车用汽油机排放检测与处理

1、. . . . 车用汽油机排放检测与处理 绪论汽车是人类最重要的交通工具之一,其增长率 超过人口增长率,而且还在不断增加。在整整一个 世纪中,全球汽车保有量已达到近8 亿辆。因此,环境保护已成为世界性的重要问题。削减汽车排放污染物的最根本途径是依靠汽车排放控制技术,而推动先进排放控制技术发展的动力主要是实施严格的汽车排放标准。汽车排放污染物控制技术可分为三类:以改进发动机燃烧过程为核心的机净化技术;在排气系统中采用化学或物理方法对已生成的有害排放物进行净化的排放后处理技术;对来自曲轴箱和供油系统的有害排放物进行净化的非排气污染控制技术。后两类统称为机外净化技术。汽车排放控制技术的研究与运用目的

2、是减少机动车的有害排放量，特别是燃机的排放。机动车排放的污染物已被证实有多种对公众和环境有负面影响的因素。19501960年，世界各地的学者在美国进行空气污染源的研究，研究结果显示很大一部分污染源来自汽车和各国政府不加重视的污染源。1970年，美国联邦环境保护局成立，这两个机构以与其他机构创建并执行美国汽车排放法规。随后在加拿大，西欧，澳大利亚以与日本都出台了类似的排放法规。 最早应用于汽车污染物控制的系统是曲轴箱通风系统，增加了曲轴箱碳氢化合物比重，产生了光化学烟雾，所以燃料燃烧的远远大于未燃烧的。这项技术得到了应用，随着发动机设计技术与汽车各项技术的提高已经能减少很对有害气体的排放，但是这

3、些还不能满足排放控制的目标，技术解毒也是排放控制的一个重要组成部分。一、 汽油机排放的种类和危害排放物种主要包括：1.1碳氢化合物燃料完全燃烧或部分燃烧的产物，它是一种有害物。碳氢化合物是烟雾的主要成分，是城市的一个重要污染因素。如果它在空气中长期存在可导致哮喘，肝脏疾病，肺部疾病以与癌症发生。碳氢化合物在空气中的含量与汽车发动机的类型和当地出台的相关条例有关，在某些情况下以非甲烷碳氢化合物为标准进行污染控制，而在另一些情况下以总烃为标准。一个适用于非甲烷烃控制的技术可能不适用于总烃的控制。甲烷没有毒性，但它在催化器中很难分解，而且它是一种温室气体我们还需考虑如何减少排放量，因此以非甲烷烃控制

4、更容易实现一些。1.1.1一氧化碳（CO）燃料不完全燃烧的产物，它对血液的携氧能力有影响，人体过多吸入可能致命，它是生活中的一个重要杀手。1.1.2、氮氧化物（NOx）空气中的氮气和氧气在发动机的高温高压下发生反应所产生。氮氧化物是造成烟雾与酸雨的主要原因，它是NO，N2O，NO2的混合物,其中NO2可导致呼吸道感染疾病，氮氧化物在发动机连续运转发热时产生最多。1.1.3、颗粒物烟雾中用肉眼看不到的微小物体，颗粒物对人体有负面影响，是导致呼吸道感染，癌症等疾病的一个因素。1.1.4、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减少尾气中有害硫化物排放量，但炼油厂一般不会这样

5、做，因为要使燃料中硫含量减少就需要增大他们的成本，而他们并不管如果不减少硫含量就会大大增加整个社会的“成本”。6、挥发性有机化合物（VOCS）它们的沸点通常小于等于250°C，例如氟氯烃和甲醛，挥发性有机化合物是碳氢化合物的一小部分，因为它对人体的危害性所以单独提出。、19501960年，世界各地的学者在美国进行空气污染源的研究，研究结果显示很大一部分污染源来自汽车和各国政府不加重视的污染源。当时对污染控制要求最低的国家是美国，它们没有任何作用的地方法规逐渐取代了政府和联邦的法规。直到1967年加利福尼亚州组成了加利福尼亚空气资源委员会，1970年，美国联邦环境保护局成立，这俩个机构

6、以与其他机构创建并执行美国汽车排放法规。随后在加拿大，西欧，澳大利亚以与日本都出台了类似的排放法规。最早应用于汽车污染物控制的系统是曲轴箱通风系统，增加了曲轴箱碳氢化合物比重，产生了光化学烟雾，所以燃料燃烧的远远大于未燃烧的。这项技术得到了应用，1961年出台相关规定表示以后在加利福尼亚生产的所有汽车必须使用此项技术，次年纽约也引进了曲轴箱通风技术，到1964年几乎所有在美国生产销售的汽车都具有曲轴箱通风设备，很快在全世界的汽车行业里盛行。第一个废气排放标准是1966年加利福尼亚出台的关于排气管排放的法规，之后在1968年政府把它作为全国的条款在美国推行，这个由美国环保局发行的标准正在一年一年

7、的收紧。直到1974年，由于标准的逐渐收紧严重的影响了汽车的发动机效率，所以燃料的使用率飞速增加。新的标准在1975年颁布，包括了燃料增加的规定，这就迫使对催化转换器的深入研究，但这是不能与现有的含铅汽油所兼容的，因为铅渣会腐蚀铂金制造的催化剂。1972年通用公司向美国政府提出：1975年以后禁止含铅汽油的使用。生产和经销无铅汽油是一个很大的挑战，在1975年这个挑战被顺利拿下。到现在所有汽车几乎都配备了催化转换器并且在美国市场上几乎没有含铅汽油。现在，发动机效率的不断改善，提高发动机设计，精确的点火时刻和电子点火系统的应用以与计算机对汽车的管理以对排放物污染的控制有了很大的帮助。发动机设计技

8、术与汽车各项技术的提高已经能减少很对有害气体的排放，但是这些还不能满足排放控制的目标，技术解毒也是排放控制的一个重要组成部分。其包含：空气喷设（主要是二次空气喷射）：最早研制出的废气排放系统是二次喷射，最初，这个系统是用来将氧气注射到发动机排气口与为充分燃烧的气体进行二次燃烧已达到充分燃烧的目的。现在空气喷射用来催化氧化反应并且当发动机冷启动时可减少排放。冷启动后，发动机需要充足空气混合物来燃烧达到它的操作温度，而在没有达到这个温度之前催化转换器是不起作用的，空气注入发动机之后可加快操作温度的到达时间也就加快了催化转换器的工作时间，可以把更多的未燃烧物进行充分的燃烧。空气注射技术是一个辅助技术

9、，它主要用于支持发动机的另一些主要技术。废气再循环：在美国和加拿大，1973年之后生产的车辆都增加了一个可以在特定的操作条件下计量气体进入与排除发动机的一个系统，它既不是用来燃烧的也不是用来支持燃烧的，它是用来改变空燃比以降低燃烧的最高温度。这对减少氮氧化物的形成量起来促进作用。催化转化器：催化转化器安装在排气管，它利用铂，钯，铑等做催化剂可以把碳氢化合物，一氧化碳，氮氧化物转换成无毒的和毒性很小的气体然后再排放出来，目前有俩种转化器一种是双向的一种是三通的，1980年以前大部分汽车使用双向的，1980年出现了三通转化器也就取代了以前使用的双向转化器。二、车用汽油机排放控制技术应用现状2. 2

10、车用汽油机机净化技术2. 2. 1 电子控制燃油喷射系统电子控制燃油喷射系统( EFI) 利用传感器检测发动机的各种状态,经微机判断、计算,使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。1995年以后,国外汽油机几乎100 %采用EFI 系统,而其中绝大多数是多点电喷汽油车。目前,我国已停止生产化油器式汽油车。2. 2. 2 可变进气流通截面与可变配气定时系统采用可变进气流通截面可改善中速运转与部分负荷时的汽油机性能,并可控制燃烧速率。采用可变配气定时系统可调节缸剩余废气量,降低NOx排放,改善怠速性能。2.2. 3 废气再循环发动机工作过程中, 将一部分排气引到吸入的新鲜空气(或混合气)

11、中并返回气缸进行再循环的方法称为废气再循环( EGR) ,可有效控制NOx 的排放。但由于它减少了进气充量中的含氧量,只宜在部分负荷时采用,以使HC 不致明显增加。要最大限度地减少NOx 含量,又不影响汽油机经济性和HC 排放,需采取有效调整装置来优化整个工作围的废气再循环。电控技术是解决这一矛盾的有效手段。最近国外电控EGR 技术获得成功,已使其成为现代车用汽油机的有机组成部分。我国也开始应用电控EGR 技术。2. 2. 4 燃烧系统优化设计不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别。燃烧室设计的重要原则之一是面容比小,即尽可能紧凑;火花塞尽可能布置在燃烧室中央,以缩短火焰传播距离。紧凑的燃烧

12、室可直接使汽油机的热效率提高, HC 和CO 排放降低;与推迟点火提前角或EGR 联用,可同时降低NOx排放。三、车用汽油机机外净化技术综观人类治理汽车排放污染的历程,在20 世纪70 年代中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过程为主的各种机净化技术。这些技术尽管对降低排气污染起到了很大作用,但效果有限,且不同程度地对汽车的动力性和经济性带来负面效应。随着排放法规的日益严格,人们开始考虑包括催化转化器在的各种机外净化技术。三效催化剂( TWC) 的研制成功使汽车排放控制技术产生了突破性的进展,它可使汽油车排放的CO、HC 和NOx 同时降低90 %以上。目前,电子控制汽油喷射加三效催化转化器已_

13、成为国际上汽油车排放控制技术的主流。除少量微型车和中、重型货车外,所有汽油车都采用了催化转化器,特别是汽油机轿车和轻型卡车,它们采用三效催化剂的比例分别为91. 6 %和100 %。由此可以看出三效催化转化器在排放控制技术中的重要地位。此外,机外净化技术还有曲轴箱强制通风装置、二次空气喷射控制系统和燃油蒸发控制系统。四、车用汽油机排放控制技术的发展趋势4. 1 清洁代用燃料近几十年来,国外在努力降低作为汽车主流动力的汽油机和柴油机的排放污染的同时,也在不懈地探索和研究开发更理想的动力系统和排放污染更低的代用燃料。其目的不仅是为了降低汽车排气污染,也为了节省能源和开发新的汽车能源,以缓解汽车对石

14、油燃料的单纯依赖。清洁代用燃料可以分为: 常规燃料的变型产品,如新配方汽油(RFG) 、新配方柴油(RFD) 或低硫柴油(L SD) 等; 气体燃料,如天然气(N G) 、压缩天然气(CN G) 、液化天然气(LN G) 、氨(N H3 ) 、H2 、液化石油气(L PG,其主要成分为丙烷) 等; 在天然气、煤基础上生产的燃料,如F TL 和F T 油、甲醇和醚类燃料( 二甲醚DME、二乙醚DEE 等) ; 由玉米、草木类植物、含碳废弃物提炼的生物乙醇; 由花生油、菜子油等生产的生物柴油。2004 年12 月,我国政府制定的“中国节能中长期十大工程”中的第四大工程就是“节约和替代石油工程”,其

15、核心容除采取各种措施节约石油外,还指出要实施清洁汽车行动计划,发展混合动力汽车,在城市公交客车、出租车上推广燃气汽车(CN G、L PG) ,加快醇类燃料(甲醇、乙醇等) 推广和煤炭液化工程的实施进度,发展替代燃料,节约和替代石油3 800 万t 等。4. 2 稀燃发动机稀薄燃烧技术是将少量燃油和大量空气混合,使燃油充分燃烧的一种技术。传统发动机的空燃比在14. 7 1 附近,而稀燃发动机的空燃比通常在15 127 1 。由于可以使燃油充分燃烧,与传统发动机相比,稀燃发动机可节约燃油,并可显著减少尾气中有害成分的含量。汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀燃系统( PFI) 、直接喷射稀燃系统( GD

16、I) 和均质混合气压燃系统( HCCI) 。目前,大学已分别在TJ 376Q和丰田8A - FE16 气门汽油机上通过采用特殊的进气道和排气可变技术,实现了汽油机进气道燃油喷射空燃比在24 以下的准均质稀薄燃烧,采用选择催化还原、吸附催化还原和EGR + 三元催化技术降低稀燃下汽油机的NOx 排放,取得了一些具有学术价值的成果。目前,稀燃高压缩比仍是降低汽油机排放、提高性能的主要研究方向。在稀燃时,为改善混合气质量而采取的措施:实现分层燃烧;燃烧室设计得更紧凑,尽量减少有害的缝隙容积;改善火花塞结构与布置,采用高能点火系统,实现快速燃烧等。从20 世纪70 年代起,人们就开始在化油器式汽油机上

17、进行分层稀薄燃烧的尝试。非直喷式分层稀薄燃烧系统有本田公司提出的CVCC 燃烧系统、轴向分层稀燃系统和滚流分层稀燃系统。_4. 3 缸直接喷射技术缸直喷( GDI) 汽油机是在部分负荷时用混合气的分层化实现超稀薄燃烧,得到同柴油机一样低的燃油消耗率;在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合方式,得到高功率特性的理想汽油机。目前,发动机技术已在少量机型中得到应用,欧洲市场还有一些直喷发动机系统。如福特公司开发的PROCO稀燃系统、三菱4G 系列缸直喷稀燃发动机和丰田D - 4 缸直喷稀燃发动机。GDI 面临的主要排放问题是UBHC (未燃尽的碳氢化合物) 和NOx 排放控制。由于GDI 的油气混合主要

18、是依靠喷雾和缸的空气运动,与冷起动时的低温关系不大,所以冷起动时无需过量供油,有效地解决了PFI 冷起动时UB HC 排放过多的问题。但是在中小负荷情况下, GDI 的未燃碳氢化合物的排放仍然较多。目前, GDI 对NOx 排放的控制主要依靠EGR和稀燃NOx催化转化器,其中后者的发展有着深远的影响。部分负荷不使用EGR 时, GDI 的NOx 排放水平与PFI 相差不多。但由于GDI 可实现超稀薄分层燃烧,较稀的空燃比使缸的富裕氧气较多,从而允许使用高EGR 率,充分降低NOx 排放量,且燃烧特性不会因EGR 而恶化。试验表明,在燃油经济性改善保持不变的情况下, GDI 的EGR 率可高达4

19、0 %。虽然如此,但EGR 始终不能在整个发动机转速负荷围减少NOx 排放量,所以单靠EGR 不能满足更为严格的欧洲和欧洲排放法规,要进一步降低NOx 排放,必须开发在稀燃条件6 公路与汽运Hi ghw ays & A utomoti ve A p pl icat ions 第1 期2007 年1 月下的NOx催化转化技术。虽然目前GDI 发动机在技术、成本和排放等问题上还有一些技术难题未能解决,但由于GDI 发动机的一些无可比拟的优点,有人预计, 直喷汽油机将于近几年解决上述技术、成本和排放等技术难题,成为轿车发动机的主导产品。4. 4 车用汽油机的催化转化技术催化转化技术已成为成熟

20、技术而被汽车界接受。目前,国外在降低成本、提高性能和使用寿命方面进行了深入研究:通过纳米技术提高贵金属附着载体的能力,从而减少贵金属含量(可降低15 %40 %) ;催化剂储氧材料CeO2 的研究已进入第三代,这是高性能催化剂的基础; 适应稀薄燃烧(空燃比达22) 富氧条件下的NOx 还原催化剂的研究十分活跃,日本东京大学和美国密执安大学分别研制了双功能催化剂,降低了二氧化硫和水蒸气对催化剂的影响,也提高了催化剂的热稳定性;净化稀燃汽车尾气中NOx 的另一种途径“吸附- 还原法”的研究,即在富氧条件下,先将NOx 用吸附剂储存起来(形成硝酸盐) ,然后在贫氧或受热加温条件下由硝酸盐释放出NOx

21、 ,NOx 与HC 或CO 反应,被还原为N2 。为了使这类催化剂能在富氧- 贫氧交替的气氛中工作,借助电控手段对催化剂再生,即每隔5060 s 由发动机管理系统自动控制节气门减小开度,使空燃比由2223 变到10 左右,同时点火提前角也由上止点前350 CA 推迟到50 CA ,这一期间持续510 s (催化剂再生) ,其NOx 净化效率可达70 %90 % ,通过合理调节,燃油经济性的恶化可控制在1 %以。4. 5 均质混合气压燃( HCCI)HCCI 燃烧方式被人们称为燃机的第三种燃烧方式,是当前燃机燃烧的一个研究热点,它最有希望在近期以两种燃烧方式 在起动和高负荷时以火花点火(SI)

22、方式或柴油机燃烧(DI) 运转,在中、低负荷和怠速时以HCCI 方式工作的组合在轿车发动机上得到应用,从而获得和汽油机一样的高功率输出和低PM 排放,以与在部分负荷(可达75 %负荷) 和怠速时获得和柴油机一样或更高的经济性,但NOx 排放很低。采用HCCI 可以使排气中氮氧化物的含量急剧下降至百万分之几。这是由于HCCI 可以使用非常稀的混合气,使燃气的最高温度不超过1 600 。在此温度以下,空气中的氮气和氧气不进行化合反应或化合反应速度非常低。排气中超低的氮氧化物含量减轻了稀薄燃烧排气后处理的难度。在较高负荷工况,供油量增加,空燃比下降。当燃气温度升高到1 600 以上时,氮氧化物的排放

23、开始急剧升高。为了抑制氮氧化物的生成,可采用进气增压来提高4.6混合气的空燃比。由于HCCI 需采用稀混合气,在一般情况下,一氧化碳排放很低,远低于常规电喷汽油机的水平。但当负荷下降、空燃比增加到70 或80 时,燃气最高温度将开始低于1 200 ,使一氧化碳进一步氧化的过程不能完成,一氧化碳排放急剧增加,严重影响燃烧效率和热效率。因此,要扩大HCCI 工作区域至低负荷区,必须采取措施控制一氧化碳的排放。HCCI 汽油机的碳氢排放介于电喷汽油机和分层燃烧直喷汽油机之间。由于混合气在压缩行程开始之前就已形成,燃烧室壁上的罅隙成为碳氢排放的重要原因。如果采用较高的压缩比,更多的混合气将被压入燃烧室

24、壁的罅隙中,使碳氢排放增加。如果负荷进一步下降,混合气变得更稀,不完全燃烧增加,碳氢排放持续上升,对燃烧效率和热效率产生的显著影响五、车用汽油机排放处理控制的主要技术的新发展方向5.1机净化措施车用汽油机使用稀混合气，可比较全面地降低有害排放物，而高压缩比可提高经济性。目前稀燃高压缩比仍是降低汽油机排放、提高性能的主要研究方向。在稀燃时，为改善混合气质量而采取的措施有：实现分层燃烧；燃烧室设计得更合理紧凑，尽量减少有害的缝隙容积；改善火花塞结构与布置，采用高能点火系统，实现快速燃烧等。日本丰田公司利用产生紊流的辅助燃烧室（&(），开发了一种可以使用稀混合气工作的燃烧系统。该系统在燃烧室

25、中设置副室，在喷口部位配置火花塞。在压缩过程中，一边对火花塞凹坑进行扫气，一边使混合气产生适当的流速，促进着火。副室的压力随着火焰传播而增加，然后传向主燃烧室，产生紊流，促进主室的燃烧。丰田公司的一种复合涡流可控燃烧系统（)*)）采用分层充气燃烧，降低+,- 排放。副燃烧室装有进气门和火花塞，进气门分开驱动。工作时，供给副室的少量极浓的混合气通过孔道与主室的极稀混合气相混合，在副室和孔道附近形成较浓的中间混合气，使混合气能可靠地着火。而主室由于没有强烈的紊流，极稀的混合气只能缓慢地燃烧。所以燃烧温度较低，使生成的+,- 相应减少。日产公司的+.(/01 燃烧室，在离半球形燃烧室中心两侧等距离地

26、配置火花塞，从而延迟了最大点火定时，提高了点火时混合气的温度和压力，使5.2着火性能得到改善。东洋公司的/)/ 燃烧室在气缸盖下设置挡板，用以增强涡流，促进燃料气化，使燃烧产生的+,-降低。三菱公司的2*.034& 燃烧室，设置了由进气门摇臂驱动的小型喷射阀，利用产生的喷流，强化紊流，控制稀混合气的燃烧，降低+,- 的排放量。5.3增加进气，改进排气为了降低排放而不致使动力性和经济性变坏，同时达到油耗法规的要求并改善低速性能，未来汽油机将更多地采用多气阀机构。国外试验结果表明：多气阀汽油机采用闭环控制、理论空燃比运转与废气再循环（45）技术，可使+,6、7) 下降，达到+,689:;&

27、lt; = >?·，7)8!:A< = >?·的标准。!%9 采用可变进气流通截面与可变配气定时系统采用可变进气流通截面可改善中速运转与部分负荷时的汽油机性能，并可控制燃烧速率。采用变配气定时系统可调节缸剩余废气量，降低+,6排放，改善怠速性能。5.4电子控制技术为了进一步降低排放，改善燃油经济性，汽油机电控技术得到突飞猛进发展。目前，国外采用的汽油机电控系统主要有：燃油喷射与空燃比控制；点火定时与爆振控制；废气再循环控制；怠速控制；减速断油、超速保护、增压压力控制；发动机自诊断与故障安全系统、可变配气定时控制等。电控汽油喷射系统可根据发动机的工况精确控制

28、燃油量，使发动机在各种工况时都具有理想的空燃比，燃烧完全，将废气中),、7)、+,6 的含量控制在法规规定的围。国外已开发出B 型、C型电控燃油喷射系统、C7 型数字式燃油喷射系统、单点低压电控燃油喷射系统（&DE）等。目前，美国生产的轿车已全部应用电控汽油喷射系统。我国汽油机电控技术的研究与应用起步较晚，但近年发展较快。点火定时微机控制装置、带爆振传感的点火定时系统、&DE 系统等已研制成功。预计，中小吨位的车用汽油机上会普遍采用电控点火定时装置和电控燃油喷射系统。5.5废气再循环（45）废气再循环可有效地控制+,6 的排放量。但由于它减少了进气充量中含氧量，只宜在部分负荷时

29、采用，以使7) 不致明显增加。要最大限度地减少+,6 含量，又不影响汽油机经济性和7) 排放，需要采取有效的调整装置来优化整个工作围废气再循环。电控技术是解决这一矛盾的有效手段。最近国外电控45 技术获得成功，已使其成为现代车用汽油机的有机组成部分。我国也开始应用。5.6后处理措施利用机外后处理技术也可以降低汽油机的有害排放，实现起来要比机措施容易得多，因此已成为满足目前与未来更严格法规的最重要的排放控制措施_9 后处理措施利用机外后处理技术也可以降低汽油机的有害排放，实现起来要比机措施容易得多，因此已成为满足目前与未来更严格法规的最重要的排放控制措施之一。机外后处理装置主要是催化净化器。它在

30、一些发达国家和地区都得到了普遍应用，其中%"&#""&的轿车都装有催化净化器。5.7三元催化净化器催化净化器从早期的氧化型催化转换发展成为当今的三元催化净化器，即从早期仅净化*+ 和,* 发展到同时净化*+、,*、-+.。三元催化净化器要求发动机必须在理论空燃比下工作，因此现在的三元催化净化器都与电控燃油喷射系统联合使用。三元催化净化器的催化剂由载体和活性成分构成。对载体材料的要：!具有很高的热稳定性。即在排气温度#"""/下，要求载体不变形。"具有很高的机械强度。#具有很高的比表面积。通常催化剂的活性成分集

31、中在载体表面上。大的表面积有利于活性成分的高度分散，对提高催化剂的活性极为有利。$具有很低的热容量。%材料膨胀系数小。目前，催化剂的载体材料主要有活性氧化铝、瓷材料（如堇青石、富铝灰柱石、锂灰柱石等）与金属合金。催化剂的活性成分主要有铂族贵金属如铂、钯、铹、钌等。5.8其它类催化净化器美国正在严格限制排放指标，特别是对,* 的排放量要求更严。为了降低从启动到暖机结束这段时间的,* 排放量，采用了,* 吸附型催化净化器。利用氟石作为吸附剂吸收汽油机冷启动后未完全燃烧的,*，当催化器正常工作时，,* 被脱附转化后排出，有效地降低了冷启动的,* 排放。此外，还采用电加热催化装置。利用电加热的方法，在发动机启动时间，使催化器的催化剂达到工作器，从而减少冷启动时的有害排放。5.9燃料的改质5.9.1汽油的无铅化四乙基铅在相当