第三章汽油機(jī)廢氣凈化與后處理(4)

1、3.4 汽油機(jī)廢氣凈化及后處理技術(shù)v3.4.1 廢氣排放污染物的危害v3.4.2 汽油機(jī)廢氣有害排放物的生成機(jī)理與影響因素v3.4.3 汽油機(jī)廢氣機(jī)內(nèi)凈化措施v3.4.4 汽油機(jī)廢氣后處理技術(shù)3.4.1 廢氣排放污染物的危害v一氧化碳CO的危害；v氮氧化物NOx的危害；v碳?xì)浠衔颒C的危害；v微粒PM對(duì)人類的危害。內(nèi)燃機(jī)廢氣排放物的組成v內(nèi)燃機(jī)排氣中基本成分是二氧化碳、水蒸氣、過(guò)剩的氧氣、及存下的氮?dú)?，它們是燃料與空氣完全燃燒的產(chǎn)物，從毒物學(xué)的觀點(diǎn)看，它們是無(wú)毒的。v排氣中還含有不完全燃燒及燃燒反應(yīng)的中間產(chǎn)物，包括一氧化碳CO、碳?xì)浠衔颒C、氮氧化合物NOx、二氧化硫SO2、微粒（鉛化物、

2、黑煙、油霧等）、臭氣（甲醛、丙烯醛等）等。這些污染物總和，在柴油機(jī)中不到廢氣總量的1%，在汽油機(jī)中隨不同工況變化較大，有時(shí)可達(dá)5%左右，大部分有毒，或有強(qiáng)烈的刺激性、臭味和致癌作用，因此列為有害成分。一氧化碳CO的危害vCO是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，它和血液中輸送氧的載體血紅蛋白的親和力是氧的240倍。CO與血紅蛋白結(jié)合成羥基血紅蛋白，就剝奪了血紅蛋白對(duì)人體組織的供氧能力。氮氧化物NOx的危害v內(nèi)燃機(jī)廢氣中氮氧化物絕大部分是NO，少量是NO2。NO是無(wú)色氣體，高濃度NO能引起中樞神經(jīng)的癱瘓及痙攣，在大氣中緩慢氧化成為NO2，成褐色，具有強(qiáng)烈的刺激氣味，對(duì)肺和心肌有很強(qiáng)的毒害作用。vNOx是形成光化

3、學(xué)煙霧的主要成分。碳?xì)浠衔颒C的危害v內(nèi)燃機(jī)排氣中HC濃度隨著工況與試驗(yàn)條件的不同差別很大，可由幾十ppm到1萬(wàn)多ppm，但和CO相比還低得多。v碳?xì)浠衔飳?duì)人類危害最大的是環(huán)芳烴，尤其是3.4苯并芘，是一種很強(qiáng)的致癌物質(zhì)。v排氣中甲醛和丙烯醛能強(qiáng)烈刺激眼睛及呼吸器官。vHC也是造成光化學(xué)煙霧的主要成分。微粒PM對(duì)人類的危害v排氣中微粒是指經(jīng)過(guò)空氣稀釋、溫度降到52后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維濾紙收集的除水以外的物質(zhì)。柴油機(jī)排出的微粒大多小于0.3m，其主要成分是碳及其吸附的有機(jī)物質(zhì)。吸附物中有多種PAH，具有不同程度的致癌作用。v2 m以下的碳煙吸入肺部會(huì)沉積起來(lái)，而0.10.5 m的碳煙

4、對(duì)人體的危害更大，除了致癌作用外，這種炭煙吸入肺部，會(huì)導(dǎo)致慢性病、肺氣腫、皮膚病及變態(tài)性疾病。v顆粒越小，懸浮于空氣中的時(shí)間越長(zhǎng)，被人體吸入的可能性越大。3.4.2 汽油廢氣有害排放物的生成機(jī)理與影響因素v一氧化碳CO的生成機(jī)理與影響因素v碳?xì)浠衔颒C的生成機(jī)理與影響因素v氮氧化物NOx的生成機(jī)理與影響因素一氧化碳CO的生成機(jī)理vCO是碳?xì)浠衔镌谌紵^(guò)程中生成的中間產(chǎn)物。v控制CO排放的主要因素是可燃混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)a。在濃混合氣中a小于1，隨減小而CO不斷增加；在稀混合氣中， CO很低，在a 1.01.1之間，CO隨略微變化。v凡是影響過(guò)量空氣系數(shù)的因素都是影響CO生成的因素。一氧化

5、碳CO生成的影響因素v進(jìn)氣空氣溫度T0的影響：進(jìn)氣溫度上升，大氣密度下降，而汽油密度變化很小，對(duì)化油器發(fā)動(dòng)機(jī)，隨進(jìn)氣溫度升高，混合氣加濃。v大氣壓力p的影響：大氣壓力下降，空氣密度下降，同樣大氣壓力的變化會(huì)影響混合氣過(guò)量空氣系數(shù)。v進(jìn)氣管真空度的影響：當(dāng)汽車急劇減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)真空度大于負(fù)63kPa，停留在進(jìn)氣系統(tǒng)中的燃油迅速蒸發(fā)進(jìn)入燃燒室，組成混合氣過(guò)濃。CO顯著增加到怠速時(shí)的濃度。怠速轉(zhuǎn)速對(duì)汽油機(jī)CO生成的影響v怠速轉(zhuǎn)速的影響：提高怠速轉(zhuǎn)速，可有效降低CO排放，但怠轉(zhuǎn)速過(guò)高，機(jī)械噪聲會(huì)增加。v一般從凈化的觀點(diǎn)，希望怠速轉(zhuǎn)速規(guī)定的高一點(diǎn)好。汽油機(jī)工況對(duì)CO生成的影響v汽油機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，混

6、合氣的a接近1，CO排放量不高。但多缸機(jī)如果a不同，仍會(huì)有的氣缸a 350 熱轉(zhuǎn)換器工作原理v氧化催化轉(zhuǎn)換器對(duì)NOx無(wú)效，因此需要事先在燃燒室內(nèi)對(duì)NOx進(jìn)行削減。氧化催化方式有將空燃比設(shè)定在過(guò)濃區(qū)和稀薄區(qū)。v將空燃比設(shè)在最大功率附近的過(guò)濃區(qū)，汽油機(jī)性能下降不多，但CO、HC則增加很多。因此用空氣泵將空氣送入排氣中，使CO、HC在氧化催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定氧化反應(yīng)。v將空燃比設(shè)定在稀薄區(qū)，汽油機(jī)功率有所下降，但經(jīng)濟(jì)性好，CO和HC較少，二次空氣量可減少。v一般增加EGR對(duì)NOx進(jìn)行凈化。雙床催化（氧化還原）催化轉(zhuǎn)換器v雙床催化轉(zhuǎn)換器雙床催化轉(zhuǎn)換器是先利用排氣中的還原氣體CO、HC來(lái)還原NOx，然后

7、在噴入二次空氣以氧化CO和HC。v缺氧雙床催化轉(zhuǎn)換器缺氧雙床催化轉(zhuǎn)換器必須在濃混合氣狀態(tài)下運(yùn)行，油耗高，很不經(jīng)濟(jì)，目前少用。v富氧雙床催化轉(zhuǎn)換器富氧雙床催化轉(zhuǎn)換器汽油機(jī)的最低油耗點(diǎn)在富氧區(qū)，為了降低汽油機(jī)的燃油消耗率，稀燃汽油機(jī)重新興起。這種汽油機(jī)不適合三效催化轉(zhuǎn)換器，而采用富氧雙床催化轉(zhuǎn)換器?；推髌蜋C(jī)化油器汽油機(jī)補(bǔ)氣系統(tǒng)補(bǔ)氣系統(tǒng)工作原理：工作原理：化油器供應(yīng)相對(duì)較化油器供應(yīng)相對(duì)較濃的混合氣，由氧濃的混合氣，由氧氣傳感器給出反饋氣傳感器給出反饋信號(hào)后，再由補(bǔ)氣信號(hào)后，再由補(bǔ)氣系統(tǒng)根據(jù)情況進(jìn)行系統(tǒng)根據(jù)情況進(jìn)行補(bǔ)氣，以使混合氣補(bǔ)氣，以使混合氣濃度達(dá)到三效催化濃度達(dá)到三效催化轉(zhuǎn)化器的要求。轉(zhuǎn)化器

8、的要求。三效催化轉(zhuǎn)換器v三效催化轉(zhuǎn)換器是一種能同時(shí)凈化NOx、CO、HC3種有害氣體排放的催化轉(zhuǎn)換器，它是汽油機(jī)排氣廢氣后處理種最有效的方法。v為了同時(shí)處理這3種氣體，必須保證NOx還原所需的CO、HC和H2等還原性氣體和為保證CO、HC氧化反應(yīng)所需的O2。所以允許的空燃比范圍非常窄。v右圖是過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)三效催化轉(zhuǎn)換器效率的影響曲線。vNO+CO=1/2N2+CO2vNO+H2=1/2N2+H2OvNO+HnCm N2+H2O+CO2v三效催化轉(zhuǎn)化器的主要成分：Pt/Rh=2/7。其余為A2O3，NiO和CeO2三效催化轉(zhuǎn)換器控制原理圖三效催化轉(zhuǎn)換器閉環(huán)控制系統(tǒng)v為保證空氣過(guò)量系數(shù)在當(dāng)量比附

9、近，三效催化轉(zhuǎn)換器必須和傳感器（氧傳感器）結(jié)合構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。v傳感器測(cè)量排氣中的氧含量，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)它來(lái)對(duì)根據(jù)進(jìn)氣流量傳感器確定的燃油量進(jìn)行校正，以保證實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)變化在1%以內(nèi)。三效催化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)NOx吸附催化轉(zhuǎn)換器v三效催化轉(zhuǎn)換器不能滿足稀燃汽油機(jī)NOx的凈化要求?？梢圆捎肗Ox吸附催化轉(zhuǎn)換器。v轉(zhuǎn)換器種含有貴金屬和堿土金屬作為活性成分，在稀混合氣狀態(tài)，NO在貴金屬的催化作用下，被氧化成NO2，這樣NOx都以NO2的形式出現(xiàn)，并和堿土金屬結(jié)合，排氣中的HC和CO被直接氧化成H2O和CO2。v在達(dá)到堿土金屬吸附極限前，將汽油機(jī)短暫進(jìn)入濃混合氣狀態(tài)，使排氣

10、中產(chǎn)生足夠的還原劑（CO、HC、H2等），與堿土金屬中析出的NO2反應(yīng)生成CO2和N2，這個(gè)過(guò)程叫NOx的吸附催化轉(zhuǎn)換器的再生過(guò)程。3.3.5 汽油機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù)v廢氣再循環(huán)的主要目的是降低NOx排放。廢氣再循環(huán)同時(shí)稀釋混合氣（但很少改變過(guò)量空氣系數(shù)），減少換氣損失，提高汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性。v在有足夠氧氣的條件下，內(nèi)燃機(jī)NOx形成主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度。廢氣再循環(huán)是通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度，減少NOx排放的主要手段之一。v廢氣再循環(huán)降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度的途徑：提高混合氣的熱容比，CO2的熱容比是O2的1.5倍左右，廢氣成分的增加，使混合氣熱容比提高。降低混合氣O2的濃度，由于一部分空氣被廢氣取代，

11、混合氣中O2的濃度響應(yīng)減少。降低燃燒速度，以上兩種效應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度降低，增加了燃燒時(shí)的散熱，降低了最高燃燒溫度。廢氣再循環(huán)對(duì)汽油機(jī)NOx排放的影響汽油機(jī)廢氣再循環(huán)的種類v內(nèi)燃機(jī)廢氣再循環(huán)分為：內(nèi)部廢氣再循環(huán)內(nèi)部廢氣再循環(huán)，進(jìn)、排氣門(mén)重疊開(kāi)啟時(shí)，部分廢氣回流到氣缸。雙凸輪軸四氣門(mén)或電磁氣門(mén)控制汽油機(jī)可以通過(guò)可變進(jìn)氣相位，取得較好的廢氣再循環(huán)效果。外部廢氣再循環(huán)外部廢氣再循環(huán)，把經(jīng)過(guò)冷卻的廢氣引入進(jìn)氣管，與新鮮混合氣（汽油機(jī)）或空氣（柴油機(jī)）一起進(jìn)入氣缸。外部廢氣再循環(huán)一般應(yīng)用于部分負(fù)荷，滿負(fù)荷時(shí)應(yīng)用廢氣再循環(huán)影響功率，怠速時(shí)應(yīng)用廢氣再循環(huán)影響運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。v外部廢氣再循環(huán)分為：氣電式廢氣再循環(huán)

12、；電磁式廢氣再循環(huán)。氣電式廢氣再循環(huán)v氣電式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，廢氣再循環(huán)量是由廢氣再循環(huán)閥的開(kāi)度和緊排氣管之間壓力差共同決定的，它的控制是通過(guò)控制廢氣再循環(huán)閥5的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。該位置主要是由作用在閥頂端的膜片上的真空腔內(nèi)的負(fù)壓決定的。負(fù)壓由節(jié)氣門(mén)后的進(jìn)氣管提供。為精確控制廢氣再循環(huán)閥的開(kāi)度，在真空腔和進(jìn)氣管之間，有一個(gè)電控壓力轉(zhuǎn)換器，它根據(jù)控制電腦的指令，控制廢氣再循環(huán)閥內(nèi)真空腔的負(fù)壓，以此控制廢氣再循環(huán)閥的位置。電磁式廢氣再循環(huán)v電磁式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，控制廢氣再循環(huán)閥的位置直接通過(guò)電磁閥，因而具有：動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；調(diào)節(jié)精度高；廢氣回流量大；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖圖 節(jié)氣門(mén)開(kāi)度節(jié)氣門(mén)開(kāi)度35%35%、

13、n=3200r/minn=3200r/min發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)動(dòng)機(jī)性能0.000.020.040.060.082004006008001000120014001600180020002200NOppmNOppmEGREGR薹薹中央進(jìn)氣中央進(jìn)氣單側(cè)進(jìn)氣單側(cè)進(jìn)氣280290300310320330340-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.121415161718比油耗 g / (kW h)比油耗 g / (kW h)功率 k W功率 k WEGR率EGR率 中央進(jìn)氣功率 中央進(jìn)氣功率 單側(cè)進(jìn)氣功率 單側(cè)進(jìn)氣功率中央進(jìn)氣油耗中央進(jìn)氣油耗單側(cè)進(jìn)氣油耗單側(cè)進(jìn)氣油耗EGR進(jìn)氣方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)氣方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響提高冷起動(dòng)時(shí)催化轉(zhuǎn)換器效率的措施v帶有傳感