柴油机尾气排放[1]

1、08 汽车检测与维修专业毕业论文1 目录摘要 .1 关键词.1 一、引言 .1 二、柴油机尾气排放的危害和生成机理.1 （一）柴油机尾气排放的危害.1 （二）柴油机尾气排放的生成机理.3 三、排放的控制及降低排放的技术 .2 （一）柴油机机内净化 .2 （二）柴油机排气后处理技术.5 （三）改善燃油品质.6 （四）代用燃料的使用 .6 （五）废弃再循环系统 .7 四、结语 .8 参考文献 .9 08 汽车检测与维修专业毕业论文2 柴油机尾气排放控制技术摘要：随着世界汽车保有量的不断增加，由汽车尾气排放造成的大气污染问题已经成为世界公害。削减汽车排放污染物的最根本途径，是开发和应用先进的汽车排放

2、污染物控制技术。 汽车排放污染物控制技术可分为两类：机内净化技术； 机外净化技术。关键词： 柴油机排放排放控制一、引言柴油机自1892 年问世以来，凭借其良好的动力性、经济性和耐久性等优点在各种动力装置、和车辆上得到日益广泛的应用。车用柴油机主要排放物为pm（颗粒状物质）和nox，而 co 和 hc 排放较低。控制柴油机尾气排放主要是控制颗粒物质pm 和 no 生成，降低 pm 和 nox 的直接排放。柴油机与同等功率的汽油机相比，微粒和nox 是排放中两种最主要的污染物。目前，世界各国都在致力于减少柴油机颗粒排放的技术研究，并且已经取得了实质性的进展。 由于柴油机排气微粒与nox 的生成机理

3、不同， 因此减少微粒的同时又增加了 nox 的排放，同时微粒的减少又使得催化剂中毒得以有效的扼制，从而使采用机外催化技术净化nox 成为可能。本文将就柴油机的排放问题及其控制技术进行探讨。二、柴油机尾气排放的危害和生成机理（一）柴油机尾气排放的危害08 汽车检测与维修专业毕业论文3 柴油机排出的 nox中，no约占 90% ，no2只是其中很少的一部分。 no无色无味、毒性不大，但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且 no排入大气后会逐渐被氧化为no2。no2是一种有刺激性气味、毒性很强（毒性大约是no的 5 倍）的红棕色气体，可对人的呼吸道及肺造成损害， 严重时能引起肺气肿。 当浓度高达

4、一定浓度时， 会随时导致生命危险。nox和 hc在太阳光作用下会生成光化学烟雾，nox还会增加周围臭氧的浓度，而臭氧则会破坏植物的生长。此外，nox还对各种纤维、橡胶、塑料、电子材料等具有不良影响。基于上述原因，柴油机排放物中的nox对环境的严重污染引起了世界范围的普遍关注，因此各国限制其排放的法规亦越来越严格。（二）柴油机尾气排放的生成机理迄今为止人们已经对nox 的生成机理进行了大量的研究， 但尚未达成共识。 比较容易接受的是策尔多维奇机理。该机理认为：柴油机排放中的no 并非来自燃油的燃烧，而是来自氮气与氧气的反应，它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的，在膨胀和排气时有少量

5、的分解， 排到大气后遇氧形成nox 和其它氮氧化物。 柴油机燃烧过程中喷射各区均可以生成no，其生成浓度与局部温度、局部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间（即高温下所占燃烧循环的时间量）等因素有关。从理论上讲，柴油机 nox 排放的形成是无法避免的， 但通过控制燃烧过程的最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。三、排放的控制及降低排放的技术（一）柴油机机内净化1.1 防止机油串入燃烧室由于柴油机排放颗粒状物质的相当部分是由串入燃烧室的机油的不完全燃烧造成的，所以应尽可能地减少串机油量。防止和减少机油串入燃烧室，应通过加强机体刚度，改善汽缸盖与机体的连接，减少汽缸工作

6、面的变形，改善活塞、活塞环和汽缸表面的设计，加强机油控制，减少从气门推杆泄漏机油等措施来实现。1.2 采用柴油电控高压喷射技术柴油电控技术已从第一代的位置控制、第二代的时间控制发展到今天的共轨式电控高压喷射。正在研制或装机的共轨式喷油系统，可在柴油机运转的整个特牲曲线范08 汽车检测与维修专业毕业论文4 围内改变喷油过程。如德国bosch 公司开发的共轨喷射系统，可自由选择喷油压力，高精度控制喷油量，灵活控制喷油定时，并可灵活进行预喷射和多级喷射，对颗粒和烟度的降低很有利。在采用共轨多级喷射系统和电控喷油器的柴油机试验中观察到，由于分段喷射加强了空气的卷吸和紊流，加强了燃油和空气的混合，可明显

7、降低烟度。电子控制柴油机高压喷射技术（如电控高压共轨喷射）的应用可使柴油机通过最佳喷油定时、最佳喷油率和预喷射， 与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节， 使颗粒排放降低 40%以上，并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。1.3 提高喷油压力和减小喷孔直径提高喷油压力和减小喷孔直径，提高喷油压力和减小喷孔直径可明显地降低pm的排放。为了避免高压喷射导致的nox 的增加，要求适当降低空气涡流运动，提高压缩比和

8、可变定时燃油喷射与其相适应。高压喷油系统需要和燃烧室良好配合，以避免过多燃油喷射到汽缸的冷表面上，减少hc 和 pm 中 sof（有机可溶物）的排放；同时减少喷嘴压力室容积或采用无压力室喷油嘴，能使pm 和 hc 排放大大减少；通过燃油喷射率的优化，如采用双弹簧喷油器，可降低pm 和 nox 的排放。1.4 改进燃烧系统改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配。应保证在发动机整个工况范围内，燃油在燃烧室中均匀分布，有合适的气体流动，有合理的喷油规律和喷油定时。采用电控制喷油泵、电控泵喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施，既可改善柴油机性能，又可降低

9、柴油机尾气排放物，尤其是颗粒pm 物质的排放。1.5 采用废气再循环（ egr）egr 是将一部分排气导入进气系统中，通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低nox的排放。利用egr 降低 nox的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由ecu 对 egr 率和 egr 随机进行控制，08 汽车检测与维修专业毕业论文5 保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低nox的排放。1.6 增压中冷技术柴油机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高， 在动力性与经济性提高的同时，nox 的排量也必然增加。但增压柴油机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以前被冷却，在一定

10、程度上可以抑制nox 的排放。废气涡轮增压提高了汽缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，可使柴油机颗粒物的排放量降低50%左右，并减少 co 和 ch 的排放。利用中冷技术， no 的排放量可降低60%-70%。所以采用增压中冷是降低车用柴油机排气排放物的有效措施之一。废气涡轮增压中冷技术的应用大大提高了汽车柴油机的动力性、改善了燃油经济性，并且还在降低汽车排放有害物、减少温室效应气co2、保护环境等方面起到了重要作用。为使汽车柴油机满足欧洲i、法规，涡轮增压中冷技术是一个很好的技术方案；为满足更高的排放法规欧洲、的要求，则必须采用电控可变喷嘴涡轮增压器。随着涡轮增压器技术和其他

11、先进发动机技术的进一步发展，柴油机将会成为真正的低能耗、高环保性的汽车动力。1.7 采用可变技术一般发动机的压缩比是不可变动的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经定好。不过，为了使得现代发动机能在各种变化的工况中发挥更好的效率，以变对变来改善发动机的运行性能。其中气门可变驱动技术早已实现，做为重要参数的压缩比，也有人尝试由固定不变改为“随机应变”。近年绅宝（ saab ）开发的 svc 发动机以改变压缩比来控制发动机的燃油消耗量。它的核心技术就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的客积，从而改变压缩比

12、。其压缩比范围可从8：1 至14：1 之间变化。在发动机小负荷时采用高压缩比以节约燃油；在发动机大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以实现大功率和高扭矩输出。绅宝 svc 发动机是 1.6l5缸发动机，每缸缸径68mm，活塞行程 88mm，最大功率 166kw，最大扭矩 305nm，综合油耗比常规发动机降低了30%，并且满足欧洲号排放标准。四气门结构可减少换热损失，从而改善了低速扭矩。采用四气门结构的缺点是增加了柴油机成本和结构的复杂性，为了达到欧美各国严格的排放法规，小缸径柴油机上使用四气门的也越来越多。 最小的已在 avl 缸径为 85mm的小型轿车柴油机上使用。08 汽车检测与维修专业

13、毕业论文6 在燃用汽油的大、中、小型轿车上，多气门技术已经作为成熟技术得到了应用。在柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一，国外内燃机的气门最多时已达到5 个，目前已在大型柴油机应用的基础上，逐渐开始在小型柴油机上应用。柴油机采用可变技术使发动机在不同工况下的性能都较为理想，使不同工况下排放性能和经济性都得到提高，这包括喷油定时的可变控制、可变涡流控制和增压系统的可变控制，这些措施的合理使用可使hc 和颗粒物排放减少近35%。（二）柴油机排气后处理技术2.1 氧化催化剂柴油机加装氧化型催化转化器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和sof的常用措施。催化氧化器的催化剂一般由pt、pd等

14、贵重金属组成，并浸入载体表面上。影响转化效率的因素主要有：催化剂种类、载体、发动机工况、燃油的含硫量、排气流速等。催化氧化器在降低微粒及hc、co 同时，由于其很强的催化氧化性能也有可能会造成 so2转化成硫酸盐的排放量增加。因此，必须对催化剂进行优化筛选，选择对 sof、hc、co 转化效率高对so2氧化率低的方案。研究表明，影响doc 工作性能的主要因素是排气温度和燃油中的含硫量。较高的尾气温度将有助于sof 的氧化，提高转换效率；但是尾气温度过高（400500以上），so2和燃油中的硫转化成硫酸盐的量将大大增加，这样有可能使总的颗粒量增加而不是减少。此外，硫酸盐覆盖在催化氧化器内表面将使

15、得催化氧化器市区活性，大大降低其转化效率。 因此，应用 doc时对燃油的硫含量有要求，一般要求燃油含硫低于0.05%（质量分数），最好是低于0.01%（质量分数。）所以，柴油机氧化催化器一般适于含硫量较低的柴油燃料；并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常，使净化效果达到最佳。2.2 柴油尾气过滤材料目前，部分过滤式金属过滤体、堇青石过滤体、碳化硅过滤体和钛酸铝过滤体在国外都有研究和应用，但由于材料的特性不一样其用途有所差别。碳化硅材料热容量大且耐高温，通常与主动再生方法配合使用，一般用于轿车柴油车和轻型柴油车的颗粒物控制

16、。堇青石过滤体热容量比较小，易于提高涂覆催化剂的温度，通常与被动式再生方法配合使用，但过滤体内积炭过多时易损坏过滤体。金属过滤体与堇青石过滤体特性类似，钛酸铝过滤体与碳化硅过滤体特性相似，这两种过滤体有较好的应用前景。08 汽车检测与维修专业毕业论文7 （三）改善燃油品质十六烷值在柴油机燃料参数中对nox 排放影响最大。 十六烷值较高时， 由于其稳定性变差，极易裂解为碳烟。 柴油机排气烟度较高， 但其发火性能好， 柴油机点火延迟期缩短，缸内温度与压力降低， nox 排放亦降低。 当十六烷值从 40 提高到 50 时，nox 排放可降低10%左右。所以增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗

17、粒pm、co 和 nox 的排放；降低燃油中 s的含量，可以降低 1322%的 pm 颗粒排放； 减少燃油中的芳烃成分，可以减少 nox的排放。改善燃油的措施如下： 根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值。在柴油中掺烧一定比例的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧，来促进和消除喷油器头部的积碳，可以减少 3050%的碳烟颗粒 pm 排放。降低燃油中的含硫量。在燃烧过程中，柴油中的硫约有98%转化为 so2，其余的 2%成为硫酸盐颗粒，部分so2被进一步氧化与燃烧过程中生成的 h2o 结合，形成 h2so4和硫酸盐（ caso4等）

18、 ，增加了微粒的排放量。在柴油中加入适当的乳化剂，通过燃料中水的汽化，降低汽缸套的温度和燃烧温度，减少 nox 的排放；另外， 乳化燃料中的水分子迅速汽化膨胀，成为微细的燃料油滴，促进了与空气的迅速混合，加速了燃烧，减少了汽缸内的激冷层，有利于hc 的生成。（四）代用燃料的使用采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然气（压缩天然气cng，液化天然气lng） 、液化石油气（ lpg） 、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源代用燃料。代用燃料的特点：天然气汽车成本低，储量丰富，主要以压缩天然气汽车cn

19、g 为代表。 cng 燃料本身呈气态，不需进行雾化，燃烧充分，尾气中co 含量较低，无排烟，但动力降低10%，携带不便。甲醇具有辛烷值高、低发热量、低公害和无排烟的特点。但甲醇的十六烷值低，着火性差，需要加装点火装置，冷启动性差，有腐蚀性，并要解决润滑油消耗量大和处理未燃甲醇来降低排放。液化石油气 nox、pm 排放较低，hc 易氧化，可实现稀薄燃烧，以预燃电热辅助点火和电控喷射液化石油气排放为佳，通常采用双燃料汽车。随着科技的发展，通过计算机辅助设计对柴油机燃烧系统、进排气系统、燃油供给系统和燃烧室结构的优化设计，并采用新材料和新工艺，广泛采用增压中冷和电控高压喷射控制技术并采用尾气处理技术

20、综合控制，将是柴油机发展和进行尾气控制的发展方向。08 汽车检测与维修专业毕业论文8 柴油机燃用醇类燃料时， 基本可以实现无烟排放， 在中、低负荷时 nox 的排量也很低。近年来可以作为内燃机代用的醇类燃料很多，其中甲醇是目前应用最广的内燃机代用燃料。但如果不采用适当措施，柴油机排放的hc、甲醛将成为重要的排气污染物。以氢作为柴油机代用燃料时， nox 和其它污染物的排放都很低。将来太阳能利用及氢的存储技术解决之后，氢将成为柴油机的主要燃料，但缺点是易于回火。如采用燃料电池，其电能转化效率在40%-65%之间，远远高于柴油。燃料电池的工作温度低于1000，此时基本不产生 nox，且其它污染物排

21、放也很低。燃料电池的应用在技术上已不存在重大问题，唯一的障碍在于成本太高。燃用压缩天然气或液化天然气，nox 和微粒排放可同时减少75%-80%。二甲基乙醚作为最新出现的液体燃料，其燃烧后无微粒产生且nox 的排放亦很低。（五）废气再循环系统废气再循环（ egr）是将一部分排气导入进气系统中，通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低 nox 的排放。利用 egr 来降低 nox 的排放，需要与电子控制（ ecu）结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号对废气进行随机控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中 nox 的排放。采用废气再循环（ egr）是降低nox 排放的一项