广西科技大学汽车排放综述

1、广 西 科 技 大 学车用内燃机及排放控制技术综述题 目： 车用内燃机及排放控制技术综述班 级： 车辆111班 学 号： 201100205030 姓 名： 高振华 专 业： 车辆工程 指导教师： 陶坚 摘要1886年，德国人卡尔.本茨用一台两冲程单缸0.9马力汽油机研制成第一辆三轮机动车，这被公认为世界上的第一辆现代汽车。一百多年的汽车发展史表明：汽车诞生于德国，成长于法国，成熟于美国，兴旺于欧洲，挑战于日本，而中国以及广大发展中国家汽车市场的发展则构成了本世纪初世界汽车发展的主旋律。尽管汽车的出现以及发展给社会、经济带来了巨大的推动作用，但日益严重的环境问题以及交通安全问题使人们对汽车的经

2、济性、舒适性及安全性提出了更高的要求。被誉为汽车心脏的发动机历来是世界瞩目的热门研究课题之一，提高燃烧效率和降低燃油消耗已成为汽车发动机目前面临的主要技术挑战，汽车工业发达的国家在这方面竞相竞争。实际上控制汽车的排放关键在于控制汽油发动机冷起动阶段的排放，同时控制点火提前角等其他要素也非常关键，目前的汽车使用的催化器主要是三效催化转化器，研究高效的催化剂对于减少汽车排放也有积极的意义。随着汽车尾气排放标准的不断加严以及先进排放控制技术的应用，燃油品质对车辆排放的影响也越发重要。因此，美、日、欧等国家和地区的汽车、石化行业纷纷合作进行“汽车发动机燃油”的系统研究，通过研究成果提出了与逐渐加严的汽

3、车排放法规相适应的燃油关键技术指标的限值要求。从2011年7月1日起，凡不满足国四标准要求的轻型汽油车、单一气体燃料车及两用燃料车不得销售和注册登记，目前满足相应排放标准的燃油技术指标早已确立并推广。本文首先分析汽车排放的机理过程，其次，阐述车用内燃机目前所使用的减排技术及其原理，最后介绍汽车减排技术的未来发展方向。关键词：排放 点火提前角 三效催化转化器AbstractIn 1886, the German Karl Benz with a 0.9 horsepower for single cylinder two stroke gasoline engine was developed

4、into the first three-wheeled vehicle, it is recognized as the world's first modern car. More than one hundred years of history shows that the car was born in Germany, grew up in France, mature in the United States and prosperity in Europe, challenges in Japan, China and other developing countrie

5、s the development of the auto market will make up the theme of the world auto industry development at the turn of the century. Although the car brings to the society, economy and development of the huge role, but the increasingly serious environmental problems and the traffic safety problems that pe

6、ople in the economy, comfort and safety of cars put forward higher requirements. Is known as the heart of automotive engine has always been one of the hot research topic in the attention of the world, increase the combustion efficiency and reduce the fuel consumption has become the automotive engine

7、 faces the main technical challenges, auto industry developed countries vying to compete in this respect. Control vehicle emissions in fact is the key to control emissions of gasoline engine cold start phase, control of ignition advance Angle and other factors also is critical, the current car use c

8、atalysts is primarily a three-way catalytic converter, the highly effective catalyst for reducing emissions from cars also have a positive significance. With the development of automobile exhaust emission standard and strict, and the application of advanced emission control technology, the influence

9、 of fuel quality on vehicle emissions is increasingly important. Therefore, Us, Japan, Europe and other countries and regions of auto, petrochemical industry to cooperate for the car. The engine. The fuel "system research, through the research put forward the corresponding to gradually enhance

10、the vehicle emission regulations of key technical indicators of fuel limit. Since July 1, 2011, who did not meet the requirements of the four standard light-duty gasoline vehicles, single and dual fuel gas fuel car sales and registration, shall not be currently meet the discharge standard of fuel sp

11、ecifications were established and promotion. At first, this paper analysis the mechanism of the auto emission process, secondly, automotive internal combustion engine emissions currently used technology and its principle, finally presents the future direction of the automobile emissions. Keyword： em

12、issions The ignition advance Angle Three-way catalytic converter1、汽油机主要排放物机动车排放的污染物早已被证实有多种对公众和大气环境有负面影响的因素，排放物种主要包括碳氧化物和氮氧化物，其中有害排放主要是指通常是指N02及N0，其虽然只占废气总量中的2左右，但是对环境却造成了极大的危害，因为氮氧化物可以和空气中的成分反应并在一定条件下形酸雨，而排放物中的碳氧化物则是形成温室效应的主要物质。在内燃机工作过程中，由于气缸内各处的温度、混合气的浓度不同，产生NOx、HC、CO的过程和部位也就不同。在燃烧过程中，NOX、HC、CO在各个

13、阶段的生成过程大致如下：在点火和火焰传播阶段，N2和02在高温下反应生成了NOx，如燃可燃混合物中的氧气浓度不足时，还会生成C0。当火焰逼近燃烧室壁面时，由于温度较低，火焰淬熄，会在发动机内壁形成薄层积碳。这种情况也会在火焰传播不到的第一道活塞环的环槽中产生。在膨胀过程中，环槽中未燃的HC随活塞下行而布敷在汽缸壁上。排放物中还有一定含量的硫化物（SOx）汽车尾气中的另一种有害气体，减少燃料中的硫含量可显著减少尾气中有害硫化物排放量，但炼油厂一般不会这样做，因为要使燃料中硫含量减少就会在一定程度上增加他们的生产成本。如果汽车尾气中的污染物在空气中长期存在可导致哮喘，肝脏疾病，肺部疾病以及癌症发生

14、，排放物对人体的直接影响集中体现在对呼吸系统的危害。1.1一氧化碳的生成机理C0是不完全燃烧的产物，是一种无色、无刺激、无味的气体。CO被人体吸入后，会在血液中取代氧而形成牢固的血红蛋白，血红蛋白对CO的吸附性强于氧气300倍，该污染物能严重影响氧气输送。人会由于缺氧而感到疲劳，引起头晕、恶心等中毒症状，甚至导致窒息死亡。CO的另一种危害是促使N0向N02转化，使光化学烟雾增加。汽车尾气中CO的产生是燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物。燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧后不会存在CO。但当氧气量不足时，就会有部分燃料不能完全燃烧，而生成CO，这都与过量空气系数a有这紧密的联系。汽油机

15、一氧化碳的生成机理。当a <1时 ，因缺氧引起不完全燃烧，CO的排放量随a的减小而增加；当a >1时 ，CO的排放量都很小；当a =1.01.1时，CO的排放量变化较复杂。柴油机一氧化碳的生成机理。当a =1.53，CO排放量要比汽油机低得多；当a =1.21.3，CO的排放量才大量增加。影响一氧化碳生成的因素：1. 进气温度的影响2. 大气压力的影响 3. 进气管真空度的影响4. 怠速转速的影响 5. 发动机工况的影响1.2 碳氢化合物的生成机理车用发动机的碳氢排放物中有完全未燃烧的燃料，但更多的是燃料的不完全燃烧产物，还有小部分由润滑油不完全燃烧而生成。排气中未燃碳氢物的成份十

16、分复杂，其中有些是原来燃料中不含有的成份，这是部分氧化反应所致。在发动机正常运转情况下，HC的生成区主要位于气缸壁的四周处，故对整个气缸容积来说是不均匀的，而且对排气过程而言HC的分布也是不均匀的。在发动机一个工作循环内，排气中HC的浓度出现两个峰值，一个出现在排气门刚打开时的先期排气阶段，另一个峰值出现在排气行程结束时。HC的生成主要由火焰在壁面淬冷、狭隙效应、润滑油膜的吸附和解吸、燃烧室内沉积物的影响、体积淬熄及碳氢化合物的后期氧化所致。1.3氮氧化物的生成机理汽油机未燃HC的生成机理也适用于柴油机，由于燃料以及点燃方式的不同，故柴油机的碳氢排放物有其自身的特点，柴油中的碳氢化合物比汽油中

17、的碳氢化合物沸点要高、分子量大，柴油机的燃烧方式使油束中燃油的热解作用难以避免，故柴油机排气中未燃或部分氧化的HC成份比汽油机的复杂。柴油机的燃料以高压喷入燃烧室后，直接在缸内形成可燃混合气并很快燃烧，燃料在气缸内停留的时间较短，生成HC的相对时间也短，故其HC排放量比汽油机少。1.4颗粒物PM排放的影响PM2.5是最近年来被重视的一个重要的大气质量指标，指的是细颗粒物。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物，也称PM2.5、可入肺颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量（浓度）越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但

18、它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，表面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、醛类物质、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大，PM2.5的来源有相当一部分的是车用内燃机的尾气排放，由于柴油机采用扩散燃烧方式，这就决定了柴油机产生微粒是不可避免的，可以说微粒排放是柴油机排放的显著特点，其中柴油机的颗粒物排放远大于汽油机。2、目前前主流减排技术随着汽车产业的蓬勃发展，从20世纪50年代起，许多专家、学者对如何控制、降低汽油机的排气污染作了大量的研究工作，提出了很多有效的措施。这些措施一般克概括为

19、：机前净化措施(进气前措施)、机内净化措施、机外废气净化转化措施(排气后处理)。目前, 轿车汽油机广泛应用电控燃油喷射、三元催化净化、气门可变技术和稀薄燃烧等技术，下文中将对此进行重点介绍。2.1可变气门技术合理选择配气正时，保证最优充气效率hv，是改善发动机性能极为重要的技术问题。分析内燃机的工作原理，我们不难得出这样的结论：在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变对充气效率hv影响最大。根据发动机的不同工作状态，通过调节气门关闭的时机，从而提高发动机的动力性能，提高燃油经济性。凡是有质量的东西就一定会有惯性。被吸入发动机气缸的空气也因惯性，进气过程结束后会保留进入气缸的趋势。这时如

20、果延迟气门关闭时间，气缸可吸入更多的空气，可以提高体积效率。2.2 VVT（可变气门正时技术）发动机可变气门正时技术（Variable Valve Timing，缩写为VVT）也是当下热门的发动机技术之一，它通过对气门的控制进行进排气的配气，近些年被越来越多地应用于现代轿车上。气门是由引擎的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在普通的引擎上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的，这种不变的正时很难兼顾到引擎不同转速的工作需求，VVT就能解决这一矛盾。简单地说，就是改变进气门或排气门的打开与关闭的时间，可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。

21、2.3 DVVT技术DVVT的全称是:Dual Variable Valve Timing.意思是进排气气门连续可变正时技术。采用DVVT技术的发动机比目前市场上较多采用的进气门正时技术的发动机更高效、节能、环保。以荣威5501.8LDVVT车型为例，DVVT技术可降低油耗5%，同时动力提高10%，可达2.0排量的动力指标，废气排放达到国家级标准；通过控制发动机燃烧室之中的汽油与空气混合气体达到最合适的空燃比，还可明显改善怠速稳定性从而获得较好的舒适性。2.4电控燃油喷射系统在汽车汽油控制装置的发展历史中，最初是以机械控制为主的K型汽油喷射系统和机电结合式（KE型）汽油喷射系统，因其供油控制特

22、性仍未摆脱开环控制模式，不久便被电子控制燃油喷射装置所代替。电控燃油喷射系统简称EFI（Electronic Fuel Injection System),其基本原理是：ECU（电控单元）不断接收来自多个传感器的信号，并根据传感器的信号确定发动机所处的工况和当时的进气量，然后依据当时工况确定空燃比，并根据进气量和空燃比计算所需的喷油量，进而通过控制喷油器的喷油脉宽实现喷油量的控制。2.4.1电控汽油喷射系统的功用现代汽车发动机电子控制燃油喷射系统EFI（Electronic Fuel Injection）简称电控燃油喷射系统，它的主要功能是控制汽油喷射、电子点火、怠速、排放、进气增压、发电机负

23、荷、巡航、警告指示、自我诊断与报警、安全保险、备用功能，下面分别介绍该系统的主要功能。1电子汽油喷射（EFI）控制喷油量控制电子控制单元（ECU）把发动机的转速和负荷信号作为主要控制信号，以确定喷油脉冲宽度（即基本喷油量），并根据其他信号加以修正，如冷却液温度信号等，最后确定总喷油量。喷油正时控制当发动机采用多点顺序燃油喷射系统时，ECU除了控制喷油量以外，还要根据发动机的各缸点火顺序，将喷油时间控制在最佳时刻，以使汽油充分燃烧。断油控制减速断油控制：汽车在正常行驶中，驾驶员突然放松加速踏板时，ECU将自动切断燃油喷射控制电路，使燃油喷射中断，目的是降低减速时HC和CO的排放量，而当发动机转速

24、下降至临界转速时，又能自动恢复供油。燃油泵控制当打开点火开关后，ECU将使燃油泵工作2到3S，用于建立必需的油压。若此时发动机不起动，ECU将会切断电动燃油泵控制电路，使燃油泵停止工作。在发动机起动和运转过程中，ECU控制燃油泵保持正常运转。2电子点火（ESA）控制点火提前角的控制在ECU的存储器中存储着发动机在各种工况下最理想的点火提前角。发动机运转时，ECU根据发动机的转速和负荷信号确定基本点火提前角，并根据其他信号进行修正，最后确定点火提前角。然后，向电子点火控制器输出点火信号，以控制点火系统的工作。通电时间（闭合角）与恒流控制点火线圈初级电路在断开时需要保证足够大的断开电流，以使次级线

25、圈产生足够高的次级电压。与此同时，为防止通电时间过长而使点火线圈过热损坏，ECU根据蓄电池电压及发动机转速信号等，控制点火线圈初级电路的通电时间。在现代汽车高能点火系统电路中，还增加了恒流控制电路，使初级电流在极短时间内迅速增长到额定值，减少转速对次级电压的影响，改善点火特性。爆震控制当ECU接收到爆震传感器输入的电信号后，ECU对该信号进行处理并判断是否即将产生爆震，当检测到爆震信号后，ECU立即推迟发动机点火提前角，采用反馈控制方式避免爆震产生。3怠速控制（ISC）其主要作用是稳定发动机的正常怠速，使发动机起动后能迅速暖机，在空调等负载投入工作时，自动调节发动机的怠速转速，还可根据自动变速

26、器是否在空档、动力转向开关接通情况引起发动机怠速时的负荷变化，自动调节发动机怠速转速，保证发动机在各种怠速条件下的稳定运转。其原理是发动机在汽车制动、空调压缩机工作、变速器挂入档位，或发动机负荷加大等不同的怠速工况下，由ECU控制怠速控制阀，使发动机处在最佳怠速稳定转速下运转。该系统还有学习控制的功能，ECU通过步进电机正、反转的步数来控制怠速阀的位置，达到调节怠速转速的目的。但由于发动机在整个使用期间，其使用性能会发生某些变化，虽然步进电机控制阀门的位置未变，怠速转速也会与初设的数值不同。此时，ECU用反馈控制方式输出信号，使怠速转速达到目标值，同时，ECU将此时步进电机转过的步数存入备用存

27、储器中，可在今后的怠速控制中使用。4排放控制废气再循环(EGR)控制所谓废气再循环是在保证内燃机动力性不降低的前提下,根据内燃机的温度及负荷大小将发动机排出的废气的一部份再送回进气管,和新鲜空气或新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧,使燃烧反应的速度减慢,从而降低NOx的排放量,是控制反应的速度减慢,从而降低NOx的排放量,是控制。废气中的氧含量很低,含有大量N、CO和水蒸气,这三种气体很稳定,不能燃烧,可吸收大量热量。当一部份排气经EGR控制阀还流回进气系统与新鲜空气或新鲜混合气混合后,稀释了新鲜空气或新鲜混合气中的氧浓度,使燃烧速度降低。这两个因素都使燃烧温度降低,从而有效控制了燃烧过程中

28、NOx的生成。开环与闭环控制在装有氧传感器及三元催化转化器的发动机中，ECU根据发动机的工况及氧传感器反馈的空燃比信号，确定开环控制或闭环控制。二次空气喷射控制当发动机工作时，通过曲轴传动带带动空气泵运转，泵送量大而压力较低的空气流通过软管进入分流阀。正常情况下，分流阀上阀门开启，空气流经分流阀、单向阀进入空气喷射歧管。空气喷射歧管将空气流喷入发动机排气孔或排气歧管，与排气中的HC、CO反应，使其进一步转化成CO2和水蒸气，以减少排气污染。一旦空气泵泵送的空气压力太高，释压阀起作用，切断向空气喷射歧管供应的空气，防止发动机产生回火，经过几秒后，双向作用阀下落，又恢复向空气喷射歧管供应空气，二次

29、空气喷射系统正常工作。活性炭罐清污电磁阀控制活性碳罐(Charcoal canister)是指内充装活性碳的罐子，用来吸附引擎关掉时，由油箱及化油器所逸出的汽油蒸气，发动机起动时，再把其中吸附的汽油吹出燃烧。活性碳罐是点火系统和排放系统中一个比较关键的部件。发动机点火时，吸入活性碳罐中的气体是通过碳罐控制阀导入发动机进气管的，这个控制阀体是通过电喷系统的控制单元决定其开合、吸收程度。活性碳罐能很大程度上减少废气排放造成的大气污染。 5进气增压控制进气谐波增压控制ECU根据转速传感器检测到的发动机转速信号，控制进气增压控制阀的开闭，改变进气管的有效长度，实现中低转速区和高转速区的进气谐波增压，提

30、高发动机的充气效率。涡轮增压控制增压就是将进入气缸前的新鲜空气预先进行压缩，然后再以高密度送入气缸。增压的目的是通过将空气预先压缩后供入气缸，增加进气质量，相应地增加循环供油量，从而可以增加发动机功率。涡轮增压的原理就是将发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，使新鲜空气在压气机增压后进入气缸2.5增压技术汽车发动机是靠燃料在发动机气缸内燃烧从而对外输出功率。在发动机排量一定的情况下，若想提高发动机的输出功率，除了多提供燃料燃烧外，就是提供更多的空气。增压技术就是一种提高发动机进气能力的方法。目前，汽车发动机的增压方法主要有三类：机械增

31、压、废气涡轮增压和气波增压。2.5.1机械增压发动机曲轴直接驱动压气机压缩空气，适用于小增压比汽油机。机戒增压器(Supercharge)装在引擎上并与引擎曲轴相连接，从引擎的输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气吸进进气道中，这种增压器的转速是与发动机的转速相对应的，所以没有后滞性，加速感受相当线性化，但缺点是机械增压靠引擎皮带带动，要消耗部分引擎动力，造成其效率不高，还不利于车辆的油耗表现。车厂为了改善此现象，并且让增压力道能在最需要时发挥作用，加装电磁阀和离合器，也让增压器在特定的转速以上时离合器才开始接合、拖动机械增压器，但如此一来多少会有如涡轮增压器的迟滞感。 2.5.2涡

32、轮增压：发动机废气驱动涡轮增压器压缩新鲜空气。涡轮增压系统是增压发动机中最常见的增压系统之一。如果在相同的单位时间里，能够把更多的空气及燃油的混合气强制压入汽缸（燃烧室）进行压缩燃爆动作（小排气量的引擎能“吸入”和大排气量相同的空气，提高容积效率），便能在相同的转速下产生较自然进气发动机更大的动力输出。涡轮增压利用废气驱动，基本没有额外的能量损耗同时对发动机没有额外的负担，便能轻易地创造出大马力，是非常聪明的设计。情形就像你拿一台电风扇向汽缸内吹，硬是把风往里面灌，使里面的空气量增多，以得到较大的马力，只是这个扇子不是用电动马达，而是用引擎排出的废气来驱动。一般而言，引擎在配合这样的一个“强制

33、进气”的动作后，起码都能提升30%-40% 的额外动力，如此惊人的效果就是涡轮增压器令人爱不释手的原因。况且，获得完美的燃烧效率以及让动力得以大幅提升，原本就是涡轮增压系统所能提供给车辆最大的价值所在。该系统包括涡轮增压器、中冷器、进气旁通阀、排气旁通阀及配套的进排气管道。2.5.3气波增压：气魄增压系统由发动机废气直接压缩新鲜空气，该系统的工作原理是发动机曲轴驱动一个特殊的转子，在转子中高压废气直接与空气接触，利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩，提高进气压力。它比涡轮增压低速性能好，结构简单，加工方便，对材料与工艺要求不高，加速性好，工况范围大，但尺寸大，比较笨重，噪声大，因此该增压系统使用

34、范围不广泛。2.6三元催化系统三元催化净化装置安装在车辆原第一消声器位置, 它的内部是蜂窝状陶瓷载体, 载体上涂有稀有贵金属催化剂( 如铂、佬等) 。当高温的汽车尾气通过净化装置时, 装置中的贵金属催化剂使其中的一氧比碳( CO ) 、碳氢化合物(HC ) 产生氧化反应, 氮氧化合物( NO x) 产生还原反应, 将其转化成对大气无害的二氧化碳、氮气和水等。催化净化的实质是利用催化剂加速废气中有害成分的氧化或还原反应, 变换为无害气体。因此对催化净化说法来说, 最重要的是催化剂。催化剂, 又称触煤, 在反应过程中催化剂本身并不发生变化, 它的作用只要加速反应过程。催化剂可分为氧化催化剂和还原催

35、化剂两种。氧化催化剂的作用是促使废气中的H C , CO 与废气中残存的仇或由专用空气泵泵入废气中的二次空气中的仇产生下列氧化反应而变为无害的二氧化碳和水等排出:2C0 + O2一2CO2CH4+2H2O 一2H2O + CO2 还原催化剂的作用则是促使废气中的HC , CO , H2等与NO x 产生下列还原反应而变为无害的N2、CO2 、H2O。等排出:2N0 + 2C0 一N2+2CO24N0 + CH2 一CO2+2H2O+2N22N0 + 2H2一N2+2H202.7稀薄燃烧技术汽车汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面： 1）提高压缩比，采用紧凑型燃烧室，通过进气口

36、位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13：1左右，促使燃烧速度加快。 2）分层燃烧，如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物（NOx），现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。 3）高能点火，高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。 以上 三点只是对整体汽油发动机稀燃技术而言，具体到某种机型会有所偏重。因为各种汽油发动机稀燃方式的技术措施不完全一样，甚至同一部发动机在不同的工况下稀燃方式也会不完全一样。有些着重缸内气流运动及燃油分布的配合，