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1、3.4 汽油机废气净化及后处理技术,3.4.1 废气排放污染物的危害3.4.2 汽油机废气有害排放物的生成机理与影响因素3.4.3 汽油机废气机内净化措施3.4.4 汽油机废气后处理技术,3.4.1 废气排放污染物的危害,一氧化碳CO的危害；氮氧化物NOx的危害；碳氢化合物HC的危害；微粒PM对人类的危害。,内燃机废气排放物的组成,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。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、黑烟、油雾
2、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,CO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,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。NOx是形成光化学烟雾的
3、主要成分。,碳氢化合物HC的危害,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。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。排气中甲醛和丙烯醛能强烈刺激眼睛及呼吸器官。HC也是造成光化学烟雾的主要成分。,微粒PM对人类的危害,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。2 m以下的碳烟吸入肺部会沉积起来，而0.10.5 m的碳烟对人体的危害
4、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。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,一氧化碳CO的生成机理与影响因素碳氢化合物HC的生成机理与影响因素氮氧化物NOx的生成机理与影响因素,一氧化碳CO的生成机理,CO是碳氢化合物在燃烧过程中生成的中间产物。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。凡是影响过量空气系数的因素都是影响CO生成的因素。,一氧化碳CO生成的影响
5、因素,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。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。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,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。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,汽油机在部分负荷运转时，混合气的a接近1，C
6、O排放量不高。但多缸机如果a不同，仍会有的气缸a 1，增加CO排放量。全负荷特别是冷起动时，混合气很浓， a可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。汽油机加速时的突然加浓使CO排放迅速增加。,汽油机加速对CO、HC排放的影响,汽油机减速对CO、HC排放的影响,碳氢化合物HC的生成与过量空气系数的关系,汽油与空气的均匀混合气在过量空气系数等于1时，理论上不产生HC，但实际不是这样的（如右图），在a 1，HC也相当高，并随a减小而迅速增加。当混合气过稀，由于燃烧恶化，甚至有些循环失火会使HC急剧增加，只有采取特殊措施（如组织快燃）才可能缓和这种趋势。,汽油机HC生成机理,冷激效应：燃烧室壁面对火焰的
7、迅速冷却使火焰产生的活性自由基复合，燃烧反应链中断，使化学反应缓慢或停止。狭隙效应是冷激效应的主要表现。汽油机燃烧室中各种狭窄缝隙如活塞、活塞环与气缸壁之间，火花塞周围等地方，生成的HC占总量的5070%。油膜和沉积物吸附：在进气和压缩行程，气缸套壁面和活塞顶上的润滑油膜会吸附未燃混合气，在燃烧末期油膜会蒸发，但燃烧不完全，造成HC排放增加。容积淬熄：在起动和暖机工况，因发动机温度低，使燃油雾化、蒸发以及混合气形成变差，导致燃烧变慢和不稳定，有可能使火焰未达到壁面前因气缸膨胀使气缸内压力温度降低造成混合气大面积淬熄，HC增加。碳氢化合物的后期氧化：错过发动机主要燃烧过程的碳氢化合物，会重新扩散
8、到高温已燃气流中去，部分被氧化。推迟点火，提高排气温度，将有助于HC的后期氧化。,汽油机NOx生成机理与影响因素,NOx生成的化学动力学理论基础：泽尔多维奇（Zeldovitch）链式反应机理；N2+O=NO+N,N+O2=NO+ONOx生成的条件：高温；富氧；高温持续时间。影响汽油机NOx生成的主要因素：空燃比;缸内未燃混合气中已燃混合气；点火定时。,空燃比对汽油机NOx的影响,已燃混合气最高温度对应a0.9左右的略浓混合气。不过这时氧浓度低，抑止了NO的生成。当a提高时，氧增加的效果抵消了燃气温度下降使NO生成的减少趋势。因而，NO排放峰值出现在a 1.1左右的略稀混合气中（如右图）。如果
9、进一步下降，温度下降的效果占优势，导致NO下降。,汽油机排放与过量空气系数的关系,已燃气体量对汽油机NOx的影响,点燃式内燃机在燃烧前，燃烧室中的混合气由空气、已蒸发的燃油蒸汽和已燃气体组成。后者是前已循环留下的残余废气，或加上废气再循环EGR时的回流气组成。EGR是降低NOx排放的有效措施之一，详细内容在3.3.5中已讲。,点火定时对汽油机NOx的影响,点火定时强烈影响汽油机NOx排放量。推迟点火、降低最高燃烧温度并缩短已燃气体停留在高温中的时间，可减少NOx排放。用欧洲测试排放的标准循环测试时，ig每推迟1（CA），NOx减少0.3g/kWh。推迟点火、提高排温，也有利于HC的后期氧化，但
10、有损于发动机燃油耗率和比功率。,3.4.3 汽油机废气机内净化措施,精确的混合气制备 精确的点火定时与可靠的点火系统 汽油机稀燃与快速燃烧系统 汽油机结构参数的优化 废气再循环（前已讲过） 进气恒温装置 蒸发控制系统 曲轴箱通风装置,汽油机排放控制的发展历程,1964年开始使用闭式曲轴箱通风。1973年起使用热转换器（氧化转换器）。1975年起使用三效催化转换器。1976年起使用三效催化转换器与氧（）传感器，需要时再加上废气再循环，空气二次喷射技术。1980年代，稀燃、分层发动机技术开始应用1990年代，汽油直喷技术开始应用2000年以后，CAI技术开始研究,降低有害气体排放的措施与效果,精确
11、的混合气制备,化油器：利用流体力学的原理，基本上满足了汽油机各工况对混合气浓度的复杂要求，堪称技术的奇迹。但随着排放法规的逐步严格，需利用三效催化转换器来降低汽油机排放，而三效催化转换器在过量空气系数等于1时，才能有效地降低汽油机中3种有害成分的排放，因此化油器完成了其历史使命，逐步退出历史舞台。进气道汽油喷射（EFI）：根据进气流量喷入响应的燃油，这样控制喷油量比较精确，比较容易根据汽油机运转状态进行过量空气系数的优化，有效控制有害排放物的生成。缸内汽油喷射（GDI）：将汽油用高压直接喷入气缸，空气计量与燃油喷射量都是电子控制，对过量空气系数的控制也非常精确，因而能有效地控制汽油机有害排放物
12、地生成。,精确的点火定时与可靠的点火系统,点火定时与点火能量对火焰传播有决定性影响，因此，对汽油机燃油消耗和排气污染物排放有很大影响。点火能量的提高可以扩大混合气着火界限，提高汽油机稀混合气运转的能力，同时也可以提高汽油机的废气再循环量，降低NOx排放，提高部分负荷时的发动机功率。采用电子式无触点系统可以根据汽油机转速与负荷优化控制汽油机的点火定时，进一步提高汽油机性能。与爆震传感器结合，还可以根据环境条件的变化来改变点火定时，壁面爆震的发生。,汽油机稀燃与快速燃烧系统,稀薄燃烧技术是汽油机提高部分负荷经济性与降低排放的有效措施。,汽油机结构参数的优化,对汽油机排放影响较大的结构参数：燃烧室；
13、压缩比行程缸径比；气缸容积。,降低汽油机排放对燃烧室结构的要求,汽油机燃烧室形状影响火焰的传播、爆震和HC的形成。低排放汽油机对燃烧室的一般要求：尽可能短的火焰传播距离；如采用火花塞中置（多气门汽油机）结构紧凑，尽可能小的燃烧室表面；如采用小面容比燃烧室壁面高温部件处于火焰传播的终点；燃烧室内应具有强烈的气流运动；,部分负荷火花塞位置对油耗和HC的影响,火花塞中置，缩短了火焰传播距离，降低了爆震危险，使得汽油机压缩比可以提高，油耗降低；另外，多气门汽油机燃烧室比较紧凑，紧凑的燃烧室具有冷激表面小，降低HC排放。,面容比对HC排放的影响,面容比是衡量燃烧室结构紧凑与否的重要指标，小面容比燃烧室有
14、利于降低HC排放。,行程缸径比S/D及气缸容积Vh对降低汽油机排放的影响,研究表明，长行程汽油机燃烧速度快，点火定时可以相对后移。长行程汽油机的最高放热率大，燃烧温度高，这些因素有利于降低汽油机的HC排放和燃油消耗，这些优点在低负荷时更为明显。由于长行程汽油机的燃烧特点，提高了汽油机的抗爆震能力，使汽油机的压缩比可以进一步提高。在同样压缩比条件下，长行程汽油机优化燃烧室的条件也比较好。,气缸容积越大，面容比越小，气缸相对散热面积越小。长行程与大气缸汽油机的NOx排放也会增大。,行程缸径比S/D及气缸容积Vh对HC、指示效率的影响,行程缸径比S/D及气缸容积Vh对NOx、指示效率的影响,真空式进
15、气恒温装置,进气温度变化影响空燃比，汽车机动性很大，可行驶在大气温度各异的地区。为此有必要使进气温度恒定，使有害排放物维持在允许的水平。真空式进气恒温装置是在排气管周围设置一个金属罩盖，用管子接到进气管上。根据进气时设置在空气滤清器内的温度传感器（常为双金属片）感受的进气温度高低，断开或接通进气管内的真空度与真空马达压力室的通路，从而控制与真空马达相连的控制阀的开度，控制排气管周围热气与冷空气的比例，来控制进气温度。,活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统,供油系统中由于温度变化，再加上汽油是益挥发性液体，燃油容易蒸发到大气中。常用活性炭罐作为汽油蒸汽的暂存空间。发动机不运转时，来自燃油系统、油箱等
16、的汽油蒸汽进入活性炭罐被吸附在活性炭上；当发动机运转时，利用进气管真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸汽与进入炭罐的新鲜空气一起吸入燃烧室烧掉。,曲轴箱强制通风装置,当汽油机运转时，燃烧室中高压可燃混合气和已燃气体或多或少会通过活塞组和气缸之间的间隙，进入曲轴箱。为防止曲轴箱压力过高，早期发动机直接将曲轴箱与大气相通。为控制通风中大量未燃HC进入大气，对曲轴箱进行强制通风。在C管中装有闭式呼吸口6，它与空气滤清器1中的净气室相通，新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱，和曲轴箱的窜气混合，经气缸盖罩通入A管，通过计量阀3控制后。吸入进气管4，从而实现窜气的再燃烧。,曲轴箱强制通风计量阀（PCV阀）,PCV
17、阀是一个流通截面随阀两端压差变化而变化的单向阀。它根据弹簧力和进气管真空度的平衡情况启闭气体的通路。进气管真空度大时，就把阀芯吸向右方（a），气体流通截面变小，反之增大。,3.4.4 汽油机废气后处理技术,二次空气喷射；排气热反应器；再次燃烧法（后燃法）；催化反应器。,发动机对废气后处理技术的要求,发动机机内净化措施往往与提高功率和经济性发生冲突，并且随着排放标准的不断严格，改善工作过程机内净化的余地越来越小。废气后处理器应满足：较高的排气污染物转换效率；较低的气体流通阻力。车用内燃机废气后处理器还要考虑：较长的使用寿命；较小的体积；不产生新的污染物；足够的机械强度；较高的耐热性；容易维修；可
18、以接受的成本。,二次空气喷射,二次空气喷射是将新鲜空气喷射到排气门附近，使高温废气和新鲜空气接触混合，以使未燃HC、CO进一步燃烧。右图二次空气供给装置中，二次空气由发动机驱动的叶片式空气供给泵2，通过两根软管输送，一路从化油器6下侧经回火防止阀10进入进气管；另一路通过防止废气倒流的单向阀4，经空气分配管5，送到各缸排气门附近。,排气热反应器,排气热反应器一般和空气二次喷射共同使用。在过浓混合气状态下，可以在排气管紧挨排气门的地方加入氧化反应所需的空气，氧化反应热可提高排气温度。排气在高温中的滞留时间也是决定HC、CO净化效果的重要因素。为了加长这段时间，可以采用加大排气管容积和排气管绝热等
19、措施。,排气热反应器的使用效果,净化效果在汽油机过量空气系数0.80.9，加入二次空气总过量空气系数在1.1。不能降低NOx排放。,再次燃烧法（后燃法）,再次燃烧法是在排气管中设置点火源，使排气中的CO、HC燃烧干净。后燃法类型：只设置点火塞，用排气中未燃成分作燃料；另外供给燃料形成火焰，用这种火焰作点火源（直接火焰式）。在此燃烧法不仅结构复杂而且增加燃料消耗，浪费能源，因此很少用。,催化转换器类型,催化剂可以提高一定类型的化学反应的速度，而不消耗本身。选择合适的催化剂可以使HC和CO的氧化反应在较低的温度下仍能顺利进行。根据不同类型汽油机，催化转换器大致有：热转换器（氧化催化转换器） ；双床
20、催化（氧化还原）催化转换器：缺氧双床催化转换器；富氧双床催化转换器。三效催化转换器；NOx吸附催化转换器。,铅的作用：1）抑制爆震2）减少气门与座的磨损3）毒害催化剂（60升含铅汽油就使催化剂活性降低70）,热转换器（氧化催化转换器）,热转换器是将排出的CO、HC等有害气体借助催化剂进一步氧化，以生成CO2和H2O。为使反应顺利进行的条件：引入足够的O2；转换器必须隔热并保持在600 ；结构合理，有足够的反应时间；控制燃烧最高温度，防止转换器烧坏。热转换器的温度保持在反应所需最低温度600，这样的温度不是所有工况都能达到，为此在Al2O3载体上覆盖一层多孔的活性涂层Al2O3 ，比面积超过10
21、0m2/g。再在涂层上用电解方法涂覆催化物质如Pt、Rh（还原剂）、Pd等贵金属（每个转换器消耗约1g贵金属），在催化剂的作用下，CO、HC的最低反应温度可降低到250 。贵重金属用量为：12g/dm3。非贵重金属：CuO，NiO。起燃温度350 ,热转换器工作原理,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。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。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
22、较少，二次空气量可减少。一般增加EGR对NOx进行净化。,双床催化（氧化还原）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，然后在喷入二次空气以氧化CO和HC。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。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。,化油器汽油机补气系统,工作原理：化油器供应相对较浓的混合气，由氧气传感器给出反馈信号后，再由补气系统根据情况进行补气，以使混合气浓度达到三效催化转化器的要求。,三效催化转换器,三效催化转
23、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。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。右图是过量空气系数对三效催化转换器效率的影响曲线。NO+CO=1/2N2+CO2NO+H2=1/2N2+H2ONO+HnCm N2+H2O+CO2三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,为保证空气过量系数在当量比附近，三效催化转换器必须和传感器（氧传感器）
24、结合构成的闭环控制系统。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,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。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。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，使排气中产生足够的还原剂（CO、HC、H2等），与
25、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,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。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。,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，混合气中O2的浓度响应减少。降低燃烧速度，以
26、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,内燃机废气再循环分为：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，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。外部废气再循环分为：气电式废气再循环；电磁式废气再循环。,气电式废气再循环,气电式废气再循环系统中，废气再
27、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,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 节气门开度35%、n=3200r/min发动机性能,EGR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,带有传感器和三效催化转换器的汽油机轿车，在美国城市标准测试循环FTP75中，排气污染物的5080%是冷起动后1min内排出的。因此，提高催化转换器在冷起动时的效率是满足进一步严格的排放标准的关键。主要措施：提高催化材料的低温催化性能；降低催化转换器的质量和热容量，加快转换器的加热速度；将催化转换器靠近发动机安装（紧耦合）；减少排气管的热损失（常采用双层壁排气管）；加热催化转换器；排气污染物的低温吸附储存。,本章结束,谢谢！,
