发动机排放控制技术与应用分析论文讲解.docx
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发动机排放控制技术与应用分析论文讲解
摘要
随着汽车在生活中的普及，汽车排放的污染物对环境的危害越来越明显，严重威胁着人类的生存环境与健康。
本文主要概述了一些主要的发动机排放污染物的生成机理与危害，以及发动机排放物的影响因素，发展汽车发动机的排放控制技术能够有效地抑制和减少发动机排放物对大气环境的污染，在一定程度上减轻了污染物对人类健康的影响。
关键词：
排放；污染；控制技术
Abstract
Withthepopularityofthecarinthelifeanddamageofthevehicleemissionsofpollutantsontheenvironmentismoreandmoreobvious,aseriousthreattohumansurvivalenvironmentandhealth.Thispaperprovidesanoverviewoftheformationmechanismofsomeofthemainengineandemissionofpollutantsandtheharm,aswellastheinflueneeofengineemissionsfactors,automobileengineemissioncontroltechnologycaneffectivelyinhibitandreduceengineemissionsontheatmosphericenvironmentpollution,reducesthepollutantsonhumanhealtheffectsinacertainextent.
Keywords:
emission;pollution;controltechnology
摘要....
AbstractII...
第一章绪论1
1.1研究的背景1.
1.2研究的意义1.
1.3研究方法2.
第二章发动机排放物的危害3
2.1一氧化碳（CO）的危害3
2.2碳氢化合物（HC）的危害3
2.3氮氧化物（NOx）的危害3
2.4二氧化硫（SQ）的危害4
2.5微粒物PM的危害.4.
第三章发动机主要污染物的生成机理5
3.1一氧化碳的生成机理5
3.2碳氢化合物的生成机理5
3.3氮氧化物的形成6.
3.4微粒的形成（流行假说）6
第四章发动机排放物生成的影响因素7
4.1点火提前角的影响7
4.2发动机工作温度的影响7
4.3燃油品质的影响7.
4.4空燃比的影响7.
第五章发动机排放控制技术8
5.1三元催化转换装置8
5.2缸内直喷技术9.
5.3双涡轮增压技术9.
5.4氧化催化氧化器（DOC）10
5.5选择性催化还原系统（SCR）11
5.6颗粒捕捉技术（DPF）12
5.7废气冷却再循环技术（EGR）12
参考文献18
致谢19
第一章绪论
1.1研究的背景
目前，汽车已经成为这个时代标志性的产物，人们对汽车的热爱只增不减。
汽车工业的快速发展也让汽车保有量急速上升。
据数据显示，2014年12月，全国汽车产量达
到225.3万辆，同比增长3.7%。
2014年全年汽车产量达到2389.5万辆，与2013年相比，增长7.1%。
2015年，我国汽车产量达到2450.33万辆，同比增长3.25%，增速比上年同期减缓4.01个百分点，创全球历史新高，连续七年位居全球第一。
2015年，中国品牌
乘用车销量为873.76万辆，同比增长15.3%;市场份额达41.3%，同比提高2.9个百分点。
2016年2月我国汽车产量为161.18万辆，同比增长了3.74%，年度累计为406.91万辆。
此外，中汽协对2016年汽车整体市场进行了预测，预计2016年，中国汽车全年销量为2604万辆（其中国内销量2540万辆，出口量64万辆），增速约为6%。
其中，新能源车会继续保持高速增长，销量预计为70万辆左右。
2016年全年汽车市场需求约
在2628万辆。
（全年汽车市场需求=总销量-出口量+进口量）
汽车需求量的增多导致了大量的化石燃料燃烧，发动机在燃烧化石燃料的过程中会产生一些具有污染性的排放物和温室气体，这些污染排放物会影响到人类的身体健康以
及整个大气环境。
据分析，城市中的雾霾大约有4%的成因与汽车尾气排放有关，这些
排放物有可能间接性的与其他物质反应形成酸雨和光化学烟雾，其中的二氧化碳也加剧
了温室效应。
我们所要做的就是去改善汽车污染问题，减少我们身边的大气环境的污染，让自己生活在一个纯净而美丽的地球上。
1.2研究的意义
近些年来，我们所处在的生存环境受到很多因素的威胁，其中威胁较大的就是汽车使用过程所带来的污染问题。
汽车所使用的燃料大部分都是化石燃料，化石燃料在燃烧过程中会产生一定量的氮氧化物、碳氢化合物、微粒以及一氧化碳等有害物质。
这些排放物的危害程度随着汽车保有量的增长越来越明显，有的甚至危害到人类的身体健康。
据有关专家表示，汽车排放出的污染物的主要范围在0.3至2米之间，也就是我们正常
的呼吸范围。
在一些大城市中，交通拥堵已成了家常便饭，在车辆怠速的情况下，汽车
所排放出的污染物比正常情况下的排出量相对多一些，同时化石燃料的不完全燃烧导致
了能源的浪费。
另外，汽车所排放的二氧化碳也让温室效应更加严峻了，这对我们的生存环境非常的不利。
所以，我们在发展汽车工业的同时，也要着重在发动机排放控制技术方面进行不断的探索，或者开发一些新的能源用以代替化石燃料，以减少化石燃料燃烧所产生的污染状况。
1.3研究方法
本文主要通过XX搜索引擎查找发动机排放控制技术的相关资料，以及在图书馆查
找一些相关类的书籍用以参考。
通过XX文库和万方数据库所查找的相关文献，分析了当前发动机排放控制技术与应用的现状，列举了发动机排放污染物的危害以及污染物的生成机理，同时也介绍了一些现有的发动机排放控制技术，并根据现有的资料分析了未来发动机在排放控制技术的一个发展趋势。
第二章发动机排放物的危害
发动机的污染排放物在我们生活中的危害显而易见，不仅影响着人类的身体健康，还会引起大气环境的污染，加剧温室效应。
尤其是近年来随着车辆的快速增长，大气中CO、HC、NOx、SO2以及PM的含量也陆续增多，导致汽车排放的尾气对人体和大气环境的危害程度也越来越大。
在本章的内容中主要分析了发动机的一些排放污染物对人体和大气环境的危害情况。
2.1一氧化碳（CO）的危害
汽车排放出的一氧化碳主要是由于化石燃料的不完全燃烧而产生的。
它是一种无色
无味的有毒气体，在正常情况下，一氧化碳不会导致人体损伤。
只有在吸入一定量的一氧化碳之后，才会使人出现头晕、呕吐、头痛等症状，严重时可以造成人体窒息性死亡。
引起这些症状的主要原因是CO能与血液中的血红蛋白发生反应，使得血液中的血红蛋白发生变质，从而减弱了血液的输氧能力，致使人体缺氧。
更重要的是，一氧化碳在大气中比较稳定，不易与其他物质发生反应，从而能长时间的存在大气中。
2.2碳氢化合物（HC）的危害
碳氢化合物也是因为化石燃料燃烧不完全而产生的，但它的危害程度比一氧化碳更
大。
碳氢化合物中含有苯、醛和多环芳香烃等物质，带有一定的毒性，其中多环芳香烃和苯类物质又具有致癌作用，尤其是苯并芘和硝基烯。
碳氢化合物在光照的条件下极易与NOx发生反应，形成以臭氧和醛类为主的有毒性光化学烟雾，严重影响着大气环境与
人类的健康。
2.3氮氧化物（NOx）的危害
汽车所排放的氮氧化物中种类繁多，有NO、NO2、N2O3等多种物质。
其中NO是氮氧化物中的主要成分，它的特点是无色无味。
一般空气中的NO对人体无害，但吸入
一定量后，会产生与CO相似的症状，会影响中枢神经系统，造成中枢神经系统轻度障碍，严重时可使人中毒而死亡。
NO?
具有强烈的刺激性气味，在常温常压下呈棕色，主要由NO氧化而成，对人体的危害程度相对较大。
因为二氧化氮会与人体血液中的血红素相结合，使血红蛋白变性，对心、肝、肾都会有一定的影响，甚至会造成植物枯黄。
此外，氮氧化物还会与碳氢化合物在光照的条件下形成带有毒性的光化学烟雾，造成大气环境的污染，威胁人类的身体健康。
2.4二氧化硫（SO2）的危害
化石燃料中都含有一定量的硫，在燃烧的过程中会形成具有刺激性气味的二氧化硫。
SO2是一种无色透明的气体，一定量的二氧化硫能够使人体产生咳嗽、胸闷和呼吸困难等症状，严重时可使人体休克。
此外，SO2还极易与大气中的水分结合生成亚硝酸，和煤尘共存时能产生硫酸烟雾，积累到一定程度时还会形成酸雨，使水土酸化，影响植物的生长，并对材料具有腐蚀破坏作用。
2.5微粒物PM的危害
PM中含有PAH等多种有害物质微粒物，会对生态环境造成一定的影响，在一定程度是威胁着人类的健康。
另外，颗粒的大小对人体的危害程度有一定的影响。
一些颗粒较小（小于0.5微米）的微粒容易长时间悬浮在空气当中，致使人体吸入的概率大大提高，对人体的呼吸系统有着极大的危害。
另外微粒间的孔隙具有一定的吸附作用，能够吸附一些SO2、NO2等致癌物质，因而对人体造成更大的危害。
第三章发动机主要污染物的生成机理
发动机排放物的形成过程十分复杂，反应条件也有一些要求，本章主要介绍了发动机主要排放污染物的生成机理，下面就让我们一起更多地了解发动机污染排放物的生成机理。
3.1一氧化碳的生成机理
一氧化碳的形成十分复杂，其熔点为-205.0C,沸点为-1915C,发火点为651OC。
一般认为，CO的形成主要有以下几步生成，即
CnHm+。
2fnCO+H2（3.1.1）
22
2H2+O2f2H2O（3.1.2）
2CO+O2f2CO2（3.1.3）
H2O+COfCO2（3.1.4）
在理想状态下一般不会生成一氧化碳。
但发动机在实际工作过程中，各缸混合气不均匀，局部区域会出现缺氧的情况，或出现局部温度过低，导致烃类燃料不完全燃烧，从而导致CO的产生。
此外，排气中的H2具有一定的还原作用，能将少量的二氧化碳直接还原成一氧化碳。
3.2碳氢化合物的生成机理
不论是汽油机还是柴油机都是通过火焰传播使燃料燃烧的，但是紧靠缸壁的气体层
（0.05mm-0.5mm）因低温缸壁的冷却作用，火焰传播不到，从而使这层混合气中HC
随废气排出。
由于柴油机中与大部分气缸壁面直接接触的是空气而不是混合气（壁面油膜蒸发混合方式除外），采用壁面油膜蒸发混合方式的柴油机，壁面直接与燃油接触的面积与燃烧室表面相比也非常小，因此，在柴油机中几乎不存在汽油机中由燃烧室壁面火焰焠熄”以及汽缸壁和燃烧室壁面沉积物所释放的HC。
发动机排放出的碳氢化合物的形成因素有以下几种情况：
（1）燃料未完全燃烧或部分被分解、氧化而产生HC。
不完全燃烧HC是由烃的氧化反应终止所造成。
化石燃料的燃烧反应受很多因素的影响，如温度、压力以及混合比等。
在混合气较稀的情况下，氧化反应的过程会比较慢。
另外，燃烧室内各区域的混合气比例也有一定的差异，这也会导致HC排放量增多。
（2）火焰焠熄”作用所产生的HC。
由于冷态的燃烧室壁面在高温时具有一定的吸附作用，所以当火焰靠近燃烧冷态的室壁面时会发生火焰焠熄现象，导致燃料燃烧不完全。
（3）汽缸壁和燃烧室壁面沉积物所释放的HC。
当燃油浓度在混合气中较大时，发
动机气缸壁的润滑油膜和燃烧室等处沉积物能吸收和溶解混合气中的燃油；当缸内混合
气中燃油浓度很低或无燃油时（如排气冲程），润滑油膜和沉积物则会释放出燃油，导
致部分燃油未参与燃烧，直接和其他燃烧产物一起排出，从而导致HC排量增多。
3.3氮氧化物的形成
汽车排放出的氮氧化物主要有NO和NO?
，排出的NO会在大气中进一步氧化生成NO2。
空气中的氧气和氮气在大气状态下，并不会发生化学反应，气缸内燃料燃烧燃烧形成的1200—2400C的高温环境为氧气和氮气反应生成NO、NO2创造了条件，才造成了氮氧化物（NOx）排放。
形成过程相对复杂，主要NO经过一下几个过程：
N2+O?
NO+N（3.3.1）
N+O2?
NO+O（3.3.2）
N+OH?
NO+H（3.3.3）
H+N2O?
N2+OH（3.3.4）
O+N2O?
N2+O2（3.3.5）
O+N2?
NO+NO（3.3.6）
这些反应都是连锁反应，NO的形成在很大程度上受发动机的工作温度的影响，当然在高温下所停留的时间也会一下NO的生成。
3.4微粒的形成（流行假说）
微粒通常用PM（ParticulateMatter）表示，主要是由于进气不充分或燃烧温度过低造成燃烧不完全所形成的。
排气中的颗粒物一般有三个来源：
（1）燃料燃烧不完全产
生的碳烟颗粒；
（2）润滑油燃烧产生的积碳颗粒；（3）燃料中硫生成的SO2、SO3和添加剂钙生成的CaSO4颗粒。
第四章发动机排放物生成的影响因素
4.1点火提前角的影响
点火提前角是指发动机（汽油机）从点火时刻起到活塞到达压缩上止点这段时间内曲轴所转过的角度。
在一般情况下，点火提前角对CO的排放影响不大，但过分的推迟点火会使CO氧化不完全，从而增加了排放中的CO,但适度推迟点火可减小CO排放。
实际上当点火时间推迟时，为了保证输出功率需要开大节气门，这时CO排放明显增加，但HC的含量会降低，主要是因为排气温度的升高，促进了CO和HC的氧化。
4.2发动机工作温度的影响
发动机工作温度会影响到氮氧化物排放，当发动机机内的温度偏高时，会引起NOx排量增多。
当发动机在有效冷却后，可以使NOx的排量降低15%。
4.3燃油品质的影响
燃油品质也是影响尾气排放量的重要原因，燃油中存在硫、苯、烯等元素。
通过降低汽油中某些元素的含量，可以有效地减少尾气排放量。
汽油中硫的含量直接影响到颗粒物的排放量。
我国的车油不同步”一直是影响汽车排放控制的重要因素。
使用符合国家第五阶段标准的汽油和柴油，可以有效地将排放量降低10%，颗粒物和氮氧化物也可明显地减少。
只有进一步提高燃油品质，才能有效地减少相关污染物的排放量。
4.4空燃比的影响
空燃比，是指混合气中空气与燃油之间的质量比，是发动机运转时的一个重要参数，。
各种燃料的理论空燃比是不相同的：
汽油为14.7，柴油为14.3。
⑹
发动机工作时，所形成的空燃比对尾气排放具有一定的影响。
当空燃比小于理论空燃比时，发动机的燃油消耗量较高，燃料燃烧也不完全，生成的CO、HC也多；当空
燃比大于理论空燃比时，燃烧效率最高，燃油的消耗量较少，但生成的NOx偏多。
第五章发动机排放控制技术
5.1三元催化转换装置
三元催化转换装置，是安装在排气系统中的一个重要装置，可同时将排气中的CO,HC和NOx三大有害物质转化为无害物，故称三元。
它以排气中的CO和HC作为还原剂，在高温的条件下，把NOx还原为氮气（N2）和氧气（02），而CO和HC在还原反应中被氧化为CO2和H2O。
三元催化转换装置主要由催化剂、载体、垫层和壳体等组成，如图1和图2所示。
其中，催化剂主要由活性成分和催化助剂组成。
常用主催化剂有铂（Pt）、钯（Pd）、
铑（Rh）等贵金属，价格昂贵。
由于Pd易受Pb（铅）的侵蚀，而Pt易受热劣化，所以实际应用中以Pt/Pd组合形式使用。
载体部分主要是一块蜂窝状的陶瓷材料，载体的表面上覆盖了一层起催化作用贵重金属。
当发动机工作时，尾气经排气管进入催化器，其中的氮氧化物与尾气中的一氧化碳、氢气等还原剂在催化作用下分解成氮气和氧气，而碳氢化合物和一氧化碳分别与废气中残存的氧气及前一反应生成的氧气在催化作用下充分氧化，生成二氧化碳和水蒸汽。
由于三元催化器中的载体为蜂窝结构，增大了与废气的接触面积，提高了催化效果。
实验结果表明，当发动机的空燃比（空气和燃料的比例）接近理论值时，转化器可将90%的碳氢化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同时净化掉，所以说，三元催化器是减少这些排放物的有效的方法。
三元催化装换装置的可靠性很好，寿命长，被广泛应用于本田、别克、现代等车型上。
图1三元催化转换装置外观图
转化族■外務石構隔热坐陶眾域窝裁体
///
图2三元催化装换装置结构
当然，三元催化转换器还可以和氧化转换器相结合，达到二次净化，使得效果更加明显。
5.2缸内直喷技术
缸内直喷技术是近年来推广的发动机的新技术。
传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况，从而控制喷油器将汽油喷入进气歧管。
直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个活塞泵提供所需的100bar（1bar=105Pa以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。
之后通过电脑控制喷射器，将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，通过对燃烧室内部形状的设计，让混合气能产生较强的涡流，使空气和汽油充分混合。
然后使火花塞周围区域能有较浓的混合气，其他周边区域有较稀的混合气，保证在顺利点火的情况下尽可能的实现稀薄燃烧，这就是发动机分层燃烧、缸内直喷技术的精髓所在。
发动机缸内直喷技术最大地优化了进气混合效率，使高效节油和大功率输出不再矛盾。
奥迪FSI（分层燃烧和缸内直喷技术）增大了火花塞点燃式发动机的转矩和输出，同时增加了15%的经济性，为降低排放奠定了基础。
与常规的点燃式发动机相比，FSI
可将燃油直接喷入燃烧室，不再需要节气门，降低了发动机的热损失，从而增大了输出功率并降低了燃油消耗。
具体地说，就是燃料分层喷射技术，它代表着今后发动机的发展方向。
5.3双涡轮增压技术
双涡轮增压技术，就是采用2个相互独立的涡轮增压器的增压系统。
传统的单涡轮
增压器在发动机低转速时有增压滞后和动力空挡的缺点，而区别于常见的单涡轮增压发
动机，双涡轮增压发动机在2个涡轮增压器的共同作用下，进气效率大幅提升，增压效果更加显著。
由于使用了2个涡轮增压器，双涡轮增压系统的结构变得更加复杂，因此多用于直列6缸和V型发动机上，而单涡轮增压系统则多用于直列4缸发动机上。
2014年，大众率先推出了最新开发的2.0LTDIbiturbo双涡轮增压直喷发动机。
双涡轮增压器由一个大涡轮和一个小涡轮组成，低速时小涡轮运转，高速时大涡轮运转，从而获得更多的进气量，他们是串联或者并联的。
大众2.0LTDIbiturbo最大功率为180kW，峰值转矩500N・m,与之搭配的是7速DSG变速器。
搭载这款发动机的全新车型0?
100km/h加速时间在6.1s之内。
大众双涡轮增压器，在任何转速下均可产生所需要的充气压力，性能比传统的单涡轮增压器大大提高，改善了发动机的适应性，发动机转速较低时也可以保证大功率的输出。
由于发动机进气压力始终处于最佳状态，从而在整个转速范围内提高了燃烧效率，节约了燃油并改善了排放。
由于双涡轮增压发动机在车辆动力性能提升和发动机动态响应速度方面所表现出来的突出优势，目前，包括宝马在内的多家汽车厂商也都已经在各自旗下的车型上采用了双涡轮增压的形式。
但是，双涡轮增压发动机并不能完全消除涡轮迟滞现象，毕竟，涡轮增压器叶轮的惯性作用依然存在。
只不过，我们仅是从双涡轮增压技术的角度出发来进行分析，在实际使用中，双涡轮增压发动机通常都装备在直列6缸或V型等排量较大的发动机上，由于发动机本身的动力性能已经相当优异，驾驶者在驾车时也不会因为涡轮迟滞察觉到车辆在加速过程中的动力滞后。
5.4氧化催化氧化器（DOC
微最金is
我酸盐
碳炫
发动机
OOCOOD
1
「NJ
I■
1\
CO+1/2Oj—►COj
HC+Ot―►CO^+HiO多环芳姫就\―►COj+HiO醛类+0?
—►CO2+H2O
图3氧化催化转化器（DOC工作原理
氧化催化氧化器（DOC）通常为二转化器，见图3。
它能将CO和HC氧化为CO?
和H20，同时也能将多环芳烃和醛类物质氧化为CO2和H20，其中的微量金属还可以过滤掉PM。
实验表明，DOC可以使HC减少68%，多环芳香碳氢化合物减少56%，醛类减少70%,降低PM效率可达40%-50%。
但是它只具有氧化能力，没有还原能力，与三
元催化器的区别在于各自催化剂的涂层不同
5.5选择性催化还原系统（SCR
砥化曙吃詰
ffiPM中的1诙\匕0转化成HQ和g
把xor
控制单元
图4选择性催还还原系统（SCR）工作原理示意图
选择性催化还原系统（SCR）,见图4。
主要原理：
发动机排出的废气首先在氧化
催化器的作用下，把PM中的HC、CO氧化成H2O和CO2，把NO氧化成NO?
。
然后
将尿素溶液喷入氧化后的废气流中，通过水解催化器，把尿素转化成NH3，NH3再与
NOx在SCR催化剂的作用下被还原成N?
和H2O，排入大气。
5.6颗粒捕捉技术（DPF
S0x
图5颗粒捕捉技术（DPF）内部结构及工作原理
颗粒捕捉技术（DPF），见图5。
该装置内有多孔过滤器壁，在其表面涂有活性催化剂，颗粒PM、HC、NOx等排放物在通过DPF时，会被吸附在过滤器壁上，通过过滤效果后能极大地减少PM的排放，其净化效率达到90%。
5.7废气冷却再循环技术（EGR
-——n一EGR混合霉
图6废气冷却再循环技术（EGR）工作原理图
废气冷却再循环技术（如图6）主要通过ECU来控制，主要用于控制氮氧化物的排放，排气中的少部分废气经阀门经过冷却器进入EGR混合器，然后与混合气混合进入
气缸内参与燃烧。
废气的循环使得缸内混合气中惰性气体（包括CO2和N2）的浓度上
升，惰性气体又具有较高的比热，故降低了燃烧时气缸中的温度。
因NOx是在高温富氧
的条件下生成的，故抑制了NOx的生成，从而降低了废气中的NOx的含量。
但是，过度的废气参与再循环，将会影响混合气的着火、性能，从而影响发动机的动力性，特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，再循环的废气会明显地影响发动机性能。
所以,当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时，ECU控制废气不参与再循环，避免发动机性能受到影响；当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时，ECU控制少部分废气参与再循环，而且，参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同，以达到废气中的NOx最低。
第六章发动机排放控制技术的发展趋势
随着汽车工业的快速发展，汽车保有量所伴随的汽车污染也越来越严重。
很多年前,世界各国就已经制定了相应的法规和标准，以把汽车有害排放物质控制在最低水平。
表2为1992年至2013年欧盟标准汽油机排放标准的限值。
表1欧盟标准汽油机排放标准限值单位g/km
年份
CO
HC
NOx
PM
欧I
1992年
2.72
0.97
欧U
1996年
2.2
0.5
欧川
2000年
2.3
0.2
0.15
欧W
2005年
1.0
0.1
0.08
欧V
200
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