汽车发动机排放控制_技术应用与分析-职业学院毕业论文

包头职业技术学院车辆工程系包头职业技术学院车辆工程系 毕业综合技能训练工作报告毕业综合技能训练工作报告 题题 目：汽车发动机排放控制目：汽车发动机排放控制 技术应用与分析技术应用与分析 论文撰写人论文撰写人李鹏飞李鹏飞 系系部部车辆工程系车辆工程系 班班级级312232312232 学学号号3122330731223307 指指 导导 教师教师郝峰忠郝峰忠 20142014 年年 1212 月月 2020 日日 摘 要 随着汽车工业的迅速发展，我国的汽车保有量急剧增加，汽车废气对 空气的污染已成为严重的社会公害。在汽车密集的城市，汽车排放污染,不 仅是一个环境保护问题,而且本身也造成能源浪费。汽车排气中的 CO、HC 对大气产生很大的污染。汽车排放污染对人们的生活环境造成了极大的影 响，严重地威胁到人们的身体健康，同时也危害着一些动、植物的生存 和生长，破坏了自然界的生态平衡。因此，解决汽车的排气污染成为亟待 认真研究的重要课题。为了保护我们的生存环境，关爱生命健康，必须严 格限制汽车尾气排放。严格汽车排放，关爱生命健康。 关键词：关键词：污染污染排放排放研究生态平衡研究生态平衡 前 言 为车发动机的排放达到较低的法规限值要求，仅仅靠改善燃料品质及 发动机工作过程是很难实现的，需要通过排气后处理系统才能达到目的。 目前国内大部分汽车还没有排气后处理装置，然而根据国外汽车排放控制 技术发展的趋势，汽车不仅需要装后处理器，而且要设计控制排放的整个 系统吗，成为发动机供油、冷却、润滑等系统之外的一个新系统，简称为 排放系统。 目 录 1 排放系统. 5 1.1 发动机排放系统的构成.5 2 发动机排放控制技术的应用.6 2.1 三元催化器简介.6 2.2 工作原理. 6 2.3 性能特点. 6 2.4 作用. 7 2.5 形式与特点.8 3 排放后处理.11 3.1 排气后处理所要研究解决的主要问题.12 3.2 基本的化学反应.12 3.3 基本的后处理方.13 结 论14 致 谢15 参考文献16 1 排放系统 1.1 发动机排放系统的构成 （1）后处理装置； （2）排气管 （3）消声器 1.2 设计排放系统的必要性及其功能 将发动机排气管、后处理装置及消声器等作为一个单独的系统设计了 因为降低排放日益显得重要外还有下列原因： （1）低排放、低油耗及高功率是现代车用发动机追求的主要目标，然 而有些发动机参数的控制措施对实现这三大目标是矛盾的，例如混合气空 燃比的控制，为了实现低油耗低 CO2 排放，需要采用稀混合气燃料而当前 使用的三元催化剂并不能适应稀混合气的燃烧。如果将三者统一作为单独 的系统处理，就能较好地解决矛盾。 （2）现有排气系统除了要考虑低排放外，还要考虑降低噪声及排气热 量的再利用,因此要将三者统一起来，纳入一个新的系统-排放系统。 （3）至今无论发动机排气系统还是后处理装置的方案及型式都较多， 随着公司及发动机系列不同而不同。同时现代汽车使用燃料的种类又增多， 使用的燃料不同,排放物的组成及降低排放物的对策也不同，很有必要将排 放问题从一个系统角度考虑，逐步实现规范化、标准化或者模块化。 （4）现代电子技术及发动机可变技术的发展，有可能将原来发动机排 气管路的设计与降低排放结合起来，成为一个单独的排放系统进行设计。 2 发动机排放控制技术的应用 2.1 三元催化器 三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置,它可将 汽车尾气排出的 CO、HC 和 NOx 等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害 的二氧化碳、水和氮气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器 中的净化剂将增强 CO、HC 和 NOx 三种气体的活性，促使其进行一定的氧化 -还原化学反应，其中 CO 在高温下氧化成为五色、无毒的二氧化碳气体， HC 化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳，NOx 还原成氮气和氧气。三 种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。 2.2 工作原理 三元催化器的工作原理是：当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元 催化器中的净化剂将增强 CO、HC 和 NOx 三种气体的活性，促使其进行一定 的氧化-还原化学反应，其中 CO 在高温下氧化成为五色、无毒的二氧化碳 气体；HC 化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx 还原成氮气和氧 气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。 2.3 性能特点 三元催化器性能稳定、质量可靠、寿命长，其产品广泛适用于本田、 奥德赛、别克、奥迪、帕萨特、桑塔纳、现代、别克、奥拓、昌河、捷达 等车型。另外承揽不锈钢制品、过滤器、机箱机柜等加工业。三元催化器 的载体部件是一块多孔陶瓷材料，安装在特制的排气管当中。称它是载体， 是因为它本身并不参加催化反应，而是在上面覆盖着一层铂、铑、钯等贵 重金属。它可以把废气中的 HC、CO 变成水和 CO2, 同时把 Nox 分解成氮 气和氧气。HC、CO 是有毒气体，过多吸入会导致人死亡，而 NOX 会直接 导致光化学烟雾的发生。经过研究证明，三元催化器是减少这些排放物的 最有效的方法。通过氧化和还原反应，一氧化碳被氧化成二氧化碳，碳氢 化合物被氧化成水和二氧化碳，氮氧化合物被还原成氮气和氧气。三种有 害气体都变成了无害气体。三元催化剂最低要在 350 摄氏度的时候起反 应，温度过低时，转换效率急剧下降，而催化剂的活性温度 ( 最佳的工作 温度 ) 是 400 到 800 左右过高也会使催化剂老化加剧。在理想的 空燃比 (14.7 ：1) 下，催化转化的效果也最好。 2.4 曲轴箱通风。 1.作用 在发动机工作时， 总有一部分可燃混合气和废气经活塞环窜到曲轴箱内 窜到曲轴箱内的汽油蒸气凝结后将使机油变稀，性能变坏。废气内含有水 蒸气和二氧化硫水蒸气凝结在机油中形成泡沫，破坏机油供给，这种现象 在冬季尤为严重二氧化硫遇水生成亚硫酸亚硫酸遇到空气中的氧生成硫酸 这些酸性物质的出现不仅使机油变质而且也会使零件受到腐蚀。由于可燃 混合气和废气窜到曲轴箱内曲轴箱内的压力将增大，机油会从曲轴油封、 曲轴箱衬垫等处渗出而流失。流失到大气中的机油蒸气会加大发动机对大 气的污染。发动机装有曲轴箱通风装置就可以避免或减轻上述现象，因此， 发动机曲轴箱通风装置的作用是： （1）防止机油变质；（2）防止曲轴油封、曲轴箱衬垫渗漏；（3）防 止各种油蒸气污染大气。 2.5 形式与特点 1.自然通风 自曲轴箱内抽出的气体可以直接导入大气中去，这种通风方式叫自然 通风。这种通风方式结构比较简单，使用方便，但导入大气中的可燃混合 气和机油蒸气容易污染大气，因此，现代发动机使用不多。按导入大气中 的方式自然通风有普通式和呼吸器式。 (1)普通式 曲轴箱内的油蒸气通过机油管的加油口直接与大气相通。这种通风方 式不需要专门的机件，各种油蒸气直接排入到大气中去，对大气产生了污 染，因此它适用于要求不高的农村用的一些拖拉机上的内燃机。 (2)呼吸器式 曲轴箱内的油蒸气通过一个呼吸器式的装置与大气相通。这种呼吸器 装置是一个过滤装置可将有害气体吸附，防止污染大气。图 l 为南京跃进 集团与意大利合资生产的依维柯轻型客车发动机的呼吸器式装置。呼吸器 用螺栓固定在气缸体上的一侧，底部的侧面有一进气口与曲轴箱相通，上 部的出气口用二橡胶管与大气相通。呼吸器内部焊有两层填满镀钵钢丝的 过滤网,以分离油雾和气体。 发动机工作时，窜入曲轴箱的各种气体由呼吸器的进气口；进入呼吸 器经过滤网的过滤、分离，最后干净的空气由出气口经橡胶管排出。由于 有两层过滤网，油雾极少排出，既保证了曲轴箱内的压力平衡，又防止曲 轴箱内的油气对大气的污染。 发动机的呼吸器式装置 图 l 2.强制通风 利用发动机进气系统的抽吸作用抽吸曲轴箱内的气体，这种通风方式 叫强制通风。这种通风方式结构有些复杂，但可以将窜入曲轴箱内的可燃 混合气和废气回收使用，不仅有利于提高发动机的经济性，而且还减轻发 动机的排放污染因此在现代汽车发动机上广泛使用。按抽吸曲轴箱内气体 的形式强制通风有一般式、单向阀式、油气分离式和综合式。 (1)一般式 只是用橡胶管把曲轴箱与进气管道连接起来的通风方式为一般式强制 通风。这种通风方式结构比较简单，只需管路连接，中间不需要其它部件 连接，适用于一些小型发动机上。BJ492Q 汽油机曲轴箱为一般式强制通风 装置。空气滤清器 1 上部装有进气软管 5 通至气门室罩内，挺杆室盖上有 一出气管 4 通至化油器 2 的入口。 发动机工作时，曲轴箱内气体经出气管吸入化油器，由空气滤清器滤 清的新鲜空气经进气软管、气门室罩补充到曲轴箱。 (2)单向阀式 在连接曲轴箱与进气管的管路中连接一个单向阀，防止把曲轴箱内的 机油吸出，适用于车用汽油机，如 EQ6100Q、日本三菱帕杰罗(猎豹)汽车发 动机等。 气门室罩上装有一小空气滤清器 2在曲轴箱和进气管之间用出气 管 1 相连，并在进入进气管之前的连接管处装有一单向阀 3。如图 3 所示。 当发动机工作时，曲轴箱内的蒸气经出气管、单向阀吸入气缸中，而 新鲜空气经气门室罩上的小空气滤清器进入曲轴箱内。单向阀的作用是防 止发动机在低速小负荷时进气管的真空度太大而将机油从曲轴箱内吸出。 图 4 为曲轴箱通风单向阀，主要由阀 4、阀体 1、阀座 2 和弹簧 3 组成。发 动机在怠速时进气管内真空度大，单向阀被吸在阀座上，曲轴箱内废气经 阀上小孔进入进气管，随发动机负荷增大，进气管的真空度下降，阀在弹 簧力的作用下向外顶开这时通气逐渐加大，发动机大负荷时，阀完全打开， 通风量最大，因而起到更新曲轴箱内空气的作用。 (3)油气分离器式 在连接曲轴箱与进气管的管路中连接一个油气分离器，把从曲轴箱内 抽吸的油、气进行分离，使液态的油流回曲轴箱，气态的气吸入进气管， 这样可以减少机油的消耗。斯太尔发动机的油气分离器，它安装在发动机 气缸盖的前端。 发动机工作时，窜入曲轴箱内的油气经管路进入油气分离 器，由于该油气分离器的容积下平面呈倾斜的，所以液态的油沿斜面、回 油管流回曲轴箱，而气态的气经连接管进入进气道。 (4)综合式 在连接曲轴箱与进气管的管路中不仅连接一个单向阀，而且还连接一 个油气分离器，大大减少机油的消耗，保证发动机在各种工况下机油润滑 的稳定。CA6102Q 汽油机的曲轴箱为综合式强制通风装置。 在气缸盖前罩 盖上安装曲轴箱通风进气空气滤清器(图中未画出)，在气缸盖后罩盖上安 装曲轴箱通风出气口滤清器 3该滤清器内有油气分离作用， 因此也称油气 分离器。油气分离器里面设有滤芯，滤芯上端有隔板，使其油气分离效果 更好，单向阀设在油气分离器的顶部这样摆脱了高温环境对阀的粘结、 堵塞等影响。 发动机工作时，漏入曲轴箱内的可燃混合气和废气在进气管 真空度的作用下，经挺杆室、挡油板 2、曲轴箱通风出气口滤清器 3、通风 软管 5 和单向阀 6 进入发动机进气管与新鲜混合气混合，进入气缸中烧掉。 新鲜气体再经气缸盖前罩盖上的曲轴箱通风进气口空气滤清器进入曲轴 箱。 3 排放后处理 车用发动机排气后处理主要包括两方面内容，排气催化反应及去除微 粒将有害排放物减到最低程度。 3.1 排气后处理所要研究解决的主要问题 (1) 研究和设计汽车发动机排放系统必须要了解存在的问题。目前车 用发动机排气后处理存在的主要问题如下(1) “点火“温度较高 (2) 催化剂都要在较高的温度下才能对排放物起催化作用，即“点火“ 温度较高。因此在发动机冷启动及低温下工作时，排气温度低，HC 及 CO 排 放高而催化剂却不能对它们起催化、转化的作用。(2) 不能同时适应理论 空燃比及稀混合气的需要 一般三元催化剂适合在发动机使用理论空燃比 混合气时，同时对 HC、CO 及 NOx 起催化转化作用。而在使用稀混合气时， 排气中氧含量多时 NOx 的还原作用就低。 (3) 微粒过滤器工作一段时间后，其中微粒增多，使排气阻力增加， 需要将其中微粒烧掉并排除掉，尽管已有多种技术可使微粒过滤器的功能 恢复但是仍需研究出一种更简单的办法。 (4) 贵重金属价格高，催化剂中需要有铂、Pt、钯、Pd及铑Rh， 等贵金属，这些金属资源不丰富，价格高。需要寻求资源丰富、价格低的 金属作催化剂用。 (5) 催化剂中毒的问题，催化剂在高温作用下长期使用容易老化，转 化效率降低。另外更重要的问题是受排气中硫化物、铅等影响，催化剂会 显著降低催化效率。此外还会产生臭味的硫化氢。 3.2 基本的化学反应 排气催化反应是通过催化反应器中的催化剂的作用，加速排气中有害 物质向无害物质的转化。例如使 HC 及 CO 氧化成 H2O 及 CO2，加速 NOx 还原 成 N2、N2O、NH3 及 H2O 等。催化剂的作用是降低反应温度，加快转化速率 3.3 基本的后处理方 1 在汽油机上应用催化反应器的技术方案有以下 4 种：仅采用两级 催化反应器， CO 及 HC 被转化成无害的 CO2 及 H2O。 采用两级催化反应器， 第一级是采用还原型催化剂使 NOx 还原，而第二级是引入二次空气，并用 氧化型催化剂，使 CO 及 HC 氧化燃烧。采用排气再循环及氧化型催化反 应器，排气再循环用于降低排气的 NOx 含量，而氧化型催化反应器则使 CO 及 HC 转化成 CO2 及 H2O。采用三元催化反应器方案，在同一反应器内， NOx、HC 和 CO 同时都转化为无害气体。 2 在柴油机上使用催化反应器时，应考虑如下几点：柴油机的过量 空气系数较大，不需二次空气就有足够氧气供 CO 及 HC 氧化。柴油机排 放的 HC 及 CO 含量较汽油机的低，不易维持还原反应的温度，而排气的氧 化气氛强，故难以用还原催化法去除 NOx。柴油机没有四乙基铅添加剂， 因此排气不会使催化剂发生铅中毒现象，但排气的微粒及焦油较多，附在 催化剂上会影响