发动机排气净化

1、第一节 概说第二节 汽油机排气的净化第三节 柴油机排气的净化一、汽车排污的来源有三 1、从排气管排出的废气，主要成分是CO(一氧化碳)，HC(碳氢化合物)，NOx(氮氢化合物)，其它还有SO2 ( 二氧化硫)，铅化合物，炭烟等； 2、窜气 即从活塞与气缸之间的间隙漏出，再自曲轴箱经通气管排出的燃烧气体，其主要成分是HC; 3、从油箱，化油器浮子室以及油泵接头等处蒸发出的汽油蒸汽，成分是HC。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第一节第一节 概说概说返回返回上级上级 1、HC HC的生成取决于发动机的设计和运行因素。发动机运行中，混合起过浓或过稀，燃烧组织不良，窜机油或温度过低都会产

2、生HC。柴油机排出的未燃烧的燃料，分解的燃料分子和少量的氧化反应的中间产物。 HC的某些氢类光化学反应活性很强，可与空气中的NO2结合，在阳光下形成以O3 为主的光化学烟雾，刺激人 的眼睛和呼吸器官，造成呼吸困难。 2、CO CO主要是由于燃料燃烧时O2相对不足，燃料中的C不能完全燃烧产生的，或由于混合气不均匀燃烧，混合气温度低,CO不能氧化而留在燃气中排出。 CO被吸入人体，很容易与血红蛋白结合，导致缺氧，从而使人窒息；严重者危及生命。 第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第一节第一节 概说概说 3、NOx NOx是由空气中N2和O2在燃烧室的高温，高压作用下发生化学反应生成的。

3、NOx主要以NO的形式出现，还有 少量的NO2 。 NOx可以与某些氢类发生化学反应，生成光化学烟雾，对人体有害。 4、PM(微粒) PM是由于柴油机燃烧时燃料与空气混合不均匀，造成局部过浓，在高温缺氧情况下产生并排出。 PM中含有可致癌的物质，容易被人体吸入并沉积在肺内。 5、SOx 燃料中的S在燃烧后形成SOx(SO2 ,SO3 )。 SOx被排出机外，易形成烟雾，污染环境。 第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第一节第一节 概概说说 排气中的HC和NOx在一定的地理、温度、气象条件下，经强烈的阳光照射下，会发生光化学反应，生成以臭氧（O3 )、醛类为主的过氧化产物，称为光化学

4、烟雾。臭氧具有独特的臭味和很强的毒性，醛类对眼及呼吸道有刺激作用。此外，它们还防碍生物的正常成长。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第一节第一节 概概说说 1、研制无污染或低污染动力源 目前出现的新型汽车动力源中，完全没有排污的是电动汽车中的蓄电池-电动机组。氢气发动机的燃烧产物中没有CO和HC，但在大负荷工况范围内NOx排出量激增。燃气轮机排出的CO和HC较少,NOx排出量虽然大，但易于控制。三角活塞旋转式发动机因气缸中燃烧温度低而NOx排出量少，而且排出的HC和CO可以采取机外净化措施加以处理。所以可以说，这些新型动力装置不仅在某些性能方面有其一定的优越性，而且就减少排污公害

5、的角度看来，也很有发展前景。但是，由于在另外一些重要性能指标方面尚存在着严重缺陷，这些新型动力源目前在汽车上都还没有得到推广，有的甚至还不能付诸推广，有的甚至还不能付诸实用。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第一节第一节 概概说说 发动机排气净化的方式可分为两大类： （1）机内净化改善可燃混合气的品质和燃烧状况，抑制有害气体的产生，使排气中的有害气体成分减至最少； （2）机外净化用设置在发动机外部的附加装置使排出的废气净化后在排入大气。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第一节第一节 概说概说 一、机内净化措施 （一）改善可燃混合气品质 1、采用进气温度自动调节式空气

6、滤清器 2、装设叶片式旋转器 3 、采用废气再循环装置 4、 采用电子控制的汽油喷射装置第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净汽油机排气的净化化返回返回上级上级 基本原理：采用进气温度自动调节式空气滤清器，以保证在外界气温变化很大的情况下，使进气温度大致保持在40左右，从而得到较稀的混合气。 结构原理：如图6-1。 工作过程：当外界流入空气滤清器4的空气温度低于某一规定值时（图6-2a），在双金属片式（或腊球伸缩筒式）温度传感器5的作用下，真空阀3开启，化油器节气门2后方的真空度便经软管9传入真空室6。在真空度作用下，膜片7和连杆上移，使进气控制阀8将冷空

7、气进口A关闭，同时将热空气进口B打开，让经过排气管预热的空气进入空气滤清器。当外界空气温度高于某一规定值时（图6-2b），温度传感器便将真空阀关闭，切断化油器与真空室之间的真空通道。在膜片弹簧作用下，B口关闭而A口开启。 若外界空气温度在上述两规定值之间，则真空阀部分开启，真空室膜片保持在某一平衡位置，从而 进气控制阀使A、B两口均保持适当开度（图6-2c）。这样，便可使进气温度保持在相对稳定的范围内。 当节气门全开时，节气门下方真空度很低，即使真空阀全开，进气控制阀仍处于B口关闭、A口开启的位置（图6-2d）。这可以保证发动机在全负荷运转期间进气温度不致过高。第九章第九章 发动机排气的净化发

8、动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 为改善混合气的形成和点火条件，可在化油器和进气管之间，装设叶片式旋转器。其作用是在进气时产生旋流，粉碎粒状油滴，以促进雾化和混合气均匀分配。采用这种措施，降低CO及HC排放量的效果是明显的。但在高转速时，将增加进气阻力，使经济性受到一定的损失。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 基本原理是：将5%20%的废气再引入进气管，与新鲜混合气一道进入燃烧室，使最高燃烧温度降低，从而减少NOx生成量。 结构原理：如图6-3。 工作过程：化油器喉管产生的真空度由管道传到真空气室8，在

9、节气门开度、增大或发动机转速上升时，真空度也不断增高。当真空度达到0.01MPa左右时，即可克服回位弹簧7的预紧力而使膜片6连同阀杆1上移，锥形的 阀门5便逐渐开启，使废气得以从排气管进入进气管。当真空度达到0.0130.026MPa时，膜片上升到最高位置，阀门全开。因此，这种阀能相应与发动机运转条件而改变废气的再循环量。怠速时，由于化油器的喉管真空度很低，阀门关闭，不进行废气再循环。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 采用电子控制的汽油喷射装置也是机内净化的有效措施之一。当初，采用这种装置的目的是为了增大发动机功率（比化油器式增大1

10、0%）和降低油耗（约低10%）。但只要稍微牺牲一些这方面的性能，使之主要用作排气净化装置，便可得到很好的效果，例如：冷机起动比较容易；怠速时可供给稀混合气；在汽车减速而节气门关闭时可迅速而准确地切断燃油的供给，以防止CO、HC生成量增多等等。现在，这种汽油装置已成为欧洲汽油车的主要排气净化装置之一。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 1、从配气相位方面改善 混合气在气缸内燃烧时，火焰到达燃烧室璧附近，往往由于表面温度低而熄火，引起HC排放量增加。显然，减少燃烧室的表面积和容积之比（面容）可减少HC的排放量。面容比按盆形、楔形、碗形、半

11、球形的燃烧室结构顺序逐渐减少。此外，降低压缩比也可降低面容比，同时还可减少NOx的排放量。 配气相位特别是气门重叠时间对NOx，HC排放量的影响很大。试验表明：气门重叠时间长时，因排气彻底，进气充足，气缸内温度低，NOx排放量将减少，而HC的增加量并不多；当气门重叠时间短时，HC将减少，而NOx却增加较多。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 延迟点火时刻，可减低燃烧最高温度，因而NOx的排放量减少；同时，由于燃烧持续时间较长，促进氧化作用，使HC减少。故这种方法已普遍用于各种低公害汽车上。采用延迟点火法的前提是必须装有进气预热（否则在

12、发动机冷态时采用延迟点火法，有害气体的排放量反而增多）。若同时还采用空气喷射装置-热反应器和废气再循环阀等，则净化效果更佳。但是延迟点火会引起功率下降和过热等问题。为此，可采用双膜片真空式点火提前调节装置。其作用是在怠速和减速时减小点火提前角，以减少CO、HC的生成量；中、高速时则加大点火提前角，以保证功率；发动机过热时，将点火提前角加到最大值，使转速上升，加强冷却作用直至恢复到正常温度为止。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 层状燃烧可使发动机在过稀混合气的情况下工作。这种新的燃烧方式被认为是一种比较理想的净化方法，国外很多厂家都在

13、积极研制。下面以日本本田技研工业公司研制成功的复合涡流控制燃烧式 （CVCC）发动机为例，说明其原理与特点。 基本原理：图6-4示出了排污浓度与空燃比的关系由图可知，在稀混合气范围内，一般发动机因缺火无法运转，而复合涡流控制燃烧式发动机却能使稀混合气进行缓慢燃烧。因此，具有显著的净化效果。 结构原理：如图6-5。 工作过程：进气行程中，副燃烧室吸入少量浓混合气，而主燃烧室则吸入大量的过稀混合气，二者明显地分成层状。压缩行程中，混合气进一步明显分成三层：副燃烧室中为浓混合气，主燃烧室中是过稀混合气，二者交接处为稍浓混合气。压缩终了时，用装在副燃烧室的火花塞点燃浓混合气，而连接孔附近因有空燃比接近

14、理论值的稍浓混合气，故燃烧强烈。这部分高温火焰，能使主燃烧室中呈涡流状态的过稀混合气得以正常燃烧，直至作功行程终了。排气过程中，燃气仍保持较高的温度，使CO、HC得以尽可能充分燃烧。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 均质稀燃技术的应用： 1、扰流发生罐 结构原理：如图6-6，用于丰田汽车12-T型发动机上。 工作原理：在气缸盖上设置的副燃烧室2称扰流发生罐，火花塞4安装于其入气口处。在排气行程中，扰流发生罐2内的废气无法扫除；进气行程中，罐内压力较高，新鲜混合气被压入，并与废气一起在罐内形成强烈的涡流运动。由于火花塞附近的废气被扫除

15、，新鲜混合气极易被点燃。点火后，火焰随着流向罐内气流在罐内迅速传播并燃烧。所产生的高压火焰气体喷向主燃烧室6，使主燃烧室内的稀混合气产生强烈的扰流，并使火焰迅速向四周传播。 基本原理：这种燃烧室在燃烧初期，燃烧速度比普通汽油机要快，最高压力值出现于上止点附近，故热效率较高。由于扰流发生罐内存在较多的废气。使着火时刻延迟。又因主燃烧室内为稀混合气，因此,NOx的生成量显著降低。另外，扰流发生罐2喷出的火焰气流使主燃烧室6内的新鲜混合气产生强烈的扰动，致使稀混合气燃烧完全，HC和CO的排污的目的。 第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 结构

16、原理：如图6-7所示。在发动机气缸盖上，除有进、排气门外，又在其间设置了一个小型的喷流阀3。 工作过程：工作时，空气或稀混合气气流经喷流阀3进入燃烧室，一方面扫除了火花塞附近的废气，为点火创造良好的条件，另一方面又在气缸内形成较强的涡流，加速了火焰的传播并扩大了稀混合气的燃烧界限。据测，当喷流流量为0.97L/s时，火焰传播速度可提高40%；稀混合气燃烧界限由空燃比21：1延伸到24：1后仍可稳定燃烧。 基本原理：喷流控制阀系统使发动机在小负荷工况时可以燃烧稀混合气，从而使CO和HC的排放显著减少。随着负荷增加，节气门开度加大，由喷流阀3进入燃烧室的气体量逐渐减少，其作用逐渐消失。 第九章第九

17、章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 结构原理：如图6-8。在气缸盖5上装有进气门1和排气门4。排气门安装在气缸盖下表面凹入较深的盆形腔内。进气门安装在凹入较浅的盆形腔内。两腔之间由凹入较浅的通槽2相连。通槽2近于和燃烧室3相切。火花塞6设置在燃烧室3的边缘。进气道8为螺旋式。 工作过程：在压缩行程中，借助螺旋式进气道8及通槽2与燃烧室3相切的作用，使燃烧室内的气体形成高速旋流。火花塞一经点燃混合气，高速旋转的火焰便使燃烧室3内的稀混合气迅速燃烧起来。 基本原理：这种燃烧室由于燃烧速度快，使发动机压缩比可以提高到10以上而不发生爆燃和表面点火等异

18、常燃烧现象。同时，还可燃用空燃比26：1的稀混合气。采用这种燃烧室，不仅可以提高燃烧经济性，而且还可获得较满意的排放性能。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 1、液化石油气发动机的应用 液化石油气发动机已是比较成熟的机型，很多国家都有定型产品。液化石油气在常温下是气体，在一定压力下则呈液态存在。它主要是丙烷和丁烷的混合物。在石油开采和炼制过程中，作为副产品而形成。亦可从天然气或煤中提取。 由于在发动机工作温度下液化石油气呈气态存在，所以燃用时无需化油器，并能和空气均匀混合形成质量良好的混合气，获得完全的燃烧。燃烧后的有害排放物远比汽油

19、少。另外，液化石油气的辛烷值很高，可以提高发动机的压缩比从而可获得较高的动力性能。它的缺点是装液化石油气的气瓶重量大，气瓶更换频繁及具有爆炸的危险性等。因此，目前多用于定线行驶的公共汽车上。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 使用甲醇或甲醇与汽油的混合燃料，比单纯燃用汽油时，NOx的排放量可以减少一些，而HC和CO的排放量则可明显下降。由于甲醇有汽油的混合燃料抗爆性好，可使发动机的压缩比提高10%，故提了发动机的功率。甲醇可从煤中提炼而得，我国又是煤碳资源较丰富的国家，因此甲醇燃料是一种很有发展前景的代用燃料。甲醇与汽油的混合燃料（甲

20、醇重量百分比为15%20%）在某些国家已经付诸实用。 甲醇具有毒性，对锌和铝合金有腐蚀作用，同时还有溶解塑料。因此，在使用中采取特殊的防治措施。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 氢气是一种不含碳的清洁燃料。燃烧后没有CO和CH的排放污染，只有NOx一种有害排放物。经试验表明，当氢气与空气的混合气其过量空气系数超过2，NOx的排放量则很低。氢气与空气的混合气燃烧时，其着火界限很宽。氢在空气中的含量为4%75%时。均可燃烧。另外，氢对点火能量要求较低，且火焰传播度快，约为普通燃料的79倍。因此，其动力性能很高。 研究还发现，用1%的氢和

21、99%的汽油混合燃烧时，可得到较好的净化效果。在SH7221轿车发动机上，于怠速工况下燃用上述较稀混合气时。测试表明和节油25%；CO的排放量可减少49%；HC排放量可减少80%。因此，采用氢油混合燃料来控制怠速排放，也是一种行之有效的方法。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化（一）利用废气再燃烧方法净化排气 常用的装置： 1、空气喷射装置 2、热反应器 3、催化反应器第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 结构原理：如图6-9。 工作过程：叶片式空气泵2由发动机驱动，所产生的低压

22、空气（称为二次空气）从一根软管通过防止废气倒流的单向阀4，经空气分配管5和空气喷管7喷到各缸的排气门背面，与高温废气接触混合，并流入能保持高温的热反应器内，导致残留的CO和HC再燃烧。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 结构原理：热反应器装在发动机排气道出口处，其结构见图6-10。 工作过程：在常规的发动机上，排气管内的温度为597647，而在有空气喷射装置和热反应器时，必须保持在977左右。因此热反应器必须采用耐热材料，以防止高温下的氧化和腐蚀。当发动机在高负荷运转时，如热反应器工作，就要引起过热。此时，上述的转换阀也起了作用，使喷

23、射空气不再流入排气管，而全部送到发动机下部、起冷却作用。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 结构原理：如图6-11。 催化反应器的外形有如大型消声器，用耐腐蚀的不锈钢制成，安装在削声器之前。壳体内的催化剂是直径为24mm的氧化铝（Al2O3 ）颗粒，在其多孔性的表面上镀有铂。催化剂表面积可达150300m2左右催化反应器的构造应保证在废气通过时和催化剂颗粒均匀接触。第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 在汽车排出的 HC中，来自曲轴箱窜气的占25%，来自汽油蒸发的占20%。 目

24、前，多用闭式曲轴箱强制通风装置（简称PCV装置，图6-12）防止窜气。新鲜空气来自空气滤清器1经管C和闭式通风口6进入曲轴箱，和窜气混合，从气缸盖罩通入管A，由计量阀3计量后，被吸入进气管。因此有适量的窜气在气缸内再次燃烧。 第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第二节第二节 汽油机排气的净化汽油机排气的净化 计量阀可随发动机运转状况自动调节吸入气缸的窜气量，其结构和原理见图6-13。在怠速或小负荷时，窜气量较少，此时，由于进气管真空度较高，阀门被吸向左方 （图6-13a），气流通路关小，

25、吸入气缸的窜气量较少。在加速或大负荷时，窜气量增多，与此相应，由于进气管真空度变低，计量阀的气流通路开大（图6-13b），因此有较多的窜气量进入气缸再燃烧。一、汽油机与柴油机排污浓度的比较（由表可知，柴 油机中SO2和碳烟的排出量却比汽油机大得多。目 前，柴油机净化工作的重点是降低NOx和HC的合计 排出量和减少碳烟。）二、 柴油机的燃烧室型式对排污量的影响三、 喷油提前角对排污量的影响四、进气管喷水或燃油掺水第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第三节第三节 柴油机排气的净化柴油机排气的净化返回返回上级上级 排污成分 汽油机 柴油机 CO 0.5%2.5% 0.2% HC 2000

26、5000%PPMC* 1000PPMC NOx 0.250.5% 0.25% SO2 0.008% 0.02% 碳烟 0.0050.05g/m3 0.25g/m3 铅 有 有 * PPM是百万分率的英语缩写；PPMC是以百万分率计算的含炭量 第九章第九章 发动机排气的净化发动机排气的净化 第三节第三节 柴油机排气的净化柴油机排气的净化 柴油机的燃烧室型式对排污量的影响很大。试验表明，分隔式燃烧室排污量比直接喷射式低得多。采用分隔式燃烧室时，副燃烧室中的混合气浓度较大，且燃烧温度峰值较低，对NOx的形成不利。而当燃油及燃烧气体喷到主燃烧室进行二次燃烧时，又由于大量空气的冷却作用，活塞又已开始下移，燃烧最高温度低，再一次造成了不利于产生NOx的条件，因此分隔式燃烧室柴油机的NOx排放量小。此外，