第八章 发动机排放与控制

第八章发动机排放与控制 本章要求 了解 发动机有害排放物的组成及其危害 理解 影响有害排放物生成的主要因素 掌握 降低发动机有害排放物的主要措施 第1节发动机有害排放物的生成及危害 发动机主要有害排放物 CO HC NOx和微粒 碳烟 一 发动机有害排放物及其危害 1 一氧化碳 CO 特点 无色 无味 有毒 引起窒息 CO与血红蛋白的亲合力是氧的300倍 而分离速度却是氧的1 3600 并会阻碍氧的释放 2 碳氢化合物 HC 成分 未燃 不完全燃烧的烃类及其部分氧化物组成 如烷烃 稀烃 芳香烃 醛 酮等 无害 有害 3 氮氧化合物 NOx 如 NO NO2 N2O3 N205等 危害 1 直接引起人类中毒 2 形成酸雨 破坏生态 3 在紫外线作用下 与HC反应形成光化学烟雾 浅蓝色烟雾 O3和PAN 易在中午日照最强时产生 其毒性较NOx更强 4 微粒 碳烟 危害 1 微粒 0 1 m 破坏呼吸和血液循环系统 2 微粒上的附着物 SO2 NOx HC等 引起中毒 至癌等 通常 柴油机的碳烟排放量约为汽油机的30倍以上 二 排放标准 单位 g km 我国制定的国3标准在数值上与欧3标准基本一致 但增加了强制安装OBD诊断接口的要求 诊断排放自诊断 三 有害排放物的生成机理 1 CO的生成 来源 1 不完全燃烧 包括局部缺氧燃烧 2 高温CO2与H2O的裂解反应 2000 以上 对于柴油机 过量空气系数大 富氧 且燃烧温度也较低 故其CO排放低 CO 体积分数 汽油机0 1 6 柴油机0 05 0 5 柴油机与汽油机比较 而汽油机 过量空气系数偏小 氧少 且燃烧温度高 CO排放较大 2 HC的生成 1 未燃和不完全燃烧 冷激与缝隙效应 50 70 润滑油膜和沉积物的吸附 30 40 过浓或过稀造成的火焰淬熄 2 曲轴箱的窜气及燃油系统的蒸发泄露 柴油机与汽油机的比较 1 柴油机燃油是在压缩接近终了时才喷射 因而冷激 缝隙与吸附效应的影响小 故HC排放较汽油机低 2 柴油机HC主要来源于混合不均匀造成的过浓或过稀及喷油器压力室容积内的残留燃油 HC 汽油机0 2 柴油机0 02 0 1 由于部分HC在排气过程中会被氧化 因此 提高排气温度 如推迟点火 喷油 排气绝热等 有助于降低HC的排放 3 NOx的生成 来源 高温 富氧燃烧 抑制NOx的生成必然与燃油经济性相矛盾 柴油机与汽油机的比较 由于柴油机的最高燃烧温度较汽油机低 故NOx的排放量较汽油机少 NOx的生成与温度的关系 NOx 汽油机0 2 0 4 柴油机0 07 0 2 4 微粒 碳烟 的生成 来源 高温 缺氧燃烧 由于大部分碳烟在燃烧后期及排气过程中会被氧化 因此 提高排气温度有助于降低碳烟的排放 对于汽油机 采用无铅汽油时基本不排放碳烟 柴油机与汽油机比较 而柴油机 由于采用缸内喷射 边喷边烧的工作模式 较容易产生局部高温缺氧燃烧 故碳烟生成量较汽油机大得多 30倍以上 微粒 g m3 汽油机0 005 柴油机0 15 0 3 第2节影响汽油机排放的主要因素及控制 一 影响因素 1 混合气成分 主要影响因素 空燃比对排放的影响 混合气浓 14 9 时 理论空燃比附近 14 9 时 混合气稀 空燃比 14 9 时 缺氧燃烧 CO和HC排放大 NOx排放小 燃烧迅速 充分 CO和HC排放低 但NOx排放高 燃烧速度慢 温度低 CO和NOx排放低 但淬熄现象增加使HC排放高 2 点火提前角 点火提前角对排放的影响 点火推迟 减小提前角 后燃严重 最高燃烧温度低 NOx排放少 同时 由于排温高 有助于HC的氧化 但动力性与经济性差 点火提前 增大提前角 放热集中 燃烧温度高 而排温低 对NOx和HC排放均不利 3 负荷 怠速 小负荷 节气门开度小 混合气偏浓而废气多 燃烧变差 温度低 HC CO排放高而NOx排放低 中等负荷 节气门开度25 80 供给经济混合气且残余废气少 燃烧迅速 充分 HC CO排放低 但燃烧温度高 NOx排放高 大负荷 节气门开度 80 供给浓混合气 燃烧温度和排温高 故NOx排放高而HC排放低 但由于氧不足 CO排放高 4 转速 对于CO HC 转速高 气流运动强 可以改善燃烧 减少冷激效应 故HC和CO排放低 对于NOx 燃烧速度快 转速越高 散热损失越少 燃烧温度高 故NOx排放高 燃烧速度慢 转速越高 燃烧对应曲轴转角越大 结果燃烧温度降低 故NOx排放低 1 浓混合气时 2 稀混合气时 5 工况 6 废气再循环 EGR率 EGR率与排放的关系 EGR率高 对降低NOx有利 但过高会影响燃烧 使HC排放和油耗增大 二 降低排放的措施 1 废气再循环EGR 目的 引入部分废气 降低燃烧温度 废气比热容大 和氧的浓度 抑制NOx的生成 需要注意事项 EGR率过大 影响燃烧 使油耗和HC排放增大 EGR率过小 NOx抑制效果差 且易引发爆燃等不正常现象 目的 降低CO HC的排放 2 改善冷起动 暖机和怠速 提高点火能量 增大起动机功率 采用进气加热 提高怠速转速等 措施 3 合理选择压缩比 目的 提高压缩终了温度 降低冷激效应 改善经济性和HC CO的排放 需要注意事项 压缩大 燃烧温度高 NOx排放高的同时易引发爆燃 故需与EGR 点火提前角控制相结合 措施 采用紧凑燃烧室 减少缝隙容积和燃烧室表面积 合理选择火花塞位置 并适当组织进气运动 加速燃烧 降低HC和CO的排放 4 改善燃烧系统 需要注意事项 加速燃烧会使燃烧温度升高 对抑制NOx不利 必须与其它控制措施结合 5 改善换气过程 采用多气门结构 进气增压和合理的气门相位 如可变气门升程和正时 改善燃烧 减少油耗和HC排放 降低油耗和NOx的排放 7 采用分层稀薄燃烧技术 6 采用电控燃油技术 8 提高燃油品质 9 采用曲轴强制通风 实现空燃比的闭环控制 10 采用燃油蒸发控制系统 活性碳罐 11 安装三元催化器 TWC 全面降低HC CO和NOx的排放 为了取得好的转化效果 需要与氧传感器配合 理论空燃比 并防止三元催化中毒 铅 硫 目的 需要注意事项 第3节影响柴油机排放的主要因素及控制 一 影响因素 1 混合气成分 过量空气系数对柴油机排放的影响 过量空气系数大 HC CO和R 碳烟 的排放低 喷油时间长 后燃严重 使CO HC和R 碳烟 排放增多 同时由于燃烧温度高 NOx排放也高 1 中 小负荷 2 满负荷 2 喷油提前角 喷油提前角对排放的影响 延迟喷油 减小喷油提前角 时 可以降低最高燃烧温度 抑制NOx生成 但会使后燃严重 不仅提高油耗 还会使碳烟 R 排放增加 1 废气涡轮增压与中冷 目的 提高进气量 使燃烧充分 降低CO HC和碳烟 需要注意事项 二 降低排放的措施 增压会使燃烧温度提高 增加NOx的排放 故需与中冷技术配合使用 全面降低碳烟和NOx 2 改进进气系统 措施 降低进气阻力 增加进气充量 并组织适当涡流 改善混合和燃烧 降低CO HC和碳烟的排放 需要注意事项 过强的气流运动会降低进气充量 使碳烟增加 并影响动力性与经济性 3 改进喷油系统 通过减少喷油器压力室容积 提高喷射压力 减少喷孔直径 增加喷孔数量 采用高压共轨喷射等措施来改善喷射和雾化 降低HC 碳烟和油耗 需要注意事项 燃烧加速会使燃烧温度增大 NOx排放增加 措施 4 改进燃烧系统 采用大的燃烧室容积比 大的S D 大的燃烧室口径比 dk D 和缩口型燃烧室 提高空气利用率 降低碳烟和油耗 5 提高压缩比 提高压缩 不仅可以提高动力性 经济性 降低CO HC和碳烟的排放 但会因燃烧温度的提高使NOx排放增加 6 废气再循环 采用EGR 抑制NOx的生成 但需要根据不同工况对EGR率进行控制 一般来说 柴油机的EGR率可较汽油机大 7