内燃机排放污染物控制

1、第三章 发动机排放污染物控制本章要点：1）汽油机非燃烧污染物控制：A. 曲轴箱排放污染物的控制；B.燃油蒸发物的控制；2）汽油机机内净化措施，工作过程的优化：包括EGR，推迟点火，混合气形成和空燃比，电喷稀燃，点火系统、燃烧系统的改善；3）柴油机机内进化措施：燃烧室的优化，推迟喷油，改善喷油特性（含喷油系统各部分的改进及供油规律的改善），气流组织和多气门技术，EGR，增压中冷，预混均质燃烧HCCI。发动机排放污染控制技术可分为三类：(A) 以改进发动机燃烧过程为核心的机内净化技术；(B) 在排气系统中采用化学或物理的方法对已有害排放物进行净化的排放后处理技术；(C) 控制曲轴箱和供油系统有害排

2、放物的非排气污染控制技术。后两类统称为机外净化技术。3.1 汽油机的排放控制一、曲轴箱排放物控制系统曲轴箱窜气，防止压力过高，与大气相通而进行“呼吸”。窜气含有未燃HC及不完全燃烧产物，排入大气引起污染。 怠速和小负荷：进气真空度高，阀芯吸向进气管侧，流通面积，避免过稀； 加速和大负荷：窜气量，进气管真空度，阀芯远离进气管侧，流通截面。一旦高速大负荷的窜气量过多，部分窜气会从闭式通气口倒入空滤器，被吸入进气管。曲轴箱内始终保持负压，减缓窜机油和通过油封泄漏。窜入燃烧室中的机油是排气中HC和微粒PM的重要成因。二、蒸发排放物控制系统1. 热浸损失汽油车工作后温度较高，此时停车，化油器浮子室中的汽

3、油大量蒸发，流入进气管并通过空气滤清器进入大气，这部分HC排放称为热浸损失。2. 昼夜损失汽油箱中的汽油由于昼夜温度变化造成油箱呼吸（换气）现象，使油箱内汽油蒸发流出箱外，这部分HC排放称为昼夜损失。3. 汽油蒸发排放物控制系统防止汽油机排放的燃油蒸气扩散到空气中，常用活性炭罐作为汽油蒸气的暂存空间。A. 吸附过程：发动机Off，燃油蒸气进入活性炭罐中被吸附在活性炭上。B. 脱附过程：发动机On，进气管真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸气吸入缸内烧掉。活性炭罐：整个系统的核心。木材或坚果壳热解炭，500左右用磷酸化学处理。三、废气再循环1. 车用汽油机EGR系统的控制要求1）由于NOx排放量随负荷

4、增大而增大，因此废气回流量应随负荷而增大；2）暖机，水温低，防止废气破坏燃烧稳定性，不进行EGR；3）怠速和小负荷时，NOx排放也不高，也不进行EGR；4）全负荷，为保证动力性，即使NOx很高，不进行EGR；5）EGR废气各缸分配均匀。2. 车用汽油机常用三种EGR控制系统A. 真空控制EGR系统B. 电控真空驱动EGR系统C. 闭环电控EGR系统四、发动机低排放设计1. 冷起动和暖机发动机冷起动时，温度低，空燃比大，CO和HC排放很高。提高点火能量，增大起动机的功率。暖机期间要使可燃混合气、冷却水温度和机油温度尽快热起来。2. 怠速怠速：实际使用中占很大比例，残余废气量大，混合气加浓，CO和

5、HC排放很高。世界各国的排放法规都是首先限制怠速排放。怠速转速低，油耗低。怠速转速高，排放性能好。3. 混合气形成和空燃比混合气形成的空燃比特性是决定汽油机性能和排放的关键因素。化油器根据流体力学原理配制的混合气，不能满足排放的要求。三效转化器只有在a=1时才能有效地同时转化CO、HC和NOx三种污染物。电控汽油喷射EFI + 闭环反馈控制。4. 稀燃EFI发动机EFI固有缺点：进气节流损失大，影响经济性；压缩比受限制；NOx排放高，必须使用三效催化转换器；在冷起动及暖机时期，温度不高，净化效率很低，造成大量排放。电控喷射EFI+稀燃对降低汽油机的排放有较大的发展潜力。实现稀混合气燃烧，主要应

6、做到以下几点：（1）精确控制各种工况时的空燃比；（2）采用速燃燃烧系统和高能点火系统； （3）保持高的燃烧室壁温。稀燃发动机：a从1.74.0，CO和NOx排放将会大大下降，而HC排放在解决燃烧稳定性后也会低于常规汽油机。5. 点火系统点火定时和点火能量对汽油机的燃烧有重要影响。6. 燃烧系统应尽可能使燃烧系统紧凑。（1）燃烧室形状快速燃烧是采用EGR和推迟点火等降低NOx措施的必要前提，最佳折衷。 圆盘形、浴盆形、楔形让位于半球形、帐篷形等面容比小的紧凑燃烧室。采用每缸3、4、或5气门、用涡轮增压代替自然吸气。（2）压缩比在辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比，优点类同紧凑的燃烧室。传统：

7、根据爆燃工况（如转矩点）选择压缩比；现代：更高，在大部分工况下正常燃烧，通过爆燃传感器信号，适当推迟点火。（3）火花塞位置2气门：火花塞侧置，使燃烧过程拖得较长。多气门：火花塞布中置，火焰传播距离，加速燃烧过程，与紧凑燃烧室同样的优点。（4）活塞组设计活塞、活塞环与气缸壁之间形成的间隙，对汽油的HC排放有很大影响。减小火力岸高度，使用热膨胀更小的活塞材料（例如碳纤维复合材料）和耐热性更好的活塞环材料。3.2 柴油机的机内净化NOx：柴油机与汽油机在同一数量级。PM：比汽油机大几十倍甚至更多。柴油机排放控制重点：NOx与PM，其次是HC。降低PM排放与改善柴油机燃烧过程是完全一致的， 但与NOx

8、排放矛盾。而富氧环境下的NOx催化转换器尚在开发中。柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好。平均a1.3，理想的混合碳烟不会生成，NOx的生成也不多。但混合不好局部缺氧，碳烟大量生成，同时存在很多a=1.01.1的高NOx生成区。柴油机的排放控制的中心任务：改善油气混合，防止局部a超过0.9（这有利于NOx生成）和低于0.6（这有利于碳烟生成）。寻求综合考虑排放、热效率等各种性能的理想燃烧放热规律成为柴油机排放控制的核心问题 。概括为两点：抑制预混合燃烧以降低NOx，促进扩散燃烧降低微粒和改善热效率。一、燃烧室1. 直喷式燃烧室回顾1.1 浅盆形燃烧室弱涡流，多孔喷油器，分布均匀，“油

9、找气”，空间混合。在滞燃期内形成较多的可燃混合气，粗暴，燃烧温度高，NOx和PM排放高。1.2 深坑形燃烧室混合气形成： “油和气相互运动”（1）形燃烧室深凹坑中心凸起排除气流运动很弱的中心区域，进气涡流为主，挤流为辅。（2）挤流口式燃烧室由英国Perkins公司和奥地利AVL公司推出。缩口形凹坑，挤流强烈，保持时间长。“半开式”燃烧特点明显，抑制浓混合气过早地流出凹坑，初期燃烧在还原气氛中进行，压升率低，因此NOx排放和燃烧噪声均较形燃烧室低。活塞的热负荷高，挤流口边缘容易烧损，喷孔易堵塞，加工复杂。（3）四角形燃烧室涡流和挤流：大尺度气流运动湍流：微观尺度气流运动，促进燃油与空气的微观混合

10、。机理：气流旋转进入燃烧室，在四角形与回转形的交界处产生微涡流和湍流。缺点：加工复杂，热负荷较高，容易烧蚀或开裂。代表：日本五十铃公司的四角形燃烧室、日本小松公司的MTCC（micro turbulence combustion chamber）、和英国Perkins公司的Quardram燃烧室1.3 球形燃烧室1951年由MAN公司Meurer JS博士在提出的，M燃烧过程。混合气形成方式：以油膜蒸发混合为主。机理：强烈的涡流运动和适宜的壁面温度，油膜按蒸发、卷走、混合、燃烧的顺序十分有序地进行，避免大颗粒的燃油暴露在高温下产生裂解。优点：工作柔和、轻声、低烟、NOx排放较低，动力性和燃油经

11、济性都较好。缺点：冷起动性能差（壁温低）、工况差异大、对涡流敏感，很少使用。2. 直喷式燃烧室设计要点2.1 直喷式柴油机混合气形成和燃烧的要求：A. 滞燃期内喷油量尽可能少，减少混合燃烧，控制压升率和NOx的生成量。B. 扩散燃烧期，加速油气混合以减少碳烟的生成，需要很高的喷油压力。C. 在喷油结束后，剩余空气仍能与燃气强烈混合，促进碳烟的氧化。2.2直喷式燃烧室设计要点A. 燃烧室容积比 B. 燃烧室口径比C. 燃烧室形状 D. 压缩比3. 非直喷式柴油机 碳烟在副燃烧室生成，在主燃烧室继续氧化。小负荷燃烧温度低，碳烟氧化慢，此时碳烟大于直喷机。HC排放：较大的分子，与汽油机不同。NOx排

12、放：初期极浓，缺氧，NOx不易生成，燃烧在较低温度下继续进行（已开始膨胀），NOx也不易生成。二、 推迟喷油时间（喷油提前角）推迟喷油降低NOx的机理： 燃烧过程在TDC后进行，燃烧等容度下降，燃烧温度； 接近TDC喷油，缸内温度高，着火延迟期缩短，初期放热率，燃烧温度。这两个原因都抑制NOx生成。随着喷油推迟，NOx显著，燃油耗和微粒恶化。关键：尽可能加快柴油的燃烧，尤其是扩散燃烧阶段。所有加快油滴蒸发、油气相互扩散混合的措施都是值得研究的。三、改善喷油特性1. 燃油供给系统回顾传统：泵管嘴(直列泵、分配泵、单体泵、泵喷嘴)，受高压油管物理特性限制，喷油压力一般不超过100MPa。泵喷嘴喷油

13、系统取消了高压油管，最高喷油压力可以达到180MPa左右。 (泵体和油管刚性)共同缺点：随n，喷油压力 ，不能满足车用发动机的对供油系要求。 （2）喷油器尺寸越来越小，利于缸盖优化布置。S系列喷油器：25mm、2lmmP系列喷油器：17mm的铅笔形喷油器：最小的9mm残油腔压力室容积对排放性能的影响。2. 提高喷油压力喷射压力，喷孔直径，喷雾的索特直径SMD，混合气形成速度加快，浓度分布更均匀，着火延迟期。喷射压力：由3050MPa提高到6080MPa，近年来已达150180MPa。结合推迟喷油或EGR等措施，使微粒和NOx同时降低。3. 合理的喷油规律合理的喷油规律应“初期缓慢，中期急速，后

14、期快断”“靴形 ”初期缓慢：预混燃烧的比例，关系到NOx排放；中期急速：控制碳烟的形成；后期快断：喷油压力低，燃烧恶化。(1) 预喷射(PI，pilot injection)(2) 多段喷射(split injection) :促进后期的混合气形成及加速燃烧 ，PM4. 柴油机电控喷油系统电控泵喷嘴供油系统、电控共轨CR(common rail)喷油系统。Common Rail控制喷油压力和针阀开启的时间，实现循环喷油量、喷油定时、喷油速率的柔性控制，改善综合性能，减少排放。“时间控制方式”，和“位置控制方式”相对应。四、气流组织和多气门技术发展趋势：提高喷油压力，降低进气涡流，减少进气损失，

15、配合多孔数、小孔径喷油器来获得良好的混合气。4气门结构：用于缸径130150mm以上，现在80mm左右也采用。(a) 偏置燃烧室(b) 中置燃烧室图3.25 2气门和4气门柴油机燃烧室压缩流场(上止点)优点：扩大进、排气门的总流通截面积；喷油器可垂直布置，油束分布均匀；改善喷油器冷却和活塞热应力(2气门燃烧室偏置, 热应力不均)。 更多的进气量对HC、CO、NOx和PM排放都有利。五、柴油机废气再循环EGR EGR降低NOx机理： EGR对进气加热和稀释a ，大量惰性气体阻碍了燃烧的快速进行，混合气的比热容增大使燃烧温度降低。随工况改变EGR率。采用冷却EGR的方法，使发动机性能恶化的趋势被抑

16、制。S对采用EGR的柴油机的影响。六、增压技术转速：噪声，磨损 ，通过增压弥补功率损失。增压：足够大的a减少燃料缺氧裂解 ，炭烟和微粒被抑制，CO和HC；功率30%100%，经济性好；但压缩终了温升和富氧氛围，NOx。采用增压中冷的方法使进气温度降低，以抑制NOx排放的恶化。；由于燃烧充分加之泵气过程做正功，因而燃油经济性也好。但增压伴随的压缩终了温度升高和富氧氛围，可能造成NOx排放量升高。对此，可采用增压中冷的方法使进气温度降低，以抑制NOx排放的恶化。七、柴油机的预混合燃烧炭烟和微粒是柴油机扩散燃烧方式的固有产物。尽管混合气总体上“很稀”(a1.2)，而实际上存在许多局部“很浓”适宜炭烟产生的区域和a=1.0左右适宜NOx产生的区域，即关键问题是扩散自燃烧的“非均质”特性。 HCCI：均质充量压燃燃烧(homogeneous charge compression ignition) 丰田公司UNIBUS燃烧系统、日本新ACE研究所PRIDIC燃烧系统HCCI实现：喷雾范围大、油粒细而匀，快速形成均匀的混合气浓度场；延长滞燃期，在着火前有充分的蒸发混合时间；控制前期燃烧速度，抑制NO生成和高温裂解产生炭烟。推迟喷油和EGR的阻燃作用，在上止点后10CA才开始着火，放热率上升较缓，且峰值也明显降低，其最高燃烧压力和压升率很低，消除了柴油机多点同时着火所带来的dp/d急剧上升的