载重汽车发动机降低排放的措施.docx

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载重汽车发动机降低排放的措施

载重发动机降低排放的措施

目录

摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

2.汽车排气污染来源及与各种因素的关系．．．．．．．．．．．．3

2.1汽车污染物来源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

2.2汽车排气对环境的污染．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

3.使用因素对排气污染物的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

3.1负荷得影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

3.2发动机转速的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

3.3燃料的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

3.4发动机热工况的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

3.5运行工况的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

3.6汽车技术状态的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

4．降低排放的措施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

4.1低涡流燃烧过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

4.2在优化燃烧过程中可采用可变正时的高效燃油喷射系统．．8

4.3可变涡流的四气门机构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

4.4为达到混合气形成和燃烧的基本要求，应对燃烧过程作如下控制．．．．．9

4.5废气再循环．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．...．．．．9

4.6降低机油消耗量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

4.7低含硫燃油和氧化催化器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

5、结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

摘要:

随着各国汽车保有量的与日俱增，汽车尾气污染逐渐成为影响环境的主要因素之一，为了减少汽车尾气对环境的污染，各国根据本国国情都制定了相应的法规来限制汽车尾气的排放，为了满足汽车排放法则的要求各种车型都采用了许多改进措施。

本文主要论述载重汽车发动机为降低排放而采用的一些措施。

关键字:

发动机优化燃烧降低排放尾气

:

正文

1．前言

随着中国汽车保有量的急剧增加，汽车尾气排放已经成为中国大气污染的主要来源。

中国政府正在实施越来越严格的汽车尾气排方法规，到目前为止我国以基本实行欧

排放法规，欧

排放法规的使用使过去几十年载重汽车发动机主要以燃油消耗、功率、扭矩和寿命为目标的观点逐渐淘汰，为了适应环境的要求对载重汽车的排放有了决定性的要求，如何降低排放成为未来发动机的开发重点之一。

2.汽车排气污染来源及与各种因素的关系

2.1汽车污染物来源

目前,汽车主要有汽油机车和柴油机车.汽油机车占汽车总量的70%以上,不同类型发动机其排放的尾气的成分也不相同.汽油车排放的污染物主要来自三个方面:

一是由发动机排气管排出的燃烧废气,二是曲轴箱窜气,三是燃料蒸发.柴油机排放的主要污染源为颗粒物,时常产生大量的黑烟,危害最大的有一氧化碳（CO）,碳氢化合物（CH）,氮氧化合物（NOx）,铅的化合物和微粒.随着燃料油的种类（如重油,汽油,丙烷）或运行状态不同,其产生的排气成分也不同.

（1）一氧化碳主要是由汽车发动机的燃料不完全燃烧产生的.地球大气圈中的一氧化碳有80%以上是由汽车排放出来的.美国洛杉矶,华盛顿等城市,一氧化碳来源于汽车的比例占97.98%,干道附近一氧化碳在短期（5分钟）内的最大浓度可高达120%.

（2）碳氢化合物它是缸壁冷,燃油蒸发及不完全燃烧的产物,是一种十分复杂的混合物,是形成光化学烟雾的主要成分.

（3）氮氧化合物汽油在高温燃烧过程中产生一氧化氮,部分一氧化氮与空气中的氧相结合,生成二氧化氮,

（4）微粒是柴油发动机的主要排放污染物之一,主要是以碳粒为核心的高分子化合物.光化学烟雾是汽车排出废气中的碳氢化合物和氮氧化合物,在空气中经阳光照射发生一系列复杂的光化学反应生成的一种浅蓝色的烟雾,是一种二次污染物.光化学烟雾的形成条件除汽车排放大量废气外,还受到地理环境及气象条件的影响,如强烈的日照,地理纬度低,风速小和强逆温等情况,造成空气不流动,使有害气体不易扩散,逐渐累积产生光化学反应.光化学烟雾最早出现于美国洛杉矶,因此又有洛杉矶型光化学烟雾之称.此后世界各国如日本的东京,大阪,奈川,千叶,爱知县等,俄罗斯的莫斯科,意大利的热那亚,澳大利亚的悉尼,,印度的孟买及欧洲,加拿大南部,墨西哥北部的许多大城市,都曾发生过严重的光化学烟雾污染.

2.2汽车排气对环境的污染

汽车排气对环境及健康的影响（定性）洁净的空气通常是氮占78%,氧占21%,氩占1%,由于人类活动的影响,空气中增加了多种有害成分,危害人的身体健康,妨碍植物的正常生长,腐蚀建筑材料和器物.据法国能源局测定,一辆轿车每年排出的有毒废气比轿车本身重量大3倍.按我国汽车保有量8亿计算,每年排向大气的有害气体达10.15亿吨.居民特别是交通民警和马路行人首先是受害者.汽车保有量的急剧增加给人民的生活质量和可持续发展带来巨大的潜在影响.汽车排气对大气污染越来越严重.汽车消耗的燃料占全世界石油消费的一半,汽车排放的废气占全世界温室气体排放总量的近1/5.调查表明,造成全球温室效应的二氧化碳气体80%来源于车辆。

3.使用因素对排气污染物的影响

3.1负荷得影响

对于汽油机，发动机满负荷时，由于供给较浓的混合气，燃烧不完全，生成的CO量增多；中等负荷时，混合气略稀，燃烧率最高，CO、HC减少但（NOx）增多；在怠速和小负荷时，供给的混合气由稀变浓，NOx排放量减少而CO和HC显著增加。

汽油机中，混合气的成分是比较均匀的，火焰传播较快，在正常条件下产生碳烟数量很少。

对于柴油机，其负荷时喷油量调节的。

在怠速和轻负荷时，由于混合气很稀，有些过稀区域不能着火，因此HC排放相对较高。

随着负荷增加喷油量增加，HC排放逐渐减少，CO在怠速和低负荷时也较高，在中等负荷时最低，在接近全负荷时由于混合气很浓，有燃烧不完全区域，CO排放增加；柴油机在大负荷条件下工作时，缸内温度较高，供给的空气是充足的，但柴油机是缸内形成混合气，混合气形成时间短，易造成混合气不均，在某些区域有过量空气，局部温度很高，使NOx大量生成。

柴油机在低负荷时温度较低，汽缸内较大的稀薄混合区域处于可燃极限之外而不能燃烧，从而有较多的微粒，在大负荷时，在燃烧室的局部地方混合气有过浓现象，从而由于氧气不足烃分子发生分裂而形成较多碳烟。

3.2发动机转速的影响

汽油机怠速运转时，由于混合气过浓，混合不均燃烧不充分，CO、HC排放量较大，提高怠速转速可使CO、HC排放浓度下降，这是由于进气节流减小，充气量增加，残余气体稀释程度有所减小，使燃烧得到改善的缘故。

随着发动机转速的增加，混合气变稀，燃烧室内气体的紊流增强，改善了混合和燃烧，使排气中的CO、HC含量减少。

排气中的CO、HC随曲轴转速提高而下降，而HC排放量在高速时，由于燃烧时间短，易于产生未燃烃，则又有所提高。

发动机的转速对不同空燃比混合气的NO的生成速度有不同的影响，当用稍浓混合气时，由于燃烧速度快，燃烧室内温度升高，NO生成速度较快。

在怠速和低速工况，HC和CO排放较多，随着转速增加都有所下降，在最大转速时，CO继续下降而HC和NO增大，这是由于燃烧的时间短，混合气形成的时间也短，汽缸内燃烧条件恶化，发动机工作强度大的缘故。

3.3燃料的影响

汽油成分对NOx排放影响较大，而对CO排放影响较小，对HC的排放总量影响不大，但派出的成分有很大变化。

当燃料中的芳香烃含量增加时，排气中的芳香烃、酚类和芳醛增加，由燃烧引起的烯烃减少，而以甲醛为主的总醛类略有减少。

柴油成分主要对NOx排放有影响。

随着柴油的十六烷烃值得降低，NOx的生成量增加。

其原因是十六烃值较低的燃油具有较长的滞燃期，并使燃烧开始时在稀火焰区有较多的燃油，于是在循环早期燃烧时就产生较高的气体温度，为NO的形成提供了有利的条件。

3.4发动机热工况的影响

发动机的热工况直接影响到废气有害成分的排量。

发动机冷却液的温度一般在70℃—95℃。

在汽车运行过程中，环境温度变化很大（-40℃—40℃），发动机的负荷和转速的变化也很大，会产生过热或过冷现象。

对废气污染有重要影响的是燃烧室温度，它取决于发动机的冷却方式和冷却液温度。

汽车在低温使用条件下，发动机从启动到暖机过程中，冷却液温度较低，HC和CO排放浓度最高，这是因为发动机在冷态运转，燃油雾化不良，燃烧不充分，缸壁激冷作用大。

随冷却液温度提高，缸壁温度也提高，在汽缸壁区域内的氧化反应的条件得到改善，排出的HC减少，特别是浓混合气时更为显著。

NOx的排放量与燃烧的最高温度有关。

当缸壁温度提高时，NOx的排放量也增加。

汽油机冷却温度从30℃提高到80℃时，NOx增加500*10（-6）—700*10（-6）。

载货汽车和公共汽车与小轿车相比，由于载货汽车和公共汽车车速低，发动机罩下布置紧张，所以其工矿比轿车差，排气污染增大。

3.5运行工况的影响

在汽车使用过程中，发动机经常处于多变的工况下，发动机经常处于多变的工况下，发动机的负荷和转速随时间不断变化。

汽油机在减速和转速不高的工况下，废气中不完全燃烧的物质HC较多，而柴油机由于混合气的空气充足，HC浓度很小。

汽油机废气中的CO含量也很高，怠速时可达7%，而柴油机的含量甚微。

NO浓度在加速和高速时有明显的增大，发动机在加速时，由于要求发出较大功率，须将汽缸内燃汽的温度提高，因此既会产生大量的NOx，而且由于在短时间内供应过量的燃料，又会引起一部分燃料不完全燃烧，导致CO和HC排放量增加。

3.6汽车技术状态的影响

汽车随着行使里程的增加，技术状况逐渐变坏，将导致汽车的排气污染增加。

在汽车使用期间内，由于技术状况变化引起排气污染增加的原因主要包括供油系的故障、汽油机点火系的故障、汽缸内有积炭、汽缸泄漏等。

汽油机的点火提前角增大，循环压力和温度提高，废气中的NOx浓度明显增大；反之NOx浓度减少。

点火提前角对CO的影响很小，而对HC的影响相应要大些。

当点火迟后时，因燃烧速度慢，HC的浓度又有提高。

在发动机使用过程中，燃烧室的积炭也会使废气污染严重。

积炭严重时，会使活塞环卡住而失去密封作用，增加了曲轴箱窜气量。

火花塞积炭、气门积炭烧蚀会使发动机汽缸工作不正常，排气中的HC浓度明显增加。

发动机长时间使用后，活塞环磨损，造成燃气泄漏，同样会增加HC的排放浓度。

为了满足汽车排放法则降低废气排放保护环境各种车型都采用了许多改进措施。

载重汽车发动机为降低排放而采用了如下措施。

4．优化燃烧的措施。

4.1低涡流燃烧过程。

涡流运动是作为获得稀混合气稳定燃烧的手段。

为使普通发动机生成涡流运动，就难以采用两个进气门。

但进气门数的减少，会使发动机在高速时由于充量系数降低而降低功率输出。

采用可便喷油正时和高校燃油喷射系统可以降低进气涡流。

通过高压喷射促进混合气形成有利于降低NOx排放和燃油消耗量，低涡流进气系统因其换气机构具有良好的流通性，则有较低的节流损失。

这除了节油外在功率一定的情况下还可以降低增压度，对减少NOx的排放特别有利。

4.2在优化燃烧过程中可采用可变正时的高效燃油喷射系统。

在优化燃烧过程中，喷射系统占有重要地位，满足排放要求则需要燃油喷射系统具有高的液化效能，并能根据每一工况的需要改善喷油正时，这只有采用电子控制的喷射系统才能达到。

4.3可变涡流得四气门机构

在四气门缸盖中喷油器垂直地设置在中间，这种方案能使燃油均匀地分布到各个缸中，因而为燃油和空气良好混合提供有利的先决条件，四气门机构的另一个优点和根据转速和负荷变化改变涡流强度，由此可在整个行走和负荷范围内，确保在燃烧室内获得适合每一喷油率的充气运动，在全负荷，高转速范围内涡流强度低。

NOx的排放也低，而在低转速和低负荷时，一定程度上通过提高涡流强度能弥补喷射系统效率的降低。

此外通过改变配气相位，可改变发动机的低速转矩，即可使用较低的发动机转速，相应的摩擦损失降低，发动机的经济性得到进一步提高。

此外，如果进气门关闭角能在足够大的范围内变化，则可调节进气门关闭角，取代常规的节流调节负荷，在一定程度上消除了与进气节流相关的泵损失，从而降低发动机的燃油消耗率，减少NOX和HC的排放。

由于高速汽油机配气相位的设置通常偏重于高转速，进气门关闭角较大，发动机在怠速和低速运行时，气缸内的混合气会反窜至进气管中，致使气缸内燃烧不稳定，功率下降，怠速不稳定，采用可变配气相位机构后，发动机的进气门关闭角在低速时自动减小，可消除上述现象，改善低速和怠速性能。

4.4为达到混合气形成和燃烧的基本要求，应对燃烧过程作如下控制:

1）在燃烧第一阶段只有很少的燃油燃烧，以限制最初的炭烟和NOx的形成及燃烧噪声。

2）在燃烧第二阶段，保证燃油和空气充分混合，以避免随后的炭烟形成。

3）在燃烧第三阶段（喷射结束后）保证剩余空气与燃烧气体强烈混合，以便炭烟氧化。

4.5废气再循环

废气在循环简称EGR，是指在发动机工作将一部分废气引入进气管，并于新鲜空气混合后吸入汽缸内再次进行燃烧的过程。

废气在循环是目前用于降低NOx的一种有效方法，它是通过降低燃烧室的燃烧温度来抑制NOx的生成。

通常，废气在循环程度用EGR率来表示（EGR率=EGR流量/（吸入空气量+EGR流量））有资料表明，当EGR率达到15%时，NOx的排放量即可减少60%。

但EGR率增加过多时，会使发动机性能下降，HC含量上升。

因此，利用ECU来控制EGR率，既能使NOx有效降低，又可以保证发动机的动力性。

因此废气再循环对于轿车柴油机满足降低NOx和颗粒排放的要求具有重要作用，直接喷射的轿车柴油机实验表明，用“热”的废气再循环可达到降低有害排放的最佳效果。

所谓“热”的废气再循环就是保持再循环废气具有尽可能高的温度。

用此方法除了可降低NOx的排放，还可减少HC以及大部分挥发的颗粒。

因此在不增加总的颗粒的情况下，可降低NOx的排放。

4.6降低机油消耗量

除了上述优化燃烧过程以降低颗粒排放和NOX的排放措施外，降低机油消耗对满足将来低颗粒排放限制也是很重要的。

若对满足美国1991年排放限制发动机总的颗粒排放进行分析，则可发现总的颗粒排放量中，除50%的烟灰外，约有25%来自机油，含硫部分占15%。

4.7低含硫燃油和氧化催化器

确保颗粒排放量的基本前提是采用高十六烷值和低含硫量的燃油。

特别是在采用氧化催化器在高负荷工况进行试验时，后者对降低排放量更具有关键的意义。

若在结合废气再循环的情况下，在选择合适的涂层，那么对催化器的优化来说，就可达到特别良好得边界条件。

催化器与废气再循环相结合后，可使催化器达到较早的“响应”，不存在高负荷时出现硫化物排放的问题。

5.结论

总之，载重汽车柴油机还具有进一步开发的潜力，为满足将来排放法规，开发的重点在于优化燃烧过程。

参考文献：

1．冯健璋：

汽车发动机原理与汽车理论第2版。

北京机械工业出版社，2005

2．朱兴洋：

汽车技术。

长春《汽车技术》杂志社，2006

3．于增信：

汽车发动机构造与维修。

北京中央广播电视大学出版社，2006

4．李春明：

汽车发动机燃油喷射技术第2版。

北京理工大学出版社，2005

5．韩爱明周大森：

汽车运用基础。

中央广播电视大学出版社，2006