汽车发动机排放技术研究

1、广西科技大学汽车系发动机排放技术的应用分析与探讨汽车与交通学院车辆121班201200205021陈善*2014/11/25发动机排放技术的应用分析与探讨摘 要随着国民经济的腾飞和人民生活水平的大幅度提高，汽车产业得到了迅猛发展。随着汽车保有量的增加，汽车排放污染物导致的大气污染日趋严重，汽车排放控制技术和治理成为汽车技术研究和保证人类社会可持续发展的重要课题。本文针对我国汽车排放污染控制技术的实际状况，依据汽车排放污染物产生机理和控制基本方法，通过实验分析和计算机模拟分析，对汽车排放控制技术的机内处理技术和机外净化技术进行探讨:首先研究汽车排放技术研究的意义所在，再结合现阶段的排放控制现状，

2、深入的进行探讨发动机排放技术的应用分析。关键词危害，发动机，排放，技术，分析，探讨目录关键词2引言11 发动机排放技术研究的意义11.1 汽车发动机排放物的成分11.2 汽车发动机排放物的危害11.3 汽车发动机排放技术的研究意义32 我国汽车排放的现状33 汽车发动机排放技术的应用分析4机内技术43.1 燃油电控喷射系统43.2 多气门技术53.3 涡轮增压技术53.4 废气再循环技术63.5 低排放燃烧系统63.5.1 汽油机6稀薄燃烧系统6分层燃烧系统，73.5.2柴油机7直喷燃烧系统，7机外技术73.6汽油机三效催化转化技术73.7汽油机热反应技术83.8柴油机的DPF(微粒捕集)83

3、.9柴油机氧化催化（DOC或者OCC）9引言汽车作为现代化交通工具，给予了人们的生产与生存带来十分方便的同时，可是它的尾气排放物，给大气环境造成严重污染。随着汽车工业的发展和城市汽车保有量的增加，环境问题日益突出。在我们获益于汽车发展提高生活质量的同时，应尽量避免由此带来的排放污染恶化我们的环境。在汽车工业发展和环境保护之间，需要寻求新的平衡。随着汽车保有量迅速增加，我国城市大气污染日益严重，其中部分城市干道空气中的二氧化碳， 一氧化碳和一氧化氮浓度超过了国家规定的环境空气质量标准：在沿海的一些城市，汽车排放污染已成为城市空气污染的主要因素。1 发动机排放技术研究的意义1.1 汽车发动机排放物

4、的成分汽车的排放污染物主要包括：二氧化碳(c02)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、微粒物(由碳烟、铅氧化物等重金属氧化物等组成)和硫化物等。这些污染物由汽车的排气管、曲轴箱和燃油系统排出。分别称为尾气排放污染物、曲轴箱污染物和燃油蒸发污染物。它们是燃料和空气完全燃烧后的产物，从毒物学的观点看排气中的这些成分是无害的。除上述基本成分外，内燃机排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，包括CO、HC、NOX、s02、固体颗粒等。虽然这些成分的质量总和在内燃机排放气中所占的比例不大(汽油机中只占5、柴油机中不到1)，但是它们都是有害的，因此被列为有害排放物。1.

5、2 汽车发动机排放物的危害(1)COCO是一种无色无味的有毒气体，它不易与其他物质发生反应而成为大气成份中比较稳定的组成部分，能停留23年。当人们吸入过多的CO后，会中毒死亡，因为CO可与血液中的血红素结合阻碍血液吸收氧气。它引起的公害称为汽车尾气第一排气公害。(2)HCHC包括未燃烧和完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解后一部分氧化产物，如烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃、醛、酮、有机酸等数几种成分。烷烃基本上无味，对于它在空气中可能存在的浓度，没有发现对人体健康有什么直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉作用,对黏膜有刺激，经代谢转化会转变成对基因有毒的环氧衍生物。烯烃是与氮氧化物一起形成有害的光化学烟雾的罪魁

6、祸首之一。芳烃有芳香味，有危险的毒性，苯在较高的浓度下可能引起白血病，有损肝脏和中枢神经系统。多环芳烃及其衍生物有致癌作用。来自尾气排放中的醛类主要有甲醛、乙醛和丙烯醛。它们都刺激眼黏膜、喉和支气管，对血液有毒害，可能还有遗传毒性和致癌活性，碳氢化合物不仅危害人与动物，而且还会使生态环境遭到破坏，严重影响农作物的生长，使农业减产。它成为汽车尾气排放的第二公害。(3)NOx汽车排放的NOx绝大部分是一氧化氮(N0)，少量是二氧化氮(N02)。NO是无色气体。与血液中的血红素的结合能力比C0还强。容易使人们中毒而死亡。高浓度的NO能引起中枢神经的障碍，会影响肺的功能。NO在空气中氧化比较缓慢，而在

7、紫外线作用下迅速地氧化成N02。N02是褐色气体，有特殊的刺激性气味，被吸入人体后与水分结合生成硝酸，引起咳嗽，气喘，甚至肺气肿。它也是产生酸雨和引起气候变化产生烟雾的主要原因。(4)硫化物发动机燃料中的硫燃烧后产生S02它在空气中会缓慢转化为三氧化硫(S03)，而在氧化催化剂作用下会快速转化为S03。S02是无色气体，是一种中等程度的刺激剂，有很强的亲水性，与水结合生成亚硫酸对人的口鼻黏膜有强烈的刺激性，S02氧化生成的硫酸盐微粒会深入肺内造成长期影响，硫化物又是造成大气中酸雨的元凶。燃料中含硫量可能成为将来排放控制的难点。(5)微粒(PM，Particulate Matter)微粒(也称“

8、颗粒)，英文简写为PM，通常被定义为经空气稀释后的柴油机排气，在低于517的温度下流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质，汽车排放的PM，主要成分是碳，其粒度一般小于O瓤m。可深入人体肺部造成机械性超负荷，损伤肺内各种通道的自净机制，从而使其它化合物容易发挥致癌作用。碳粒上还吸附有多种有机物，具有不同程度的致癌作用。(6)光化学烟雾光化学烟雾是由汽车内燃机排气中的NO。和HC排入大气后在太阳光的紫外线作用下发生的光化学反应，生成N02氧化剂、气溶胶等二次污染物，这些一次及二次污染物的混合物成为光化学烟雾，刺激咽喉和眼睛。烟雾还具有氧化性，能使橡胶开裂，植物变黄和枯死。在机动

9、车排放的几种污染物中，影响较大的污染物是CO、HC、NOx和可吸入颗粒物。统计数据显示，一些大城市机动车产生的污染物排放量占污染物总排放量的比例分别为CO：60，HC：86，NOx：54。根据预测，2010年汽车排放污染物总量将占空气污染源的64。1.3 汽车发动机排放技术的研究意义汽车作为现代化交通工具，给予了人们的生产与生存带来十分方便的同时，可是它的尾气排放物，给大气环境造成严重污染。随着汽车工业的发展和城市汽车保有量的增加，环境问题日益突出。在我们获益于汽车发展提高生活质量的同时，应尽量避免由此带来的排放污染恶化我们的环境。在汽车工业发展和环境保护之间，需要寻求新的平衡。随着汽车保有量

10、迅速增加，我国城市大气污染日益严重，其中部分城市干道空气中的二氧化碳， 一氧化碳和一氧化氮浓度超过了国家规定的环境空气质量标准：在沿海的一些城市，汽车排放污染已成为城市空气污染的主要因素。汽车对大气的污染主要源自发动机排出的废气，三种有害排放物co、NOx和约占60%的hc都是由发动机排气管排出的。此外，曲轴箱气体和燃油蒸气的hc排放各约占汽车hc总排放的20%。对汽车排放的控制，就是通过改善燃烧、降低燃烧温度、阻断曲轴箱气体和燃油蒸气排放、净化排气管废气等手段，使汽车对大气的污染减小到最低的限度，以缓解汽车保有量增加对环境所带来的负面影响，满足人类对环境质量不断提高的要求。2 我国汽车排放的

11、现状20世纪90年代初以前，我国大气污染属于煤烟型，主要污染源来自工业废气排放。2000年全国有燃煤工业锅炉50多万台，年耗煤占全国的1/3；这些锅炉构成了煤烟排放的主要部分。2000年6月份的统计资料显示，全国23.8万家有污染工业企业中，达标率88.6%；工业污染的65%集中在17925家重点企业，其中达标率78.9%88。20世纪90年代后期，机动车增长引起的尾气型污染（如NOX、CO、SO2等）在许多城市逐渐取代了煤烟型污染89，成为城市大气污染的主要来源；同时，由于我国部分大城市人口过度集中、城市建筑物高以及道路拥挤等，导致污染物不容易扩散，所以机动车污染物的排放密度及其造成的大气污

12、染物浓度高出发达国家好几倍90，进一步加剧了机动车尾气对人体健康的危害。 2005年，我国绝大部分监测城市的NO2浓度低于国家二级空气质量标准的浓度限值0.08mg/m3（不同成分污染物的我国环境空气质量标准，见表2.5），然而在北京市、上海市和广州市等大城市，NO2浓度仍然较高，见表2.6。此外，在2005年，北京市和广州市的CO年平均浓度分别达到了2.0 mg/m3和1.63 mg/m3，说明这两个城市的CO的污染浓度相对较高；在2005年，北京市、上海市和广州市三个城市的PM浓度最高达到了0.103 mg/m3，最低为0.06 mg/m390。因此，大城市的机动车尾气污染物排放尤其需要给

13、予重视。3 汽车发动机排放技术的应用分析机内技术机内净化技术主要是指通过改进发动机本身的设计和优化发动机燃烧过程来降低排放。主要措施有燃烧系统优化、电子控制技术、汽油机直喷技术(GDI)、可变进排气系统和废气再循环控制系统等。这些措施大部分通过发动机精确的电控系统来实现。3.1 燃油电控喷射系统汽油喷射发动机与化油器式发动机相比，突出的优点是能准确控制混合气的质量，保证汽缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。电子控制燃油喷射装置的缺点就是成本比化油器高一点，因此价格也就贵一些，故障率虽低,一旦坏了就难以修复（电脑件只

14、能整件更换），但是与它的运行经济性和环保性相比，这些缺点就微不足道了。分类汽油喷射型式分为机械式和电子控制式两种。机械式汽油喷射装置是一种以机械液力控制的喷射技术，早在30年代就应用在飞机发动机，50年代开始应用在德国奔驰300BL轿车发动机上。集成电路的出现使电子技术能在发动机上得到应用，一种更好的汽油喷射装置电子控制汽油喷射技术也就应运而生了。 结构任何一种电子控制汽油喷射装置，都是由喷油油路，传感器组和电子控制单元(微型电脑)三大部分组成。当喷射器安装在原来化油器位置上，称为单点电控燃油喷射装置；当喷射器安装在每个气缸的进气管上，称为多点电控燃油喷射装置。原理喷油油路由电动油泵，燃油滤清

15、器，油压调节器，喷射器等组成，电控单元发出的指令信号可将喷射器头部的针阀打开，将燃油喷出。传感器好似人的眼耳鼻等器官，专门接受温度，混合气浓度，空气流量和压力，曲轴转速等数值并传送给中枢神经的电子控制单元。电子控制单元是一个微计算机，内有集成电路以及其它精密的电子元件。它汇集了发动机上各个传感器采集的信号和点火分电器的信号，在千分之几十秒内分析和计算出下一个循环所需供给的油量，并及时向喷射器发出喷油的指令，使燃油和空气形成理想的混合气进入气缸燃烧产生动力。历史从60年代起，随着汽车数量的日益增多，汽车废气排放物与燃油消耗量的不断上升困扰着人们，迫使人们去寻找一种能使汽车排气净化，节约燃料的新技

16、术装置去取替已有几十年历史的化油器，汽油喷射技术的发明和应用，使人们这一理想能以实现。早在1967年，德国波许公司成功地研制了D型电子控制汽油喷射装置，用在大众轿车上。这种装置是以进气管里面的压力做参数，但是它与化油器相比，仍然存在结构复杂，成本高，不稳定的缺点。针对这些缺点，波许公司又开发了一种称为L型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空气流量做参数，可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量，据此喷射出相应的汽油。这种装置由于设计合理，工作可靠，广泛为欧洲和日本等汽车制造公司所采用，并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的邹型。至1979年起美 国的通用，福特，日本的丰田，三菱，日产等汽

17、车公司都推出了各自的电子控制汽油喷射装置，尤其是多气门发动机的推广，使电子控制喷射技术得到迅速的普及和应用。到目前为止，欧美日等主要汽车生产大国的轿车燃油供给系统，95%以上安装了燃油喷射装置。3.2 多气门技术采用多气门技术，减少进气阻力，提高充量系数。还采用气门连续可变正时控制和升程控制技术实现发动机随转速和工况的变化达到最佳的充气效率。这是使气排放达到欧排放限值的重要技术。3.3 涡轮增压技术废气涡轮增压系统：这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带

18、动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%30%。但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机

19、械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。3.4 废气再循环技术废气再循环技术是一项广泛应用的技术，用来降低NOx。EGR通过使一部分废气流回进气管来降低最高燃烧温度，抑制NO的生成。但EGR率过大会使燃烧恶化，燃油消耗率增大，HC排放上升。电子控制废气再循环系统可实现非线性控制，控制范围和自由度大，更符合净化的实际需要。3.5 低排放燃烧系统3.5.1 汽油机稀薄燃烧系统取消机械节气门，利用废气控制加热进气来达到调节发动机负荷的目的。采用无节气门进气预热的方式来调节发动机的负荷比用机械节气门来调节发动机的负荷可使发动机中、

20、低负荷下的热效率至少提高10以上，混合气温度的提高使燃料稀燃限变宽，发动机可在很稀的当量比下稳定工作并且不会发生爆震，但燃烧的最高温度却大大低于化学当量比燃烧的温度，导致NOx排放大大降低。由于闭环电喷系统是牺牲经济性为前提，稀薄燃烧技术是为了兼顾汽车排放经济性和排放而开发的，稀薄燃烧技术主要采用稀燃、速燃和层燃技术。采用稀薄混合气，可较全面地降低有害排放物和提高压缩比，既减少了污染物排放，又提高了汽车的经济性。分层燃烧系统，缸内直喷GDI(Gasoline Directhiection)汽油机(采用分层稀燃技术)。优点：部分负荷燃油经济性好；输出功率高；空燃比控制精确；瞬态响应能力好；快速冷

21、起动和减速快速断油能力好。高压缩比燃烧系统。3.5.2柴油机直喷燃烧系统，直喷式柴油机采用四气门技术是一个发展趋势。欧以前的重型柴油机一般都是2气门，由于结构的限制，2气门柴油机的喷油器不能垂直布置在气缸中心，造成喷油的不均匀。采用四气门后，可以使喷油器中置，喷油嘴喷出的油束处于均匀分布的理想状态，实现最佳的空气利用率和燃气混合。另外，四气门机构的发动机可以根据转速和负荷的变化关闭部分通道，形成和柴油机转速和负荷相适应的涡流强度，使气缸内的空气运动在整个转速和负荷范围内保持最佳，改善燃烧过程，有效降低排放。喷油器也基本上采用5孔以上的孔数，孔径一般在018ram以下，喷嘴为无压力室式11l。这

22、样可以得到较高的燃油与空气的相对速度：喷油更加细化，更加均匀，还可以减少燃烧后期进入燃烧室的燃油，改善燃油经济性，同时使HC排放量显著下降。柴油机的燃烧室应尽可能产生适当的湍流运动，以使燃油和空气混合良好，避免局部混合气过浓或过稀。目前，国外轿车用小型高速柴油机燃烧室的发展趋势是由深坑型向浅盆型，由较小的缩口直径向较大的缩口直径发展。此外，由于发动机的结构设计要满足高效低排放、高气缸内最高燃烧爆发压力和高热负荷的要求，许多重要的结构设计概念特别是5C(缸盖、缸体、曲轴、连杆和凸轮轴)和5S(喷油系统、配气系统、润滑系统、冷却系统和前后轮系)的结构设计都具有关键性的影响。机外技术3.6汽油机三效

23、催化转化技术三效催化转化器是目前应用最多的汽车废气后处理装置。如图21所示，当发动机工作时，废气经排气管进入催化转化器，其中氮氧化物与废气中的一氧化碳、氢气等还原性气体在催化作用下分解成氮气和氧气；而碳氢化合物和一氧化碳在催化作用下充分氧化，生成二氧化碳和水蒸气。三效催化转化器的载体一般采用蜂窝结构，蜂窝表面有涂层和活性组分，与废气的接触面积非常大，所以其净化效率高，当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，三效催化剂可将90的碳氢化合物和一氧化碳及70的氮氧化物同时净化。3.7汽油机热反应技术热反应器通常是一种大型容器，备有绝热良好的隔热套，取代了常规排气歧管，被安装在紧靠发动机排气道出口处。它是

24、通过均质气体的非催化反应来氧化汽油机排气中烃和CO的装置。当排出的废气经过热反应器时，使CO和HC在其中保持高温（800-900）并停留一段时间（平均为100ms），使之能得到充分的氧化，从而降低CO和HC的排放量。3.8柴油机的DPF(微粒捕集)颗粒捕集器也称柴油机捧气颗粒过滤器(DPF，Diesel Particulate Filter)，是国内外近些年的研究热点。颗粒捕集器的过滤材料要求具有高的过滤效率、低的排气流动阻力和较高的机械强度，一般为陶瓷蜂窝载体、陶瓷纤维编织物、金属蜂窝载体或金属纤维编织物。目前应用最多的是壁流式蜂窝陶瓷颗粒捕集器，其壁内小孔的尺寸都在微米级，排气通过颗粒捕集

25、器后，PM会被过滤在捕集器的通道壁面上。它对PM的过滤效率可达90以上，同时也能部分收集高沸点的HC。颗粒捕集器只是一种物理性的降低排气颗粒的方法。随着过滤下来的颗粒的积累，过滤体逐渐被堵塞，造成排气系统阻力增大，排气背压增加，导致发动机的动力性和经济性恶化。因此，必须及时清除沉积在过滤体中的颗粒，以便继续工作。颗粒捕集器的再生技术是当前的难点，可分主动再生和被动再生。主动再生是指用外界能量来提高捕集器内的温度，使颗粒着火燃烧。被动再生一般利用燃油添加剂或催化剂来降低颗粒的着火温度，使颗粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。现在常倾向于被动再生与主动再生相结合，如法国PSA标致雪铁龙公司使用的

26、后处理系统中利用燃油添加剂降低颗粒的着火温度，并且结合高压共轨喷射系统产生二次喷射来提高尾气温度，使捕集器再生。3.9柴油机氧化催化（DOC或者OCC）氧化催化器面世已经30多年，在柴油机上应用较多，技术也较成熟。氧化催化器主要用于降低排气中的CO和HC，对NOx没有明显效果，对PM的作用表现在它能够氧化掉PM中的一部分可溶性有机物，但同时也会将尾气中的部分二氧化硫氧化成硫酸盐，使PM摊放中的硫酸盐比例增大。因此柴油中硫含量的高低对氧化催化器的工作效能有很大影响。如果使用含硫量过高的柴油，由于可溶性有机物降低与硫酸盐增加的矛盾，甚至会使PM排放的总量增加。另外柴油中的硫还会引起催化剂中毒，降低氧化催化器的净化效果和使用寿命。典型豹氧化催化器外壳由不锈钢罐构成，内含蜂窝状催化剂载体。催化剂主要是陶瓷或铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)等贵会属，通常还在催化剂表面涂上一层多孔的氧化铝涂层，以降低有害物的排放。为了既抑制硫酸盐的生成，又要维持催化器对于HC和CO的高活性，Johnson Matthey公司研究出了两种方法，一是将PtA1203催化剂在1050C的高温