柴油機尾氣排放凈化技術(shù)最終稿

1、 . . . 職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文檔案材料專 業(yè)汽車檢測與維修技術(shù)班 級 汽車檢測與維修技術(shù)（3）班學生 徐秀城 學 號論文題目 柴油機尾氣排放凈化技術(shù) 指導教師 光輝 裝材料清單：1、畢業(yè)論文任務書 2、畢業(yè)論文 3、畢業(yè)論文成績評定表職業(yè)技術(shù)學院2009屆畢業(yè)論文題目：柴油機尾氣排放凈化技術(shù)姓 名 徐秀城 學 號專 業(yè) 汽車檢測與維修技術(shù) 年 級 2007級 指導老師 光輝 完成時間 2010年01月 職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計論文任 務 書汽車與環(huán)境工程系（部）2007汽車檢測與維修技術(shù)專業(yè)3班學生學號一、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：柴油機微粒排放的凈化技術(shù)二、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作規(guī)定進行的日期：2

2、009年10月25日起至2010年01月01日止三、畢業(yè)設(shè)計（論文）進行地點：職業(yè)技術(shù)學院圖書館 四、任務書的容：目的：了解柴油機微粒排放的成因和污染危害，掌握柴油機微粒排放的凈化技術(shù)的運用。任務：在圖書館或其他地方收集有關(guān)資料，整理提取有價值的資料撰寫論文論述目的。工作日程安排：2009年9月8日-2008年9月30日 定期完成開題報告2009年10月1日-2009年10月20日 查找相關(guān)資料2009年10月21日-2009年11月20日 完成論文初稿2009年11月21日-2009年12月20日 完成論文修改2009年12月21日-2010年1月1日 提交論文成稿并進行答辯 設(shè)計（論文）要

3、求：(1)進行綜合運用所學知識去解決實際問題和工作實踐技能的水平、獨立工作能力有所提高。結(jié)合本專業(yè)所學知識進行分析，并提出解決方案。(2)論文應該在教學計劃所規(guī)定的時限完成。(3) 不能抄襲他人文章或論文，一經(jīng)查出，視為抄襲處理。學生所作論文一定是要結(jié)合實際，有本人具體設(shè)計容，不能是摘抄一些雜志、書籍的容，或者是一些空泛容的文字描述。(4)按論文格式要求書寫。主要參考文獻：1 肖永清，車用柴油機的使用與維修實例 ；人民郵電。20072 曾小珍，柴油機維修技術(shù) ；電子工業(yè)。20053 天齊，三廢處理工程技術(shù)手冊（廢氣卷）。；化學工業(yè)。19994中國易修網(wǎng)， /.essiu.5中國知網(wǎng)，學生開始執(zhí)

4、行任務書日期 2009 年7月 1 日 指導教師簽名：年 月 日 學生送交畢業(yè)設(shè)計（論文）日期： 20年 月 日 學生簽名： 年月日目 錄摘要.1關(guān)鍵詞.1引言.11柴油發(fā)動機整機的使用. 21.1柴油發(fā)動機的總體構(gòu)造.21.2四沖程柴油發(fā)動機的工作原理.32.柴油機尾氣排放主要成分.32.1一氧化碳（CO）.32.2氮氧化物（NO）.42.3碳氫化合物（HC）.42.4顆粒物（PM）.43.當前柴油機尾氣排放的主要凈化措施.53.1廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng).53.1.1廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)工作原理. 53.1.2增壓柴油機EGR的實現(xiàn).63.1.3廢氣再循環(huán)排氣的冷卻. 73.1.4柴油

5、機EGR的控制.73.1.5柴油機EGR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).83.2催化轉(zhuǎn)化技術(shù).93.3顆粒物的凈化技術(shù).103.4四效催化轉(zhuǎn)換器.17 3.4.1四效催化轉(zhuǎn)換器原理.17 3.4.2四效催化轉(zhuǎn)換器舉例 174 柴油機尾氣排放異常故障診斷.204.1柴油機排煙的生成.204.2排氣管冒白煙.204.2.1冒白煙的特征與原因. 204.2.2冒白煙的故障原因. 224.2.3故障維修步驟. 224.3排氣管冒藍煙.234.3.1冒藍煙的原因. 234.3.2故障維修方法. 234.4排氣管冒黑煙.244.4.1冒黑煙的影響因素. 244.4.2冒黑煙故障的診斷程序. 255.結(jié)論.25參考文獻.27致

6、.28- 23 - / 31摘 要：與汽油機相比，現(xiàn)代車用柴油機具有動力性較高和經(jīng)濟性較好兩大優(yōu)點，而且具有較高效率、低油耗、壽命長、使用可靠等特點。目前，歐洲的轎車消費市場上，柴油轎車占了40%。我國的柴油車發(fā)展較晚，但發(fā)展迅速。到2002全國汽車產(chǎn)量為325萬輛，柴油車占99.8萬多輛，約占汽車總量的30%。增加如此之快，難免給環(huán)境造成較大的影響。隨著柴油汽車的社會擁有量的迅速增大，伴隨著工業(yè)文明的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的環(huán)境問題不斷增多。環(huán)境保護問題越來越引起人們的高度重視。柴油機工作時排放的產(chǎn)物可分為兩類：一類是可見產(chǎn)物，即顆粒物，如碳粒、重碳氫化合物、硫酸鹽、油氣、水汽與灰分等，另一類是一般

7、情況下肉眼看不見的物質(zhì)，如一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)和二氧化硫（SO2）、碳氫化合物（HC）等。CO對人體有毒，而且在大氣中不易自凈；SO2有難聞的刺鼻氣味；HC、NO在一定地理氣候條件下，經(jīng)太的作用會形成毒性很強的光化學煙霧；NO和SO2易溶于水形成酸雨。顯然，柴油機工作排出的燃燒產(chǎn)物不僅會對人類生存環(huán)境造成污染與破壞，而且由于柴油燃燒不完全，造成了能源的浪費。碳煙越濃，排放的可燃物越多，對環(huán)境造成的污染越嚴重，能源的浪費就越大?？刂浦攸c是氫氧化物和顆粒污染物。面對當前的形勢，汽車制造商采用了許多尾氣凈化的設(shè)備和技術(shù)，本文介紹幾種當前先進的柴油機尾氣排放凈化技術(shù)。關(guān)鍵詞:柴油機尾

8、氣；排放污染；尾氣凈化引 言隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車保有量急劇膨脹，汽車排放問題受到極大關(guān)注，因為汽車排放嚴重影響著生態(tài)環(huán)境、人身健康、制約著經(jīng)濟的發(fā)展。為了能更好地治理環(huán)境污染，各個國家相繼頒布了愈來愈嚴格的排放法規(guī)。隨著汽車柴油化進程的不斷加快，對車用柴油機的低污染要求越來越突出。1柴油發(fā)動機整機的使用1.1柴油發(fā)動機的總體構(gòu)造一臺車用柴油機是由若干個機構(gòu)，總成和零部件所組成的機器。雖然目前往復活塞式發(fā)動機種類繁多，結(jié)構(gòu)復雜，但其總體構(gòu)造均勻共同特點。車用柴油機一般由下述機構(gòu)和系統(tǒng)組成；（1） 機體。機體既發(fā)動機的固定部件汽缸體總成、汽缸蓋總成等。機體既是柴油機機構(gòu)、各系統(tǒng)的裝配載體，

9、其本身的許多部分又是有關(guān)機構(gòu)和系統(tǒng)的組成部分。（2） 曲軸連桿機構(gòu)。曲軸連桿機構(gòu)主要包括活塞連桿總成，曲軸飛輪總成。通過該機構(gòu)將活塞的往復直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動而輸出動力，是柴油機的主要組成部分。（3） 配氣與傳動機構(gòu)。配氣與傳動機構(gòu)主要包括凸輪軸總成、氣門挺住總成、齒輪傳動機構(gòu)。其功用是定時地開閉進、排氣門，使空氣與時地充入汽缸，并與時地從汽缸中排出廢氣。（4） 進氣、排氣系統(tǒng)。主要包括空氣濾清器、進氣管、排氣管和消聲器等。柴油機增壓器、中冷器或廢氣凈化裝置也應包括在此系統(tǒng)。其功用是將空氣進行濾清和增壓，并合理地供給各個汽缸；將燃燒過的廢氣從發(fā)動機排出，或加以凈化后排出，以免污染大氣。 （5

10、） 潤滑系統(tǒng)。主要包括機油泵、機油集濾器、機油管路和油底殼等。其功用是將潤滑油供給給摩擦件，減少磨損、冷卻機件、清洗摩擦表面等。（6） 冷卻系統(tǒng)。主要包括水泵、風扇、水箱散熱器、節(jié)溫器、機油散熱器、中冷器等。其功用是利用冷卻介質(zhì)（水或空氣）將高溫零件的熱量散到大氣中，以保證發(fā)動機能正常工作。（7） 電氣系統(tǒng)。主要包括充電發(fā)電機（電壓調(diào)節(jié)器、蓄電池）、直流啟動機和一些附屬裝置（為了便于啟動）（8） 其他裝置。如空氣壓縮機等。1.2四沖程柴油發(fā)動機的工作原理汽油發(fā)動機與柴油發(fā)動機各沖程的比較見表2-1表2-1 汽油發(fā)動機與柴油發(fā)動機各沖程的比較沖程汽油發(fā)動機柴油發(fā)動機進氣沖程空氣燃油混合氣被負壓吸

11、入燃燒室只吸入空氣壓縮沖程活塞對空氣燃油混合氣進行壓縮活塞壓縮空氣使其壓力升至3.54.5MPa，同時溫度高達110150做功沖程火花塞點燃被壓縮的混合氣燃油噴入高溫高壓空氣中，由于壓縮空氣的高溫而自然排氣沖程活塞將廢氣壓出汽缸活塞將廢氣壓出汽缸 柴油機與汽油機比較，各有特點。汽油機具有轉(zhuǎn)速高（目前轎車用汽油機最高轉(zhuǎn)速達到50006000r/min，貨車用汽油機達4000r/min左右）質(zhì)量小、工作時噪音小、啟動容易、制造和維修費用低等特點。故在轎車和中、小型貨車上與軍用越野車上得到廣泛的應用。其不足之處是燃油消耗率較高，因而燃料經(jīng)濟性較差。柴油機因壓縮比高，燃油消耗率平均比汽油機低30%左右

12、，且柴油價格低，所以燃油經(jīng)濟性較好。一般裝載質(zhì)量7t以上的貨車大都用柴油機。柴油機的弱點是轉(zhuǎn)速較汽油機低（一般最高轉(zhuǎn)速在25003000r/min）、質(zhì)量大、制造和維修費用高（因為噴油泵和噴油器加工精度要求高）。但目前柴油機的這些弱點正在逐漸得到克服、它的應用圍正在向中、輕型貨車擴展。近年來國外、國有的轎車也采用柴油機，其最高轉(zhuǎn)速可達5000r/min2.柴油機尾氣排放主要成分2.1一氧化碳（CO） 一氧化碳是柴油在空氣不足(貧氧)的情況下燃燒的中間產(chǎn)物，在柴油機排氣中一般含量較低，當柴油機燃燒局部缺氧時容易產(chǎn)生。一氧化碳生成量的多少取決于空燃比，由于柴油機空燃比較大，因此一氧化碳排放量不大。

13、一氧化碳濃度達到一定程度就能引起人體慢性中毒，導致人體組織缺氧，危害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起頭痛、頭暈、四肢無力等中毒癥狀，嚴重時會導致生命危險。2.2氮氧化物（NO） 氮氧化物是柴油機燃燒高溫條件下產(chǎn)生的，其生成取決于燃燒過程中的溫度和反應時間的長短。在直接噴射柴油機中，由于空燃比較大，氧氣較為豐富，燃燒溫度也高，使氮氧化物的生成量較大。在間接噴射柴油機中，燃燒首先在極缺氧的渦流室（或副燃燒室）中進行，燃燒溫度相對較低，當火焰噴入主燃燒室時，使燃燒在有充足空氣中且燃燒溫度較低的情況下進行，可避免氮氧化物的生成時機，所以氮氧化物排放量相對較低。氮氧化物中NO、NO2都有毒性，對人體和環(huán)境破壞較大。人

14、吸入氮氧化物后出現(xiàn)眩暈、無力等，嚴重時出現(xiàn)窒息。另外，還會與碳氫化合物一起引起光化學反應，造成更嚴重的危害。2.3碳氫化合物（HC） 在柴油機排放中碳氫化合物的生成的主要途徑為燃料不完全燃燒、縫隙效應、曲軸箱漏氣等。柴油機雖然有較大的空燃比，由于霧化質(zhì)量（噴油器霧化不良、二次噴射、滴油等）很難達到使然由于空氣混合到理想的均勻程度，燃油在噴射時，難以避免地會噴到壁面上，而形成局部過濃混合氣，形成局部不完全燃燒。另外噴射定時滯后與延遲、負荷與轉(zhuǎn)速的變化、低溫啟動、怠速運轉(zhuǎn)等情況下都會使未燃碳氫化合物的濃度增加。排氣中的碳氫化合物具有較大毒性，是一種很強的致癌物質(zhì)。另外碳氫化合物是引起光化學反應的起

15、因物質(zhì)，生成的過氧化物對環(huán)境的危害很大。2.4顆粒物（PM） 柴油機的排放顆粒物主要是碳粒（也稱碳煙），其形成的過程也很復雜。影響碳粒形成的主要因素是高溫和貧氧，在過量空氣系數(shù)很低、油氣混合不均勻而又處于高溫下的油滴將被裂解，從而產(chǎn)生大量的碳粒。在柴油機的燃燒過程中，碳粒的形成除過量空氣系數(shù)、混合氣的均勻性和燃燒溫度外，還與燃料的成分有較大的關(guān)系，如燃料的碳氫比，灰分等都影響碳粒的生成。碳粒易粘附重碳氧化物與硫酸鹽，形成的顆粒物懸浮于空氣中，在大氣中受和其他物質(zhì)作用將發(fā)生光化學反應，對環(huán)境產(chǎn)生危害。3.當前柴油機尾氣排放的主要凈化措施3.1廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)3.1.1廢氣再循環(huán)(EGR)

16、系統(tǒng)工作原理柴油機與汽油機一樣也有大量的NO生成，廢氣再循環(huán)(EGR)就是通過回引部分廢氣與新鮮空氣共同參與燃燒反應，利用廢氣中含有大量的惰性氣體(CO2、N2、H2O等)具有較高的比熱容這一特性，來降低NOX的生成。柴油機NOX生成的原因是：燃燒過程的平均過量空氣系數(shù)雖然比較大，但因混合氣成分不均勻，局部燃燒溫度仍很高，所以生成大量NOX不過，隨著柴油機負荷的降低，NOX的排放迅速減小。在汽油機上降低NOX最主要的方法是通過廢氣再循環(huán)(EGR)，而柴油機也可以通過廢氣再循環(huán)(EGR)來降低NOX排放。廢氣再循環(huán)(EGR)為什么能降低NOX呢?因為NOX的生成條件是高溫富氧，而廢氣的引入，一方

17、面使混合氣熱容量增大，造成一樣量的混合氣升高同樣溫度所需熱容量增大，從而降低最高燃燒溫度；另一方面，廢氣對新鮮充量的稀釋也相應降低了氧的濃度，從而有效的抑制了NOX的生成。 根據(jù)廢氣進入氣缸是否通過發(fā)動機的進氣系統(tǒng)，EGR系統(tǒng)可分為部EGR系統(tǒng)和外部EGR系統(tǒng)。 部：EGR系統(tǒng)通過改變配氣正時實現(xiàn)。該系統(tǒng)不需要外加其他設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，應用方便，而且可以避免再循環(huán)廢氣對管道的腐蝕，有利于提高系統(tǒng)耐久性。由于是在進氣行程，直接開啟排氣閥使廢氣回流，因此難以精確控制EGR率；同時廢氣未經(jīng)冷卻直接回流，引起混合氣溫度升高，這一點又有利于NOX的生成。因此部EGR對NOX的抑制效果并不顯著。但是隨著控制

18、技術(shù)的不斷提高，部EGR因其簡單、便利，日益受到青睞。外部：EGR利用專門的管道將廢氣引入進氣歧管，使廢氣與新鮮空氣在進入氣缸前充分混合。由于外部EGR不但可以通過電控系統(tǒng)精確控制EGR率、優(yōu)化發(fā)動機性能，而且可以在外部系統(tǒng)過加裝EGR冷卻器，有效降低燃燒溫度，因此目前較為常用的是外部EGR系統(tǒng)。3.1.2增壓柴油機EGR的實現(xiàn) 自然吸氣柴油機所用的EGR系統(tǒng)與汽油機類似。由于進排氣之間有足夠的壓力差，EGR的控制比較容易。在現(xiàn)代增壓柴油機中，由于渦輪增壓器效率的提高，增壓器后的進氣壓力(增壓壓力)，在很多工況下會高于增壓器前的排氣壓力，造成EGR的困難，至少不會獲得足夠高的EGR率。為此可采

19、用下列措施：如圖3-la所示，在EGR閥5前，加一個排氣脈沖閥6，利用排氣脈沖加大EGR量。用節(jié)流閥7對進氣進行節(jié)流(見圖3-lb)，可降低柴油機前的進氣壓力，可使EGR率大為提高。但顯然會增加柴油機的泵氣損失，有損燃油經(jīng)濟性。在進氣系統(tǒng)中，裝一個文丘里管8(見圖3-lc)，可以提高EGR的有效壓差，從而擴大EGR率的可調(diào)圍。由于文丘里管喉口的壓降，在喉口下游可得到部分的恢復，壓力損失可以減，調(diào)節(jié)文丘里管的旁通閥9，可改變EGR 的有效壓差。用專門的EGR泵11(見圖3-ld)強制進行EGR，當然具有最大的靈活性。但由于EGR泵的流量要求很大，機械驅(qū)動泵顯然過于龐大昂貴。如圖上所示渦輪增壓器驅(qū)

20、動一個外加的EGR泵11是一個實用方案。用可變噴嘴增壓器VNT（Variable Nozzle Turbocharger）,是實現(xiàn)增壓柴油機有效EGR的一個新途徑。用普通渦輪增壓器，實現(xiàn)足夠的EGR往往有困難。有實驗結(jié)果表明；用普通的渦輪增壓器時，只能在部分負荷下獲得0.1左右的EGR率；用可變噴嘴渦輪增壓器時，柴油機大負荷時，可以通過減小渦輪噴嘴流通面積來提高排氣壓力，進而增大大負荷領(lǐng)域的EGR率。 圖3-1（增壓中冷柴油機的EGR系統(tǒng)） a用排氣脈沖閥的EGR系統(tǒng) b用進氣節(jié)流閥的EGR系統(tǒng) c用文丘里管的EGR系統(tǒng) d用EGR泵的EGR系統(tǒng) 1電控單元 2中冷器 3柴油機 4渦輪增壓器

21、5EGR閥 6排氣脈沖閥 7進氣節(jié)流閥 8文丘里管 9文丘里管旁通閥 10EGR冷卻器 11EGR泵3.1.3廢氣再循環(huán)排氣的冷卻實驗證明，把再循環(huán)的排氣加以冷卻，即采用所謂冷EGR，可使進入缸的新鮮空氣的損失減少，從而避免了大負荷燃油經(jīng)濟性和排氣煙度的惡化。冷EGR系統(tǒng)布置如圖3-1c、圖3-1d所示。EGR冷卻器10可以用柴油機的冷卻水冷卻，但冷卻溫降有限，最好用空氣直接冷卻。現(xiàn)已成功投產(chǎn)的EGR冷卻器，可在不同工況下，使EGR溫度下降50-150，使NO下降10%左右。3.1.4柴油機EGR的控制（1）控制方式 柴油機的EGR控制比較復雜，尤其是增壓柴油機，一般都采用電子控制。其控制方式

22、可以是開環(huán)控制，也可以是閉環(huán)控制。開環(huán)控制。開環(huán)控制一般基于脈譜(MAP)的控制，即通過實驗確定典型工況下，達到排放要求的最佳EGR率。這種方法控制簡單，目前應用較為普遍。但其準確性依賴于各種工況下MAP圖的精確制取，同時動態(tài)響應慢。較典型的開環(huán)控制為對混合氣的成份加以考慮，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速、負荷條件，由進氣和排氣中的氧氣濃度來確定最優(yōu)的EGR率，例如在圖31a中，電控單元1根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速、負荷，以與進氣和排氣中的氧氣濃度、溫度等傳感器的輸入信號，按標定的EGR脈譜對EGR閥5、節(jié)流閥7、旁通閥9等執(zhí)行機構(gòu)進行控制。EGR閥5可以是一個真空閥。電控單元1通過對一個獨立真空源產(chǎn)生的真空度加以調(diào)制，來

23、控制真空閥的開度。EGR閥也可以是一個電磁閥，可由電控單元通過PWM信號直接控制。閉環(huán)控制。閉環(huán)控制可以選擇基于排氣背壓的閉環(huán)控制，也可選擇基于排氣氧氣傳感器紫的閉環(huán)控制?；谂艢庋鯕鈧鞲衅鞯拈]環(huán)控制，選取對發(fā)動機性能影響最大的兩個參數(shù)進氣中的氧氣濃度和排氣中的氧氣濃度加以考慮?；谶^量空氣系數(shù)的EGR控制，是通過過量空氣系數(shù)來間接測量NOx的排放量，其受EGR率的影響大，可作為EGR閉環(huán)控制的反饋信號。閉環(huán)控制可以實時根據(jù)工況的變化自動調(diào)整EGR量，使EGR達到最佳。因此，它比開環(huán)控制的效果更好，但其結(jié)構(gòu)也較復雜。 （2）控制時間 汽油發(fā)動機在發(fā)動機中小負荷時將一定量的廢氣引入燃燒室參與燃燒

24、，怠速、全負荷時不起作用。柴油發(fā)動機在發(fā)動機怠速、中小負荷時將一定量的廢氣引入燃燒室參與燃燒，全負荷不起作用。3.1.5柴油機EGR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以一汽大眾柴油轎車為例，其柴油機EGR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為兩類：廢氣再循環(huán)電磁閥與機械閥分開方式（見圖3-2）廢氣再循環(huán)電磁閥與機械閥合二為一，直接由發(fā)動機控制單元控制（見圖3-3） 圖3-2 （EGR與機械閥分開方式 ） 圖3-3 （EGR閥與機械閥合并方式）1-發(fā)動機控制單元 2-廢氣再循環(huán)閥（電磁） 1-發(fā)動機控制單元 2-廢氣再循環(huán)閥（電磁）3-廢氣再循環(huán)閥（機械）4-空氣流量計 3-廢氣再循環(huán)閥（機械） 4-尾氣凈化裝置5-尾氣凈化裝置3.2催化

25、轉(zhuǎn)化技術(shù)3.2.1催化轉(zhuǎn)化器工作原理柴油機用催化轉(zhuǎn)化劑與汽油機的基本一樣，可用Pt等貴金屬。催化轉(zhuǎn)化劑(Oxidizingtalyst)的作用是促使排氣中的PM、HC和CO發(fā)生催化反應，被氧化為水和二氧化碳排出。但因柴油機排氣溫度低，微粒中的碳煙難以氧化，氧化催化劑主要用于轉(zhuǎn)化可溶性有機組分SOF(Soluble Olganic Fraction)，達到微粒排放降低的效果。同時也可使HC和CO排放進一步降低，還可凈化其他有害成分(如乙醛等)，以與減輕柴油機排氣臭味。Pd的催化活性盡管不如Pt，但產(chǎn)生的硫酸鹽要少得多，同時價格也便宜，因此也有選擇Pd作為柴油機催化轉(zhuǎn)化劑的活性成分的。試驗表明當使

26、用Pt系催化劑時，由于大量硫酸鹽的產(chǎn)生使微粒排放總量比未使用催化劑時高了50以上，但如果使用Pd系催化劑，在SOF排放明顯降低的同時硫酸鹽的生成量也不大,因而微粒排放總量降低約1/3。另外，用氧化硅代替氧化鋁作為涂層材料也可以減少硫酸的生成。 圖3-4為帶有吸附功能的催化轉(zhuǎn)化器的原理圖。在發(fā)動機剛起動后的催化劑活性很低的低溫階段，排氣中的未燃成分HC和PM(ParticulateMatter)中的可溶有機成分SOF被HC的吸附材料所吸附，當溫度升高后，催化劑的活性提高，吸附材料的吸附能力降低，于是未燃HC和SOF脫離吸附材料，在催化轉(zhuǎn)化劑的作用下變?yōu)闊o害的成分排出。由于采用了和S02難以反應的

27、材料，催化器的壽命和效率得到了提高。試驗結(jié)果表明，這種帶有吸附功能的催化轉(zhuǎn)化器可使排氣中的CO、HC、SOF減少5090。這種催化器的缺點是不能除去PM中的炭粒部分。催化轉(zhuǎn)化器應用的困難主要為柴油中含有較高的硫，燃燒后生成S02，經(jīng)催化器氧化后變?yōu)镾O3然后與排氣中的水結(jié)合后會生成硫酸鹽等。催化轉(zhuǎn)化效果越好，硫酸鹽生成越多，甚至達到平時的89倍。這無疑將抵消掉SOF的減少所帶來的環(huán)境效益，甚至反而使微粒排放上升。同時，硫也是催化劑中毒劣化的原因之一。圖3-4（帶吸附功能的催化轉(zhuǎn)化器原理圖）3.3顆粒物的凈化技術(shù)柴油機顆粒物的凈化技術(shù)主要有上述的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)以與過濾凈化技術(shù)、顆粒收集或捕集(捉)

28、技術(shù)以與催化轉(zhuǎn)化器和過濾器并用技術(shù)。其中最為有效的方法是各種過濾器。顆粒過濾器也叫顆粒收(捕)集器、顆粒捕捉器等。顆粒過濾器DPF(Diesel Particulate Filter)的原理是先用過濾裝置過濾廢氣中的顆粒物質(zhì)，當過濾器收集到的顆粒物太多影響柴油機工作時，然后采用更換過濾器或?qū)κ占念w粒采用氧化或燃燒技術(shù)進行清潔，使顆粒過濾器恢復原狀重新工作。這種技術(shù)的難點主要有三個。第一是過濾器的安裝使排氣背壓增大，并且隨著收集顆粒物的增加而增大，這將導致發(fā)動機性能指標下降；第二是在一般柴油機運轉(zhuǎn)條件下收集的顆粒物不能點燃與氧化；第三是顆粒物質(zhì)被點燃之后，容易造成溫度過高，損傷或燒壞過濾器。顆

29、粒過濾器通常為圓筒形，直接串聯(lián)在排氣管路中。排氣顆粒經(jīng)濾芯被收集，隨著運行時間的增加，過濾效率會降低，排氣背壓由于過濾器的阻塞而上升，因此在經(jīng)過一段時間后，要對過濾器進行再生處理，使過濾器中的顆粒物燃燒掉。根據(jù)過濾器的結(jié)構(gòu)不同，可將顆粒過濾器分為非整體式與整體式兩大類。非整體式顆粒過濾器的濾芯是由耐高溫的金屬絲網(wǎng)或瓷纖維等雜亂無章地構(gòu)成。排氣從彎彎曲曲的微小孔道過。當采用矩形截面的金屬線時，一般在其外表包裹一層Al2O3,由于一Al2O3表面呈松枝狀結(jié)晶，比表面積大。不同的金屬絲上的Al2O3表面積不同，一般為2040cm²/g。整體式過濾器的濾芯為整體蜂窩狀，常用堇青石(由MgO、

30、Al2O3與SiO2組成)制成。兩端面孔道的進、排氣孔間隔地用圖3-5中的瓷塞堵住。排氣(箭頭所示方向)經(jīng)過細微多孔的壁時，顆粒被攔截住。通常在濾芯與不銹鋼管的外殼之間，安裝具有彈性的瓷襯墊。目的是為了補償金屬外殼和濾芯的不同的軸向、徑向伸縮；緩沖車輛行駛時對濾芯的沖擊與濾芯的振動；密封濾芯的外圓周，防止排氣從外圍流過；隔熱保溫，減少金屬管與濾芯的徑向溫度下降梯度與熱應力；調(diào)節(jié)金屬管不同的軸向膨脹與剪切變形，減小傳給濾芯的應力。圖3-5整體式過濾器濾芯示意圖對顆粒過濾器的要求：(1)過濾效率高顆粒過濾器的過濾效率為車輛行駛每單位里程或單位時間在過濾器中收集到的顆粒質(zhì)量與車輛行駛每單位里程或單位

31、時間進入過濾器的顆粒質(zhì)量之比。過濾效率越高，過濾器的過濾效果越好。顆粒過濾器的過濾效率一般為5080。瓷載體孔徑的大小、壁厚、壁孔的密度與過濾器的外形尺寸是影響過濾效率的主要因素。為了使過濾器的效率較高、排氣流動阻力小，而外形尺寸又不大，則必須研究它們之間的關(guān)系與對主要結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)選。在設(shè)計過濾器時，還應考慮車型與應達到的顆粒法規(guī)標準。一般對于顆粒排放量高的重型車用柴油機，過濾效率應達到80，而對于顆粒排放量低的輕型柴油機，則要求可以低些。 (2)應有低的初始流動阻力和在寬的負荷圍有自行再生的能力排氣經(jīng)過過濾器時會受到一定的阻力，這造成排氣背壓增加。隨著運行時間增加，過濾器中顆粒存儲量增多，

32、背壓也增加。排氣背壓的增加將導致燃機功率下降，比油耗增加，排放進一步惡化。因此要求設(shè)計的過濾器應有低的初始流動阻力和在寬的負荷圍有自行再生的能力，即在排氣溫度和催化劑的作用下，顆粒能夠燒掉，而不在過濾器中積累，從而保持低的流動阻力。根據(jù)正在使用的濾芯的壓力降與未使用過的濾芯的壓力降進行對比，可以確定過濾器的顆粒積累程度，以判斷出是否要用輔助手段對過濾器進行再生。 (3)濾芯材料性能好顆粒過濾器不僅經(jīng)常處于溫度變化的排氣中，而且在進行再生處理時，由于顆粒的燃燒，要釋放出大量熱量，溫度可高達1000以上。因此，濾芯材料應能承受高溫與熱沖擊，應具有足夠的強度、化學穩(wěn)定性、抗熱裂與融熔等性能。濾芯損壞

33、的主要形式是材料軟化、局部因高溫融粘與產(chǎn)生裂紋等。 (4)過濾器容積適當增加過濾器容積可以提高過濾效率，減少壓力降，但其外形尺寸增加。為了不妨礙在排氣管路中安裝，在保證過濾效率和低流通阻力的前提下，應盡可能減小外形尺寸，并且應具有一定的通用性。 (5)壽命長過濾器在排氣管路中，要受到熱脹、振動以與由此產(chǎn)生的機械應力和熱應力作用，因此，它應有足夠的可靠性。過濾器的成本較高，應有足夠的壽命與較好的再生技術(shù)措施，在長期使用后，仍能保持較高的過濾效率。過濾器的作用是攔截顆粒并將它們儲存起來，然而過濾器的容積有限，使用一段時間后，排氣背壓會增加，如不清除掉顆粒，則柴油機性能會變壞，比油耗增加。所以，對顆

34、粒過濾器進行與時的再生是非常必要的。 過濾器再生的原理是使顆粒發(fā)生氧化反應變成C02氣體隨排氣一起排人大氣。能否使顆粒發(fā)生氧化反應變成CO2氣體，主要取決于以下幾個方面：溫度是否大于開始著火燃燒的最低溫度；氧濃度是否大于2；是否有足夠的反應時間等。其中最關(guān)鍵的是顆粒物的溫度。柴油機在高速、高負荷運轉(zhuǎn)時，排氣溫度可以達到600以上，過濾器的顆粒能較快地氧化燃燒。試驗表明，大約有85的顆粒氧化成CO2氣體，其余部分因缺氧未完全燃燒，成為CO；而在部分負荷、小負荷時，溫度低，不能進行顆粒過濾器的再生。為了能在多種工況下使顆粒物發(fā)生氧化反應變成CO2氣體，通常采用降低顆粒開始著火燃燒的最低溫度或者提高

35、排氣溫度的方法。1提高排氣溫度(1)采用進氣節(jié)流在部分負荷時，可通過進氣節(jié)流使柴油機的進氣量降低，排氣流量減少，排氣溫度升到較高水平，以滿足過濾器再生的需要。但過分節(jié)流，氧濃度會降低得過大，排氣顆粒量增多，動力性與燃油經(jīng)濟I生下降；當柴油機從節(jié)流回到不節(jié)流狀態(tài)、轉(zhuǎn)速降低時，過濾器中過熱的顆粒得到氧氣而迅速燃燒，釋放出大量的熱，濾芯材料會因溫度驟升而損壞。在低負荷時，為了獲得再生條件，需要進行更大程度的節(jié)流，但這會使比油耗大大增加，燃機性能變差。(2)設(shè)置燃燒器柴油機在怠速工況時排氣溫度僅是120150，在低速、低負荷工況時排氣溫度也較低，只靠進氣節(jié)流等措施，仍不能達到顆粒點燃溫度。此時提高排氣

36、溫度的較可靠的方法是，在過濾器人口前，設(shè)置一燃燒器，用噴油器向燃燒器噴人少量燃油，利用排氣的氧或另外供給燃燒器的二次空氣，用火花塞或電熱塞點燃燃油，產(chǎn)生高溫燃氣，點燃過濾器中的顆粒。一般經(jīng)過12min后，即可完成再生過程，如圖3-6所示。圖3-6燃油噴射式再生系統(tǒng)示意圖1發(fā)動機 2消聲器 3氣體入口 4SiC過濾器 5出口 6燃油泵 7燃油罐 8燃油與空氣 9點火線圈 10空氣罐 11空氣泵12燃燒器溫度信號 13電池 14溫度 15放大圖 16溫度 17壓力 18發(fā)動機負荷 19發(fā)動機轉(zhuǎn)速 另外通過排氣再循環(huán)或者調(diào)整噴油正時，增加排氣的HC與CO含量，使它們在排氣較高溫度與富氧情況下燃燒，產(chǎn)

37、生較高的熱量，再點燃顆粒，這種方法的不足是可能產(chǎn)生新的二次污染。除了進氣節(jié)流外，還可以采用排氣節(jié)流、推遲噴油時間、加熱進氣等方法提高排氣溫度。2降低顆粒開始著火燃燒的最低溫度由于提高排氣溫度會產(chǎn)生油耗增加、產(chǎn)生新的二次污染等新問題，所以可以采用催化劑(如鉑、鈀、銅、鉛與錳等金屬化合物)降低顆粒著火燃燒溫度的方法：一是在濾芯材料表面涂催化劑。但這種方法只有與催化劑表面接觸的顆粒，才能在較低溫度下進行催化燃燒；二是在燃油中加入催化劑。在柴油中加入金屬化合物催化劑的方法有兩種，一種是預先調(diào)制成混合燃料，另一種是邊混合邊使用。前一種方法容易分層，兩種方法都會使柴油供應分配系統(tǒng)復雜化。這種方法有可能造成

38、新的二次污染。在排量為43L柴油機上的試驗表明，柴油中加入不同金屬化合物催化劑，能使整體式多孔瓷過濾器的顆粒物發(fā)生催化燃燒的最低溫度(也稱點燃溫度)明顯降低，幾種常用催化劑對顆粒點燃溫度的影響如表3-3-1所示。表3-3-l柴油中催化劑對顆粒點燃溫度的影響催化劑的種類和數(shù)量未加催化劑加入0.13g/L銅加入0.13g/L鋁加入0.13g/L錳顆粒點燃溫度/600700400450450500500-550逆向再生方式的顆粒過濾裝置圖3-7所示為帶電加熱器的顆粒過濾裝置。該裝置最顯著的特點是對收集在過濾器的顆粒采用從過濾器出口側(cè)到人口側(cè)進行燃燒的逆向再生方式。與傳統(tǒng)再生方式相比逆向再生的優(yōu)點為：

39、有利于將顆粒燃燒溫度控制到較低水平，能擴大過濾器累積顆粒安全再生的上下限。在過濾器的出口側(cè)的顆粒比進口側(cè)的多，容易點燃累積的顆粒和易于開始燃燒。在逆向再生中，二次空氣流可將顆粒燃燒產(chǎn)生的熱從過濾器壁帶走，而傳統(tǒng)再生產(chǎn)生的熱量直接傳給過濾器壁，造成溫度過高，損壞或燒壞過濾器壁。能縮短所需的再生時間。圖3-7帶專用電加熱器的顆粒過濾裝置示意圖帶有逆向噴氣凈化器的顆粒過濾裝置的最大特點是能將過濾器與顆粒燃燒部分隔開。所以該裝置解決了以下兩個問題：再生時過濾器由于顆粒燃燒放熱而產(chǎn)生的裂縫和熔化；因顆粒燃燒留下灰燼并在過濾器累積。 圖3-8和圖3-9所示是帶有四塊橫流過濾器的過濾系統(tǒng)與過濾裝置的示意圖。

40、含有顆粒的廢氣從過濾器上部流人過濾顆粒的圓柱形通道，沒有顆粒的廢氣從側(cè)壁縫隙排除出。急速噴射的壓縮空氣從與排氣流相反的方向噴入，于是顆粒從柱形通道表面被清除落到漏斗里。收集到漏斗里的顆粒由其中的鎧裝電加熱器燃燒掉。為了提高逆向噴氣凈化的效果，過濾裝置具有控制排氣的蝶形閥，這些閥門在進行逆向噴氣凈化的瞬間即刻關(guān)閉，防止壓縮空氣反向流動。過濾裝置有兩個隔開的排氣管道，在不同的時間分別在每側(cè)排氣管道進行逆向噴氣凈化。 圖3-8逆向噴氣凈化過濾器系統(tǒng)示意圖 不管發(fā)動機工作如何，隨時都可進行凈化。如果在發(fā)動機工作時進行凈化，過濾裝置的壓降要增加一倍，但因為僅需O45s時間就可完成逆向噴氣凈化，所以不會給

41、發(fā)動機工作帶來任何影響。圖3-9過濾裝置示意圖3.4四效催化轉(zhuǎn)換器3.4.1四效催化轉(zhuǎn)化器原理四效催化轉(zhuǎn)化器(Four-way catalytic converter)是一種最理想的柴油機排氣凈化裝置。它能使微粒和NOX互為氧化劑和還原劑，并在同一催化床上同時除去CO、HC、PM(微粒)和NOX。3.4.2四效催化轉(zhuǎn)化器舉例馬自達DIRECD增壓柴油機(1.998 L)上采用了四效催化器，由于同時采用了共軌高壓燃油噴射系統(tǒng)，因此，在發(fā)動機的功率提高40的同時，使NOX、黑煙、振動噪聲、CO2與油耗大幅度下降，其排放低于歐限值。法國雷諾公司推出的Ellypse汽車裝備的1.2L直列4缸16門增壓

42、柴油機，也裝載了四效催化轉(zhuǎn)化器，同時還裝備了車載診斷系統(tǒng)，對排氣成分進行連續(xù)檢測，當汽車應該維修時，將自動亮起警告，圖3-10所示為豐田汽車公司近年推出的裝有四效催化轉(zhuǎn)化器的電子噴射柴油機。該柴油機為共軌燃油系統(tǒng)發(fā)動機，還具有排氣道噴射EPI(ExhaustPort Iection)裝置、低溫燃燒LTC(Low。Temperature Combustion)裝置和補充噴油裝置PI(Post Injection)等。圖3-10豐田公司的四效催化轉(zhuǎn)化器電子噴射柴油機系統(tǒng)示意圖1節(jié)氣門 2EGR閥 3中冷器 4排氣道噴射器 5進氣 6空氣流量計 7增壓器 8DPNR凈化器 9排氣 10氧化轉(zhuǎn)化器 1

43、1空燃比傳感器 12溫度傳感器13壓差傳感器 14EGR冷卻器 15共軌系統(tǒng) 該車上的四效催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造與顆粒過濾器類似，不同之處是在顆粒過濾器的表面涂抹了NSR(Nitrile StorageReduction)催化劑，為了使PM、CO和HC進一步降低，在DPNR(Diesel ParticulateNitrile Reduction System)催化轉(zhuǎn)化器的下游還布置了氧化催化器。該裝置以多孔瓷顆粒過濾器和稀薄混合氣汽油機使用的吸附還原型三效催化器為基礎(chǔ)，其原理是利用在稀混合氣運行吸附NOX時產(chǎn)生的氧和排氣中的氧來氧化PM當在瞬間的濃混合氣側(cè)運行時，雖然排氣中的氧含量少，但可應用NOX

44、脫附后還原時產(chǎn)生的氧來氧化PM為了最大限度的凈化NOX和提高PM的氧化率，必須精確控制再生和脫硫時間等。發(fā)動機工作時，DPNR系統(tǒng)對各個裝置的控制情況如圖3-11所示，在發(fā)動機冷機時，隨著轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的不同，發(fā)動機工作狀態(tài)分為正常燃燒、正常燃燒加EPI裝置；在發(fā)動機熱機時，隨著轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的不同，發(fā)動機工作狀態(tài)分為三種，即正常燃燒、正常燃燒和EPI。裝置共同工作、LTC和EPI裝置共同工作；在發(fā)動機實施氧化PM時，隨著轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的不同，發(fā)動機工作狀態(tài)分為三種，即正常燃燒和EPI裝置共同工作、補充噴油和EPI裝置共同工作、LTC和EPI裝置共同工作；在發(fā)動機實施除去SO2工作時，隨著轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的不同

45、，發(fā)動機工作狀態(tài)分為兩種，即正常燃燒與IYC和EPI裝置共同工作。安裝了這種凈化系統(tǒng)的2t貨車，其排放中的PM和NO僅為2000年日本排放限值的20。如果進一步改變排氣的流人方向，則可促進催化器NO和PM的反應，對大排量的重型車，PM的凈化效率可以達到更高值。應當注意：燃料中的硫會使四效催化轉(zhuǎn)化器的凈化能力降低，所以應該用低硫優(yōu)質(zhì)柴油燃料。圖3-11 DPNR系統(tǒng)對各工況的控制情況1正常燃燒 2正常燃燒+EPI 3LTC+EPI 4補充噴油+EPI4 柴油機尾氣排放異常故障診斷4.1柴油機排煙的生成技術(shù)狀況良好，排放合格的柴油汽車，在常用工況下，排氣管排出的廢氣是無色透明的。只有柴油機在短時間

46、超負荷運轉(zhuǎn)或啟動時，廢氣才呈現(xiàn)出灰色或深灰色，當發(fā)生不正常燃燒時，會形成排氣冒煙。如果在常用工況下，廢氣具有特種顏色，這就是排放超標的反映。不正常的排氣煙色一般分為三種，即黑煙、藍煙和白煙。不同的煙色形成的原因各不一樣。目前對黑煙的形成，汽車工業(yè)發(fā)達的國家均有不同程度的研究，但對其生成機理說法不一。一般認為，起決定作用的是溫度，在250以下形成的煙色通常為白色，從250到著火溫度易形成藍煙。而黑煙只有在達到著火點后才出現(xiàn)。黑煙通常在柴油機大負荷時發(fā)生。當柴油機高負荷運轉(zhuǎn)時，噴入燃燒室的燃料增多，由于柴油機混合氣形成不均勻，即使平均過量空氣系數(shù)大于1，仍不可避免地產(chǎn)生局部區(qū)域空氣不足，此時，于燃

47、燒室溫度較高，燃料在高溫缺氧情況下不完全燃燒，主要由多孔性炭粒構(gòu)成。柴油機的白煙和藍煙，包含未燃烴(含燃油和潤滑油)、水蒸氣以與不完全燃燒中間產(chǎn)物(如含氧碳氫)。除水蒸氣外，都屬于顆粒疇，在排氣過程中，它們大部分吸附在固態(tài)的碳基顆粒上，相互凝結(jié)形成大的絮團，在光的折射下，便排氣冒白煙或藍煙。黑煙也稱炭煙，它主要是柴油機在高壓燃燒條件下局部高溫、缺氧、裂解并脫氫而形成以碳為主要成分的固體微小顆粒，在排氣過程中，形成更大的炭煙粒子或絮團，使排氣胃黑煙。柴油機排氣顆粒中炭煙所占的比例與柴油機的運行狀態(tài)有關(guān)，一般柴油機高負荷運轉(zhuǎn)時，顆粒以炭煙為主，小負荷或怠速時以碳氫化合物為主。4.2排氣管冒白煙4.

48、2.1冒白煙的特征與原因排氣管冒白煙表示柴油蒸汽在燃燒室未能著火燃燒或柴油中含水，白煙是柴油蒸汽，顏色很淡的是水蒸汽。柴油機排白煙可分為灰白煙和水汽白煙兩種。一般情況發(fā)動機在冷啟動排白煙，特別是冬季初始啟動時發(fā)動機冒白煙，隨著機器溫度的升高，白煙消失是正?，F(xiàn)象，但若隨著機器溫度的升高，白煙并不消失就是不正常的運行狀態(tài)了。排氣管冒白煙是未燃油霧或油中有水變成蒸汽所致。其影響因素多為：冷卻保溫系統(tǒng)有故障，水溫升不起來，造成汽缸溫度過低；噴油器霧化不良；噴油正時過遲；柴油中有水或汽缸墊燒穿、缸套缸蓋破裂漏水等原因造成汽缸進水；柴油品質(zhì)差(特別是結(jié)蠟造成噴油器霧化不好)。環(huán)境溫度低時，在發(fā)動機啟動以后

49、，常常立即捧出白煙，是因為在這樣情況下噴射的燃油是在較低的溫度下燃燒的。常見車用柴油機在寒冷季節(jié)，啟動后或長時間怠速運轉(zhuǎn)時，排氣管冒白煙；柴油機進入工作狀態(tài)時，排氣管冒松散的白煙；加速緩慢，功率不足，耗油增多；不規(guī)則地冒白煙，有爆裂聲和轉(zhuǎn)速不正常。這是燃燒室的溫度沒有升高到足以進行有效的燃燒所致。因此，未燃燒的燃油(即碳氫化合物)以蒸氣的形式排出，導致白色或藍色廢氣。這種現(xiàn)象可能是下列原因之一造成的。噴油正時過分延遲(具有副燃燒室的發(fā)動機)。如果噴油正時延遲了，燃油在活塞經(jīng)過上止點以后才噴射。結(jié)果，副燃燒室的壓力下降，部分燃油未被燃燒即排出，造成捧白煙。這個故障伴有發(fā)動機功率輸出不足的現(xiàn)象。噴

50、油正時過分提前(具有直接噴射式燃燒室的發(fā)動機)。如果噴油太早，燃油噴射時，燃燒室的壓力和溫度還未高得足以使燃油完全燃燒。因此，燃燒室壁會被燃油冷卻（稱為激冷），燃燒溫度也將相應下降。結(jié)果，部分噴出燃油未被燃燒即排出，造成排白煙。預熱與余輝故障(具有副燃燒室的發(fā)動機)。如果預熱系統(tǒng)發(fā)生故障，副燃燒室里的溫度不能升高至足以燃燒燃油。因此，部分噴油未完全燃燒即排出，造成排白煙。很自然，這個故障總是伴有發(fā)動機很難啟動的現(xiàn)象。如果余輝系統(tǒng)在發(fā)動機啟動以后發(fā)生故障，就會排出白煙，直至發(fā)動機完全燃燒。發(fā)動機機油過度燃燒。如果大量發(fā)動機機油由于某種故障而進入發(fā)動機氣缸，就有額外的機油未燃燒排出，造成排白煙。這個故障也伴有機油消耗過量的現(xiàn)象。由于機油在蒸汽時使燃燒室冷卻，部分燃油也尚未燃燒即排出。壓縮壓力過低。如果燃燒室的壓縮壓力過低，使燃油到達火溫度的時間要長得多。結(jié)果，部分尚未燃燒就被排出，造成尾氣排放白煙。燃油中混有水。燃油中混有水也會造成排白煙，因為燃油中的水會降低燃燒室的溫度。因此部分燃油也沒燃燒就排出。4.2.2冒白煙的故障原因柴油機排氣管斷斷續(xù)續(xù)冒淡白煙。柴油機工作時，排氣管斷斷續(xù)續(xù)冒淡白煙，往往伴有不規(guī)