的体积 不产生新的污染物 足够的机械强度 较高的耐热性 容易维修 可以接受的成本 二 二次空气喷射 二次空气喷射是将新鲜空气喷射到排气门附近 使高温废气和新鲜空气接触混合 以使未燃HC CO进一步燃烧 右图二次空气供给装置中 二次空气由发动机驱动的叶片式空气供给泵2 通过两根软管输送 一路从化油器6下侧经回火防止阀10进入进气管 另一路通过防止废气倒流的单向阀4 经空气分配管5 送到各缸排气门附近 三 排气热反应器 排气热反应器一般和空气二次喷射共同使用 在过浓混合气状态下 可以在排气管紧挨排气门的地方加入氧化反应所需的空气 氧化反应热可提高排气温度 排气在高温中的滞留时间也是决定HC CO净化效果的重要因素 为了加长这段时间 可以采用加大排气管容积和排气管绝热等措施 排气热反应器的使用效果 净化效果在汽油机过量空气系数0 8 0 9 加入二次空气总过量空气系数在1 1 不能降低NOx排放 四 再次燃烧法 后燃法 再次燃烧法是在排气管中设置点火源 使排气中的CO HC燃烧干净 后燃法类型 只设置点火塞 用排气中未燃成分作燃料 另外供给燃料形成火焰 用这种火焰作点火源 直接火焰式 在此燃烧法不仅结构复杂而且增加燃料消耗 浪费能源 因此很少用 五 催化转换器类型 催化剂可以提高一定类型的化学反应的速度 而不消耗本身 选择合适的催化剂可以使HC和CO的氧化反应在较低的温度下仍能顺利进行 根据不同类型汽油机 催化转换器大致有 热转换器 氧化催化转换器 双床催化 氧化还原 催化转换器 缺氧双床催化转换器 富氧双床催化转换器 三效催化转换器 NOx吸附催化转换器 铅的作用 1 抑制爆震2 减少气门与座的磨损3 毒害催化剂 60升含铅汽油就使催化剂活性降低70 热转换器 氧化催化转换器 热转换器是将排出的CO HC等有害气体借助催化剂进一步氧化 以生成CO2和H2O 为使反应顺利进行的条件 引入足够的O2 转换器必须隔热并保持在600 结构合理 有足够的反应时间 控制燃烧最高温度 防止转换器烧坏 热转换器的温度保持在反应所需最低温度600 这样的温度不是所有工况都能达到 为此在Al2O3载体上覆盖一层多孔的活性涂层Al2O3 比面积超过100m2 g 再在涂层上用电解方法涂覆催化物质如Pt Rh 还原剂 Pd等贵金属 每个转换器消耗约1g贵金属 在催化剂的作用下 CO HC的最低反应温度可降低到250 贵重金属用量为 1 2g dm3 非贵重金属 CuO NiO 起燃温度 350 热转换器工作原理 氧化催化转换器对NOx无效 因此需要事先在燃烧室内对NOx进行削减 氧化催化方式有将空燃比设定在过浓区和稀薄区 将空燃比设在最大功率附近的过浓区 汽油机性能下降不多 但CO HC则增加很多 因此用空气泵将空气送入排气中 使CO HC在氧化催化转换器内进行稳定氧化反应 将空燃比设定在稀薄区 汽油机功率有所下降 但经济性好 CO和HC较少 二次空气量可减少 一般增加EGR对NOx进行净化 双床催化 氧化还原 催化转换器 双床催化转换器是先利用排气中的还原气体CO HC来还原NOx 然后在喷入二次空气以氧化CO和HC 缺氧双床催化转换器必须在浓混合气状态下运行 油耗高 很不经济 目前少用 富氧双床催化转换器汽油机的最低油耗点在富氧区 为了降低汽油机的燃油消耗率 稀燃汽油机重新兴起 这种汽油机不适合三效催化转换器 而采用富氧双床催化转换器 三效催化转换器 三效催化转换器是一种能同时净化NOx CO HC3种有害气体排放的催化转换器 它是汽油机排气废气后处理种最有效的方法 为了同时处理这3种气体 必须保证NOx还原所需的CO HC和H2等还原性气体和为保证CO HC氧化反应所需的O2 所以允许的空燃比范围非常窄 右图是过量空气系数对三效催化转换器效率的影响曲线 NO CO 1 2N2 CO2NO H2 1 2N2 H2ONO HnCmN2 H2O CO2三效催化转化器的主要成分 Pt Rh 2 7 其余为A2O3 NiO和CeO2 三效催化转换器控制原理图 三效催化转换器 闭环控制系统 为保证空气过量系数在当量比附近 三效催化转换器必须和 传感器 氧传感器 结合构成的闭环控制系统 传感器测量排气中的氧含量 并将它转换成电信号输入 调节器 调节器根据它来对根据进气流量传感器确定的燃油量进行校正 以保证实际过量空气系数变化在1 以内 三效催化转换器结构 NOx吸附催化转换器 三效催化转换器不能满足稀燃汽油机NOx的净化要求 可以采用NOx吸附催化转换器 转换器种含有贵金属和碱土金属作为活性成分 在稀混合气状态 NO在贵金属的催化作用下 被氧化成NO2 这样NOx都以NO2的形式出现 并和碱土金属结合 排气中的HC和CO被直接氧化成H2O和CO2 在达到碱土金属吸附极限前 将汽油机短暂进入浓混合气状态 使排气中产生足够的还原剂 CO HC H2等 与碱土金属中析出的NO2反应生成CO2和N2 这个过程叫NOx的吸附催化转换器的再生过程 第三节汽油机废气再循环技术 废气再循环的主要目的是降低NOx排放 废气再循环同时稀释混合气 但很少改变过量空气系数 减少换气损失 提高汽油机经济性 在有足够氧气的条件下 内燃机NOx形成主要取决于发动机的燃烧温度 废气再循环是通过降低发动机燃烧温度 减少NOx排放的主要手段之一 废气再循环降低发动机燃烧温度的途径 提高混合气的热容比 CO2的热容比是O2的1 5倍左右 废气成分的增加 使混合气热容比提高 降低混合气O2的浓度 由于一部分空气被废气取代 混合气中O2的浓度响应减少 降低燃烧速度 以上两种效应使发动机燃烧温度降低 增加了燃烧时的散热 降低了最高燃烧温度 一 废气再循环对汽油机NOx排放的影响 二 汽油机废气再循环的种类 内燃机废气再循环分为 内部废气再循环 进 排气门重叠开启时 部分废气回流到气缸 双凸轮轴四气门或电磁气门控制汽油机可以通过可变进气相位 取得较好的废气再循环效果 外部废气再循环 把经过冷却的废气引入进气管 与新鲜混合气 汽油机 或空气 柴油机 一起进入气缸 外部废气再循环一般应用于部分负荷 满负荷时应用废气再循环影响功率 怠速时应用废气再循环影响运转稳定性 外部废气再循环分为 气电式废气再循环 电磁式废气再循环 三 气电式废气再循环 气电式废气再循环系统中 废气再循环量是由废气再循环阀的开度和紧排气管之间压力差共同决定的 它的控制是通过控制废气再循环阀5的位置来实现 该位置主要是由作用在阀顶端的膜片上的真空腔内的负压决定的 负压由节气门后的进气管提供 为精确控制废气再循环阀的开度 在真空腔和进气管之间 有一个电控压力转换器 它根据控制电脑的指令 控制废气再循环阀内真空腔的负压 以此控制废气再循环阀的位置 四 电磁式废气再循环 电磁式废气再循环系统中 控制废气再循环阀的位置直接通过电磁阀 因而具有 动态响应好 调节精度高 废气回流量大 结构简单等优点 第七章柴油机排放控制技术 第一节柴油机废气机内净化措施 燃烧系统 电子控制 供油系统进气系统废气再循环 EGR 冷启动蓝烟的消除 新型燃烧方式进展 一 降低柴油机排放的主要措施 二 柴油机不同燃烧系统排放特点 分隔式柴油机燃烧系统 混合速度快 温度 燃油浓度 空气浓度分区 总体有害排放较少 直喷式柴油机燃烧系统 燃烧室紧凑 燃油易撞壁 混合气形成时间短 空气的过量系数高 燃油易于裂解 NOx 未燃HC 炭烟的排放相对较多 三 间接喷射柴油机燃烧系统的改进 间接喷射柴油机废气排放特点 涡流室式 强涡流助燃 二次混合 氧浓度分区 NOx PM低预燃室式 强紊流助燃 二次混合 氧浓度分区 NOx PM低间接喷射柴油机的碳烟主要形成在副燃烧室 副燃烧室里形成的碳烟进入主燃烧室以后大部分被氧化 但低负荷时 由于主燃烧室温度较低 碳烟氧化速度慢 导致生成大量碳烟 降低间接喷射柴油机排气污染物的重点也在副燃烧室 主要考虑因素 燃烧室的形状和主副燃烧室之间的容积比 预热塞的位置 主副燃烧室容积比对柴油机排放的影响及改进方案 涡流室柴油机副燃烧室容积增大 副燃烧室内空气量增加 可减少碳烟的形成 但NOx增加 综合考虑碳烟和NOx排放 副燃烧室与主燃烧室的容积比选在1 07 1 15 预燃室柴油机的预燃室体积过大 会降低预燃室中燃气的能量 影响预燃室中不完全燃烧的燃气和主燃烧室的空气混合 因而预燃室内柴油机预燃室体积只有主燃烧室的35 40 改进燃烧室结构减少余隙容积 通过改进燃烧室减少余隙容积 减少燃烧死区对降低柴油机HC以及CO和碳烟排放都会起到积极的作用 下图是将第一道气环上移的高位活塞环对柴油机微粒排放的影响 预热塞安装位置的优化 副燃烧室内预热塞或电热塞对气流的干扰应尽量小 尽量消除气流的流动死区 下图B预热塞的位置减少了气流死区 减少了碳烟生成 使得平均有效压力的提高称为可能 减小预热塞体积对柴油机排放的影响 减小预热塞体积同样可以减小副燃烧室内的气流死区 降低间接喷射式柴油机的碳烟排放 减小预热塞加热头的直径 从 6mm减到 3 5mm 可使燃油消耗率下降5 10g kW h 全负荷烟度下降0 5 1BSU 四 降低直喷式柴油机排放的措施 直喷式柴油机由于流动损失和散热损失较小 具有较高的热效率 近年来 在轿车柴油机得到广泛应用 对高速直喷式柴油机的混合气形成和燃烧的要求 滞燃期内 喷入气缸的燃油尽可能少 以免预混燃烧过多 使压力升高率增大 控制噪声 燃烧前期 喷入的燃油量要适当 以控制碳烟和NOx的生成以及过高的燃烧噪声 燃烧后期即扩散燃烧阶段 喷入的燃油很好与空气混合以减少碳烟生成 这就需要很高的喷射压力 燃油喷射结束后 剩余的空气和燃气仍能强烈混合 以促使碳烟的氧化 无涡流或低涡流 降低排放对直喷式柴油机喷油系统的要求 提高喷油压力 从100MPa提高到150MPa甚至200MPa 特别是低转速时的喷射压力要保证 增加喷油器的喷孔数 减小喷孔直径 前者对燃油分布均匀性很关键 而后者则可以减少燃油碰壁的数量 可控的燃油喷射率变化历程 如靴型喷射 先缓后急 二次喷射 预喷射加主喷射 根据柴油机工况优化喷油定时 柴油机排放与喷射压力的关系 提高燃油喷射压力 有助于着火后喷入气缸的燃油和空气的混合 降低扩散燃烧阶段碳烟的形成 增加喷孔数优化混合气的形成 加速扩散阶段油束与空气的混合 也可以提高增加喷油器喷孔数来实现 但过多的喷孔由于贯串力不足和油束干扰而影响效果 喷孔的多少应根据具体柴油机而定 提高喷射压力与增加喷孔数的配合 单纯增加喷孔数使油束贯穿度降低 可以提高喷射压力来弥补 此时可降低进气涡流 减少节流损失 在同样NOx排放的条件下 碳烟排放和燃油消耗都进一步降低 重型车用柴油机的燃烧系统发展趋势 敞口燃烧室 高喷射压力 增加喷孔数 降低进气涡流 改变喷油定时对碳烟排放的影响 直接喷射柴油机 当其他参数不变 加大喷油提前角会造成更高的燃油在着火前喷入气缸 加快燃烧并较早结束燃烧过程 有利于碳烟的减少 但这会引起更高的燃烧噪声 较大的机械和热应力及较高的NO排放 提高燃油喷射速率降低碳烟排放 燃油喷射初速率提高 缩短喷油持续时间 对减小碳烟的排放是有利的 柴油机全工况电控减少有害排放 喷油定时控制 同时使喷油时间随柴油机转速及负荷自动调节在最佳时刻 从而控制HC NOx的排放 达到最佳值 喷油量控制 调节柴油机供油速率 减少炭烟控制加速的喷油速率及喷油量 减少炭烟控制起动加浓燃油量 加快暖车 减少蓝烟 EGR率控制 减少NOx排放 增压器控制 减少炭烟排放 措施 小惯量增压器 多级增压器 可变喷嘴截面增压器 第二节柴油机废气后处理技术 排气微粒捕集器及再生 CRT SCRT 降低微粒排放 微粒过滤器 DPF 降低微粒 氧化催化转换器 降低微粒中可溶有机物 SOF 以及气态HC和CO 选择性还原催化转换器 降低NOx排放 减少微粒排放的结果 降低微粒排放的主要措施 降低柴油机微粒方法主要有高温氧化 可降低80 微粒 但需要800 以上的高温和4s以上的反应时间 在实际应用中不现实 催化氧化 主要降低微粒中的SOF 但对碳烟几乎不起作用 清洗 让平排气通过水或油来清洗微粒 占用体积很大 而且智能降低排放的10 左右 离心分离 将排气引入旋风器里 利用微粒的离心力 将微粒从气流中分离开来 由于微粒体积很小 所以只能分离约10 的微粒 静电分离 首先将微粒进行荷电 然后吸附到极性相反的金属电极板上 分离微粒将随排气回流到气缸燃烧 增加了气缸的磨损 可分离50 左右 过滤捕集器 目前 降低柴油机微粒排放的排气后处理技术主要是使用微粒捕集器 微粒捕集器的工作原理 扩散 布朗运动使得微粒偏离气流运动方向 当它们和过滤材料接触时 就被吸附在过滤材料上 扩散捕集的效果随微粒直径的减小 气流速度的降低和温度的升高而提高 沉积 当排气流中的微粒和过滤材料接触时 就被拦截在过滤材料上 微粒越大 拦截捕集的效果越好 撞击 较高速度的气流中的较大的微粒 当气流绕过过滤材料气流方向改变时 离开气流撞上过滤材料被捕集 微粒捕集器的类型 表面型微粒捕集器 被捕集的微粒聚集在过滤材料的表面上 其典型材料是透气陶瓷 过滤效果主要是受材料孔隙尺寸的影响 体积型微粒捕集器 被捕集的微粒聚集在过滤材料体内 主要由陶瓷或金属纤维材料绕制而成 带有微粒的排气在体积型微粒捕集器中不断改变流动方向 微粒通过扩散 拦截和撞击聚集在纤维材料上 微粒捕集再生系统 柴油机排气微粒捕集器的捕集效果已经不是技术难题 但只能把微粒从排气中过滤出来 收集在捕集器里 本身不能清除微粒 集聚的微粒会增加排气流动阻力 增加排气背压 影响柴油机的换气和正常燃烧 增加柴油机的燃油消耗 因此微粒捕集器的微粒必须及时清除 以免影响柴油机的性能 清除微粒捕集器中的微粒 称为微粒捕集器的再生 微粒捕集器再生的方法 再生系统分为 主动再生系统和被动再生系统 被动再生系统 要求在车辆正常运转条件下 能达到再生条件 为此 可运用进气节流 推迟喷油时间 进气管加热等来提高排气温度 但又使经济性恶化 最有希望的是通过催化剂降低微粒的着火温度 使用催化剂的方法 滤芯表面使用催化剂 燃油中添加催化剂 主动再生系统 就是监视微粒的聚集情况 当需要再生时 就起动再生系统 主动再生系统有额外喷油的燃烧器系统 电加热器系统和催化剂喷射系统等 下图是几种有代表性的再生方法 微粒捕集器主动再生系统的要求 带有主动再生系统的微粒捕集器必须具有的控制功能 确定辅助再生时间 检测和控制再生时的排气温度 以免损坏过滤器 在紧急情况下切断再生系统 现在的很多捕集器都带有旁路系统 为防止滤芯过热 在温度达到某一值时 启动旁路系统 日野 HINO 公司微粒捕集器主动再生系统原理图 连续再生捕集系统CRT JohnsonMatthey公司开发了一种连续再生捕集系统CRT ContinuousRegenerationTrap 废气在催化器和捕集器中处理 催化器是废气进口通道的一部分 在它表面涂上一层带金属元素的微粒氧化催化剂 以降低微粒的自燃温度 催化剂将NO氧化成NO2NO O2 NO2 然后NO2再与微粒反应C NO2 CO2 NO CO 对NOx排放没有影响 CO的生成量很少 所以对CO也没有多达影响 但能大幅度降低微粒排放 这种再生装置简单 再150 300 能有效工作 是极有前途的捕集系统 柴油机排气氧化催化转换器 通过氧化催化转换器可以促进柴油机CO和HC的氧化 在柴油机一般排气温度条件下 碳烟不被氧化 但可以通过氧化微粒中的高沸点的HC来降低微粒排放 采用普通柴油时 由于大量硫被氧化成SO3 它们和水或排气中的杂质结合 增加了微粒的排放量 柴油机有效利用排气氧化催化转换器的先决条件是降低柴油的含硫量 吸附性催化还原 吸附性催化还原方法用于稀燃和直喷式汽油机 在汽油机排放控制3 4 4中已经详细讲述过 故在此不赘述 柴油机降低NOx的方法 柴油机是富氧燃烧 因此降低汽油机排气中的NOx排放的三效催化转换器技术对柴油机不适用 采用化学方法降低NOx的方法 NOx的分解 NOx可分解成N2和O2 但该过程进行的非常缓慢 迄今为止该方法在柴油机中没有实际运用 NOx的氧化 在发电厂中曾使用过 但其产物为固体物质 对车用柴油机不适用 NOx的还原 在柴油机排气中加入还原剂与NOx进行还原反应 还原NO