发动机有害排放物的控制系统

发动机有害排放物的控制系统一、发动机的有害排放物汽车排放的污染物主要有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氧氮化合物(NOx)和微粒。1、CO：是燃油的不完全燃烧产物，是一种无色无臭无味的气体。它与血液中血红素的亲和力是氧气的300倍，因此当人吸入CO后，血液吸收和运送氧的能力降低，导致头晕、头痛等中毒症状。当吸入CO气体的体积分数达到0.3%时，可致人于死亡。生成CO的主要原因是CH燃料的不完全燃烧，除此之外，在燃烧过程中局部高温热分解也是重要原因。2、Nox：主要是指NO和NO2，其中绝大部分是NO(约占95%)，在燃烧后期或排气过程中，部分NO氧化成NO2,NOx产生于燃烧室内高温富氧的环境中。NOx和HC一样也是形成光化学烟雾的主要元素之一。控制NOx产生的主要方法有：降低混合气中氧的浓度，降低燃烧温度，缩短在高温燃烧带内的滞留时间以及改善混合气的形成等。3、HC:作为燃烧产物，大体上可分为不含氧的HC和醛类等含氧的HC化合物两大类。HC化合物在阳光照射下引起光化学反应，产生臭氧(O3)、PAH(多环芳香族HC化合物)等具有强氧化特性的物质，形成光化学烟雾。它不仅降低大气能见度，使橡胶开裂，植物受害，刺激人的眼睛和咽喉，而且在HC化合物中的PAH是致癌物质，是导致碳烟的副产物。HC化合物产生的主要原因有未完全燃烧生成的HC、由燃料供给系统泄漏产生的HC以及未燃燃料从燃烧室直接排出的HC等三种。其中引起未完全燃烧的原因是燃烧室内的氧气量不足，燃烧室壁面温度过低，以及混合气形成不充分或燃烧室内局部混合气过浓等。HC化合物的控制方法主要有采用C含量少的代用燃料；或采用电控技术改善燃烧，保证混合气的浓度和燃烧温度最佳等。4、微粒：主要是指柴油机排气中的碳烟，微粒 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 比较小，可长期悬浮在大气中，不仅降低大气的可见度，而且易于被人吸人肺部，同时微粒中的SOF成分具有致癌物。碳烟是HC系列燃料的燃烧产物，所以其产生与HC系列燃料的燃烧状态直接有关。对预混合火焰，在燃料过多的浓混合气下，混合气接近火焰带时受到火焰面的高温热辐射而热分解成碳烟。产生碳烟的另一个条件就是温度场。对预混合火焰，当温度在2100—2400K时碳烟生成量最大，火焰温度进一步升高时，碳烟生成量反而减少。在扩散火焰区内，产生碳烟的主要原因是缺氧。柴油机的燃烧过程一般包括预混合燃烧和扩散燃烧。由于在柴油机燃烧室内混合气极不均匀，尽管总体上是富氧燃烧，但局部缺氧，特别是燃烧后半期随活塞的下移，缸内温度和压力降低，使燃烧过程不稳定，不能保证碳烟的充分氧化时间，最终导致碳烟的生成。控制碳烟的方法主要有两条基本途径：其一就是提高火焰温度，但这种方法与控制NOx排放量互相矛盾；其二就是控制火焰领域内的混合气浓度，避免过浓状态。为此，对预混合火焰需要供给充分的氧气；而对扩散火焰，需要促进混合气的形成。因此，控制碳烟最基本的原理就是如何控制火焰领域内的混合气浓度。为此，需要组织燃烧室内的气流运动，促进紊流混合，同时促进喷雾的微粒化。具体措施有：提高喷射速率，或进行高压喷射，由此促进喷雾的微粒化，这有利于控制燃烧初期的局部混合气浓度和燃烧中后期的紊流扩散火焰，是改善混合气的有效方法；此外，改进燃烧室结构，有效组织燃烧室内的气流运动，特别是保证燃烧室内一定的涡流强度，是一种促进扩散燃烧和碳烟氧化的很有效的措施。二、汽油机的排放控制装置1、催化转化装置催化转化装置是利用催化剂的作用，将排气中的CO、HC和NOx转换为对人体无害的气体的一种排气净化装置，也称作催化净化转化装置。.氧化催化转化装置氧化催化转化装置只是将排气中的CO和HC氧化为CO2和H2O。作为氧化催化剂，主要用Pt(钯)和Pd(铂)等贵金属。为了在排气过程中氧化HC和CO排放物，或者作为排气净化装置，采用催化装置或热废气反应器时，需要向排气系统供给新鲜空气。.三元催化转化装置三元催化转化装置的有效净化作用受空燃此的影响，即在理论空燃比附近很窄的空燃比范围内才具备有效的净化效果，所以使用中要求精确控制空燃比。三元催化转化装置主要由催化剂、载体、垫层和壳体等组成。其中，催化剂是由活性成分(也称主催化剂)、催化助剂组成。将催化剂固化在载体上构成催化反应床。常用主催化剂有铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属，其价格昂贵，是催化剂中起催化作用的主要成分；但Pd易受Pb(铅)的侵蚀，而Pt易受热劣化，所以实际应用时以Pt/Pd组合形式使用。对车用催化剂，催化反应是在催化剂表面上发生，所以为了提高主催化剂的有效利用率，采用Ni.Cu、V、Cr等软金属作为添加剂使用。2、降低低温HC排放装置汽车向大气排出的HC主要是在排气温度达到催化剂开始反应温度之前的冷态下排出的。因此，降低HC的关键在于如何控制发动机刚起动后的冷态下HC的排放量。其控制方法有以下几种。.直接催化将催化转化装置直接安装在排气管之后，加快催化剂的升温速度。对降低冷态下的HC很有效。这种方式存在的问题是，由于催化转化装置安装在离发动机排气管尽可能接近的位置，所以受高温的影响，促进催化剂的热劣化，因此，需要提高催化装置的耐热性。提高催化装置耐热性的技术包括贵金属劣化抑制技术、氧化铝母体的劣化抑制技术和氧吸藏物质的劣化抑制技术。.利用电加热催化转化装置这种装置是一个通过外部电力提前加热催化，电加热催化转化装置的主要缺点是耗电量大，耐久可靠性较差。.二次燃烧装置这是一种将燃料的一部分或过浓混合气送到催化转化装置之前，由燃烧器点火燃烧促进催化的装置。这种方式的主要缺点是结构复杂。.采用HC捕捉器HC捕捉器的特点是不需要外部能量，也能将低温排出的HC吸附。它主要采用沸石或活性炭作为吸附剂。HC捕捉器在低温时吸附的HC，在吸附剂温度上升时被释放出来，所以常与三元催化转化装置同时使用。3、稀薄NOx催化转化装置稀薄燃烧技术的空燃比大于理论空燃比，所以三元催化转化装置不再适用。因此，专门开发出了稀薄混合气燃烧时的NOx催化转化装置。这种催化转化装置主要有NOx直接分解型和NOx吸附还原型两种。直接分解型催化转化装置是一种在稀薄混合气下以HC为还原剂直接净化NOx的方式。这种方式通过Cu一沸石以及Pt（铂）系列贵金属催化剂，将NOx吸附在催化剂表面上，然后由HC还原消除贵金属表面上所吸附的氧，使NOx直接分解为N2和02。NOx吸附还原型催化转化装置是一种在稀薄燃烧时吸附NOx,在浓或者理论空燃比时将吸附的NOx进行还原净化的系统。4、废气再循环系统废气再循环是净化排气中NOx的主要措施，因而得到广泛应用。再循环的废气量由废气再循环阀自动控制。由真空操纵的EGR阀有传统式及排气背压传送式两种。1）、传统式EGR阀2）、正背压EGR阀三、其他排放物的控制系统1、汽油蒸发控制系统汽油蒸气将逸入大气，造成对环境的污染。汽油蒸发控制系统的功用便是将这些汽油蒸气收集和储存在炭罐内，在发动机工作时再将其送入气缸烧掉。2、强制式曲轴箱通风系统在发动机工作时，会有部分可燃混合气和燃烧产物经活塞环由气缸窜入曲轴箱内，还可能有液态燃油漏入曲轴箱。这些气体将加速润滑油变质并使机件受到腐蚀或锈蚀。又因为窜入曲轴箱内的气体中含有HC及其他污染物，所以采用的强制式曲轴箱通风系统，避免这种气体排放到大气中。各工况下PCV阀的开度四、柴油机的排放控制系统1、EGR系统1）.EGR率2）.EGR对发动机性能及排放特性的影响柴油机实施EGR后对其燃烧过程的影响，主要表现在再循环废气抑制预混合燃烧速度。即在预混合气体中存在相对于EGR率的CO2浓度，而O2浓度却减小，所以抑制了燃烧度。随EGR率的增加，燃烧气体温度降低，预混合燃烧的峰值减小，但扩散燃烧部分变化很小。柴油机实施EGR时存在的问题有：自然吸气式发动机性能及燃油消耗率的改善；NOx以外的有害排放气体CO、HC和PM、黑烟等的改善；EGR率的精确控制；增压发动机上大EGR的实施领域以及提高可靠性、耐久性等。在增压发动机上实施EGR时，排气管压力和进气管压力之差是很重要的。在轻负荷、低速区，由于进气压力较低易实现EGR但随负荷及转速的增加，进气压力升高至大于排气压力时，就不可能再实现EGR。为了保证所需的EGR气体流量，柴油机的EGR回流管3直径要比汽油机大，EGR阀也随之变大。3）.柴油机EGR的类型根据EGR的回流方式，车用增压柴油机的EGR系统分为外部EGR方式和内部EGR方式两种。外部EGR方式又根据进、排气管的联接方式不同分为低压回路方式和高压回路方式。低压回路EGR方式是直接联接压气机7入口端和废气涡轮5出口端来实现EGR的方法。由于压气机7的入口处为负压，而废气涡轮5出口压力为正，所以通过联接适当的EGR回流管6,就可以很容易地实现EGR。但由于这种方式的废气直接流过压气机7和中冷器8,所以易造成压气机的腐蚀和中冷器的污染等。高压回路EGR方式，即直接联接压气机后的中冷器8出口端和废气涡轮5入口端来实现EGR。由于这种EGR方式的废气不流过压气机和中冷器，所以不存在对压气机和中冷器的腐蚀和污染问题；但可实现的EGR率取决于排气压力和进气压力之差。特别是在中、大负荷时，由于增压进气压力提高，所以很难实现EGR。内部EGR方式是利用进、排气管中的气体脉动进行EGR的方式。对发动机各工作循环，在进气管和排气管中气流的压力脉动都很大。在排气行程中，气缸内的压力比较接近排气管压力；而进气行程中，气缸压力与进气管压力相近。而且在进气行程中，排气管内由于其他气缸的排气压力的作用，也存在较大的压力脉动。在这种压力脉动的作用下，使某一缸在进气过程中，其排气门处出现正压波。此时，如果能再次开启排气门，就可实现EGR。为了实现内部EGR方式，在排气凸轮中除控制排气所需凸轮1（主凸轮）以外，又增设内部EGR专用凸轮2（EGR用凸轮）。通过这种机构，在进气过程中的适当时刻再次开启排气门3,使排出的废气回流到气缸内部，以实现EGR。由于内部EGR系统不需要排气节流，所以不影响泵气损失，因而对经济性无影响，同时不需要EGR阀以及EGR管路等，所以结构比较简单。2、后处理装置柴油机的后处理装置包括NOx还原装置、CO及HC氧化装置以及微粒捕集装置等。其中，作为NOx的比较典型的还原催化技术是：（1）酒精选择还原法当氧化铝系催化剂采用酒精还原法时，即使在氧和水蒸气共存的排气中，也表现出显著降低NO。的效果。这是因为酒精具有亲水性，与水蒸气的性质相似，而且酒精和氧化铝具有良好的促进NO。还原反应的性质。（2）氨气选择还原法（NH3-SCR法）氨气还原法是在排气中导人氨气，并使之在200-400C下与以金属氧化物为主要成分的固体催化剂相接触，由此还原N0x。车用柴油机的微粒主要采用过滤法进行处理。微粒过滤器的滤芯4由多孔陶瓷制造，它有较高的过滤效率。排气穿过多孔陶瓷滤芯进入排气支管1，而微粒则滞留在滤芯上。过滤器工作一段时间后，需及时清除存积在滤芯上的微粒，以恢复过滤器的工作能力和减小排气阻力。为此，在过滤器入口处设置一个燃烧器5,通过喷油器6向燃烧器内喷入少量燃油，并供入2次空气，利用火花塞或电热塞3将其点燃，将滞留在滤芯上的微粒烧掉。根据微粒过滤器的滤芯材料及结构，分为陶瓷纤维板、陶瓷泡沫、金属网以及蜂窝状等几种。滤芯应具有高的微粒捕集效率，同时背压低、耐久可靠、易于生产。目前，满足这些要求的微粒过滤器滤芯的结构如图6-16所示，主要由多孔薄壁2和陶瓷孔塞4组合成蜂窝状。微粒过滤器存在的最大问题是再生处理技术，即将滤芯捕集的微粒进行处理的方法。如果不处理掉滤芯捕集的微粒，滤芯上微粒堆积过多，使排气背压升高，则不仅影响经济性，严重时还会造成发动机停止工作。大部分微粒可通过燃烧进行再生处理。由于微粒的着火温度约为600C，在发动机常规运转状态下，不可能自行燃烧进行再生处理，故需要强制着火燃烧系统。目前所开发研究的再生技术，有燃烧器法、电热塞、进排气节流、对燃料添加催化剂以及向滤芯喷射催化剂等几种方法。但这些技术尚未十分成熟，有待进一步研究。