汽油机和柴油机排放控制技术探究—课程论文

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1、内燃机废气净化技术课程论文汽油机和柴油机排放控制技术探究 如今，随着时代的发展，人们越来越关注环境污染问题。从2008年开始，我国率先在北京实行国四排放法规，这对于一个发动机研发工作者来说无疑是更具挑战性的工作。文中主要对汽车发动机，包括汽油机和柴油机的排放物及其控制策略进行了探讨，同时也是对于一个学期的学习的总结。1、 汽油机和柴油机的排放物内燃机的排放物主要是指，CO，HC化合物，NOx，碳烟微粒（PM）。这些排放物在汽油机和柴油机中都有排放，但汽油机中排放物主要是指CO，HC化合物，柴油机中主要排放物是指NOx和PM。不过近年来，随着排放法规越来越严格，汽油机NOx和PM的排放控制也提上

2、日程，甚至CO也作为控制排放的对象。2、 汽油机的主要排放控制技术（一）汽油机排放控制技术随着对内燃机燃烧过程的研究以及对排放物本身化学物理生成过程的研究，现在控制汽油机的排放主要分为机内净化技术和机外净化技术。其中机内净化技术主要包括：电子控制燃油喷射系统，可变进气流通截面及可变配气定时系统，废气再循环，燃烧系统优化设计。机外净化技术主要包括：三元催化转化器，曲轴箱强制通风装置、二次空气喷射控制系统和燃油蒸发控制系统。除了上述机内和机外净化技术以外，现在还在燃料方面进行研究，比如清洁代用燃料的应用，混合燃料如甲醇汽油，乙醇汽油等已经应用在实际发动机工作过程中，正丁醇汽油混合燃料目前尚在研究当

3、中，相信不久将来也会应用到实际工作当中。目前的混合动力汽车（HEV）也是研究的热点（2） 汽油机机内净化技术的优缺点（1）电子控制燃油喷射系统电子控制燃油喷射系统(EFI)利用传感器检测发动机的各种状态，经微机判断、计算,使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。利用电控喷油技术可以实现缸内直接喷射（GDI）和均质混合气压燃（HCCI）技术。GDI汽油机是在部分负荷时用混合气的分层实现超稀薄燃烧，得到同柴油机一样低的燃油消耗率；在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合方式，得到高功率特性的理想汽油机。然而，该类汽油机也面临着排放问题，其主要是未然碳氢化合物和NOx的排放，虽然其解决了低温启动时

4、未燃碳氢大量的排放问题，但在中小负荷时气未燃碳氢排放依然很多。另外一个优点就是它避免了像气道喷射会在气道壁面沉积的问题，更精确的控制空燃比。由于其可实现稀薄燃烧，这也可以加大其压缩比，提高发动机的热效率，降低油耗；使发动机能很容易实现分层燃烧。均质混合气压燃（HCCI）技术。在起动和高负荷时以火花点火(SI)方式或柴油机燃烧(DI)运转，在中、低负荷和怠速时以HCCI方式工作。该技术融合两种燃烧方式，从而获得和汽油机一样的高功率输出和低PM排放，而且在部分负荷和怠速时获得和柴油机一样或更高的经济性，同时NOx排放又很低。HCCI汽油机的碳氢排放介于电喷汽油机和分层燃烧直喷汽油机之间。由于混合气

5、在压缩行程开始之前就已形成，燃烧室壁上的缝隙成为碳氢排放的重要原因。如果采用较高的压缩比，更多的混合气将被压入燃烧室壁的缝隙中，使未燃碳氢化合物排放增加。如果负荷进一步下降，混合气变得更稀，不完全燃烧增加，碳氢排放持续上升，对燃烧效率和热效率产生显著影响。（2） 可变进气流通截面及可变配气定时系统采用可变进气流通截面可改善中速运转及部分负荷时的汽油机性能，并可控制燃烧速率。采用可变配气定时系统可调节缸内剩余废气量，降低NOx排放，改善怠速性能。比如VVT，VVL，可变进气歧管等技术的应用，降低HC，CO的排放。（3） 废气再循环（EGR）该技术是将部分废气再导入气缸中进行燃烧，一方面降低缸内最

6、高燃烧温度，抑制了NOx的排放，另一方面EGR率过大会使燃烧恶化，燃油消耗率增大，HC排放上升。目前主要将EGR与电控技术结合起来，使得EGR率的控制范围大，控制自由度也大，可实现非线性控制，使EGR率控制更符合发动机工作和净化的要求。现如今，废气再循环分为由进气道引入废气的分层废气再循环(分层EGR)方式和由节气门前引入废气再循环(总管 EGR)方式两种。有研究表明，分层EGR的汽油机燃烧EGR率比总管EGR方式范围要大，而且指示热效率都高。相同负荷下，分层EGR的汽油机连续循环下，指示平均有效压力更加集中，而且燃烧更加稳定两种EGR方式下汽油机排气中单位体积内的核态颗粒物和表面积数随着EG

7、R率的增加而降低，而且在相同EGR率下，分层EGR方式下的值比总管EGR下的值高。单位体积内积聚态颗粒物数和总表面积随着EGR率的增加，先减少后增加，但在相同EGR率下，分层EGR方式下的值要比总管EGR下的值低。（4）燃烧系统优化设计燃烧室越紧凑，火花塞布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离，可直接使汽油机的热效率提高，HC和CO排放降低；与推迟点火提前角或EGR联用，可同时降低NOx排放。（3） 汽油机机外净化技术的优缺点（1）三元催化转化器三元催化转化器用铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)及稀土金属等中的某几种作催化剂，在排气经过转化器的很短时间内,将其中HC、CO、NOx同时进行催化反应

8、,使它们转化成、NH及NO等排入大气中。目前来看，三元催化转化器的耐用性能和成本是需要进一步研究的重点。通过催化反应降低汽油机排放的核心是研制高性能催化剂。全面提高催化转化器的性能，还需促进载体及精确控制空燃比等技术的发展，提高催化剂低温活性及高温耐热性，降低催化剂成本。（2）闭式曲轴箱强制通风系统（PCV）由活塞、活塞环、气缸构成的气体密封系统如同一个迷宫的密封系统，将不可避免的发生串气。串气中含有大量未燃、不完全燃烧的HC化合物和少量的CO等有害物，把曲轴箱排放物吸人进气管，在汽缸中烧掉是很有必要的。闭式曲轴箱强制通风系统是在早期曲轴箱通风的基础上发展出来的，将曲轴箱和进气管连通，根据发动

9、机工况的不同，利用进气管中真空度的变化，控制曲轴箱窜气进入进气管的再循环量。所以，该技术直接将不完全燃烧的HC化合物和少量的CO等有害物引入气缸中重新燃烧，提高发动机的经济性，降低有害物的排放，因此在发动机上广泛采用。PCV系统在发动机回火时还可以起到保护的作用。（3） 二次空气喷射控制系统实践证明，空气喷射系统在汽油机和柴油机上均能取得良好的效果。它的工作原理是空气泵将新鲜空气送入发动机排气管内，从而使废气的HC化合物和CO进一步氧化和燃烧。即把导人空气中的氧气在排气管内与排气中的HC和CO进一步化合形成HO和CO，从而降低了排气中的HC和CO的排放量。（4） 燃油蒸发控制系统汽油机的燃油系

10、统由燃油箱、燃油管、燃油泵、燃油滤清器、化油器或汽油喷射部件等组成，它产生的蒸发排放物占车用汽油机总HC排放量的20%左右。汽油机的蒸发排放源于运转损失、热烤损失、昼夜损失和加油损失等。目前常用活性炭罐式蒸发排放控制系统来控制蒸发排放。（5） 清洁代用燃料比起通过技术措施来降低汽油机或是柴油机的排放，研发清洁代用燃料不失为一种好的想法，如果内燃机所用的燃料在本身燃烧时就只生成少量的污染物，或不生成污染物，那在上述排放技术方面的研究就可以减少很大的工作量。目前来看，清洁代用燃料可以分为：常规燃料的变型产品，如新配方汽油(RFG)、新配方柴油(RFD)或低硫柴油(LSD)等；气体燃料，如天然气(N

11、G)、压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、氨(NH3)、H2、液化石油气(LPG，其主要成分为丙烷)等；在天然气、煤基础上生产的燃料，如FTL和FT油、甲醇和醚类燃料(二甲醚DME、二乙醚DEE等)；由玉米、草木类植物、含碳废弃物提炼的生物乙醇；由花生油、菜子油等生产的生物柴油。（6） 混合动力汽车（HEV）现实生活中，车辆常常运行在启动、加速、减速、怠速等工况下，在这些工况在都会排放大量的有害物，而且浪费了很大一部分能量，因此非常有必要对于这些工况下能量的收集利用。混合动力汽车由此应运而生。混合动力汽车在起动和低速行驶时,可由电池提供动力；超过一定速度后，转由内燃机驱动；加速和高速行

12、驶时，可由内燃机和电动机联合驱动；正常行驶或减速刹车时，可对电池充电,故在正常情况下，混合动力汽车不需要通过外部电源充电或只需较短的外部充电时间。混合动力汽车的内燃机还可采用压缩天然气、甲醇、液化石油气等代用燃料，不仅能降低车辆对石油的依赖，而且能有效减少尾气中的有害物质。 （7）高效、低污染发动机当今，人们除了关注传统的污染物外，也越来越关注温室气体CO的排放。所以研发高效节能发动机刻不容缓。高效节能发动机可以选择内燃机，也可以选择上面所述的混合动力汽车，还可以选择纯电动汽车，比如燃料电池启动等。这些汽车的CO的排放将会降到很低，或者不排放。当然，除上述技术以外，增压技术是我们很熟悉的，如今

13、几乎达到无机不增压的状况。三、柴油机主要排放控制技术（一）柴油机排放控制技术由前面所述，柴油机中主要排放物是指NOx和PM。也分为机内和机外净化技术，整体来讲柴油机排放控制技术有氧化催化技术（DOC），微粒捕集器，现在还有选择性催化还原（SCR）技术，四元催化转化技术，同样，柴油机也有EGR，增压中冷，混合燃料等。下面主要对一些不同于汽油机的排放控制技术进行探讨。（二）柴油机机内净化技术优缺点（1）改进燃烧系统改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配。应保证在发动机整个工况范围内,燃油在燃烧室中均匀分布,有合适的气体流动,有合理的喷油规律和喷油定时。采用电控喷油泵、电控泵-

14、喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门和中央配置喷油器等措施既可改善柴油机性能,又可降低柴油机尾气排放物,尤其是颗粒的排放。（2） 电控高压喷射系统电控喷油系统目前采用的主要技术有电控单体泵、电控泵喷嘴、高压共轨喷射系统等。电控系统与传统的机械系统相比，具有控制准确性高、响应快、喷射压力高、燃料雾化好等优点，能对各个工况下发动机喷油进行精确控制，降低了发动机的排放。这里对高压共轨喷油系统进行详细介绍。它的工作原理是低于燃油通过高压泵被压送到高压油轨管（共轨）中蓄压，压力的高低有ECU闭环控制，喷油器的电磁阀根据ECU的指令，按照发动机的工况要求开启及关闭，实现了喷油正时，喷油量，喷射压力的精确

15、控制。今后的努力方向主要有：喷射压力超高压化，喷油速率形状可控，无回油喷射控制，电磁阀执行器达到与压电晶体相同的性能，高压共轨系统的恒压密封问题，共轨压力波动造成的小负荷喷油量不均匀问题补偿。我觉得可以采用压电晶体喷油器，其响应时间短，可以实现理想的三段喷射。预喷射就是在主喷射前少量燃油的喷射，它可以使主喷射中的着火延迟期缩短，而且燃烧压力升高率也不会太大。后喷射是当主喷射过去之后，在排气冲程期间进行喷射。后喷射中喷射出的燃油通常不燃烧，而是被废气的热量汽化。最终产生的燃油和废气的混合物在排气冲程中会被排放到废气出口而进入排气系统，废气中的燃油当处于合适的NOx催化剂环境下时会成为NOx的还原

16、剂。这使NOx的排放水平得到适当的降低。延迟后喷在氧化剂的条件下同样能够提升废气温度，可以促进微粒过滤器的部分再生。（3） 新型燃烧方式根据燃烧理论，当发动机温度约为1550K时，无论混合气有多浓(当量比大)，已经基本可以完全避免NOx和炭烟的生成。依照这一思想，人们提出了不同的燃烧方式，其中最典型的几种燃烧方式为均质混合气压缩着火(HCCI)燃烧、分层充量压缩着火(SCCI)燃烧、和EGR稀释的低温燃烧(LTC)。SCCI和LTC燃烧方式是对HCCI概念的拓展，属于广义HCCI 燃烧范畴。（3） 柴油机机外净化技术优缺点 （1）氧化催化转化器(DOC) 柴油机氧化催化转化器中使用的氧化催化剂

17、铂(Pt),主要目的是降低颗粒排放。尽管由于柴油机排气温度较低,使得颗粒中的碳烟难以氧化,但颗粒中的可溶性有机成分可以得到催化氧化,最终获得降低颗粒排放的效果。同时HC和CO排放量进一步降低。 （2）微粒捕集器（DPF）此方法用于减少颗粒物排放。一般采用多孔性陶瓷作为滤芯。但由于颗粒物的吸附阻力增加较快。背压增加会影响柴油机性能。通常的滤芯再生办法是利用颗粒物的选择性加热特性，用微波加热颗粒物使之燃烧，达到清洁再生的目的。（3） 选择性催化还原技术（SCR）SCR技术利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行处理，该技术将是未来国内柴油机排放升级的主要技术方向。CR 用来降低柴油机 NOx的排放，也能降低部分HC。但该种技术的缺点在于NH3(尿素)需要定时填充来维持正常工作,且选择催化转化器的体积大、成本高,需要动态计量控制还原剂,在低负荷时,由于废气温度较低,催化效率下降。另外,需要高流量的氨气才能使NOx转化效率最高。如今，多是将多种技术结合起来进行更高效率的净化，例如优化燃烧+SCR+DOC，EGR +DPF/DOC系统等。还有一些净化技术与汽油机类似，这里不再赘述。由于机外排气净化措施系统体积大、复杂、成本高，在机内净化措施能满足排放限值要求时，一般是不被采用的。