内燃机废气排放净化处理,汽车尾气治理方案

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所属分类:尾气排放

绪论

随着科学技术的发展,人们的能源危机和环境污染意识愈来愈强,对内燃机废气排放处理要求严格,废气净化,汽车尾气治理是很多人关心的问题。在这种情况下,以石油产品为燃料的内燃机越来越受到人们的关注,特别是内燃机的经济性和排放动力性能已经成为广大内燃机研发人员聚焦的热点。目前,常用的内燃机主要有柴油机和汽油机,由于两者使用的燃料和工作原理也不同,这就导致在处理燃油经济性和发动机尾气排放性能两个问题上,两者采用不同技术手段,下面分析讨论两者采用的主要技术,并对这些技术的优缺点进行分析。

1汽油机

汽油机的特点是转速高、结构简单、质量轻、造价低廉、运转平稳、使用维修方便。汽油机在汽车上,特别是小型汽车上大量使用。进气道喷射汽油机的主要排放物有CO、HC、NOx,而缸内直喷汽油机由于燃烧分层,在高温缺氧的燃烧区域还会有碳烟生成。为减少汽油机的排放,达到排放法规(如图1-1),可采用如下的技术方法来处理。

达到欧4标准的汽油机排气净化方案
图 1-1 达到欧4标准的汽油机排气净化方案

1.1电控技术

发动机电子控制系统主要功能是控制进气量与喷油量的空燃比、喷油时刻与点火时刻。除此之外,还控制发动机的冷热车起动、怠速转速、最大转速、废气再循环、爆震、电动燃油泵、故障自诊断以及给其它电控系统发送状态信号等功能。其工作性质是采集发动机各部位的工况信号,根据采集到的信号计算确定最佳喷油量、最佳喷油时刻和最佳点火时刻。

1.2缸内直喷技术

供油系统采用缸内直喷设计的最大优势,是与电子系统的控制技术配合使得发动机的燃烧效率大幅提升,汽油机动力和排放性以及经济性都有提高。但采用缸内直喷的供油系统在研发过程必须花费更大成本,零组件的价格也较昂贵。

1.3多气门技术

多气门发动机与传统的两气门发动机比较,前者能吸进更多的空气来混合燃油燃烧做功,节省燃油,更快地排出废气,排放污染少,能提高发动机的功率和降低噪音的优点,提高发动机经济性并降低排放性。但增加了气门数目就要增加相应的配气机构装置,构造比较复杂。

1.4可变气门正时VVT、气门升程VVL和进气管长度VIM

采用可变气门正时VVT和可变气门升程VVL之后,能使汽油机在中低速和高速区域都得到最佳调谐,提高气缸的充量系数。主要是充分利用进气谐振作用,通过提高高速、低速充量系数,使发动机高速功率和低速扭矩性能都达到最优。优点是能使汽油机经济性提高,升功率增加,而缺点是会导致发动机的结构复杂,成本增加。

1.5停缸技术

发动机停缸技术就是在发动机处于较低功率运行时,关闭其中1个或者几个缸体,以此来降低燃油消耗量,保证发动机有较高的经济性。发动机停缸技术的优点是能有效减少长期低速行驶时的油耗,缺点是该技术要求高,而提高了成本,并且停缸后发动机的工作稳定性会在一定程度上受到影响。

1.6 稀薄燃烧技术

当采用稀薄混燃烧时,汽油机部分负荷经济性得到明显改善。但稀薄燃烧对缸内气体流动组织、燃油喷射等要求高,在排放气体中残留很多氧气,不能进行NOx还原反应。随着空燃比增加, HC的排放会迅速增加。在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中,为了使NOx吸储型催化剂获得高效功能,其温度必须保持在250-500℃范围内。当超过这一温度范围发动机会自动转换到均质理论空燃比燃烧,并通过三效催化转化器进行废气处理。

1.7 增压技术

废气涡轮增压能利用废气能量增加进气压力,可以补偿泵气损失。增压的好处是:用小的排量和质量就可以输出大的功率,便于车辆总布置。同时在相同负荷点,小型增压汽油机轻量化后不仅机械效率高,还能提高功率10%-30%左右。

1.8 废气再循环EGR

当汽油机在负荷下运转时,EGR阀开启,使少量的废气通过进气歧管进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭,几乎没有废气再循环至发动机。废气通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力,以减少NOx的生成量。直喷汽油机加装EGR系统之后,在动力性和经济性方面都有一定的提升,在HC排放升高不多的情况下可以对NOx排放实现有效的控制。

1.9 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一氧化碳、HC碳氢化合物和NOx氮氧化物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。

三元催化器意图
图 1-2 三元催化器意图

三元催化剂最低要在250℃ 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。

1.10 HCCI

HCCI发动机具有传统柴油机和汽油机的优点。其汽缸的压力足够使均匀分布的油滴自动压燃,能在提高经济性的同时,降低排放。由于该发动机的燃烧温度低,对燃烧室壁的传热很低,能大幅降低NOx的形成。HCCI技术还有一些技术难关,就现在的限制而言,HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行,它只在中低转速的时候介入工作,提高效率,降低油耗。

2柴油机

柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。柴油机的排放问题是制约柴油机发展的重要问题之一。与汽油机相比,柴油机的排放中一氧化碳和未燃碳氢的比例很低,主要排放物是氮氧化物和微粒。

欧洲排放标准
图 2-1 欧洲排放标准

欧美中重型商用车及柴油机企业为了满足欧Ⅳ~欧Ⅵ排放法规(图2-1),主要采用了两条排放控制技术路线:①“优化燃烧+SCR(选择性催化还原)”技术路线,简称SCR路线,它是通过优化喷油和燃烧过程,尽量在机内控制微粒PM的产生,而在机外后处理过程中,采用尿素溶液对氮氧化物NOx进行选择性催化还原,这一技术路线在欧洲占主流;②“EGR+DOC/DPF/POC(废气再循环+柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器/颗粒氧化催化器)”技术路线,其中以“EGR+DPF”应用最广泛,简称EGR+路线柴油机产生的功率很大,广泛的应用于大型柴油设备上。

2.1电控高压共轨技术

电控高压共轨技术保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。电控高压共轨技术对柴油机经济性和排放性以及改善噪声有积极的作用。该技术的研究与开发热点在于:①解决高压共轨系统的恒高压密封问题,共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题;②如何解决高压共轨系统的多 MAP (三维控制数据表)优化问题;③如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。

2.2增压中冷

增压可使柴油机在排量不变,重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。增压技术是改善内燃发动机的重要技术手段。通过增压技术能提高柴油机的动力性,同时充足的空气能使排放物中CO和HC以及PM的量降低,但是由于增压之后充量中氧含量充足,同时温度较高,适合NOx生成,导致NOx的排放量上升。

发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高,温度提高反过来会限制空气密度的提高,要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。中冷增压(又称增压中冷)就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却器冷却,然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下降到50℃以下,有助于减少废气中NOx的排放和提高燃油经济性。

2.3废气再循环

当发动机在负荷下运转时,EGR阀开启,使少量的废气进入进气歧管,与可燃混合气一起进入燃烧室。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧,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,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。

2.4 SCR技术

从2013年降低汽车尾气排放的技术途径来看,要达到欧Ⅳ排放标准,一般不再从发动机本身的结构方面采取措施,通常是采取排气后处理的方式来降低污染物的排放量。SCR系统原理是在催化剂作用下,还原剂NH3在290-400℃下将NO和NO2还原成N2,而几乎不发生NH3的氧化反应,从而提高了N2的选择性,减少了NH3的消耗。SCR技术的优点在于可以增加升功率、降低热损耗、对比欧三产品,发动机结构没有改变而燃油经济性得到改善,并且机油更换周期更长,尿素的成本低,采用该技术有升级至欧五的能力。其缺点在于需要增加装置,并且在使用过程中,需要驾驶员的参与。

2.5 DPF与DOC技术

DPF能够有效地净化排气中70%——90%的颗粒,是净化柴油机颗粒物最有效、最直接的方法之一。DPF安装在柴油机排气管上,排气通过时,PM被滤芯吸附过滤。随着工作时间的增加,需要DPF的再生,DPF面临的最大挑战就是再生问题。
DOC 与汽油车排气催化转化器的氧化性功能相同,也用于降低气态 CO、THC 以及颗粒物中的SOF 成分,其优点是成本要比DPF低。

2.6多次喷射

多次喷射是将每一循环的燃油分为两次或更多次喷射的喷射策略,是在可以不明显影响NOx情况下降低微粒排放的有效手段,是满足严格排放法规的一个关键技术。现代高压共轨燃油喷射系统有高度灵活和精确的控制,使多次喷射表现出了更好的前景。预喷是降低柴油机燃烧噪声的有效手段,同时也被作为降低NOx排放的一个方法,而且采用预喷后,由于对空气利用率的提高,对一些工况的PM也可以起到降低作用。而后喷加强了燃烧后期的湍流混合、提高了空气利用率,加强了后期PM的氧化过程,使PM排放获得较明显的降低。

3总结

总体上来说,提高内燃机经济性和排放性采用的方法有结构优化、先进材料的应用、精密制造、先进技术的应用和电控可变技术的使用(如图3-1所示)。

沃尔沃达到欧六排放标准使用的技术
图 3-1 沃尔沃达到欧六排放标准使用的技术

在具体的操作过程中,控制汽车污染物排放的技术很多,从控制方式来分有机内净化技术和机外净化技术两大类。 从发动机有害污染物的生成机理及影响因素出发,通过对发动机进行调整或改进,改进发动机燃烧过程,减少污染物排放。同时对排出发动机排气口的污染物进行进一步处理。

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