发动机排放控制技术应用分析

发动机排放控制技术应用分析目 录摘要 21 绪论 32 排放系统 32.1 发动机排放系统的构成 32.2 设计排放系统的必要性及其功能 33 发动机排放控制技术的应用 33.1 三元催化器 33.1.1 简介 43.1.2 工 作 原 理 43.1.3 性 能 特 点 43.2 曲轴箱通风 53.2.1 作用 53.2.2 形式与特点 54 排放后处理 74.1 排气后处理所要研究解决的主要问题 74.2 排放系统设计及催化剂发展的趋势 84.3 基本的化学反应 94.4 基本的后处理方案95 结论 10参考文献 10致谢语 11发动机排放控制技术应用分析【摘要】 随着汽车工业的迅速发展，我国的汽车保有量急剧增加，汽车废气对空气的污染已成为严重的社会公害。在汽车密集的城市，汽车排放污染,不仅是一个环境保护问题,而且本身也造成能源浪费。汽车排气中的 CO、HC 对大气产生很大的污染。汽车排放污染对人们的生活环境造成了极大的影响，严重地威胁到人们的身体健康，同时也危害着一些动、植物的生存和生长，破坏了自然界的生态平衡。因此，解决汽车的排气污染成为亟待认真研究的重要课题。为了保护我们的生存环境，关爱生命健康，必须严格限制汽车尾气排放。严格汽车排放 关爱生命健康。【关键词】污染 排放 研究 生态平衡1绪论 为车发动机的排放达到较低的法规限值要求，仅仅靠改善燃料品质及发动机工作过程是很难实现的，需要通过排气后处理系统才能达到目的。目前国内大部分汽车还没有排气后处理装置，然而根据国外汽车排放控制技术发展的趋势，汽车不仅需要装后处理器，而且要设计控制排放的整个系统，成为发动机供油、冷却、润滑等系统之外的一个新系统，简称为排放系统。2 排放系统2.1 发动机排放系统的构成（1）排气管（2）后处理装置（3）消声器2.2 设计排放系统的必要性及其功能将发动机排气管、后处理装置及消声器等作为一个单独的系统设计，除了因为降低排放日益显得重要外，还有下列原因：(1) 低排放、低油耗及高功率是现代车用发动机追求的主要目标，然而有些发动机参数的控制措施对实现这三大目标是矛盾的，例如混合气空燃比的控制，为了实现低油耗及低 CO2 排放，需要采用稀混合气燃料，而当前使用的三元催化剂并不能适应稀混合气的燃烧。如果将三者统一作为单独的系统处理，就能较好地解决矛盾。 (2) 现有排气系统除了要考虑低排放外，还要考虑降低噪声及排气热量的再利用，因此要将三者统一起来，纳入一个新的系统-排放系统。(3) 至今无论发动机排气系统还是后处理装置的方案及型式都较多，随着公司及发动机系列不同而不同。同时现代汽车使用燃料的种类又增多，使用的燃料不同，排放物的组成及降低排放物的对策也不同，很有必要将排放问题从一个系统角度考虑，逐步实现规范化、标准化或者模块化。(4) 现代电子技术及发动机可变技术的发展，有可能将原来发动机排气管路的设计与降低排放结合起来，成为一个单独的排放系统进行设计。 3. 发动机排放控制技术的应用3.1 三元催化器3.1.1 简介三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的 CO、HC 和 NOx 等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强 CO、HC 和 NOx 三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中 CO 在高温下氧化成为五色、无毒的二氧化碳气体；HC 化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx 还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。3.1.2 工作原理三 元 催 化 器 的 工 作 原 理 是 ： 当 高 温 的 汽 车 尾 气 通 过 净 化 装 置 时 ， 三 元 催化 器 中 的 净 化 剂 将 增 强 CO、 HC 和 NOx 三 种 气 体 的 活 性 ， 促 使 其 进 行 一 定 的氧 化 -还 原 化 学 反 应 ， 其 中 CO 在 高 温 下 氧 化 成 为 五 色 、 无 毒 的 二 氧 化 碳 气 体 ；HC 化 合 物 在 高 温 下 氧 化 成 水 (H20)和 二 氧 化 碳 ； NOx 还 原 成 氮 气 和 氧 气 。 三种 有 害 气 体 变 成 无 害 气 体 ， 使 汽 车 尾 气 得 以 净 化 。3.1.3 性能特点 三 元 催 化 器 性 能 稳 定 、 质 量 可 靠 、 寿 命 长 ， 其 产 品 广 泛 适 用 于 本 田 、 奥德 赛 、 别 克 、 奥 迪 、 帕 萨 特 、 桑 塔 纳 、 现 代 、 别 克 、 奥 拓 、 昌 河 、 捷 达 等 车型 。 另 外 承 揽 不 锈 钢 制 品 、 过 滤 器 、 机 箱 机 柜 等 加 工 业 。 三 元 催 化 器 的 载 体部 件 是 一 块 多 孔 陶 瓷 材 料 ， 安 装 在 特 制 的 排 气 管 当 中 。 称 它 是 载 体 ， 是 因 为它 本 身 并 不 参 加 催 化 反 应 ， 而 是 在 上 面 覆 盖 着 一 层 铂 、 铑 、 钯 等 贵 重 金 属 。它 可 以 把 废 气 中 的 HC、 CO 变 成 水 和 CO2, 同 时 把 Nox 分 解 成 氮 气 和 氧 气 。HC、 CO 是 有 毒 气 体 ， 过 多 吸 入 会 导 致 人 死 亡 ， 而 NOX 会 直 接 导 致 光 化 学烟 雾 的 发 生 。 经 过 研 究 证 明 ， 三 元 催 化 器 是 减 少 这 些 排 放 物 的 最 有 效 的 方 法 。通 过 氧 化 和 还 原 反 应 ， 一 氧 化 碳 被 氧 化 成 二 氧 化 碳 ， 碳 氢 化 合 物 被 氧 化 成 水和 二 氧 化 碳 ， 氮 氧 化 合 物 被 还 原 成 氮 气 和 氧 气 。 三 种 有 害 气 体 都 变 成 了 无 害气 体 。 三 元 催 化 剂 最 低 要 在 350 摄 氏 度 的 时 候 起 反 应 ， 温 度 过 低 时 ， 转 换效 率 急 剧 下 降 ； 而 催 化 剂 的 活 性 温 度 ( 最 佳 的 工 作 温 度 ) 是 400 到 800 左 右 ， 过 高 也 会 使 催 化 剂 老 化 加 剧 。 在 理 想 的 空 燃 比 (14.7 ： 1) 下 ， 催 化 转 化 的 效 果 也 最 好 。3.2 曲轴箱通风3.2.1 作用 在发动机工作时，总有一部分可燃混合气和废气经活塞环窜到曲轴箱内，窜到曲轴箱内的汽油蒸气凝结后将使机油变稀，性能变坏。废气内含有水蒸气和二氧化硫，水蒸气凝结在机油中形成泡沫，破坏机油供给，这种现象在冬季尤为严重；二氧化硫遇水生成亚硫酸，亚硫酸遇到空气中的氧生成硫酸，这些酸性物质的出现不仅使机油变质，而且也会使零件受到腐蚀。由于可燃混合气和废气窜到曲轴箱内，曲轴箱内的压力将增大，机油会从曲轴油封、曲轴箱衬垫等处渗出而流失。流失到大气中的机油蒸气会加大发动机对大气的污染。发动机装有曲轴箱通风装置就可以避免或减轻上述现象，因此，发动机曲轴箱通风装置的作用是：1.防止机油变质:2. 防止曲轴油封、曲轴箱衬垫渗漏；3.防止各种油蒸气污染大气。3.2.2 形式与特点1.自然通风自曲轴箱内抽出的气体可以直接导入大气中去，这种通风方式叫自然通风。这种通风方式结构比较简单，使用方便，但导入大气中的可燃混合气和机油蒸气容易污染大气，因此，现代发动机使用不多。按导入大气中的方式自然通风有普通式和呼吸器式。(1)普通式曲轴箱内的油蒸气通过机油管的加油口直接与大气相通。这种通风方式不需要专门的机件，各种油蒸气直接排入到大气中去，对大气产生了污染，因此它适用于要求不高的农村用的一些拖拉机上的内燃机。(2)呼吸器式曲轴箱内的油蒸气通过一个呼吸器式的装置与大气相通。这种呼吸器装置是一个过滤装置可将有害气体吸附，防止污染大气。图 l 为南京跃进集团与意大利合资生产的依维柯轻型客车发动机的呼吸器式装置。呼吸器用螺栓固定在气缸体上的一侧，底部的侧面有一进气口与曲轴箱相通，上部的出气口用二橡胶管与大气相通。呼吸器内部焊有两层填满镀钵钢丝的过滤网，以分离油雾和气体。发动机工作时，窜入曲轴箱的各种气体由呼吸器的进气口；进入呼吸器，经过滤网的过滤、分离，最后干净的空气由出气口经橡胶管排出。由于有两层过滤网，油雾极少排出，既保证了曲轴箱内的压力平衡，又防止曲轴箱内的油气对大气的污染。2.强制通风利用发动机进气系统的抽吸作用抽吸曲轴箱内的气体，这种通风方式叫强制通风。这种通风方式结构有些复杂，但可以将窜入曲轴箱内的可燃混合气和废气回收使用，不仅有利于提高发动机的经济性，而且还减轻发动机的排放污染，因此在现代汽车发动机上广泛使用。按抽吸曲轴箱内气体的形式强制通风有一般式、单向阀式、油气分离式和综合式。(1)一般式只是用橡胶管把曲轴箱与进气管道连接起来的通风方式为一般式强制通风。这种通风方式结构比较简单，只需管路连接，中间不需要其它部件连接，适用于一些小型发动机上。BJ492Q 汽油机曲轴箱为一般式强制通风装置。空气滤清器 1 上部装有进气软管 5 通至气门室罩内，挺杆室盖上有一出气管 4 通至化油器 2 的入口。发动机工作时，曲轴箱内气体经出气管吸入化油器，由空气滤清器滤清的新鲜空气经进气软管、气门室罩补充到曲轴箱。(2)单向阀式单向阀式在连接曲轴箱与进气管的管路中连接一个单向阀，防止把曲轴箱内的机油吸出，适用于车用汽油机，如 EQ6100Q、日本三菱帕杰罗(猎豹)汽车发动机等。气门室罩上装有一小空气滤清器 2，在曲轴箱和进气管之间用出气管 1 相连，并在进入进气管之前的连接管处装有一单向阀 3。当发动机工作时，曲轴箱内的蒸气经出气管、单向阀吸入气缸中，而新鲜空气经气门室罩上的小空气滤清器进入曲轴箱内。单向阀的作用是防止发动机在低速小负荷时进气管的真空度太大而将机油从曲轴箱内吸出。图 4 为曲轴箱通风单向阀，主要由阀 4、阀体 1、阀座 2 和弹簧 3 组成。发动机在怠速时进气管内真空度大，单向阀被吸在阀座上，曲轴箱内废气经阀上小孔进入进气管；随发动机负荷增大，进气管的真空度下降，阀在弹簧力的作用下向外顶开，这时通气量逐渐加大；发动机大负荷时，阀完全打开，通风量最大，因而起到更新曲轴箱内空气的作用。(3)油气分离器式在连接曲轴箱与进气管的管路中连接一个油气分离器，把从曲轴箱内抽吸的油、气进行分离，使液态的油流回曲轴箱，气态的气吸入进气管，这样可以减少机油的消耗。斯太尔发动机的油气分离器，它安装在发动机气缸盖的前端。发动机工作时，窜入曲轴箱内的油气经管路进入油气分离器，由于该油气分离器的容积下平面呈倾斜的，所以液态的油沿斜面、回油管流回曲轴箱，而气态的气经连接管进入进气道。(4)综合式在连接曲轴箱与进气管的管路中不仅连接一个单向阀，而且还连接一个油气分离器，大大减少机油的消耗，保证发动机在各种工况下机油润滑的稳定。CA6102Q 汽油机的曲轴箱为综合式强制通风装置。在气缸盖前罩盖上安装曲轴箱通风进气空气滤清器(图中未画出)，在气缸盖后罩盖上安装曲轴箱通风出气口滤清器 3，该滤清器内有油气分离作用，因此也称油气分离器。油气分离器里面设有滤芯，滤芯上端有隔板，使其油气分离效果更好；单向阀设在油气分离器的顶部，这样摆脱了高温环境对阀的粘结、堵塞等影响。发动机工作时，漏入曲轴箱内的可燃混合气和废气在进气管真空度的作用下，经挺杆室、挡油板 2、曲轴箱通风出气口滤清器 3、通风软管 5 和单向阀6 进入发动机进气管与新鲜混合气混合，进入气缸中烧掉。新鲜气体再经气缸盖前罩盖上的曲轴箱通风进气口空气滤清器进入曲轴箱。4.排放后处理车用发动机排气后处理主要包括两方面内容：排气催化反应及去除微粒，将有害排放物减到最低程度。4.1 排气后处理所要研究解决的主要问题研究和设计汽车发动机排放系统必须要了解存在的问题。目前车用发动机排气后处理存在的主要问题如下：(1) “点火 “温度较高催化剂都要在较高的温度下才能对排放物起催化作用，即“点火“ 温度较高。因此在发动机冷启动及低温下工作时，排气温度低，HC 及 CO 排放高，而催化剂却不能对它们起催化、转化的作用。(2) 不能同时适应理论空燃比及稀混合气的需要一般三元催化剂适合在发动机使用理论空燃比混合气时，同时对 HC、CO及 NOx 起催化转化作用。而在使用稀混合气时，排气中氧含量多时 NOx 的还原作用就低。(3) 微粒过滤器工作一段时间后，其中微粒增多，使排气阻力增加，需要将其中微粒烧掉并排除掉，尽管已有多种技术可使微粒过滤器的功能恢复，但是仍需研究出一种更简单的办法。(4) 贵重金属价格高催化剂中需要有铂（Pt）、钯（Pd ）及铑（Rh）等贵金属，这些金属资源不丰富，价格高。需要寻求资源丰富、价格低的金属作催化剂用。(5) 催化剂中毒的问题催化剂在高温作用下长期使用容易老化，转化效率降低。另外更重要的问题是受排气中硫化物、铅等影响，催化剂会显著降低催化效率。此外还会产生臭味的硫化氢。4.2 排放系统设计及催化剂发展的趋势根据未来排放法规的要求，目前排气后处理的有关技术、排放系统设计及催化剂的发展将着重有以下几个方面：(1) 重视催化机理的基础研究过去较长的时间内，提高催化剂的效率主要靠选择、配对及不同质量比例等进行试验、筛选。今后将要进行更多的基础研究及微观分析。催化剂现代理论是以“ 活性部位 “学说为基础。活性部位就是指催化材料晶体上的点。在这些点上，催化剂促使排气中一些成分，被吸附在上面进行化学反应。现代排放系统的设计与研究人员正在着手研究催化剂不同反应能力模式的基本原因，了解在不同氧化物体系中，专门起催化作用的活性部位的本质。从而能通过这些微观的基础研究，形成一个专门的催化反应学说领域，将研究成果应用到未来排放催化系统的设计中，获得更高的催化反应效率。 (2) 加强排放系统的空气动力学研究过去对发动机缸内气体流动研究得较多。现代及未来将致力于排放系统气体动力学的研究，该研究包括以下三方面内容：一是催化反应器中排气流动的研究，二是排气动能及可变技术的研究，三是降低排气阻力及噪声的研究。这三个方面的研究要达到多种目的，会有一些干扰的矛盾产生，必要时如何采取折中方案，妥善解决这些矛盾，以便使综合效果最佳，这也是研发工作者的主要任务之一。 (3) 单独进行排放系统所需空燃比的调节提高发动机性能，降低油耗所需要的空燃比与提高催化效率所需要的空燃比是不一样的，存在一些矛盾。未来发展的趋势是采取一些措施，调节排放催化系统中的“空燃比“ ，或者说调节其含氧量，这样使发动机本身及排放系统空燃比的调节分开，使两者都能得到最大的效益。(4) 研究适合稀燃需要的催化剂发动机采用稀混合气快速燃烧技术日益受到重视，采用燃油直接喷入汽缸及稀燃的技术，可以使发动机兼备高比功率及低油耗的优点。然而需要开发适应稀燃发动机的新型催化剂，以便能在含氧量较多的排气中，也能使 NOx 还原转化。(5) 研究开发适合清洁燃料发动机的排放系统使用醇燃料、气体燃料及灵活燃料的汽车排气中的成份与汽油、柴油相比，有一定变化，增加了未燃醇、甲烷、甲醛及乙醛等，这些排放物同样污染大气环境，影响人类健康及生态的平衡。现有催化剂不能很好地抑制、消除这些排放物。需要根据这些排放物生成的特点、氧化转化机理及条件，研究新的催化剂及排放系统。4.3 基本的化学反应排气催化反应是通过催化反应器中的催化剂的作用，加速排气中有害物质向无害物质的转化。例如使 HC 及 CO 氧化成 H2O 及 CO2；加速 NOx 还原成N2、N2O、NH3 及 H2O 等。催化剂的作用是降低反应温度，加快转化速率。4.4 基本的后处理方案（1）在汽油机上应用催化反应器的技术方案有以下 4 种：仅采用两级催化反应器