第三章汽油机废气净化与后处理(4)

1、3.4 汽油机废气净化及后处理技术v3.4.1 废气排放污染物的危害v3.4.2 汽油机废气有害排放物的生成机理与影响因素v3.4.3 汽油机废气机内净化措施v3.4.4 汽油机废气后处理技术3.4.1 废气排放污染物的危害v一氧化碳CO的危害；v氮氧化物NOx的危害；v碳氢化合物HC的危害；v微粒PM对人类的危害。内燃机废气排放物的组成v内燃机排气中基本成分是二氧化碳、水蒸气、过剩的氧气、及存下的氮气，它们是燃料与空气完全燃烧的产物，从毒物学的观点看，它们是无毒的。v排气中还含有不完全燃烧及燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化合物NOx、二氧化硫SO2、微粒（铅化物、

2、黑烟、油雾等）、臭气（甲醛、丙烯醛等）等。这些污染物总和，在柴油机中不到废气总量的1%，在汽油机中随不同工况变化较大，有时可达5%左右，大部分有毒，或有强烈的刺激性、臭味和致癌作用，因此列为有害成分。一氧化碳CO的危害vCO是一种无色无味的气体，它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍。CO与血红蛋白结合成羟基血红蛋白，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。氮氧化物NOx的危害v内燃机废气中氮氧化物绝大部分是NO，少量是NO2。NO是无色气体，高浓度NO能引起中枢神经的瘫痪及痉挛，在大气中缓慢氧化成为NO2，成褐色，具有强烈的刺激气味，对肺和心肌有很强的毒害作用。vNOx是形成光化

3、学烟雾的主要成分。碳氢化合物HC的危害v内燃机排气中HC浓度随着工况与试验条件的不同差别很大，可由几十ppm到1万多ppm，但和CO相比还低得多。v碳氢化合物对人类危害最大的是环芳烃，尤其是3.4苯并芘，是一种很强的致癌物质。v排气中甲醛和丙烯醛能强烈刺激眼睛及呼吸器官。vHC也是造成光化学烟雾的主要成分。微粒PM对人类的危害v排气中微粒是指经过空气稀释、温度降到52后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。柴油机排出的微粒大多小于0.3m，其主要成分是碳及其吸附的有机物质。吸附物中有多种PAH，具有不同程度的致癌作用。v2 m以下的碳烟吸入肺部会沉积起来，而0.10.5 m的碳烟

4、对人体的危害更大，除了致癌作用外，这种炭烟吸入肺部，会导致慢性病、肺气肿、皮肤病及变态性疾病。v颗粒越小，悬浮于空气中的时间越长，被人体吸入的可能性越大。3.4.2 汽油废气有害排放物的生成机理与影响因素v一氧化碳CO的生成机理与影响因素v碳氢化合物HC的生成机理与影响因素v氮氧化物NOx的生成机理与影响因素一氧化碳CO的生成机理vCO是碳氢化合物在燃烧过程中生成的中间产物。v控制CO排放的主要因素是可燃混合气的过量空气系数a。在浓混合气中a小于1，随减小而CO不断增加；在稀混合气中， CO很低，在a 1.01.1之间，CO随略微变化。v凡是影响过量空气系数的因素都是影响CO生成的因素。一氧化

5、碳CO生成的影响因素v进气空气温度T0的影响：进气温度上升，大气密度下降，而汽油密度变化很小，对化油器发动机，随进气温度升高，混合气加浓。v大气压力p的影响：大气压力下降，空气密度下降，同样大气压力的变化会影响混合气过量空气系数。v进气管真空度的影响：当汽车急剧减速时，发动机真空度大于负63kPa，停留在进气系统中的燃油迅速蒸发进入燃烧室，组成混合气过浓。CO显著增加到怠速时的浓度。怠速转速对汽油机CO生成的影响v怠速转速的影响：提高怠速转速，可有效降低CO排放，但怠转速过高，机械噪声会增加。v一般从净化的观点，希望怠速转速规定的高一点好。汽油机工况对CO生成的影响v汽油机在部分负荷运转时，混

6、合气的a接近1，CO排放量不高。但多缸机如果a不同，仍会有的气缸a 350 热转换器工作原理v氧化催化转换器对NOx无效，因此需要事先在燃烧室内对NOx进行削减。氧化催化方式有将空燃比设定在过浓区和稀薄区。v将空燃比设在最大功率附近的过浓区，汽油机性能下降不多，但CO、HC则增加很多。因此用空气泵将空气送入排气中，使CO、HC在氧化催化转换器内进行稳定氧化反应。v将空燃比设定在稀薄区，汽油机功率有所下降，但经济性好，CO和HC较少，二次空气量可减少。v一般增加EGR对NOx进行净化。双床催化（氧化还原）催化转换器v双床催化转换器双床催化转换器是先利用排气中的还原气体CO、HC来还原NOx，然后

7、在喷入二次空气以氧化CO和HC。v缺氧双床催化转换器缺氧双床催化转换器必须在浓混合气状态下运行，油耗高，很不经济，目前少用。v富氧双床催化转换器富氧双床催化转换器汽油机的最低油耗点在富氧区，为了降低汽油机的燃油消耗率，稀燃汽油机重新兴起。这种汽油机不适合三效催化转换器，而采用富氧双床催化转换器。化油器汽油机化油器汽油机补气系统补气系统工作原理：工作原理：化油器供应相对较化油器供应相对较浓的混合气，由氧浓的混合气，由氧气传感器给出反馈气传感器给出反馈信号后，再由补气信号后，再由补气系统根据情况进行系统根据情况进行补气，以使混合气补气，以使混合气浓度达到三效催化浓度达到三效催化转化器的要求。转化器

8、的要求。三效催化转换器v三效催化转换器是一种能同时净化NOx、CO、HC3种有害气体排放的催化转换器，它是汽油机排气废气后处理种最有效的方法。v为了同时处理这3种气体，必须保证NOx还原所需的CO、HC和H2等还原性气体和为保证CO、HC氧化反应所需的O2。所以允许的空燃比范围非常窄。v右图是过量空气系数对三效催化转换器效率的影响曲线。vNO+CO=1/2N2+CO2vNO+H2=1/2N2+H2OvNO+HnCm N2+H2O+CO2v三效催化转化器的主要成分：Pt/Rh=2/7。其余为A2O3，NiO和CeO2三效催化转换器控制原理图三效催化转换器闭环控制系统v为保证空气过量系数在当量比附

9、近，三效催化转换器必须和传感器（氧传感器）结合构成的闭环控制系统。v传感器测量排气中的氧含量，并将它转换成电信号输入调节器，调节器根据它来对根据进气流量传感器确定的燃油量进行校正，以保证实际过量空气系数变化在1%以内。三效催化转换器结构NOx吸附催化转换器v三效催化转换器不能满足稀燃汽油机NOx的净化要求。可以采用NOx吸附催化转换器。v转换器种含有贵金属和碱土金属作为活性成分，在稀混合气状态，NO在贵金属的催化作用下，被氧化成NO2，这样NOx都以NO2的形式出现，并和碱土金属结合，排气中的HC和CO被直接氧化成H2O和CO2。v在达到碱土金属吸附极限前，将汽油机短暂进入浓混合气状态，使排气

10、中产生足够的还原剂（CO、HC、H2等），与碱土金属中析出的NO2反应生成CO2和N2，这个过程叫NOx的吸附催化转换器的再生过程。3.3.5 汽油机废气再循环技术v废气再循环的主要目的是降低NOx排放。废气再循环同时稀释混合气（但很少改变过量空气系数），减少换气损失，提高汽油机经济性。v在有足够氧气的条件下，内燃机NOx形成主要取决于发动机的燃烧温度。废气再循环是通过降低发动机燃烧温度，减少NOx排放的主要手段之一。v废气再循环降低发动机燃烧温度的途径：提高混合气的热容比，CO2的热容比是O2的1.5倍左右，废气成分的增加，使混合气热容比提高。降低混合气O2的浓度，由于一部分空气被废气取代，

11、混合气中O2的浓度响应减少。降低燃烧速度，以上两种效应使发动机燃烧温度降低，增加了燃烧时的散热，降低了最高燃烧温度。废气再循环对汽油机NOx排放的影响汽油机废气再循环的种类v内燃机废气再循环分为：内部废气再循环内部废气再循环，进、排气门重叠开启时，部分废气回流到气缸。双凸轮轴四气门或电磁气门控制汽油机可以通过可变进气相位，取得较好的废气再循环效果。外部废气再循环外部废气再循环，把经过冷却的废气引入进气管，与新鲜混合气（汽油机）或空气（柴油机）一起进入气缸。外部废气再循环一般应用于部分负荷，满负荷时应用废气再循环影响功率，怠速时应用废气再循环影响运转稳定性。v外部废气再循环分为：气电式废气再循环

12、；电磁式废气再循环。气电式废气再循环v气电式废气再循环系统中，废气再循环量是由废气再循环阀的开度和紧排气管之间压力差共同决定的，它的控制是通过控制废气再循环阀5的位置来实现。该位置主要是由作用在阀顶端的膜片上的真空腔内的负压决定的。负压由节气门后的进气管提供。为精确控制废气再循环阀的开度，在真空腔和进气管之间，有一个电控压力转换器，它根据控制电脑的指令，控制废气再循环阀内真空腔的负压，以此控制废气再循环阀的位置。电磁式废气再循环v电磁式废气再循环系统中，控制废气再循环阀的位置直接通过电磁阀，因而具有：动态响应好；调节精度高；废气回流量大；结构简单等优点。图图 节气门开度节气门开度35%35%、

13、n=3200r/minn=3200r/min发动机性能发动机性能0.000.020.040.060.082004006008001000120014001600180020002200NOppmNOppmEGREGR薹薹中央进气中央进气单侧进气单侧进气280290300310320330340-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.121415161718比油耗 g / (kW h)比油耗 g / (kW h)功率 k W功率 k WEGR率EGR率 中央进气功率 中央进气功率 单侧进气功率 单侧进气功率中央进气油耗中央进气油耗单侧进气油耗单侧进气油耗EGR进气方式对发动机性能的影响进气方式对发动机性能的影响提高冷起动时催化转换器效率的措施v带有传感