第七章排氣污染與控制第七章排氣污染與控制

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概述7.1概述1．汽車發動機的排氣污染

汽車發動機的排氣是城市大氣污染的主要原因，因此，控制發動機排放污染物是當前的主要研究發展方向之一。汽車發動機排放的有害物質種類主要是CO、HC、NOX和微粒(PM)，絕大多數污染物出現在廢氣中，少量HC來自于曲軸箱和燃料系統泄露的燃料及潤滑油蒸發物，包括氣缸竄入曲軸箱的燃氣。發動機排放污染物的危害有二個方面：（1）危及人體健康；（2）破壞環境。除了發動機排放污染物質造成對大氣的直接污染，汽車有害排放物還可能通過與環境物質或有害物質之間的化學反應，形成二次污染。第七章排氣污染與控制7.1概述2、汽車排放污染的危害

已經確定的典型的環境效應是：（1）酸雨，汽車排放污染物中酸性物質溶解于水后形成；（2）光化學煙霧，汽車有害排放物中HC與NOX在強陽光作用下，相互反應生成的有毒煙霧，主要成分是臭氧和PAN（過氧酰基硝酸鹽）；（3）臭氧層空洞，鹵族元素在強陽光照射時，消耗臭氧，導致臭氧層破壞；（4）溫室效應，汽車排放使大氣中CO2濃度增加，氣溫上升。汽車有害排放物對人體和生物的危害有：

CO：血液輸氧能力降低、神經中樞受損，嚴重時危及生命。

HC：刺激鼻、眼和呼吸道粘膜，引發呼吸道疾病。

NOX

：刺激人眼粘膜，對神經中樞有抑制作用，使呼吸系統失調，引發疾病。微粒：微粒是氣固態的物質顆粒，因表面吸附多種有毒、致病、致癌或致命物質而具有危害。光化學煙霧對人體呼吸系統以及粘膜有強烈刺激，引發肺水腫疾病。此外，對植物生長有抑制作用。第七章排氣污染與控制7.1概述3、汽車排放控制技術標準經過幾十年的努力，汽車發動機排放的污染物質數量已經大大減少。除CO2以外，現在100輛汽車排放的污染物數量才相當于1950年一輛汽車的排放量。控制汽車排放的努力，集中體現在由各國政府制定并強制實施的汽車排放控制技術標準。這是因為環境污染影響到整個地球和人類社會，并涉及各方面的經濟利益。為突出汽車排放控制技術標準的強制性，它們也被稱為排放法規。汽車排放法規的主要內容是：（1）限值：有害排放物的限制數量或濃度；（2）試驗規范：檢測汽車或發動機有害排放物時的試驗條件、要求和程序（流程）；（3）采樣方法：檢測試驗時，采集樣品的原理、方法和要求；（4）檢測儀器：統一規定測試儀器的工作原理。但是，由于汽車保有量的持續增加，汽車排放污染物的總量仍不斷上升，環境保護的形勢非常嚴峻，特別是CO2的排放。第七章排氣污染與控制

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有害排放物生成機理7.2有害排放物生成機理1．NOX

生成機理

NOX排放的生成機理目前尚無統一認識，比較認可的是用捷爾杜維奇鏈反應解釋NO生成，并用其代表NOX的生成機理。

這個反應機理表示NOX生成反應是不分支的鏈反應，而且是吸熱反應。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機理

生成要素根據化學反應平衡原理、NOX

的生成機理、平衡濃度的模擬計算和發動機臺架試驗的結果，提示NOX生成的主要要素是：（1）反應溫度（2）氧氣濃度（3）反應時間汽油機燃燒溫度比柴油機高，因此，反應溫度是影響汽油機NOX

排放的主要因素；氧氣濃度通過空燃比對汽油機NOX排放產生影響，在一定的空燃比范圍中，汽油機有較高的NOX排放；汽油機的轉速較高，反應時間對汽油機的NOX排放影響較小。柴油機燃燒的特點時空氣充足，燃燒溫度比較低，因此，氧氣濃度是影響柴油機NOX排放的主要因素；氧氣濃度通過空燃比對柴油機NOX排放發生影響，在一定的空燃比范圍中，柴油機有較高的NOX排放；柴油機的轉速雖然比汽油機低，但燃燒時間仍然較短，故反應時間對柴油機的NOX排放影響較小。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機理

2、CO

生成機理（1）缺氧與局部缺氧燃燒根據化學計量學原理，當空氣過量，氧氣充足，稀混合氣燃燒時，燃料應該能完全燃燒，不會產生CO；空氣不足，缺氧或局部缺氧，即濃混合氣燃燒時，會產生較多的CO。即空氣充足空氣不足第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機理（2）燃燒過程不完善實際燃燒過程是一個非常復雜的鏈式反應。燃燒過程中產生大量中間產物，包括CO。鏈式反應中斷、不正常燃燒（如表面點火、爆震以及后燃過于嚴重），即燃燒過程不完善，都形成CO排放。有很多原因可以導致燃燒過程不完善。如局部斷火、缺火、活性粒子碰撞壁面而失去活性、混合氣過濃或過稀、廢氣稀釋過度、各種點火故障等等。這些原因都會造成燃燒過程不完善。汽油機燃燒時，混合氣濃度變化較大，既有缺氧的濃混合氣，也有氧氣充足的稀混合氣。電控汽油噴射式發動機基本是濃混合氣。因此，汽油機CO排放的主要因素是缺氧和燃燒不完善。柴油機燃燒時空氣充足，但混合氣濃度不均勻。因此，局部缺氧和燃燒不完善是柴油機CO排放的主要因素。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機理3、HC

生成機理（1）缸壁激冷效應燃燒室壁面附近區域的混合氣不能燃燒現象稱為缸壁激冷效應。（2）燃燒室縫隙效應發動機燃燒室縫隙中混合氣不能燃燒的現象稱為縫隙效應。（3）燃燒過程不完善發動機排放的HC主要是燃燒過程中間產物。燃燒過程不完善，形成HC排放。（4）掃氣和漏氣少量混合氣在氣門重疊時，直接從進氣門流向排氣門（掃氣）。氣門關閉不嚴（漏氣），也可導致HC排放。（5）潤滑系統與燃料系統的蒸發部分HC排放來自燃料系統和曲軸箱的氣體泄露。燃料系統的泄露完全是燃油蒸汽，曲軸箱泄露的氣體包括氣缸竄氣和潤滑油蒸汽。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機理

HC是燃燒過程中間產物，是可燃燒氣體。隨著燃燒的進行會逐漸減少，并且在排氣過程和排氣管內會進一步氧化。僅就燃燒來說，汽油機氣缸內是混合氣。因此，燃燒過程不完善、壁面激冷效應和縫隙效應是汽油機HC排放的主要原因，掃氣漏氣則是次要原因；柴油機氣缸中，壁面區域和縫隙中幾乎全部是空氣，換氣時出現掃氣也完全是空氣，燃燒時混合氣濃度不均勻，存在混合氣極其稀薄的區域，因此，柴油機的HC排放主要原因是燃燒過程不完善。

第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機理4、微粒

與汽油機相比，柴油機的微粒排放比較突出。柴油機微粒排放的類型（1）白煙白煙在起動及暖機過程前期，發動機溫度在250℃時出現，主要成分為燃油顆粒，微粒直徑較小。在起動及暖機過程前期，發動機溫度低，壓縮壓力相對降低，噴油量小，噴油壓力下降，油束霧化不好，同時，燃燒條件差，存在局部混合氣過濃或油束心部、后部在擴散燃燒時未能充分燃燒現象。未能燃燒燃料在排氣過程受已燃氣體的加熱變成燃油蒸汽，形成白煙。（2）藍煙藍煙在暖機過程后期，溫度為250℃至著火溫度出現，主要成分為潤滑油顆粒，微粒直徑略大。在暖機過程后期，發動機溫度逐漸升高，燃燒室壁面溫度提高，使壁面潤滑油蒸發，但氣缸供油量少，燃燒熱量小，燃燒溫度低，不能使潤滑油蒸汽燃燒，因而形成藍煙排出。第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機理

（3）黑煙（碳煙）黑煙在急加速過程或大負荷時出現，主要成分為碳顆粒，微粒直徑較大，直徑范圍寬。

柴油機的微粒排放主要是碳煙。碳煙生成機理碳煙是燃燒過程的中間產物。燃燒過程中包括分子裂解、分解以及聚合等反應，在局部缺氧燃燒時，就出現碳煙。碳煙生成有兩條路線：高溫下裂解、復聚和環構；較低溫度下聚合、環構和脫氫。（1）高溫路線第七章排氣污染與控制7.2有害排放物生成機理

（2）低溫路線

柴油機碳煙生成主要按高溫路線，即高溫并缺氧燃燒是碳煙生成的主要原因。隨著燃燒過程進行，碳煙也會氧化燃燒。發動機碳煙排放數量取決于碳煙生成和氧化矛盾作用的結果。在燃燒過程中，碳煙生成幾乎不可避免。因此，重要的是加強氧化燃燒，才能減少碳煙排放數量。第七章排氣污染與控制

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有害排放物的控制7.3有害排放物控制措施

7.3.1概述針對內因采取的控制措施，前處理凈化；

針對外因采取的控制措施，機內凈化；補救措施，后處理凈化，包括排氣后處理；非排氣的污染物控制。

7.3.2前處理凈化

1、提高燃油品質：環保汽油和環保柴油（配方燃油）；開發新型燃油添加劑。

2、采用EGR第七章排氣污染與控制7.3有害排放物的控制

7.3.3后處理凈化

1、排氣后處理（1）三元催化凈化器；（2）柴油機微粒捕集器。

（3）SCR

2、非排氣的污染物控制

（1）曲軸箱強制通風裝置非排氣的污染控制裝置-曲軸箱強制通風系統（2）

汽油蒸發控制系統1.汽油蒸發控制系統的功用

●汽油蒸發控制系統實際是一個單獨系統，為控制發動機的燃油蒸汽排放而設置。但因為結構上與燃油系統聯系密切，所以納入本章介紹。●功用：將汽油蒸汽收集起來，送入氣缸燃燒。

●關鍵部件：碳罐

●碳罐作用：吸附汽油蒸汽

●碳罐結構：外殼、活性炭和閥門等。非排氣的污染控制裝置-汽油蒸發控制系統

2、非排氣的污染物控制2.典型系統介紹（1）真空直接控制式汽油蒸發控制系統

●化油器汽油機。●工作原理：

——吸附時蒸汽流向：①汽油箱→汽液分離器→碳罐；②化油器→碳罐。

——解吸時蒸汽流向：碳罐→限流閥→進氣歧管→氣缸燃燒。●結構特點：利用真空控制限流閥的開閉，從而控制蒸汽的解吸。非排氣的污染控制裝置-汽油蒸發控制系統2.典型系統介紹（2）電子控制式汽油蒸發控制系統非排氣的污染控制裝置-汽油蒸發控制系統2.典型系統介紹（2）電子控制式汽油蒸發控制系統

●電噴汽油機。●工作原理：

——吸附時蒸汽流向：汽油箱→單向閥8開啟→碳罐。

——解吸時蒸汽流向：碳罐→單向閥7→進氣歧管→氣缸燃燒

——油箱真空時空氣流向：碳罐→單向閥9→油箱。●系統組成：碳罐、汽液分離器、電磁閥等。

●結構特點：利用電磁閥的開閉控制汽油蒸汽的解吸與吸附，電磁閥的開閉受ECU的控制。單向閥的作用是控制氣流方向。非排氣的污染控制裝置-汽油蒸發控制系統第七章排氣污染與控制7.3有害排放物的控制

7.3.4機內凈化措施

1、采用計算機控制汽油機——電子控制汽油噴射：精確控制空燃比、點火提前