1、汽车柴油机排放及控制技术姓 名 潘善右 班 级 200905120240 专 业 汽车检测与维修专业教 学 系 汽车与动力工程系 指导老师 孙永刚 完成时间 2011 年 10 月 1 日至 2011 年 11 月 2 日【摘要】随着经济条件的迅猛发展，汽车在全国范围内已越来越普及，在人们交通越来越便利的同时，汽车尾气排放的污染也越来越成为威胁人们赖以生存的环境的主要途径之一。分析了汽车尾气的主要成分危害以及治理方法，对柴油机排气净化，机内、机外净化作了详细的研究，然后作出了对柴油机高压共轨多次喷射技术的改进，排气后处理技术的研究及发展进程等。最后提出了努力发展研制可替代能源的环保型汽车的一些
2、方法和具体行动，为未来汽车污染的有效控制以及新一代更为环保型汽车指明了有效的途径。关键词 柴油机 排放污染物净化技术【目录】摘要 1第一章 绪论 1第二章 柴油机机内净化 .12. 1 概述 .12. 2 增压技术 12. 3 废气再循环系统 22. 4 多气门技术 .22. 5 以增压为核心的进气系统改进 3第三章 柴油机尾气后处理技术 .33. 1 概述 33. 2 氧化催化剂 43. 3 柴油机颗粒物过滤器 43. 3. 1 柴油机尾气过滤材料 .53. 3. 2 过滤体的再生技术 53. 4 NOx 和 PM 组合净化技术与四效催化剂 6第四章 柴油机排放污染物净化方案 64. 1 柴
3、油机排放污染物净化方案 6第五章 结论 7参考文献 .8第一章 绪论随着经济的高速发展，21 世纪的今天，汽车是人类不可缺少的交通工具，但汽车污染却是环境的主要污染源。本文的目的在于帮助大家认清汽车污染的危害性，增强人们的环保意识，唤起人们加快治理汽车污染的步伐，同时列举出一些必要的措施。自上世纪 70 年代，随着全球石油资源短缺的加剧与 cO，减排压力的增加，国外出现车用动力柴油机化的态势，欧洲和日本率先实现了载货汽车和大型客车的柴油机化。目前，欧洲轿车年产量中 40已采用柴油发动机，在法国、西班牙等国家更高达 50以上。而目前中国柴油轿车用户所占的市场份额比例非常低，2004 年国内共销售
4、柴油轿车 12654 辆，仅约占所有轿车销量 225 万辆的 06，这种结构制约了中国汽车工业的进一步发展。第二章 柴油机机内净化2. 1 概述所谓的机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。简单的说就是降低污染物生成量的技术，如改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控汽油喷射、采用废气再循环技术等。在过去的 20 年，柴油机采用了一系列的新技术，大大地降低了污染物排放柴油机排出的 CO 和 HC 仅为汽油机的 110 或更少因此，柴油发动机的机内净化技术主要是针对 PM 和 NO， ，其中高压喷射、进
5、气增压主要是针对 PM 控制，而增压中冷和废气再循环(EGR) 则主要是针对 NOx 排放，仍处于研究中的均质预混合燃烧则同时具有降低 PM 和NOx 的潜能2. 2 增压技术在发动机中，燃料所供能量中有 20%-45%是由排气带走的，对于非增压柴油机可取上述百分比范围的低限制。例如，一台平均有效压力为 1.8MPa 的高增压中速四冲程柴油机，燃料中将近 47%的能量传给活塞做功，约 10%的能量通过汽缸壁散失掉，约 43%的能量随排气流出汽缸。涡轮增压系统的作用就在于利用这部分排气能量，使它转换为压缩空气的有效工以增加发动机的充气量。增压是提高柴油机升功率和改善其排放的主要手段。涡轮增压在大
6、功率强化柴油机上的应用已半个世纪有余，但作为车用柴油机来说，涡轮增压的应用却相对滞后，增压车用柴油机的广泛应用不过 30 年左右的历史。原因有二：一是小型涡轮增压器制造技术不成熟，以至可靠性不符合汽车的要求，同时成本过高；二是增压柴油机过度工况性能不好，尤其是加速性能较差。当汽车主要在市区或者等级较低的公路上行驶时，经常制动、加速，增压柴油机驱动性能不能很好的发挥，反而引起加速冒烟等弊病。但是，随着小型高速涡轮增压器设计技术和制造工艺的成熟，涡轮增压器的效率大大提高，工作可靠性显著改善，成本也明显降低，增压柴油机的加速性得到明显的改善。然而，对于涡轮增压在车用柴油机上的应用，最大的推动力来自于
7、排放控制法规的日趋严格。现在，不仅重型车用柴油机几乎毫无例外地采用增压，且中性、轻型车，甚至轿车车用柴油机都采用增压，而且增压度越来越高，增压中冷的应用也越来越多。2. 3 废气再循环系统废气再循环（EGR）技术首先应用于汽油机上，长期以来，一直被认为是一种降低汽油机 NOx 排放的有效措施。从 20 世纪 70 年代开始，国外就将废气再循环技术用于柴油机，研究表明，它同样适用于柴油机，并且能有效的降低柴油机的 NOx 排放量。柴油机燃烧时温度高、持续时间长、燃烧时的富氧状态是生成 NOx 的三个要素。钱二个要素随转速和负荷大的增加而迅速增加，而富氧状态则与空燃比直接相关。因此，采取有效措施降
8、低燃烧峰值温度、缩短高温持续时间，同时采用适当的空燃比，以降低 NOx 排放。柴油机通过废气再循环来降低 NOx 排放量的基本原理和汽油机大致相同。2. 4 多气门技术以前的发动机每个汽缸只有 2 个气门（进、排气门各一个） ，如果每个汽缸多于二个气门，就称为多气门发动机。车用柴油机的转速一般可达 5500r/min 以上，完成一个工作冲程只有极短的时间。高转速的强化柴油机燃烧更多的燃料，相应也需要更多的新鲜空气，传统的二气门已经很难在这么短的时间内完成换气工作。在一段时间内气门技术甚至成为阻碍发动机技术进步的瓶颈。唯一的办法只能是扩大气体出入的空间，为此，多气门技术应运而生。2. 5 以增压
9、为核心的进气系统改进进气涡轮增压技术是使发动机轻量化、提高输出功率的有效措施，也是现代柴油机的代表性技术经涡轮增压后，进气温度提高、滞燃期缩短、混合气可适当变稀，这些因素能使柴油机的噪声、cO 和 Hc 排放以及油耗都有所降低特别是进气增压后，由于进气量大幅度增加，可使柴油机的空燃比进一步提高，同时允许燃油喷射压力进一步提高，这些措施可大幅度降低 PM 排放目前，车用中、小型柴油机已普遍使用四气门(两进两排)，以增大进气通过的最小截面积，增加循环进气量，改善其动力性、经济性及排放性能但是，柴油机涡轮增压后进气温度升高、混合气氧含量增加，这种高温富氧的燃烧必然导致 NOx 的排放增加为达到更严格
10、的排放法规，新型的增压柴油机一般都采用中冷技术，可使柴油机在进气压力增高的同时，降低 NO。的排放 60以上为进一步降低 NOx 排放，近年来国外广泛推广柴油机 EGR 技术，该技术可使柴油机 N0，排放降低 3050 目前国外的轻、中型柴油机已经普遍使用 EGR 技术，而大型柴油机是否应用 EGR 仍在考虑之中。第三章 柴油机尾气后处理技术3. 1 概述为满足日益苛刻的排放法规，仅凭机内净化而没有后处理技术的参与似乎不太可能究其缘由，柴油机尾气的大污染物 NOx 与 PM 的形成与含量存在着相互制约的关系努力减少其一，必然导致另一污染物增加，即通过机内措施同时减少或消除 NOx 和PM 的排
11、放是极其困难的另外，尽管机内净化技术使颗粒物的排放总量得以削减，却生成了对人体危害更大的微细颗粒物，而未来的法规将会对柴油机颗粒物排放的数量进行限制正因为如此，国内外的研究专家普遍认为，只有将燃油改进、机内净化与后处理技术有机整合在一起，才能使柴油机尾气排放满足未来的标准柴油机尾气后处理研究围绕着 NOx 和 PM 的消除而展开，均已出现诸多的净化措施柴油车尾气净化技术主要包括氧化催化剂(DOc)、柴油机颗粒物过滤器(DPF)和 NO 净化 (DeNOx)催化剂。32 氧化催化剂(DOC)DOC 是最早得到应用的柴油机排气后处理技术DOC 主要用于处理排气中的HC、 cO 和颗粒物中的可溶性有
12、机物(sOF)，在 250 摄氏度以上的排气环境中，具有良好的净化作用对于健康专家所关注的液态碳氢化合物，由于其燃烧温度较低，使用氧化催化剂可以使其减少 90以上，基本上可以消除柴油机中由这种叫做“乙醛”的碳氢化合物产生的特征性气味催化氧化器对于微粒中的 SOF 净化效率虽然很高，但对微粒中的干碳烟几乎无影响，因此对于微粒排放量高的柴油机净化效果较差。 从国外的柴油车排气后处理技术使用的经验看，D0c 在欧、欧和欧等不同排放法规实施阶段都有一定的应用，从 2005 年欧盟实施欧排放标准开始，DOc 已经成为所有柴油机厂家必选装置，特别是轻型柴油机，绝大多数是采用 DOC 来满足欧法规限值值得提
13、出的是，在今后实施更严格的排放法规后，DOc 并不会退出历史舞台，它将广泛用于 DPF 的再生、及 DeNO。防止还原剂泄漏，因此有着更广泛的应用前景。3. 3 柴油机颗粒物过滤器 (DPF)随着柴油机排放法规日趋严格，市场对 DPF 的需求日趋明显，因此各汽车厂家和研究机构都加大了对 DPF 的研究投入，不断有实用化的技术推出，并进行了应用具有代表性的有雪铁龙公司的添加剂再生 DPF，Johnson Matt|lev 公司的 CRT 连续再生 DPF，以及Engelhard 公司的 DPx 催化燃烧再生过滤器(cDPF)特别值得注意的是，越来越多的研究表明柴油车排放的小颗粒对人体健康危害非常
14、大o，因此越来越多的国家关注机动车的小颗粒排放，而颗粒捕集器是未来解决小颗粒排放问题的最有效方法之一。3. 3. 1 柴油机尾气过滤材料柴油机排气颗粒物一般直径小于 1 肚 m，因此过滤材料必须十分致密，这就意味着DPF 必须解决高过滤效率和由此造成的高排气阻力这一对矛盾早期研究的过滤材料主要是金属丝网和泡沫陶瓷，但这种过滤材料对微粒的过滤效率只有 20一 40，但其对排气造成的阻力却相对较高，因此并不是理想的过滤材料coming 公司发明的堇青石壁流式蜂窝陶瓷为解决这一矛盾提供了新的思路和技术，在柴油机 DPF 研究领域里具有里程碑性质的贡献。一般催化剂载体不同的是，这种微粒捕集器的壁面是多
15、孔陶瓷，相邻的 2 个通道中，1 个通道的出口侧被堵住，而另 1 个通道的进口侧被堵住这就迫使排气由人口敞开的通道进人，穿过多孔陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道，而微粒就被过滤在通道壁面上这种微粒捕集器对碳烟的过滤率达 90以上，可溶性有机成分 sOF(主要是高沸点 Hc)也能部分被捕集但是堇青石过滤体在使用过程中常出现烧熔、烧裂的现象，这说明堇青石材料的耐高温性和抗热震性尚不能满足实际应用的需求。332 过滤体的再生技术DPF 应用的另一难题是 DPF 再生技术。再生技术的研究与过滤材料研究几乎同时起步，国内外曾研究并报道了多种 DPF 再生技术，主要包括：进排气节流再生、喷油助燃再生、电加热
16、再生、电自加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生、连续再生、燃油添加剂辅助再生等 bqo以上再生技术的研究虽然已近 30 a，但仍存在着一定的问题，难以应用前5 种加热再生技术主要存在过滤体容易热损坏、可靠性差、系统复杂，且加热再生需要外界能量高等问题；逆向喷气再生占用较多安装空间、系统复杂，存在微粒二次收集及燃烧等问题；催化再生的再生温度过高，难以适应柴油车排气的低温特性。柴油机排气温度的提高是通过安装紧偶合氧化催化剂，并使用柴油机共轨喷油系统增加后喷为氧化催化剂提供反应所需要燃料燃料在氧化催化剂中燃烧后可将排气温度提高150。200 摄氏度，可在中等以上负荷满足添加剂再生过滤体的温度要求 u
17、1|这种 DPF 最先在标致 607 柴油发动机轿车上使用，因此标致 607 是世界上首款装备 DPF 的批量生产汽车安装 DPF 后，PM 排放值达到了以往测定最少可能界限 0004 gkm，其排放值只有欧标准限值的 8、欧标准限值的 16。目前，欧洲各柴油车生产厂商仍在不断努力推广类似的 DPF，希望 DPF 技术的普及率赶上使用三效催化剂的汽油车。3. 4 NOx 和 PM 组合净化技术与四效催化剂近些年来，开发能同时消除柴油机主要污染物 NOx、PM 以及 HC、CO 的多功能后处理技术引起了研究者的广泛兴趣开发多功能技术的方案之一是将现有成功的单项技术进行优化整合，发展成为 1 种具
18、有综合性能的单一技术装置，即四效催化剂系统。为满足不同时期的排放法规，研究者们设计了不同的组合方式，而 DPF ScR、DPFNSR 已成为满足未来排放标准的优势组合，前者倾向于对重型柴油车 PM 和 NOx 的同时消除，而后者因具备了良好的低温活性更适用于轻型柴油车 PM 和 NOx 的同时消除。为净化重型柴油车尾气，Johnson 等开发出 scRT 系统，该系统是连续催化再生的DPF 与选择性催化还原的整合(cRDPF+scR)b8|。位于 DPF 前端 DOc 催化剂将部分 NO氧化为 NOx， NO：促进了颗粒物的氧化使 DPF 得以再生，随后 NOx 与未反应完的 NOx在尿素的作
19、用下经历选择性催化还原转化为 Nx选择性还原过程中 Nox 的存在提高了 scR催化剂的低温活性；前置 DOc 对 Hc 与 cO 的消除也有利于 N0x 的低温还原。丰田公司开发出的 DPNR 技术可视为 DPF 与 NsR 组合技术的典型 b9|，该技术将Pt(Ba+K)(A120，+TiO ：+Rh z 内：) 负载于壁流式 DPF 的表面，设计出 NOx 贮存一还原与 PM 消除的一体式催化剂，以净化柴油机尾气。2003 年以来，DPNR 后处理组合系统已在欧洲公共汽车、日本家用小卡车上示范应用 m。第四章 柴油机排放污染物净化方案4.1 柴油机排放污染物净化方案柴油发动机排放污染物中
20、的 HC、CO 含量很低，一般只有汽油发动机的几十分之一，其 Nox 排放量于汽油机大致处于同一数量级，但柴油机的微粒排放量相当高，约为汽油机的 30-80 倍。因此，柴油车排放主要控制 NOx 和微粒的排放量。为达到欧 2 排放标准，可采用涡轮增压中冷和高压喷射减少微粒，有的采用电子控制喷油，有的仍然用机械控制。典型的欧 2 净化方案：直喷柴油机涡轮增压中冷+高压喷射为达到欧三排放标准，可采用电子控制，喷油压力要更高，且没循环多细喷射。其技术方案应有高压共轨或喷油嘴喷射系统；采用多气门和可变喷嘴涡轮增压中冷以进一步降低微粒排放。采用微粒捕集技术和 NOx 净化技术可进一步分别减少微粒和 NO
21、x 排放。直喷柴油机电子控制技术或微粒捕集技术和 NOx 净化技术 +涡轮增压中冷+高压共轨或喷嘴喷射系统在欧三净化方案基础上采用微粒捕集器，可进一步降低微粒；采用多级中冷废气再循环或选择性催化还原（SCR） ，可进一步降低 NOx，再加上新进的电控技术，可对微粒和NOx 再降低，一般能使柴油车达到欧四排放标准。直喷柴油机先进的电子控制技术+涡轮增压中冷+高压共轨或喷油嘴喷射系统+多级中冷废气再循环或选择性催化还原+微粒捕集器+氧化催化转化器要满足规定的排放限值，除发动机本身需采取上诉各种技术措施外，还要求使用无铅低含硫量的燃油，对于柴油机，欧二标准要求使用含硫量 0.05%的柴油，欧三标准要
22、求使用含硫量 0.02%的柴油，而欧四标准可能要求使用含硫量 0.0055%的柴油。为满足日趋严格的排放法规要求，个汽车公司、高等学校和科学研究院所必须加速开发新产品，采取有效的机内、机外净化措施，有效控制发动机的废气排放，同时对于石油和化工等其他产业也应该采取有效措施。只有个行业共同努力，才能不断的提高大气质量，改善人类生存环境。第五章 结论目前，有关净化柴油机尾气主要污染物 NOx、PM 的研究较多，出现了多种技术共存的态势，每种技术均有各自的优点与亟待解决的问题。现有催化体系发挥作用的温度窗口范围偏高偏窄，难以满足柴油机尾气排放的控制要求，催化剂的活性与选择性有待进一步提高，以适应日益苛
23、刻的排放法规就目前的技术水准与排放水平而言，以 scR 为主 DPF为辅的组合技术来满足未来重型柴油车排放标准；以 DPF 为主 NsR 为辅的组合技术来满足未来轻型柴油车排放标准，应该是科学的和可行的技术路线。未来超低硫燃料的使用更会为以上技术手段的施展提供更广阔的空间。环境污染并不是一天两天造成的，想要治理好它，更不可能在短期内完成。况且环保不是一种口号，而是需要一个漫长的过程，依靠国家的政策，指定一系列法律、法规并通过社会和个人的努力来完成。相信只要人人从自我做起，从今天做起，树立环保意识，积极加入保护环境的行列，那么蔚蓝的天空、清澈的河流将会再次展现在世人的面前。参考文献1胡秀莲主编；
24、中国温室气体减排技术选择及对策评价 ； 北京：中国环境科学出版社；2001.2蒋德明编； 内燃机燃烧与排放学 ； 西安：西安交通大学出版社；2001.3吴中标编； 大气环境和污染控制基础 ；北京：化学工业出版社；2002.4龚金科编； 汽车排放及控制技术 ；北京：人民交通出版社；2007.95秦文新编； 排放净化与噪声控制 ；北京：人民交通出版社；19986蒋德明编； 内燃机原理 ；中国农业机械出版社；19917秦文新编； 汽车排放净化 ；北京：北京机械工业出版社，19988 汪贵平编；汽车发动机电控汽油喷射系统故障诊断与排除 ；北京：人民交通出版社，2005. 9 肖云魁编；汽车故障诊断学 ；. 北京：北京理工大学出版社， 200410王务林编；汽车催化转化器系统概念 ；北京：人民交通出版社； 1999
