发动机排放控制技术的研究与分析

发动机排放控制技术的研究与分析内容摘要：

0 300～ 600 1000～ 3000 NOX/106 50～ 100 1000～ 3000 1000～ 4000 5～ 50 由此，发动机排放污染控制技术可分为三类，以改善发动机燃烧过程为核心的机内净化技术；在排气系统中采用化学或物理的方法对已生成的有害排放物进行净 化的排放后处理技术；控制曲轴箱和供油系统有害排放物的非排气污染控制技术。 后两者也统称为机外净化技术。 5 发动机排放控制技术 提 高燃油质量，保障燃油供应 业内人士指出，油品质量对于汽车尾气排放效果的影响相当明显。 车辆在使用过程中，如果车油不相配，会造成因油损车的情况。 如果使用相应的低品质燃油，排放同样达不到新标准要求。 要使汽车达到更严格的尾气排放标准，不仅要求汽车生产厂家提高整车生产技术，还需油品供应商提高相应的燃油质量。 根据07年颁布的《车用汽油北京市地方标准》，从 08年 7月 1日起，符合欧 Ⅲ 标准的 汽油将在北京全面上市，而低于该标准的汽油将不准加用。 国家环保总局机动车排污监控中心汤大钢主任表示，在全国市场提供质量稳定的燃油产品是实施更高排放标准的先决条件。 如果汽油中的硫、锰、铁等杂质含量过高，可能损害三元催化器和氧传感器，降低对污染物的催化效果；若汽油饱和蒸气压较高，也会带来挥发性污染。 清洁燃油对于各种车辆的排放控制效果有着极为重要的影响。 提 高燃料质量，降低燃料中有害物质的含量，如铅、硫、苯、芳烃、烯烃。 使用 燃油添加剂 也是减少汽车尾气排放的重要措施，添加 燃油添加剂 已成为世界趋势。 全球最大的化工公司巴斯 夫公司的试验表明，使用燃油添加剂后的汽车可以减少汽车排放 20％的碳氢化合物、 24％的一氧化碳和 13％的氮氧化物，可以使一辆汽车在其使用寿命中减少。 从国 Ⅱ 标准到国 Ⅲ 标准要求燃油成份的限值发生较大变化，其中最主要的是燃油中的含硫量大幅度降低，分别将柴油中的含硫量从 3000ppm（ 1ppm=1mg/L）降低到 350ppm，汽油中的含硫量从 500ppm降低到 150ppm。 如果达标车辆使用了不符合要求的燃油，会造成发动机油耗上升，影响发动机动力性能，污染物排放量增加，还会损坏车辆的 OBD 排 放控制系统（如传感器 、 催化器），缩短使用寿命，最终给用户带来较大的维护费用。 例如，柴油中所含有的硫燃烧后生成 SO2，经催化器氧化后变为 SO3，然后与排气中的水分化合生成硫酸盐。 催化氧化效果越好，硫酸盐生成越多，这不但抵消了 SOF的减少，甚至反而使微粒排放上升。 同时，硫也是使催化剂劣化的重要原因，减少硫含量就成了氧化催化器实用的前提条件 ； 前不久 中石化安阳分公司“红色汽油门”事件，检验结果是送检的样本汽油中锰含量大幅超标。 送检的样品汽油中，锰含量超过 9． 8％，是正常含量的98倍。 严重超标的锰造成发动机内活塞连杆 、活塞环等部件的严重腐蚀。 发动机声音刺耳，部分部件被腐蚀，车辆抖动，排气管喷出红色浑浊液体，严重的会出现死火现象。 因此，燃油质量是国 Ⅲ 、 国 Ⅳ 排放标准实施的重要保障。 当前由于国 Ⅲ 标准油品供应不到位，出现油车不配现象，使实施中的国 Ⅲ 排放标准采取的是 “ 先中心城市，逐步扩大区域，油到车到 ” 的方针。 为在明年全国范围实施国 Ⅳ 排放标准，不出现同样的尴尬， 为减少污染物排放量，延长车辆上催化器的使用寿命，我国的燃油加工行业有必要在参照世界燃油指标的基础上，根据现有燃油生产情况，提高中国的车用燃油品质，避免与世界上的燃油标准 和汽车排污控制脱节。 当前首要需要中石化 、 中石油在脱硫技术 、 设备 、 工艺 、销售渠道等方面进行大力改进，提升燃油质量，加强油品质量管理，加快国 Ⅲ 、国 Ⅳ 标准油的供应进度。 降低燃油消耗 降低燃油消耗也必然带来排放减少 , 并且在将来的排放法规中也会对二氧化碳的排放量进行规定 , 而减少二氧化碳排放量的惟一方法就是减少燃油消耗 , 所以燃油消耗与汽车排放密切相关。 汽车外形设计对于降低燃油消耗起着至关重要的作用 , 在理论计算中风的阻力 和汽车速度成 3次方关系 , 在车速为 100 km/h时 , 约 70%的输入功率被用来克服空气阻力。 在过去的 20年中 , 世界主要汽车公司把风阻系数由 , 一些技术领先的公司已经把风阻系数降低到。 低风阻系数意味着较低的燃油消耗。 汽车的质量在汽车的各种工况下时刻影响着汽车的燃料消耗。 出于安全考虑和舒适性提高 ， 当代汽车的质量有所增加 ， 但是很多汽车制造厂致力于优化结构和使用轻量型材料 ( 镁、铝 )， 在保证汽车安全性和舒适性的前提下 ， 降低质量 , 减少燃油消耗，例如 使用节约燃料的汽车塑料替代用于汽车部件的金属和玻璃 , 在世界 各地的汽车展会上给人以深刻印象。 钢占现在汽车质量的 2/3， 100kg 的塑料平均可以替代 300kg 的钢。 估计汽车的质量对其 CO2排放的影响大于 30%。 近年来 ， 由于为提高舒适性和安全性 ， 集成了越来越多的设备 ， 汽车的质量一直在增加。 汽车质量只要减轻 10%， 每千米就可以减少 CO2 排放量 16g以上。 汽油机排放控制技术 三元催化转换技术 三元催化转换器中装有促使废气中有害物进行氧化或还原反应的催化剂（铂、铑和钯）。 当废气流经催化器时，通过化学反应使有害气体转化为无害气体。 催化转换器的净化效果受混合气浓度和工作环境温度的 影响。 图 为三元净化器的内部结构 为提高转化效率，可采用以下措施： （ 1） 冷机时稀薄燃烧 发动机冷机时，催化剂活性较差，不利于降低 HC 的排放。 这时，降低 HC 的排放成为主要课题。 在采用的方法中，稀薄燃烧技术最为有效。 为保证空燃比的稀薄化，在进气口内设置涡流控制阀，改善发动机进气系统，提高充气效率；改进发动机燃烧系统，合理组织燃烧室内的气体流动，促进火焰传播，改善着火稳定性，使发动机在稀混合气下维持稳定燃烧，从而降低HC 的排放量。 （ 2） 减少未燃 HC 活塞的第一道环岸脊 (指第一道环槽至活塞顶之间的区域 )和气缸壁之间，燃烧的火焰不能达到，此区域内的未燃 HC 直接从气缸内排出。 提高第一道活塞环的位置，即减小第一道活塞环岸的高度，可以减少活塞环与缸壁间的容积，从而减少未燃 HC 的排放。 为减少活塞环槽的磨损，一般情况下，对活塞表面实施氧化铝镀膜处理，但由于在活塞表面易形成许多细孔，被吸附的 HC 在发动机排气行程时排出机外。 为解决这一矛盾，在对活塞表面实施氧化铝镀膜处理时，只对活塞环槽进行处理，活塞顶面不进行处理，有利于进一 步降低 HC 的排放。 （ 3） 提高催化剂的早期活性 为促使催化剂的早期活性，有效的方法是提高其升温特性和降低其活性温度。 提高升温特性的主要方法是采用双重排气管和使用 “薄壁式 ”催化剂载体。 合理选择低温特性好的贵重金属，如在催化剂中提高铂的含量，同时提高空燃比的稀薄化，是降低催化剂活性温度的有效手段。 （ 4） 催化剂强制加热 使用电加热催化剂 (EHC)和在排气管内利用排放气体的燃烧产生的热量，促使催化剂升温，即排气燃烧器 (EGC)能进一步提高催化剂的早期活性。 EHC 采用电流预热的方法，可使金属载 体的催化器在发动机起动后的 5～ 10s 内达到催化剂的起燃温度，从而减少起动后最初几分钟内的有害物的排放。 EHC 已达到实用化水平，但其电气系统较复杂。 EGC 的原理是在发动机起动后，在浓空燃比状态下产生的 CO 等可燃成分与二次空气供给的氧气相混合，形成可燃混合气，在排气系统中设置排气燃烧器，通过火花塞点火装置，点燃未燃混合气，利用燃烧产生的热量提高催化剂的早期活性，同时还能燃烧净化发动机起动后的未燃 HC 成分。 EGC 技术虽然处于研制阶段，但其催化转化效率高，大有超过 EHC 之势。 废气再循环技术 图 废气再循环系统工作原理 发动机工作过程中 , 将一部分未充分燃烧的废气引入到进气系统 , 使它重新与刚吸入的新鲜空气 (或混合气 )混合进入气缸再进行循环燃烧的方法称为废气再循环控制 (EGR)。 废气再循环可有效地控制氮氧化物的排放量 ,工作原理是一部分排气经 EGR阀还流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高，两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制 NOx的生成。 如图所示，随 EGR率的增加， NO排放量迅速下降， 但由于它减少了进气充量中的含氧量 ，会导致全负荷时最大 功率下降，中等负荷时的燃油消耗率增加， HC排放上升，小负荷特别是怠速时燃烧不稳定甚至失火， 只宜在部分负荷时采用 , 以使发动机排放物中的碳氢化合物不致明显增加。 要最大限度地减少氮氧化物的含量 , 又不影响汽油发动机的经济性和碳氢化物排放 , 需要采用电控技术来优化发动机各工况下的废气再循环控制。 如今 , 电控 EGR技术已在国内外得到广泛应用。 另外，为降低 N0x而实行的 EGR都会使燃油消耗和 PM增加，其对策是通过增压来增加空气量，为保证增压度和控制燃烧温度，必须同时装用中冷器和 EGR。 图 EGR率对 NOX排放浓度的影响 二次空气供给技术 二次空气供给装置可将新。