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1、第六章第六章 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n第一节第一节 汽车汽车发动机的有害排放物发动机的有害排放物n第二节第二节 汽油汽油机的排放控制装置机的排放控制装置n第三节第三节 柴油机排气后处理装置柴油机排气后处理装置第一节第一节 汽车汽车发动机的有害排放物发动机的有害排放物 发动机的有害排放物：主要有一氧化碳（发动机的有害排放物：主要有一氧化碳（COCO）、）、碳氢化碳氢化合物（合物（HCHC）、）、氮氧化合物（氮氧化合物（NOxNOx）和微粒排放。和微粒排放。一、一氧化碳（一、一氧化碳（COCO）：）：碳氢燃料的不完全产物，人吸入后碳氢燃料的不完全产物，人吸入后将降低血
2、液吸收和运送氧气的能力。将降低血液吸收和运送氧气的能力。一氧化碳（一氧化碳（COCO）是碳氢燃料在燃烧过程中生成的重要）是碳氢燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。的中间产物。COCO生成的机理比较复杂。生成的机理比较复杂。氧气氧气 不足不足;产生原因：产生原因：燃烧温度低；燃烧温度低；燃烧时间不足；燃烧时间不足；混合不均。混合不均。从化学当量的角度看，从化学当量的角度看，COCO的生成率主要受的生成率主要受混合气浓度混合气浓度 c c的影响。的影响。二、碳氢化合物（二、碳氢化合物（HCHC）：）：包括未燃和未完全燃烧的燃油和包括未燃和未完全燃烧的燃油和 润滑油蒸汽。润滑油蒸汽。HCHC和和N
3、OxNOx在阳光照射下形成光化学烟雾，其主要生成物在阳光照射下形成光化学烟雾，其主要生成物是臭氧，具有强烈氧化性，对人类、环境危害极大。是臭氧，具有强烈氧化性，对人类、环境危害极大。尾气尾气HCHC占总量的占总量的6060；产生来源：产生来源：曲轴箱窜气曲轴箱窜气HCHC占总量的占总量的2525；供油系统的蒸气供油系统的蒸气HCHC占总量的占总量的15152020左右。左右。在燃烧过程中在燃烧过程中HCHC的生成途径：氧气不足、缝隙效应、激冷与的生成途径：氧气不足、缝隙效应、激冷与淬熄。淬熄。三、氮氧化物（三、氮氧化物（NOxNOx）：）：发动机排出的氮氧化物主要是发动机排出的氮氧化物主要是N
4、ONO（占（占95%95%），），NO2NO2排出量较少。排出量较少。高温；高温；主要原因：主要原因：富氧；富氧；滞留时间。滞留时间。四、微粒排放：四、微粒排放：主要指柴油机排气中的碳烟，其表面吸附的主要指柴油机排气中的碳烟，其表面吸附的可融性有机物对人的呼吸道有害。可融性有机物对人的呼吸道有害。（1 1）形成原因形成原因 碳碳烟烟是是由由烃烃类类燃燃料料在在高高温温缺缺氧氧条条件件下下裂解生成的。裂解生成的。（2 2）危害）危害 0.10.1 m m以以下下的的微微粒粒对对人人体体的的危危害害最最大大，吸吸入入肺肺叶叶后后会会吸吸附附在在肺肺细细胞胞上上，其其中中可可溶溶性性有有机机物物、多
5、多环环芳芳香香烃等是致癌物质。烃等是致癌物质。汽油车排放的来源汽油车排放的来源第二节第二节 汽油汽油机的排放控制装置机的排放控制装置 氧化催化转化装置氧化催化转化装置一、催化转化装置一、催化转化装置 还原催化转换装置还原催化转换装置 三元催化转换装置三元催化转换装置 1 1、氧化催化转化装置、氧化催化转化装置 氧化转换器只将排气中的氧化转换器只将排气中的COCO、HCHC氧化成氧化成COCO2 2和和H H2 2O O，又称，又称为二元催化转换器，必须提供二次空气作为氧化剂。为二元催化转换器，必须提供二次空气作为氧化剂。催化反应器催化反应器低温下使用低温下使用 三元催化转换器可以同三元催化转换
6、器可以同时降低时降低COCO、HCHC和和NOxNOx的排放。的排放。它可以以排气中的它可以以排气中的COCO和和HCHC作作为还原剂，将为还原剂，将NoxNox还原成氮还原成氮气（气（N N2 2）和氧气（）和氧气（O O2 2），而），而COCO和和HCHC则被氧化为则被氧化为COCO2 2和和H H2 2O O。当空燃比在理论空燃比当空燃比在理论空燃比A/F=14.7 A/F=14.7（a a=1=1）附近时，）附近时，氧化氧化-还原反应达到平衡，还原反应达到平衡，COCO、HCHC和和NOxNOx的排放同时达的排放同时达到最低。到最低。2 2、三元催化转化装置、三元催化转化装置废气转化
7、效率与废气转化效率与 a 的关系的关系（1 1）油品）油品：催化转换器不能使用加铅汽油，会使催化剂失效；：催化转换器不能使用加铅汽油，会使催化剂失效；（2 2）排温）排温：催化转：催化转换器仅在温度超过换器仅在温度超过350350 C C才起作用，才起作用，因此，因此，催化转换器催化转换器都安装在温度较高都安装在温度较高的排气歧管后面附的排气歧管后面附近近；（3 3）混合气成分：）混合气成分：混合气空燃比必须混合气空燃比必须在在14.714.7附近。混合附近。混合气过浓或气缸缺火，气过浓或气缸缺火，都会使转换器过热。都会使转换器过热。三元催化转换器使用原则三元催化转换器使用原则二、降低低温二、
8、降低低温HCHC排放装置排放装置 1 1直接催化直接催化 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。对降低冷态下的的升温速度。对降低冷态下的HCHC很有效。很有效。存在的问题存在的问题:由于催化转化装置安装在离发动机排气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。热劣化，因此，需要提高催化装置的耐热性。2 2利用电加热催化转化装置利用电加热催化转化装置 通过外部电力提前加热催化，电加热催化转化装置的通过外
9、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。主要缺点是耗电量大，耐久可靠性较差。3 3二次燃烧装置二次燃烧装置 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。主要缺点是结构复杂。n4 4采用采用HCHC捕捉器捕捉器三、稀薄三、稀薄NOxNOx催化转化装置催化转化装置 n稀薄燃烧技术的空燃比大于理论空燃比，所以三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元催化转化装置三元催化转换器三
10、元催化转换器不再适用。因此，不再适用。因此，专门开发出了稀薄混合气燃烧时的专门开发出了稀薄混合气燃烧时的NOxNOx催化转化装催化转化装置。置。n这种催化转化装置主要有这种催化转化装置主要有 NOxNOx直接分解型：是一种在稀薄混合气下以直接分解型：是一种在稀薄混合气下以HCHC为为还原剂直接净化还原剂直接净化NOxNOx的方式。的方式。NOxNOx吸附还原型吸附还原型 ：是一种在稀薄燃烧时吸附：是一种在稀薄燃烧时吸附NOxNOx，在浓或者理论空燃比时将吸附的，在浓或者理论空燃比时将吸附的NOxNOx进行还原净进行还原净化的系统。化的系统。四、排气再循环（四、排气再循环（EGREGR）系统系统
11、 废气再循环：把发动机排出的部分废气回送到进气管，废气再循环：把发动机排出的部分废气回送到进气管，并与新鲜混合气一起进入气缸。由于废气中含有大量的并与新鲜混合气一起进入气缸。由于废气中含有大量的COCO2 2，在不参与燃烧，却吸收了大量的热，因此，降低了最高燃烧在不参与燃烧，却吸收了大量的热，因此，降低了最高燃烧温度，又使混合气中氧的成份降低，因此减少了温度，又使混合气中氧的成份降低，因此减少了NOxNOx排放。排放。废气再循环过多，会影响发动机怠速、低转速小负荷、废气再循环过多，会影响发动机怠速、低转速小负荷、暖机工况的运转稳定性，因此，必须根据发动机工况的变化暖机工况的运转稳定性，因此，必
12、须根据发动机工况的变化控制废气再循环率（参与废气再循环的废气比例）。控制废气再循环率（参与废气再循环的废气比例）。现代轿车发动机排气再循环（现代轿车发动机排气再循环（EGREGR）系统由电脑控制，主系统由电脑控制，主要由废气再循环阀（要由废气再循环阀（EGREGR阀）控制废气再循环的废气量。而阀）控制废气再循环的废气量。而EGREGR阀的开度大小由电磁阀和真空调节阀控制作用在阀的开度大小由电磁阀和真空调节阀控制作用在EGREGR阀上阀上真空膜片室内的进气管真空度大小，改变膜片的位置，就改真空膜片室内的进气管真空度大小，改变膜片的位置，就改变了变了EGREGR阀的开度大小，从而改变了废气再循环的
13、废气量。阀的开度大小，从而改变了废气再循环的废气量。排气再循环（排气再循环（EGREGR）结构组成及工作原理结构组成及工作原理 1-电控单元 2-EGR阀 3-真空电磁阀(VSV)4-三元催化器 5-氧传感器 6-水温传感器（1 1 1 1）低温、低速时不投入）低温、低速时不投入）低温、低速时不投入）低温、低速时不投入工作工作工作工作 （2 2 2 2）高速、中等负荷时投）高速、中等负荷时投）高速、中等负荷时投）高速、中等负荷时投入工作入工作入工作入工作 （3 3 3 3）大负荷时不投入工作）大负荷时不投入工作）大负荷时不投入工作）大负荷时不投入工作 1 1、汽油蒸发控制系统、汽油蒸发控制系统
14、作用作用:防止燃油箱和化油器浮子室内的燃油蒸发（防止燃油箱和化油器浮子室内的燃油蒸发（HCHC化合物）排入大气化合物）排入大气造成污染方法造成污染方法:将这些汽油蒸气收集和储存在活性炭罐内，在发动机工将这些汽油蒸气收集和储存在活性炭罐内，在发动机工作时再将其送入气缸烧掉。作时再将其送入气缸烧掉。发动机停机后，燃油蒸气进发动机停机后，燃油蒸气进入炭罐，被活性炭吸附。入炭罐，被活性炭吸附。发动机起动后，进气管真空发动机起动后，进气管真空度经真空软管度经真空软管1010传送到限流传送到限流阀阀8 8，膜片上移并将限流孔开，膜片上移并将限流孔开启，新鲜空气自炭罐底部向启，新鲜空气自炭罐底部向上流过炭罐
15、，与吸附在活性上流过炭罐，与吸附在活性炭表面的汽油蒸气，经限流炭表面的汽油蒸气，经限流孔和汽油蒸气管孔和汽油蒸气管9 9进入进气歧进入进气歧管。管。五、其他五、其他排放物的控制装置排放物的控制装置 图图6 6 燃油蒸发（燃油蒸发（EVAPEVAP）控制系统）控制系统1-1-汽油箱汽油箱 2-2-燃油泵燃油泵 3-3-蒸发阀蒸发阀 4-4-双通阀双通阀 5-5-碳罐碳罐 6-EVAP6-EVAP控制电磁阀控制电磁阀 7-7-进气软管进气软管 -节气门节气门 9-9-滤网滤网 10-10-量孔量孔 怠速时，传送到膜片上方怠速时，传送到膜片上方的真空度很小，致使孔径较大的的真空度很小，致使孔径较大的
16、限流孔关闭，以免破坏怠速时混限流孔关闭，以免破坏怠速时混合气的空燃比；大负荷或高转速合气的空燃比；大负荷或高转速工况下，限流阀全开，大、小限工况下，限流阀全开，大、小限流孔均开启。流孔均开启。当发动机在中、小负荷下工当发动机在中、小负荷下工作（水温作（水温 7575 C C）时，电脑给）时，电脑给EVAPEVAP控制电磁阀提供搭铁回路，控制电磁阀提供搭铁回路，EVAPEVAP控制电磁阀开启，活性碳罐控制电磁阀开启，活性碳罐与进气管之间形成通路，新鲜空与进气管之间形成通路，新鲜空气即从活性碳罐下方的控制量孔气即从活性碳罐下方的控制量孔进入活性碳罐，清除吸附在碳粒进入活性碳罐，清除吸附在碳粒表面上
17、的燃油蒸气，并与其一起表面上的燃油蒸气，并与其一起通过进气管进入气缸内燃烧。通过进气管进入气缸内燃烧。发动机工作时，发动机工作时，进气管真空度沿着进气管真空度沿着曲轴箱气体软管所曲轴箱气体软管所形成的通道，将进形成的通道，将进入空滤器的新鲜空入空滤器的新鲜空气经空气软管吸入气经空气软管吸入气缸盖罩内，再由气缸盖罩内，再由缸盖和机体上的孔缸盖和机体上的孔道进入曲轴箱，与道进入曲轴箱，与曲轴箱气体混合后，曲轴箱气体混合后，经经PVCPVC阀进入进气管阀进入进气管和气缸。和气缸。2 2、强制式曲轴箱通风装置（强制式曲轴箱通风装置（PCVPCV系统系统）恒温进气恒温进气空气滤清器的空气滤清器的结构见图
18、结构见图6-16-1、图图6-26-2所示。所示。（进气管真空（进气管真空度作用在真空度作用在真空控制膜盒控制膜盒7 7上，上，控制控制阀控制控制阀8 8开大或关小）开大或关小）3 3、恒温进气、恒温进气 第三节第三节 柴油机排气后处理装置柴油机排气后处理装置1.1.柴油机排放特点柴油机排放特点2.2.EGREGR系统系统3.3.氧化催化转化器氧化催化转化器4.4.NOxNOx还原催化转化器还原催化转化器5.5.颗颗粒粒捕捕捉捉器器（DPF DPF DieseDiese PraticulatePraticulate Filter)Filter)特点特点：（1 1）无燃油蒸发排放问题；）无燃油蒸
19、发排放问题；（2 2）与与汽汽油油机机相相比比，HCHC和和COCO排排放放量量少得多，而少得多，而NOxNOx排放排放处于同一量级；处于同一量级；（3 3）有颗粒物（）有颗粒物（PMPM）排放问题。排放问题。难点难点：（1 1）废废气气总总是是处处于于氧氧化化氛氛围围（过过量量空气系数大于空气系数大于1 1）中，）中，NOxNOx难以还原；难以还原；（2 2）排排气气温温度度明明显显低低于于汽汽油油机机的的排排气温度，碳烟难以氧化；气温度，碳烟难以氧化；（3 3）排排气气中中含含有有大大量量的的SOxSOx和和微微粒粒，容易导致催化剂中毒。容易导致催化剂中毒。低压回路方式低压回路方式n直接联
20、接压气机直接联接压气机7 7入口端和入口端和废气涡轮废气涡轮5 5出口端来实现出口端来实现EGREGR的方法的方法(图图6-13a)6-13a)。由。由于压气机于压气机7 7的入口处为负压，的入口处为负压，而废气涡轮而废气涡轮5 5出口压力为正，出口压力为正，所以通过联接适当的所以通过联接适当的EGREGR回回流管流管6 6，就可以很容易地实，就可以很容易地实现现EGREGR。但由于这种方式的。但由于这种方式的废气直接流过压气机废气直接流过压气机7 7和中和中冷器冷器8 8，所以易造成压气机，所以易造成压气机的腐蚀和中冷器的污染等。的腐蚀和中冷器的污染等。高压回路方式高压回路方式n直接联接压气
21、机后的中冷直接联接压气机后的中冷器器 8 8出口端和废气涡轮出口端和废气涡轮5 5入入口端来实现口端来实现EGREGR。由于这种。由于这种EGREGR方式的废气不流过压气方式的废气不流过压气机和中冷器，所以不存在机和中冷器，所以不存在对压气机和中冷器的腐蚀对压气机和中冷器的腐蚀和污染问题；但可实现的和污染问题；但可实现的EGREGR率取决于排气压力和进率取决于排气压力和进气压力之差。特别是在中、气压力之差。特别是在中、大负荷时，由于增压进气大负荷时，由于增压进气压力提高，所以很难实现压力提高，所以很难实现EGREGR。内部内部EGREGR方式方式 n利用进、排气管中的气体脉动进行利用进、排气管
22、中的气体脉动进行EGREGR的方式。对发动机的方式。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。各工作循环，在进气管和排气管中气流的压力脉动都很大。在这种压力脉动的作用下，使某一缸在进气过程中，其排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，就可气门处出现正压波。此时，如果能再次开启排气门，就可实现实现EGREGR。n在排气凸轮中除控制排气所需凸轮在排气凸轮中除控制排气所需凸轮1(1(主凸轮主凸轮)以外，又增以外，又增设内部设内部EGREGR专用凸轮专用凸轮2(EGR2(EGR用凸轮用凸轮)。通过这种机构，在进。通过这种机构，
23、在进气过程中的适当时刻再次开启排气门气过程中的适当时刻再次开启排气门3 3，使排出的废气回，使排出的废气回流到气缸内部，以实现流到气缸内部，以实现EGREGR。n内部内部EGREGR系统不需要排气节流，所以不影响泵气损失，因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，而对经济性无影响，同时不需要同时不需要EGREGR阀以及阀以及EGREGR管路等，管路等，所以结构比较简单。所以结构比较简单。内部内部EGREGR方式方式柴油机排气后处理装置颗粒捕捉器柴油机排气后处理装置颗粒捕捉器目的：目的：（1 1）氧氧化化剂剂可可以以转转化化可可溶溶性性有有机机组组分分（SOFSOF）中中的的
24、大大部部分分碳碳氢氢化化合合物物，从而达到降低微粒排放的效果；从而达到降低微粒排放的效果；（2 2）进一步降低）进一步降低HCHC和和COCO的排放，包括乙醛等。的排放，包括乙醛等。要求：要求：过滤材料：过滤材料：DPFDPF再生方法：再生方法：（1 1）高过滤效率；）高过滤效率；（2 2）低排气阻力；）低排气阻力；（3 3）耐高温。）耐高温。（1 1）陶瓷蜂窝载体；）陶瓷蜂窝载体；（2 2）陶瓷纤维编织物；）陶瓷纤维编织物；（3 3）金属纤维编制物。）金属纤维编制物。（1 1）电加热再生；）电加热再生；（2 2）燃烧器加热再生；）燃烧器加热再生；（3 3）反吹式再生；）反吹式再生；（4 4）连续催化再生。）连续催化再生。颗粒捕捉器的过滤材料颗粒捕捉器的过滤材料壁流式柴油机颗粒过滤器壁流式柴油机颗粒过滤器颗粒捕捉器再生系统颗粒捕捉器再生系统颗粒捕捉器再生系统颗粒捕捉器再生系统典型的柴油机排气后处理方案典型的柴油机排气后处理方案