第七章排气控制装置

1、第七章排气污染与控制第七章 排气污染与控制 概述7.1 7.1 概述概述 1汽车发动机的排气污染汽车发动机的排气污染 汽车发动机的排气是城市大气污染的主要原因，因此，控制发动机排汽车发动机的排气是城市大气污染的主要原因，因此，控制发动机排放污染物是当前的主要研究发展方向之一。放污染物是当前的主要研究发展方向之一。 汽车发动机排放的汽车发动机排放的有害物质种类有害物质种类主要是主要是CO、HC、NOX 和微粒和微粒(PM)，绝大多数污染物出现在绝大多数污染物出现在废气废气中，少量中，少量 HC 来自于来自于曲轴箱和燃料系统泄露的曲轴箱和燃料系统泄露的燃料及润滑油蒸发物燃料及润滑油蒸发物，包括气缸

2、窜入曲轴箱的燃气。，包括气缸窜入曲轴箱的燃气。 发动机排放污染物的发动机排放污染物的危害危害有二个方面：有二个方面： （1）危及人体健康；）危及人体健康； （2）破坏环境。）破坏环境。 除了发动机排放污染物质造成对大气的直接污染，汽车有害排放物还除了发动机排放污染物质造成对大气的直接污染，汽车有害排放物还可能通过与环境物质或有害物质之间的化学反应，形成二次污染。可能通过与环境物质或有害物质之间的化学反应，形成二次污染。第七章 排气污染与控制7.1 概述概述 2、汽车排放污染的危害、汽车排放污染的危害 已经确定的典型的环境效应是：已经确定的典型的环境效应是： （1）酸雨，汽车排放污染物中酸性物质

3、溶解于水后形成；）酸雨，汽车排放污染物中酸性物质溶解于水后形成； （2）光化学烟雾，汽车有害排放物中）光化学烟雾，汽车有害排放物中 HC 与与NOX 在强阳光作用下，相在强阳光作用下，相互反应生成的有毒烟雾，主要成分是臭氧和互反应生成的有毒烟雾，主要成分是臭氧和PAN（过氧酰基硝酸盐）；（过氧酰基硝酸盐）； （3）臭氧层空洞，卤族元素在强阳光照射时，消耗臭氧，导致臭氧层破）臭氧层空洞，卤族元素在强阳光照射时，消耗臭氧，导致臭氧层破坏；坏； （4）温室效应，汽车排放使大气中）温室效应，汽车排放使大气中CO2浓度增加，气温上升。浓度增加，气温上升。 汽车有害排放物对人体和生物的危害有：汽车有害排放

4、物对人体和生物的危害有： CO： 血液输氧能力降低、神经中枢受损，严重时危及生命。血液输氧能力降低、神经中枢受损，严重时危及生命。 HC： 刺激鼻、眼和呼吸道粘膜，引发呼吸道疾病。刺激鼻、眼和呼吸道粘膜，引发呼吸道疾病。 NOX ：刺激人眼粘膜，对神经中枢有抑制作用，使呼吸系统失调，引：刺激人眼粘膜，对神经中枢有抑制作用，使呼吸系统失调，引发疾病。发疾病。 微粒：微粒： 微粒是气固态的物质颗粒，因表面吸附多种有毒、致病、致癌微粒是气固态的物质颗粒，因表面吸附多种有毒、致病、致癌或致命物质而具有危害。或致命物质而具有危害。 光化学烟雾光化学烟雾 对人体呼吸系统以及粘膜有强烈刺激，引发肺水肿疾病。

5、对人体呼吸系统以及粘膜有强烈刺激，引发肺水肿疾病。此外，对植物生长有抑制作用。此外，对植物生长有抑制作用。第七章 排气污染与控制7.1 概述概述3、汽车排放控制技术标准、汽车排放控制技术标准 经过几十年的努力，汽车发动机排放的污染物质数量已经大大减少。除经过几十年的努力，汽车发动机排放的污染物质数量已经大大减少。除CO2 以外，现在以外，现在 100 辆汽车排放的污染物数量才相当于辆汽车排放的污染物数量才相当于1950年一辆汽车的排年一辆汽车的排放量。放量。 控制汽车排放的努力，集中体现在由各国政府制定并强制实施的控制汽车排放的努力，集中体现在由各国政府制定并强制实施的汽车排汽车排放控制技术标

6、准放控制技术标准。这是因为环境污染影响到整个地球和人类社会，并涉及各。这是因为环境污染影响到整个地球和人类社会，并涉及各方面的经济利益。为突出汽车排放控制技术标准的强制性，它们也被称为方面的经济利益。为突出汽车排放控制技术标准的强制性，它们也被称为排排放法规放法规。 汽车排放法规的主要内容是：汽车排放法规的主要内容是： （1）限值限值：有害排放物的限制数量或浓度；：有害排放物的限制数量或浓度； （2）试验规范试验规范： 检测汽车或发动机有害排放物时的试验条件、要求和程检测汽车或发动机有害排放物时的试验条件、要求和程序（流程）；序（流程）； （3）采样方法采样方法：检测试验时，采集样品的原理、方

7、法和要求；：检测试验时，采集样品的原理、方法和要求； （4）检测仪器检测仪器：统一规定测试仪器的工作原理。：统一规定测试仪器的工作原理。 但是，由于汽车保有量的持续增加，汽车排放污染物的总量仍不断上升，但是，由于汽车保有量的持续增加，汽车排放污染物的总量仍不断上升，环境保护的形势非常严峻，特别是环境保护的形势非常严峻，特别是CO2 的排放。的排放。第七章 排气污染与控制 有害排放物生成机理7.2 7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理 1NOX 生成机理生成机理 NOX 排放的生成机理目前尚无统一认识，比较认可的是用捷尔杜排放的生成机理目前尚无统一认识，比较认可的是用捷尔杜维奇链反应解释

8、维奇链反应解释 NO 生成，并用其代表生成，并用其代表 NOX的生成机理。的生成机理。 这个反应机理表示这个反应机理表示NOX 生成反应是不分支的链反应，而且是吸生成反应是不分支的链反应，而且是吸热反应热反应。第七章 排气污染与控制7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理 生成要素生成要素 根据化学反应平衡原理、根据化学反应平衡原理、NOX 的生成机理、平衡浓度的模拟计算和发的生成机理、平衡浓度的模拟计算和发动机台架试验的结果，提示动机台架试验的结果，提示NOX生成的主要要素是：生成的主要要素是： （1）反应温度反应温度 （2）氧气浓度）氧气浓度 （3）反应时间）反应时间 汽油机燃烧温度比

9、柴油机高，因此，反应温度是影响汽油机汽油机燃烧温度比柴油机高，因此，反应温度是影响汽油机NOX 排放排放的主要因素；氧气浓度通过空燃比对汽油机的主要因素；氧气浓度通过空燃比对汽油机 NOX 排放产生影响，在一定的排放产生影响，在一定的空燃比范围中，汽油机有较高的空燃比范围中，汽油机有较高的NOX排放；汽油机的转速较高，反应时间排放；汽油机的转速较高，反应时间对汽油机的对汽油机的NOX排放影响较小。排放影响较小。 柴油机燃烧的特点时空气充足，燃烧温度比较低，因此，氧气浓度是柴油机燃烧的特点时空气充足，燃烧温度比较低，因此，氧气浓度是影响柴油机影响柴油机NOX 排放的主要因素；氧气浓度通过空燃比对

10、柴油机排放的主要因素；氧气浓度通过空燃比对柴油机NOX排放排放发生影响，在一定的空燃比范围中，柴油机有较高的发生影响，在一定的空燃比范围中，柴油机有较高的NOX排放；柴油机的排放；柴油机的转速虽然比汽油机低，但燃烧时间仍然较短，故反应时间对柴油机的转速虽然比汽油机低，但燃烧时间仍然较短，故反应时间对柴油机的NOX排放影响较小。排放影响较小。第七章 排气污染与控制7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理 2、CO 生成机理生成机理 （1）缺氧与局部缺氧燃烧）缺氧与局部缺氧燃烧 根据化学计量学原理，当空气过量，氧气充足，稀混合气燃烧时，燃根据化学计量学原理，当空气过量，氧气充足，稀混合气燃烧时

11、，燃料应该能完全燃烧，不会产生料应该能完全燃烧，不会产生 CO；空气不足，缺氧或局部缺氧，即浓混；空气不足，缺氧或局部缺氧，即浓混合气燃烧时，会产生较多的合气燃烧时，会产生较多的 CO 。 即空气充足即空气充足空气不足空气不足第七章 排气污染与控制7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理（2）燃烧过程不完善）燃烧过程不完善 实际燃烧过程是一个非常复杂的链式反应。燃烧过程中产生大量中间产实际燃烧过程是一个非常复杂的链式反应。燃烧过程中产生大量中间产物，包括物，包括 CO 。链式反应中断、不正常燃烧（如表面点火、爆震以及后燃过。链式反应中断、不正常燃烧（如表面点火、爆震以及后燃过于严重），即燃

12、烧过程不完善，都形成于严重），即燃烧过程不完善，都形成 CO 排放。排放。 有很多原因可以导致燃烧过程不完善。如局部断火、缺火、活性粒子碰有很多原因可以导致燃烧过程不完善。如局部断火、缺火、活性粒子碰撞壁面而失去活性、混合气过浓或过稀、废气稀释过度、各种点火故障等撞壁面而失去活性、混合气过浓或过稀、废气稀释过度、各种点火故障等等。这些原因都会造成燃烧过程不完善。等。这些原因都会造成燃烧过程不完善。 汽油机燃烧时，混合气浓度变化较大，既有缺氧的浓混合气，也有氧气汽油机燃烧时，混合气浓度变化较大，既有缺氧的浓混合气，也有氧气充足的稀混合气。电控汽油喷射式发动机基本是浓混合气。因此，汽油机充足的稀混

13、合气。电控汽油喷射式发动机基本是浓混合气。因此，汽油机CO 排放的主要因素是缺氧和燃烧不完善。排放的主要因素是缺氧和燃烧不完善。 柴油机燃烧时空气充足，但混合气浓度不均匀。因此，局部缺氧和燃烧柴油机燃烧时空气充足，但混合气浓度不均匀。因此，局部缺氧和燃烧不完善是柴油机不完善是柴油机CO 排放的主要因素。排放的主要因素。第七章 排气污染与控制7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理 3、HC 生成机理生成机理 （1）缸壁激冷效应）缸壁激冷效应 燃烧室壁面附近区域的混合气不能燃烧现象称为缸壁激冷效应。燃烧室壁面附近区域的混合气不能燃烧现象称为缸壁激冷效应。 （2）燃烧室缝隙效应）燃烧室缝隙效应

14、 发动机燃烧室缝隙中混合气不能燃烧的现象称为缝隙效应。发动机燃烧室缝隙中混合气不能燃烧的现象称为缝隙效应。 （3）燃烧过程不完善）燃烧过程不完善 发动机排放的发动机排放的 HC 主要是燃烧过程中间产物。燃烧过程不完善，形成主要是燃烧过程中间产物。燃烧过程不完善，形成 HC 排放。排放。 （4）扫气和漏气）扫气和漏气 少量混合气在气门重叠时，直接从进气门流向排气门（扫气）。气门关少量混合气在气门重叠时，直接从进气门流向排气门（扫气）。气门关闭不严（漏气），也可导致闭不严（漏气），也可导致 HC 排放。排放。 （5）润滑系统与燃料系统的蒸发）润滑系统与燃料系统的蒸发 部分部分 HC 排放来自燃料系

15、统和曲轴箱的气体泄露。燃料系统的泄露完全排放来自燃料系统和曲轴箱的气体泄露。燃料系统的泄露完全是燃油蒸汽，曲轴箱泄露的气体包括气缸窜气和润滑油蒸汽。是燃油蒸汽，曲轴箱泄露的气体包括气缸窜气和润滑油蒸汽。第七章 排气污染与控制7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理 HC 是燃烧过程中间产物，是可燃烧气体。随着燃烧的进是燃烧过程中间产物，是可燃烧气体。随着燃烧的进行会逐渐减少，并且在排气过程和排气管内会进一步氧化。行会逐渐减少，并且在排气过程和排气管内会进一步氧化。 仅就燃烧来说，汽油机气缸内是混合气。因此，燃烧过程仅就燃烧来说，汽油机气缸内是混合气。因此，燃烧过程不完善、壁面激冷效应和缝隙

16、效应是汽油机不完善、壁面激冷效应和缝隙效应是汽油机 HC 排放的主要原排放的主要原因，扫气漏气则是次要原因；柴油机气缸中，壁面区域和缝隙因，扫气漏气则是次要原因；柴油机气缸中，壁面区域和缝隙中几乎全部是空气，换气时出现扫气也完全是空气，燃烧时混中几乎全部是空气，换气时出现扫气也完全是空气，燃烧时混合气浓度不均匀，存在混合气极其稀薄的区域，因此，柴油机合气浓度不均匀，存在混合气极其稀薄的区域，因此，柴油机的的 HC 排放主要原因是燃烧过程不完善。排放主要原因是燃烧过程不完善。第七章 排气污染与控制7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理4、微粒、微粒 与汽油机相比，柴油机的微粒排放比较突出。

17、与汽油机相比，柴油机的微粒排放比较突出。 柴油机微粒排放的类型柴油机微粒排放的类型 （1）白烟）白烟 白烟在起动及暖机过程前期，发动机温度在白烟在起动及暖机过程前期，发动机温度在 250 时出现，主要成分为时出现，主要成分为燃油颗粒，微粒直径较小。燃油颗粒，微粒直径较小。 在起动及暖机过程前期，发动机温度低，压缩压力相对降低，喷油量小在起动及暖机过程前期，发动机温度低，压缩压力相对降低，喷油量小，喷油压力下降，油束雾化不好，同时，燃烧条件差，存在局部混合气过浓，喷油压力下降，油束雾化不好，同时，燃烧条件差，存在局部混合气过浓或油束心部、后部在扩散燃烧时未能充分燃烧现象。未能燃烧燃料在排气过或油

18、束心部、后部在扩散燃烧时未能充分燃烧现象。未能燃烧燃料在排气过程受已燃气体的加热变成燃油蒸汽，形成白烟。程受已燃气体的加热变成燃油蒸汽，形成白烟。 （2）蓝烟）蓝烟 蓝烟在暖机过程后期，温度为蓝烟在暖机过程后期，温度为250 至着火温度出现，主要成分为润滑至着火温度出现，主要成分为润滑油颗粒，微粒直径略大。油颗粒，微粒直径略大。 在暖机过程后期，发动机温度逐渐升高，燃烧室壁面温度提高，使壁面在暖机过程后期，发动机温度逐渐升高，燃烧室壁面温度提高，使壁面润滑油蒸发，但气缸供油量少，燃烧热量小，燃烧温度低，不能使润滑油蒸润滑油蒸发，但气缸供油量少，燃烧热量小，燃烧温度低，不能使润滑油蒸汽燃烧，因而

19、形成蓝烟排出。汽燃烧，因而形成蓝烟排出。第七章 排气污染与控制7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理 （3）黑烟（碳烟）黑烟（碳烟） 黑烟在急加速过程或大负荷时出现，主要成分为碳颗粒，微粒直径较大黑烟在急加速过程或大负荷时出现，主要成分为碳颗粒，微粒直径较大，直径范围宽。，直径范围宽。 柴油机的微粒排放主要是碳烟。柴油机的微粒排放主要是碳烟。 碳烟生成机理碳烟生成机理 碳烟是燃烧过程的中间产物。燃烧过程中包括分子裂解、分解以及聚合碳烟是燃烧过程的中间产物。燃烧过程中包括分子裂解、分解以及聚合等反应，在局部缺氧燃烧时，就出现碳烟。碳烟生成有两条路线：高温下裂等反应，在局部缺氧燃烧时，就出现

20、碳烟。碳烟生成有两条路线：高温下裂解、复聚和环构；较低温度下聚合、环构和脱氢。解、复聚和环构；较低温度下聚合、环构和脱氢。 （1）高温路线）高温路线第七章 排气污染与控制7.2 有害排放物生成机理有害排放物生成机理 （2）低温路线）低温路线 柴油机碳烟生成主要按高温路线，即柴油机碳烟生成主要按高温路线，即高温并缺氧燃烧高温并缺氧燃烧是碳烟生成是碳烟生成的主要原因。的主要原因。 随着燃烧过程进行，碳烟也会氧化燃烧。发动机碳烟排放数量取随着燃烧过程进行，碳烟也会氧化燃烧。发动机碳烟排放数量取决于碳烟生成和氧化矛盾作用的结果。在燃烧过程中，碳烟生成几乎决于碳烟生成和氧化矛盾作用的结果。在燃烧过程中，

21、碳烟生成几乎不可避免。因此，重要的是加强氧化燃烧，才能减少碳烟排放数量。不可避免。因此，重要的是加强氧化燃烧，才能减少碳烟排放数量。第七章 排气污染与控制 有害排放物的控制7.3 7.3 有害排放物控制措施有害排放物控制措施 7.3.1 概述概述 针对内因采取的控制措施，前处理净化；针对内因采取的控制措施，前处理净化； 针对外因采取的控制措施，机内净化；针对外因采取的控制措施，机内净化； 补救措施，后处理净化，包括补救措施，后处理净化，包括 排气后处理；排气后处理； 非排气的污染物控制。非排气的污染物控制。 7.3.2 前处理净化前处理净化 1、 提高燃油品质：环保汽油和环保柴油（配方燃油）；

22、开发新提高燃油品质：环保汽油和环保柴油（配方燃油）；开发新型燃油添加剂。型燃油添加剂。 2、 采用采用EGR第七章 排气污染与控制7.3 7.3 有害排放物的控制有害排放物的控制 7.3.3 后处理净化后处理净化 1、排气后处理、排气后处理 （1）三元催化净化器；）三元催化净化器； （2）柴油机微粒捕集器。）柴油机微粒捕集器。 （3）SCR 2、非排气的污染物控制、非排气的污染物控制 （1）曲轴箱强制通风装置）曲轴箱强制通风装置非排气的污染控制装置非排气的污染控制装置-曲轴箱强制通风系统曲轴箱强制通风系统（2） 汽油蒸发控制系统汽油蒸发控制系统 1. 汽油蒸发控制系统的功用汽油蒸发控制系统的功

23、用 汽油蒸发控制系统实际是一个单独系统，为控制发动汽油蒸发控制系统实际是一个单独系统，为控制发动机的燃油蒸汽排放而设置。但因为结构上与燃油系统联系密机的燃油蒸汽排放而设置。但因为结构上与燃油系统联系密切，所以纳入本章介绍。切，所以纳入本章介绍。 功用：将汽油蒸汽收集起来，送入气缸燃烧。功用：将汽油蒸汽收集起来，送入气缸燃烧。 关键部件：碳罐关键部件：碳罐 碳罐作用：吸附汽油蒸汽碳罐作用：吸附汽油蒸汽 碳罐结构：外壳、活性炭和阀门等。碳罐结构：外壳、活性炭和阀门等。 非排气的污染控制装置非排气的污染控制装置-汽油蒸发控制系统汽油蒸发控制系统 2、非排气的污染物控制、非排气的污染物控制 2. 典型

24、系统介绍典型系统介绍 （1 1）真空直接控制式汽油蒸发控制系统）真空直接控制式汽油蒸发控制系统 化油器汽油机。化油器汽油机。 工作原理：工作原理： 吸附时蒸汽流吸附时蒸汽流向：汽油箱向：汽油箱汽液分汽液分离器离器碳罐；化油器碳罐；化油器碳罐。碳罐。 解吸时蒸汽流解吸时蒸汽流向：碳罐向：碳罐限流阀限流阀进进气歧管气歧管气缸燃烧。气缸燃烧。 结构特点：结构特点： 利用真空控制限流利用真空控制限流阀的开闭，从而控制蒸阀的开闭，从而控制蒸汽的解吸。汽的解吸。非排气的污染控制装置非排气的污染控制装置-汽油蒸发控制系统汽油蒸发控制系统 2. 典型系统介绍典型系统介绍 （2 2）电子控制式汽油蒸发控制系统）电子控制式汽油蒸发控制系统 非排气的污染控制装置非排气的污染控制装置-汽油蒸发控制系统汽油蒸发控制系统 2. 典型系统介绍典型系统介绍 （2 2）电子控制式汽油蒸发控制系统）电子控制式汽油蒸发控制系统 电喷汽油机。电喷汽油机。 工作原理：工作原理： 吸附时蒸汽流向