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论文

摘要

本文详细叙述了汽车排放对社会环境影响的严重性，其中列出了一些关于汽车的排放控制技术，分述了各技术是如何进行的排放处理以及各个技术的优缺点及现阶段主要排放控制技术的运用和正在大力研发的排放控制技术，指明了未来汽车的发展方向将以控制汽车排放技术为主。

关键词：

排放技术，环境，汽油机，柴油机

Abstract

Thispaperdescribesthetheseriousimpactofvehicleemissionsonthesocialenvironment,andlistssomeoftheemissionscontroltechnologyonvehicles.Italsodescribeshowthetechnologiesdealwiththeemissions,theadvantagesanddisadvantagesofeachtechnologies,theuseofemissioncontroltechnologyandotheremissioncontroltechnologiesthatarebeingvigorouslydeveloped.Andithasindicatedthatthefuturedirectionofthecarwillbaseonvehicleemissionscontroltechnology.

Keywords:

Emissiontechnology,environment,gasolineengine,dieselengine

目录

摘要I

AbstractII

1设计总则1

1.1课题的来源1

1.2国内外现状1

1.3方案论证与综合分析3

2汽油机排放净化技术5

2.1汽油机的燃烧过程5

2.2汽油机的主要排放物5

2.3电控汽油喷射系统6

2.3.1电控汽油喷射系统的特点6

2.3.2电控汽油喷射系统的类型6

2.4典型汽油喷射电控系统7

2.4.1L－Jetronic系统7

2.4.2Motronic系统8

2.5喷油控制9

2.5.1喷油控制9

2.5.2喷油量的控制10

2.5.3断油控制11

2.5.4反馈控制12

2.6怠速转速控制12

2.6.1怠速自动控制系统13

2.6.2怠速排放控制14

2.7增大气门间隙，减小气门重叠角15

2.8缸内直接喷射15

2.8.1缸内直接喷射汽油机的特点及存在的问题16

2.8.2缸内直接喷射式汽油机的排放对策17

2.9稀薄燃烧系统18

2.9.1稀薄燃烧对排放的影响18

2.9.2实现稀燃的具体措施19

2.10分层燃烧系统20

2.10.1分层燃烧的目的20

2.10.2复合涡流受控燃烧系统20

2.10.3轴向分层稀燃系统24

2.11废气再循环24

2.11.1废气再循环及其净化原理24

2.11.2废气再循环的控制策略25

2.11.3EGR系统及EGR阀25

2.11.4内部废气再循环26

2.12EGR率对汽油机净化与性能的影响26

2.13涡轮增压技术27

2.13.1汽油机增压易发生爆燃27

2.13.2汽油机增压热负荷大28

2.13.3汽油机与增压器匹配困难28

2.14多气门技术28

3柴油机净化技术29

3.1改善燃油品质29

3.2排气净化后处理29

3.2.1采用颗粒过滤及再生技术29

3.2.2加装氧化型催化转化器29

3.2.3非过滤技术30

3.2.4NOX催化转化器30

3.3进行柴油机机内净化30

3.3.1SCR系统组成及工作原理30

3.3.2SCR系统降低NOx排放的机理30

3.3.3采用柴油电控高压喷射技术33

3.3.4大功率柴油机电控高压喷油系统33

3.4提高喷油压力和减小喷孔直径35

3.5改进燃烧系统35

3.6采用废气再循环（EGR）35

3.7增压中冷技术35

3.8柴油机的涡轮增压系统36

3.8.1定压涡轮增压系统36

3.8.2脉冲涡轮增压系统37

4结论与展望38

4.1结论38

4.2不足和展望38

致谢39

参考文献40

1设计总则

1.1课题的来源

大气污染是社会的3大公害之一，而随发动机的废气排出的CO、NOx、HC、微粒子PM、SO2和醛类等是大气污染的罪魁祸首。

为此，各国相继制定了越来越严格的排放标准来约束和控制汽车排放。

越来越多的汽车控制技术也相继被开发和应用，作为21世纪的主人我们应该对我们的生活负责，关系和了解这些技术和法规也是必不可少的！

1.2国内外现状

我国的汽车工业起步较晚，而汽车排放方面和国外也有这很大的差距。

按照GB17691的要求，我国于2010年1月1日起开始实施国Ⅳ标准，国Ⅳ标准要求在国Ⅲ限值的基础上，氮氧化物（NOx）进一步降低30%，微粒物（PM）降低超过80%，CO、HC及烟度排放降低也接近30%。

汽车的主要排放物为:

CO（一氧化碳）、HC＋NOX（碳氢化合物和氮氧化物）、PM（微粒，碳烟）等有害气体。

它们都是发动机在燃烧作功过程中产生的有害气体。

这些有害气体产生的原因各异，CO是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生CO，混合气浓度大及混合气不均匀都会使排气中的CO增加。

HC是燃料中未燃烧的物质，由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。

NOX是燃料（汽油）在燃烧过程中产生的一种物质。

PM也是燃油燃烧时缺氧产生的一种物质，其中以柴油机最明显。

因为柴油机采用压燃方式，柴油在高温高压下裂解更容易产生大量肉眼看得见的碳烟。

为了抑制这些有害气体的产生，促使汽车生产厂家改进产品以降低这些有害气体的产生源头，欧洲和美国都制定了相关的汽车排放标准。

其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准，目前国产新车都会标明发动机废气排放达到的欧洲标准。

我国汽车工业的整体水平要达到新标准的要求难度很大。

电喷在发达国家已是一项成熟技术，现在国产轿车上使用的电喷系统技术都是从国外引进的，但我国在电喷技术方面的研究还不完善，仅使从国外购进的现成的电喷系统，与现有发动机匹配和调试就需要1年多到2年的时间。

我国车用汽油产品也不适应新标准的要求。

首先需要降低汽油的硫含量，为了减少汽车尾气的污染，使用三元催化净化器是主要措施之一，而汽油中的铅、硫等物质会严重损害催化剂的作用，所以国家在制定无铅汽油国家标准的同时，为更好地发挥催化剂的作用，延长使用寿命，要求汽油中的硫含量也必须降低。

现行标准要求硫含量不大于0.15%，新标准则降至不大于0.10%。

其次是降低汽油中苯的含量。

苯是致癌物质，现有的汽油标准中未对其加以限制。

发达国家规定汽油苯含量不大于1%，而我国的个别产品苯含量高达20.6%，平均为2.1%。

因此，新标准将对苯的含量作出严格的限制。

目前汽车的排放控制技术主要分为机前净化技术，机内净化技术，机外净化技术。

所谓机前净化技术指的是对燃油品质方面的控制技术。

接着就是机内净化技术，也是最初汽车工程师门解决排放的手段，就是通过对发动机本身的结构，性能，和形式的改善来达到排放的要求。

他们主要包括：

燃油电控喷射系统，多气门技术，涡轮增压技术，废气再循环技术，低排放燃烧系统等。

机外净化技术，这部分技术是比较新的技术了，因为伴随着欧V等的相关排放规定出台后，机内净化技术已经达到了其极限底部了。

之后得就需要机外净化技术了。

机外净化技术主要包括：

汽油机三元催化转化技术，汽油机热反应技术，汽油机空气喷射技术，柴油机的DPF（微粒捕集），柴油机的氧化催化（DOC或者OCC），等离子辅助催化器NTP，SCR，CRT，LNT，plasmareformer。

欧美主要采用了两条机外后处理技术路线：

其一是SCR（选择性催化还原）技术路线，它是通过优化喷油和燃烧过程，尽量在机内控制微粒的产生，在机外后处理过程，采用尿素溶液对NOx进行选择性催化还原。

这一技术路线在欧洲占主流，欧洲长途载货车通常采用SCR技术，而短途运输或者城市公交车则选择EGR+DPF技术。

采用该技术路线的主要有康明斯、马克、底特律柴油发动机、戴姆勒克莱斯勒、沃尔沃、达夫、依维柯。

其二是EGR+DPF/DOC（废气再循环+微粒捕集器/氧化催化转换器）技术路线，它以废气再循环为基础，在机内抑制NOx的产生，在机外后处理过程中采用微粒捕集器对微粒进行捕捉。

这一技术路线在北美市场占主流，目前采用该技术路线的主要有康明斯、卡特彼勒、万国、斯堪尼亚、曼等。

两种技术路线各有优缺点，采用SCR方案，对发动机不须做进一步的强化处理。

燃油中的硫含量对于系统的影响较小，可回避燃油含硫量高的难题，而硫含量高是国产柴油近几年难以克服的技术问题。

采用SCR方案可通过调整喷油特性而节省燃油消耗约5％，但需在加油站设立相关的尿素溶液补充设备，整车也需增加一套尿素贮存和转化装置而使成本增加。

采用EGR+DPF/DOC方案需对原发动机进行强化，提高喷油压力和增压中冷能力。

其次，需提高微粒捕集器的再生能力，还有对燃油含硫量要求较严，且燃油消耗较高，但不增加额外的装置，用户只要定期更换微粒捕集器。

在欧洲主要以SCR技术占主流，而在北美却以EGR+DPF为主流，这主要因为美国燃油价格较欧洲低，车主对燃油经济性不敏感，却需要考虑施用尿素带来的成本增加。

其次，US2007标准对新车提出15万km无维修要求，而SCR技术则需要大约5000km就要添加一次尿素。

第三，采用SCR技术还需要向美国EPA申请特别许可。

1.3方案论证与综合分析

洛杉矶从2000年起，已有50％的车辆使用甲醇或被改装成电动汽车，并重罚尾气污染。

英国正严格限制汽油的含铅量，并在汽车上安装氮氧化物的催化转化装置；日本东京除发展地面电车和地下铁路等公共交通外，还重点对汽车排气进行控制；荷兰的海牙也采取了一些反污染措施，如行车以金字塔形划分（重型运输车只能在最外环行驶，越靠近市中心，车辆就越小）。

巴西的库里蒂巴、葡萄牙的里斯本、德国的柏林和荷兰的阿姆斯特丹，有轨电车和无轨电车正在代替汽油车和柴油车。

此外，人们还在开辟“无车区”。

如欧洲的大小城市纷纷在市中心的商业区建立永久性的行人专用区和禁止汽车行驶的住宅区。

甚至自行车也被派上了用场。

去年9月，法国举办了自愿“无车日”，连政府部长都要骑自行车去内阁开会。

意大利各地也在推广“无车日”，以减少污染，改善环境。

汽车尾气的治理

要达到新标准的要求，汽车上必须采用以下两项措施：

一是发动机采用电控供油系统；二是装用能更有效控制排放的三元催化净化器。

电控供油系统指电子控制燃油喷射系统（简称电喷），它取代了进气管道中的化油器，也就是取消了节流用的喉管，减少了进气阻力，从而改善发动机的充气状况。

同时，采用向进气道或是进气门口处定时定量喷射燃料的方法供油，解决了燃料雾化和混合气在进气歧管中的分配等问题，并能按发动机不同的工作状况，较为精确地供给发动机最佳比例的混合气。

目前大多数发动机采用的多点喷射方法更可将最佳空燃比的混合气平均分配给各个汽缸，大大改善发动机的动力性、经济性和排放性能，从而使汽油燃烧得更充分，让后面的三元催化净化器在其最佳工作范围内工作。

三元催化净化器起着对发动机作功产生的废气进行净化的作用。

它是利用其滤芯中的钯、铂、铑3种元素主要过滤废气中的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物等3种污染物，使尾气排放合乎要求。

但三元催化净化器的正常工作需要有较高质量的汽油，而且必须使用无铅汽油，对汽油中一些元素的含量也有比较严格的要求。

三元催化器的外形像一个排气消声器，安装在汽车发动机的排气装置上。

汽车废气只要通过三元催化器本身，就可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质。

其壳体一般用耐高温的不锈钢制成，内部的蜂巢式通道上涂有催化剂，催化剂的成分有铂、钯和铑等稀土金属，当汽车废气通过净化器的通道时，一氧化碳和碳氢化合物就会在催化剂铂与钯的作用下，与空气中的氧发生反应产生无害的水和二氧化碳，而氮氧化合物则在催化剂铑的作用下被还原为无害的氧和氮。

据了解其净化效率十分高，可以净化90%以上的有害物质。

不过据专业人士介绍，三元催化器的安装有一个前题条件，就是只能适用于无铅汽油做燃料的汽车，如果使用含铅汽油，废气中的铅就会将催化剂覆盖，使净化器停止工作，俗称“中毒”。

另外，三元催化器对于车况较差、尾气污染严重的车作用也不大，这类车安装三元催化器后，反而容易导致汽车不能正常行驶。

这也正是我们将三元催化器比作玄铁重剑的原因：

使用玄铁重剑者必须内力深厚，才能发挥其巨大威力；而三元催化器则要求汽车本身要车况良好，才能起到高效净化尾气的作用。

2汽油机排放净化技术

2.1汽油机的燃烧过程

按燃烧过程的物理—化学状态，将燃烧过程分为三个阶段：

着火延迟期、明显燃烧期和补燃期。

汽油和空气按一定的比例组成的混合气，进入气缸后被压缩受热。

火花塞跳火放电时，两极电压在15000V以上，电火花能量40～80mJ，局部温度达2000℃，致使电极周围的预混合气热反应加速，当反应生成的热积累使反应区温度急剧升高而使火花塞电极附近的混合气着火时，即形成火焰中心。

从电火花跳火到形成火焰中心阶段称为着火延迟期，这是燃烧的第I阶段。

燃烧第Ⅱ阶段是指火焰由火焰中心传播至整个燃烧室，约90%的燃料被烧掉，被称为明显燃烧期。

在均质预混合气中，火焰核心形成后，即以此为中心，由极薄的火焰层（即火焰前锋）开始向四周未燃混合气传播，直到火焰前锋扫过整个燃烧室。

这一期间的燃烧是急剧的，燃烧室的温度和压力急剧上升，通常将缸内压力达到最大值时作为急燃期的终点。

在此阶段中压力升高率和最高燃烧压力到达时刻是两个重要指标，会对发动机动力性、经济性和排放产生重大影响。

从到达最高燃烧压力至燃料基本完全烧完为止称为补燃期，此时混合气燃烧速度已开始降低，加上活塞向下止点运动，缸内压力开始下降。

由于90%左右的燃烧放热已完成，因而继续燃烧的是火焰前锋面扫过后未完全燃烧的燃料以及壁面及其附近的未燃混合气。

2.2汽油机的主要排放物

汽油发动机的理想燃烧是指混合气完全燃烧，汽车的排放物应为二氧化碳（CO2）、氮（N2）和水（H2O）。

但汽油发动机在实际工作过程中，混合气燃烧往往是不完全的，燃烧生成物除了以上三种之外，还有炭氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOX）、铅化物以及二氧化硫等，这几种排放物会对大气环境造成污染、对人体造成危害。

2.3电控汽油喷射系统

电控汽油喷射系统（ElectronicFuelInjectionSystem）简称为EFI。

它利用各种传感器检测发动机的各种状态，经微机的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。

在闭环控制系统中采用氧传感器反馈控制，可使空燃比的控制精度进一步提高。

在汽车运行的各种条件下空燃比均可得到适当的修正、使发动机在各种工况下均能获得最佳的空燃比。

与传统的化油器发动机相比，装有电控汽油喷射系统的发动机，发动机功率可提高5%～10%，燃油消耗率可降低5%～15%，汽车有害排放物可得到很好地控制。

2.3.1电控汽油喷射系统的特点

与化油器式发动机相比，电控汽油喷射系统具有以下特点：

（1）采用电控汽油喷射，用微机来控制每循环的喷油量和喷油时刻，可以按各种工况的要求对燃油量进行校正，其废气排放指标比化油器汽油机好得多。

（2）在电控多点喷射系统中，每缸采用单独喷油器供油，这样，可以提高各缸空燃比的均匀性和喷油量的精确性。

（3）燃油雾化特性是由喷油器的特性决定的，与汽油机的转速无关。

因此，起动时仍能保持良好的雾化特性，起动性能良好，且起动时HC排放量少。

（4）进气系统中没有化油器喉管的节流作用，减少了进气系统的阻力损失，充气效率高。

2.3.2电控汽油喷射系统的类型

电控汽油喷射可根据多种型式分类如下：

（1）按喷油器数目分：

单点喷射（SPI）、多点喷射（MPI）。

单点喷射又称节气门体喷射，它由化油器发展而来，将喷油器安装在节气门体上方，将燃料连续喷入进气总管。

燃油与空气混合后，形成的混合气通过进气歧管分配至各个气缸。

多点喷射，每个气缸安装一个喷油器，将燃油直接喷入各缸进气门前方的气道处，各缸混合气分配均匀。

（2）按喷射区域分：

进气（管）道喷射、缸内喷射。

进气道喷射可采用低压喷射（约0.3MPa左右），是目前常用的喷射系统。

缸内喷射需要较高的喷射压力（约5～13MPa），在压缩行程开始前或刚开始时将汽油喷入气缸内，这项技术用于稀薄燃烧的汽油机。

（3）按喷射方式分：

连续喷射、间歇喷射。

连续喷射主要用于进气（管）道喷射，喷射时间占有全部循环时间，大部分燃料是在进气道内蒸发后进入气缸的。

对缸内喷射以及大多数进气道喷射，都采用间歇喷射的方式，喷射只在进气过程的一段时间内进行，喷射持续时间的长短即控制喷油量的多少。

（4）按进气量检测方法来分：

空气流量型和进气压力型。

空气流量型，用空气流量计直接测量单位时间吸入进气歧管的空气量，再根据转速算出每循环吸气量。

按照波许公司的命名，称为L型。

进气压力型，通过测量进气歧管内的真空度和温度，再间接换算成进气量。

由于空气在进气管内压力波动，测量精度较差。

按照波许公司的命名，称为D型。

2.4典型汽油喷射电控系统

图2-1L－Jetronic系统原理示意图

2.4.1L－Jetronic系统

L－Jetronic是一种对多点燃油喷射发动机喷油量进行控制的电控燃油喷射系统。

它利用各种传感器采集发动机各种工况的参数，并把它们转化成电信号传送到控制单元ECU，经计算处理后，确定出实际所要的燃油喷射量。

L－Jetronic系统原理示意图如图2-1所示。

L－Jetronic系统主要由以下几个功能模块组成：

燃油供给系、工况数据采集系和喷油控制系。

L－Jetronic系统示意图如图2-2所示。

图2-2L－Jetronic系统示意图

燃油供给系，其功能是将燃油箱中的汽油输送给各喷油器，建立喷油所需要的压力。

工况数据采集系，利用各传感器采集发动机各种工况的参数，并输入到控制单元中。

其中最重要的参数是发动机吸入的空气量，它由空气流量计测出。

其它传感器分别测量节气门开度、发动机转速、进气温度以及冷却液温度。

喷油控制系，各传感器采集到的信号输送到电控单元经计算处理后，便产生了用来控制喷油器的合适脉冲。

L－Jetronic系统的特点：

电控单元以由节气门开度决定的吸入空气量为控制喷油量的基础；以空气流量计和转速传感器检测到的空气流量和发动机转速为确定基本喷油量的依据；采用分组喷射方式，曲轴每转一周各组喷射一次。

2.4.2Motronic系统

它是在L－Jetronic系统的基础上，用一个控制单元将最重要的喷油量控制和点火控制集中在一起，加上其它控制内容，形成一个集中电控系统，即电控发动机管理系统（EMS）。

Motronic系统的特点：

整个系统除喷油和点火两个基本子系统外，可根据控制项目扩展的需要而设置其它控制装置，在一个电控单元上实现多参数、多目标的程序控制，具有很好的灵活性和适应性；电控单元根据不同的控制内容，按所存储的由发动机台架试验得到的有关三维脉谱图确定基本控制量，简化了控制程序，提高了控制精度；系统具有故障自诊断、安全保护功能及应急状态控制功能；在使用三效催化转化器时，系统具有用氧传感器进行空燃比反馈控制的功能。

2.5喷油控制

汽油发动机供给系统的功用是供给数量足够、品质优良、各缸间分配均质的可燃混合气。

混合气形成的空燃比特性是决定汽油发动机燃烧性能和排放的关键因素。

传统的化油器式汽油机是用机械式化油器来控制空燃比。

化油器经过100多年的发展，基本满足了车用汽油机各种工况对混合气成分的多方面要求，但受流体力学固有规律的限制，空燃比的控制不可能很理想、很精确，而且对多缸机来说，各缸的空燃比也不可能很均匀。

随着排放法规的逐步严格，需要用三效催化转化器来降低车用汽油机的排放。

而三效催化转化器，只有在化学计量比附近的狭窄区间内对CO、HC和NOX的转化率同时达到最高。

传统的机械式化油器很难保证这样精确的空燃比。

随着电子控制技术的发展，电控汽油喷射系统得到了广泛应用。

现代汽油机常用的供给系统是进气道汽油喷射系统，目前我国生产的轿车用汽油机都采用此汽油喷射系统，且多为多点喷射。

2.5.1喷油控制

喷油控制是发动机ECU的主要控制功能，它包括喷油时刻控制和喷油量控制。

喷油时刻的控制：

对于多点喷射发动机，ECU以曲轴转角传感器的信号为依据进行喷油时刻的控制，使各缸喷油器能在设定的时刻喷油。

喷油时刻控制方式有三种，即同时喷射、分组喷射和顺序喷射。

1）同时喷射

早期电控汽油喷射系统多采用同时喷射。

这种喷射方式将各缸喷油器的控制电路连接在一起，所有的喷油器并联连接，通过一条共同的控制电路与ECU连接。

在发动机的每个工作循环中，各缸喷油器同时喷油一次或两次。

由于这种喷射方式是所有各缸喷油器同时喷射，所以喷油时刻与发动机进气、压缩、作功、排气的工作循环无关。

其缺点是各缸喷油时刻距进气行程开始的时间间隔差别太大，喷入的燃油在进气道内停留的时间不同，导致各缸混合气形成的品质不一，影响了各缸工作的均匀性。

但这种喷射方式，不需要气缸判别信号，其喷油器的控制电路和控制程序都较简单，而且喷射驱动回路通用性好。

2）分组喷射

这种喷射方式是将多缸发动机的喷油器分成2至4组，每组2到4支喷油器，分别通过控制电路与ECU连接。

如四缸发动机一般把喷油器分成两组，ECU分组控制喷油器，两组喷油器轮流交替喷射。

在发动机的每个工作循环中，各组喷油器各自同时喷油一次。

分组喷射方式既可简化控制电路，又可提高各缸混合气品质的一致性。

3）顺序喷射

顺序喷射也叫独立喷射。

这种喷射方式的各缸喷油器分别由各自的控制电路与ECU连接，ECU分别控制各喷油器在各自的气缸接近进气行程开始的时刻喷油。

由于顺序喷射可以设立在最佳时间喷油，对混合气形成十分有利，它对提高燃油经济性和降低污染物的排放等都有一定的好处。

但顺序喷射方式的控制电路和控制程序都较复杂，然而随着电子控制技术的快速发展，这种喷射方式将得到越来越广泛的应用。

2.5.2喷油量的控制

喷油量的控制亦即喷油器喷射持续时间的控制，其目的使发动机燃烧混合气的空燃比符合各工况的需要。

ECU根据各种传感器测得的发动机进气量、转速、节气门开度、冷却液温与进气温度等多项运行参数，按设定的程序进行计算，并按计算结果向喷油器发出电脉冲，通过改变每个电脉冲的宽度来控制各喷油器每次喷油的持续时间，从而达到控制喷油量的目的。

脉冲的宽度越大，喷油持续时间越长，喷油量也越大。

发动机运转工况不同，对混合气浓度的要求也不同。

特别是一些特殊工况（如起动、急加速、急减速等）下，对混合气浓度有特殊的要求。

ECU要根据有关传感器测得的信息，按不同的方式控制喷油量。

喷油量的控制方式有起动喷油控制、运转喷油控制、断油控制和反馈控制等。

1）起动喷油控制

起动时，ECU根据起动装置开关信号和发动机转速（300r/min以下），判定发动机处于起动状态。

起动时，由于吸入的空气量少，转速低，转速波动也大，空气流量计不能精确检测，故起动时，ECU不以空气流量计的信号作为喷油量的计算依据，而是按预先设定的起动程序来进行喷油控制。

在起动喷油控制程序