发动机排放污染物净化方案及分析

1、第9章发动机排放污染物净化方案及分析本章主要内容：讨论了汽油车和柴油车分别达到欧II、欧III和欧IV排放标准的一般净化方案，介绍了混合动力新技术。汽车排放标准不同， 排放限值也不同。汽车排放标准日趋严格，排放限值越来越低，对 车用发动机机内净化和后处理净化提出的要求愈来愈高，其净化方案也会不同。 机内净化采用在第四章和第五章中所阐述的降低污染物生成量的技术，后处理净化采用在第六章和第七章中所阐述的用净化装置降低排气中污染物的技术。从第二章中知道汽车各种排放污染物的生成机理不同，影响因素很多，其净化措施之功效既存在一致性，也可能存在对立性。 同一净化措施对某种主要排放污染物有良好的净化效果，但

2、也可能对其它排放污染物有负面作 用。因此，一般采用机内净化和后处理净化相结合的综合净化方案。9.1汽油车排放污染物一般净化方案对汽油车来说，其排放污染物主要有CO、HC和NOx，对于二气门或多气门、非增压或增压发动机，均可采用闭环电控燃油喷射系统加三效催化转化器，使其同时净化 CO、HC和NOx，并能使净化效率最高，便可达到欧n排放标准。其方案示意图如图9-1所示。图9-1达到欧n排放标准的汽油车净化方案示意图由于欧川排放标准与欧n排放标准的主要区别在于排放限值更小，且需考虑冷起动排 放，前者要求净化效率更高，后者要求汽车一起动就应有良好的净化效果，即要求起动时三效催化转化器内的温度就大于起燃

3、温度，要做到这一点，必须一方面使催化剂的起燃温度尽可能低，另一方面通过强制加热方式使转化器内的温度在起动时就已超过起燃温度。一般情况下，要满足欧川排放标准的要求，二气门、非增压汽油发动机可采用闭环电控燃油喷射系统加紧凑耦合型三效催化转化器或前置双催化转化器或三效催化转化器辅以强制加热，其方案示意图如图9-2a）所示。对于多气门、增压汽油发动机则可采用闭环电控燃油喷射系统加 低起燃温度的三效催化转化器或紧凑耦合型三效催化转化器，其方案示意图如图9-2b）所示。a）二气门非增压汽油发动机b）多气门增压汽油发动机图9-2达到欧皿排放标准的汽油车净化方案示意图为了使发动机满足欧洲川号法规的要求，也可采

4、用缸内直喷稀薄燃烧汽油机一GDI发动机。GDI发动机所采用的净化技术主要是降低HC和NOx的排放量。该净化技术主要由以下四项技术构成：采用二阶段燃烧，提前激活催化剂；采用反应式排气管；大量EGR ； 使用稀NOx催化剂。图9-3所示为三菱汽车公司的缸内直喷汽油机排放控制措施示意图。采用二阶段燃烧和反应式排气管的目的是为了降低HC排放量，这种方法是在汽车起动后的冷车这段时间内，通过二阶段燃烧和使用反应式排气管使三效催化剂在短时间内达到起 燃温度。为使发动机在稀燃状态下能够有效还原NOx，GDI发动机使用了 NOx吸附催化转换器。为了净化发动机在理论空燃比状态下工作时排气中的HC和NOx, GDI

5、发动机在NOX吸附型催化器之后还配置了三效催化转换器，三效催化器的位置尽量靠近发动机，以更快激活催化剂，减少HC排放。图9-3三菱汽车公司的缸内直喷汽油机排放控制措施欧W排放标准在冷起动和各工况的排放限值比欧川更小，二气门和非增压汽油发动机难以满足，一般应是在多气门增压汽油发动机的基础上采用综合控制的发动机管理系统加紧凑 耦合型三效催化转化器或前置双催化转化器或三效催化转化器辅以强制加热，为进一步降低NOx，可同时采用废气再循环，其方案示意图如图9-4所示。图9-4达到欧N排放标准的汽油车净化方案示意图9.2柴油车排放污染物一般净化方案柴油发动机排放物中的 HC、CO含量很低，一般只有汽油发动

6、机的几十分之一，其NOx排放量与汽油机大致处于同一数量级，但柴油机的微粒排放量相当高，约为汽油机的3080倍。因此，柴油车排放主要控制NOx和微粒的排放量。为达到欧n排放标准，采用涡轮增压中冷和高压喷射减少微粒，采用废气再循环降低NOx,有的采用电子控制喷油，有的仍用机械控制。典型的欧n净化方案示意图如图9-5所示。图9-5达到欧n排放标准的柴油车净化方案示意图为达到欧川排放标准，需采用电子控制，喷油压力要更高，且每循环多次喷射。其方案 有高压共轨或泵喷嘴喷油系统； 采用多气门和可变喷嘴涡轮增压中冷以进一步降低微粒的排 放；为进一步降低NOx采用冷却废气再循环，对于重型柴油货车还需安装氧化催化

7、转化器。 典型的欧川净化方案示意图如图9-6所示。在欧川净化方案的基础上采用微粒捕集器，进一步降低微粒；采用多级中冷废气再循环进一步降低NOx，再加上先进的电控技术，对微粒和 NOx再降低，便可使柴油车达到欧W 排放标准。其典型的净化方案示意图如图 9-7所示。直喷柴油机电 子 左 制 技 术可 变 喷涡 轮压中冷高压共轨或泵喷嘴喷射系飯冷却废再环氫化催化转化器先讲的电孑控制技术可涡轮增压中冷I 直喷柴油机图9-7达到欧W排放标准的柴油车图9-6达到欧皿排放标准的柴油车净化方案示意图净化方案示意图要满足规定的排放限值，除发动机本身需采取上述各种措施外，还要求使用无铅低含硫量的燃油。对于柴油机，

8、欧H标准要求使用含硫量500ppm（0.05%）的柴油，欧川标准要求使用含硫量200ppm（0.02%）的柴油，而欧W标准可能要求使用含硫量55ppm（0.0055%）的柴油。为满足日趋严格的排放法规的要求，各汽车公司、高校和研究院所必须加速开发新产品， 采取有效的机内、机外净化措施，有效控制发动机的废气排放，同时对于石油和化工等其它产业也应采取有效措施。只有各相关行业共同努力，才能不断提高大气质量，改善人类生存 环境。9.3混合动力车9.3.1混合动力汽车发展概况二十世纪九十年代以来， 世界各国对环保的呼声日益高涨，电动汽车脱颖而出。 虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术

9、问题阻碍了电动汽车的发展。由于一般电池的能量密度与汽油相差极大，远未达到人们所要求的数值，所以，倘若在十年内燃料电池技术没有重大突破，电动汽车将无法取代燃油发动机汽车。在这种情况下，“准绿色”的新型产品一一混合动力型汽车登上了历史舞台。所谓混合动力汽车（HEV ）,是将一种或多种的能量转换技术（如发动机、燃料电池、发电机、电机）和一种或多种能量存储技术（如燃料、电池、超级电容器、飞轮）集合于一体。这 种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又利用了电动机无污染、低噪声的长处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10%以上（对于城市公交车辆热效率可提高 30%左右）

10、，废气排放可改善 30%以上。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些国家已经进入实用阶段。九十年代以来， 在各国政府的支持下，国外各知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实 用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术，使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。1997年10月，全球首辆商业性混合动力型汽车“PRIUS”由日本丰田公司研制成功。随后，其它汽车公司也推出了相应的混合动力汽车产品。九十年代起，我国开始电动汽车和混合动力汽车的研制，也取得了一定的进展。1998年，清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动

11、力客车；目前，东风、奇瑞等汽车公司的 863计划电动汽车重大项目也取得了可喜的成绩。随着各国汽车排放法规的日趋严格，混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低，混合动力汽车的市场份额将逐渐增大，已成为本世纪头20年重点发展的新型汽车。9.3.2混合动力汽车的类型和控制策略先进的驱动技术是混合动力汽车取得成功并实现其优越性的关键。混合动力汽车是将电力驱动和辅助动力单元（Auxiliary Power Un it，简称APU）合用到一辆汽车上。这个辅助动力 单元通常采用一台发动机或动力发电机组。一方面，发动机始终在最佳工作点上驱动发电机或直接驱动汽车，排放少、效率高；另一方面，蓄电池又可得到发

12、电机的不断补充充电，从 而，在减小蓄电池容量和体积的同时提高了汽车最高速度，加大了续驶里程，延长了蓄电池的使用寿命。根据动力系统的连接方式，目前开发研制的混合动力汽车基本上可分为三类即 串联式、并联式和混联式等。1. 串联式混合动力汽车这种系统更接近于电动汽车，它由燃油发动机、发电机、电池和电动机等动力装置以串联方式连接组成。在这种系统中，一台小型的燃油发动机直接驱动发电机发电，电能被储存于蓄电池或传给电动机以驱动车轮。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动；负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机；车辆制动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率变速器给蓄电池充电。串联式HEV动

13、力传动系的组成如图 9-8所示。这种类型车能以超低排放模式工作。由 于串联式HEV动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶 工况对发动机进行控制的优点，适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可以使发动机稳定于高效区或低排放区附近工作。但串联式HEV动力传动系的综合效率较低，这是因为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经二次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失。蓄电池图9-8串联式HEV动力传动系示意图2. 并联式混合动力汽车并联式HEV动力传动系的组成如图 9-9所示。这种系统更接近传统意义上的燃油汽车，此系统的发

14、动机和电动机是并列连接到驱动桥上的。汽车行驶时，发动机与电动机可以分别独立或共同向汽车驱动轮提供动力。并联式混合动力汽车主要由燃油发动机提供动力，动力性较好。其驱动系统控制较复杂，电池总容量仅是串联式的1/3，能量传递损失小。但由于发动机与汽车驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响，很难在最佳工作区工作，燃油经济性和排放性能均较串联式差。综上所述，并联式 HEV布置方案由于在传动系组成及控制方面更接近于传统汽车传动 系，并且所需的电机功率较小，电池组数量少，整车的价位也较低。更可贵的是，并联式 HEV可采用传统汽车用内燃机，从而可把传统车用内燃机的最新研

15、究成果应用到混合动力 汽车上，节省了研发资金，目前这种结构的传动系应用比较广泛。蓄电池功率变速器电动矶燃油发动机OOCOi耦合器变速箱图9-9并联式HEV动力传动系示意图3. 混联式混合动力汽车典型的混联式HEV动力传动系布置方案简图如图9-10所示，在该系统上既装有电动机又装有发电机，具备了串、并联结构各自的特点。这种系统包括两条能量传递路线，一是机械能传递路线，内燃机输出的机械能可通过机械装置直接驱动车轮；二是电能传递路线， 发动机输出的机械能通过发电机转化成电能由电动机驱动车轮。同时，电池连接到发电机和电动机之间，可接受充电或提供辅助动力。图9-10a所示的开关式结构通过离合器的结合与分

16、离来实现串联分支与并联分支间的 相互切换。离合器分离，切断了发动机和发电机与驱动轮的机械连接，系统以串联模式运行；离合器结合，发动机与驱动轮有了机械连接，系统以并联模式运行。图9-10b所示的分路式结构中，串联分支与并联分支都始终处于工作状态，而由行星齿轮传动在串联分支和并联分支间进行发动机输出能量的合理分配。此结构可通过发电机对串联分支实施各种各样的控 制，同时又可通过并联分支来维持发动机与驱动轮间的机械连接，最终实现对发动机的转速控制。混联式HEV布置方案综合了串、并联二种布置方案的优缺点，是一种相对比较完善的 动力系统，其电池的体积、重量、成本较低。内燃机总在最高效率下工作，具有很好的燃

17、油 经济性和较低的排放， 加速性和平稳性也很好， 可以说在许多方面弥补了串联式和并联式混 合动力汽车的缺点。混联式 HEV控制系统和机械结构最为复杂，技术难度最大，增加了开现代混合动力汽车更倾向于选择这发和生产成本，不过，随着控制技术和制造技术的发展,种结构。发动机(开关式结构分路式结构图9-10混联式HEV动力传动系示意图在以上三种方式中，串联式混合动力汽车的污染最小，但是能量在传递过程中损失较大， 且对电池的要求较高。并联式混合动力车动力系统的集成度相对较低，主要依赖于内燃机提供动力，内燃机的运转受工况的影响，因而燃料的经济性较差，排放污染较大、噪音较大。 这不符合混合动力车高效率、低能耗

18、、低污染的基本目标，但由于其具有较好的动力性，曾 一度得到各大汽车公司的青睐。丰田公司1997年12月推出的混联式混合动力汽车Pruis成为混合动力汽车技术发展的一个里程碑。混联式混合动力汽车同样具有良好的动力性而且污染与油耗大大降低，因此世界各大汽车公司纷纷开始把注意力投向混联式混合动力汽车的研 究与开发。这三种方式具体的分类比较可见表9-1。三类混合动力汽车的比较表9-1项目方式控制系统电池能量传递效率内燃机工作效率环境污染其它串联式控制系统结构比 较简单，控制方法 简便，只要根据蓄 电池充电状态决 定其运行或停止对电池要求较 高，容量大，增加了电池和汽车重量以及制造成本动力传递过 程中，

19、存在能 量转换的损 失，降低了能 量利用率发动机的工作不受 汽车行驶工况的影 响，总在最佳工况下 工作，具有较高的燃 油经济性污染最小每一动力装置的功率均等于 汽车要求的总功率，设备规 模较庞大，增加了车辆的成 本及机构布置的难度并联式动力控制系统及机械切换系统相对较复杂总容量比串联 式小（约为 1/3），对蓄电池 的峰值功率要 求较低动力直接传 到车轮上，中 间环节少，比串联式有更 高的能量效 率主要动力还是来源于内燃机，但内燃机 工作范围大，效率较 低污染和噪音较大结构简单，可把传统车用内 燃机的最新研究成果应用到 混合动力汽车上，节省了研 发资金混联式机械传动系统及控制系统最为复杂对电池

20、的依赖 小,甚至可以不需外置充电系统较高发动机的工作不受 汽车行驶工况的影 响，总是在最咼效率 状态下运转，具有很 好的燃油经济性比并联小发动机和电动机均可较小。 动力系统可根据不同工况选 用不同的动力驱动方式，充 分利用两套动力装置的优点933混合动力汽车需要解决的关键技术问题和面临的挑战与机遇混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、 高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的高效发动机。 所要解决的关键技术问题主要有以下几个方面。1. 混合动力单元技术混合动力汽车的动力可以同时来自热力发动机和电动机。在混合动力汽车上，发动机又被称为混合动力单元，与传统

21、汽车发动机相比， 其作用发生了变化。在并联混合动力汽车上， 混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分动力的功能，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的发动机；在串联混合动力汽车上，混合动力单元驱动 一台发电机产生电能，由于汽车的行使与发动机没有直接的联系，因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于较小的高功率和低排放区。混合动力汽车的主要目标就是降低排放，所以，控制混合动力单元的排放将是今后研究的重点。目前对混合动力单元的研究主要集中在三个方面：一是燃烧系统的优化， 通过研究燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程，探究HC、CO、NOX以及微粒的形成

22、机理，从而改进燃烧系统。二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统和过滤系统。三是代用燃料的研究。从目前的研究表明， 直喷式柴油发动机将是首选的混合动力单元。 柴油发动机已日趋小 型化，同时，采用先进的共轨式喷油系统，降低了微粒（PM ）和氮氧化物（NOx）排放、改善了热效率和低温排放污染等，在性能上已经有了很大的提高。2. 能量存储技术目前运用于混合动力汽车上的能量储存装置主要还是高能蓄电池。 除此之外， 虽然超级 电容器、 飞轮电池等新型能量储存装置也在研究开发， 但是近期最有希望进入实用化的还是 高能蓄电池。目前，镍氢电池和锂离子电池技术较成熟， 已达到混合动力汽车的使用要求。 从发展

23、看， 能量储存装置的研究应该包括以下内容： 一是研究电池内部的连接、 检测、 监控以及便于将 整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构。 二是电池设计和制造方面的改进， 降低制造成本， 改善电池的性能和提高使用寿命。 三是电池的热能管理及剩余电量管理。 由于电池的工作温 度不可能覆盖汽车运行的工作温度范围， 为了保证电池系统的统一， 减少各电池单元之间的 不平衡， 所以需要一个有效的热能控制管理系统。 此外， 电池的剩余电量直接影响混合动力 汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。在混合动力汽车中，能量储存装置的作用已发生了质的变化，有时也称之为载荷调节 装置，这就是它的真正作用所在

24、。在混合动力汽车中，提供整车行驶所需的动力最终依然 来源于使用高能量密度化学燃料的发动机或燃料电池，载荷调节装置引进的目的是通过它 的调节作用来达到提高燃油经济性和减少排放的目的。由于混合动力汽车的最终能量来源 依然是化学燃料，所以它不再像纯电动汽车那样假如普及就需要建设大规模的配套基础设 施，现有的加油站系统无须作任何的改进即可适应。3. 汽车集成电力电子模块技术混合动力系统的精确运转依赖于优化控制的实现， 控制系统的开发是混合动力系统的最 关键的技术创新。 控制系统要能够根据采集到的速度和负荷等数据， 计算出以最高效率为基 点的分配到发动机与电动机上的功率值， 即实现发动机与电动机的最优耦合功率分配比。 为 了满足汽车高速开关控制的要求， 混合动力汽车还需具有高功率密度、 低损耗的开关、 电容 和电感等器件。 同时，混合动力汽车还要设有一些分立装置， 例如专用的集成电路、模拟和 数字集成电路以及其它功率电子装置。混合动力汽车对智能化的要求导致其控制的复杂性， 因此要求控制装置采用高速运行的半导体芯片，其功率密度高，散热性能也较好。在混合动力汽车进入实用化的过程中， 一个关键性的部件是汽车集成电力电子模块。 它 采用现代电子集成技术， 将复杂的电力电子系统集成在一个单一封装内， 能够供给汽车大约 100kW的功率，其功率范围为 10100k