车用汽油机排放物的生成机理及净化措施

Question

如题所述

Answer 1

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。
机内净化
（1）大力推广汽油喷射电控系统。电控汽油喷射是取代传统化油器供油方式的新技术。我国目前生产的轿车用汽油机都采用汽油喷射电控系统。它利用各种传感器检测发动机的信息反馈，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然比的混合气，从而有效地改善燃油经济性和排气净化性能。
（2）改善点火系统。采用新的电控点火系统和无触点点火系统，提高点火能量和点火可靠性，对点火正时实行最佳调节，以改善燃烧过程，降低有害排放物的含量。
（3）积极开发分层充气及均质稀燃的新型燃烧系统。目前，美、日、德等国已开发出了不少新型燃烧系统，其净化性能及中、小负荷时的经济性均较好。
（4）选用结构紧凑和面容比较小的燃烧室，缩短燃烧室狭缝长度，适当提高燃烧室壁温，以削弱缝隙和壁面对火焰传播的阻挡与淬熄作用，可以降低HC、CO的排放量。采用4气门或5气门结构，组织进气涡流、滚流或挤流，并兼用电控配气定时、可变进气流通截面等可变技术，可以有效地改善发动机的动力性、经济性和排气净化性能。
（5）采用废气再循环控制。废气再循环是目前控制车用发动机NOX排放的常用和有效措施。
内燃机的使用工况与排放性能密切相关。作为车用发动机，应选择有害排放物较低，而动力、经济性又较好的工况为常用工况。因此，在汽车中就需要使用电子控制系统，它可根据驾驶员对车速的要求及路面状况的变化，对发动机转速和负荷进行优化控制。
废气再循环技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧。
NOX是在高温和富氧条件下N2和O2发生化学反应的产物。燃烧温度和氧浓度越高，持续时间越长，NOX的生成物也越多。一方面废气对新气的稀释作用意味着降低了氧浓度；另一方面，考虑到除怠速外的其他工况下的CO、HC和NOX浓度均小于1％，废气中的主要成分为N2、CO2 和H2O，而且三原子气体的比热较高，从而提高了混合气的比热容，加热这种经过废气稀释后的混合气所需要的热量也随之增大，在燃料燃烧放出的热量不变的情况下，最高燃烧温度可以降低。从而可使NOX在燃烧过程中的生成受到抑制，明显地降低NOX的排放。
2. 废气再循环的控制策略
随着EGR率的增加，燃烧开始不稳定，燃烧波动增加，HC排放上升，功率下降，燃油经济性趋于恶化。小负荷特别是怠速时进行EGR会使燃烧不稳定，甚至导致失火，使HC排放急增。全负荷追求最大动力性，使用EGR会使最大功率降低，动力受损。因此，必须对EGR率进行适当控制，使之在各种不同工况下，得到各种性能的最佳折中，实现NOX的控制目标。
对EGR系统的控制要求如下：
(1)由于NOX排放量随负荷增加而增加，因而EGR量亦应随负荷的增加而增加。
(2)怠速和小负荷时，NOX排放浓度低，为了保证稳定燃烧，不进行EGR。
(3)在发动机暖机过程中，冷却水温和进气温度均较低，NOX排放浓度也很低，混合气供给不均匀，为防止EGR破坏燃烧稳定性，冷机时不进行EGR。
(4)大负荷、高速时，为了保证发动机有较好的动力性，此时虽温度很高，但氧浓度不足，NOX排放生成物较少，通常也不进行EGR或减少EGR率。
(5)为了实现EGR的最佳效果，需保证再循环的排气在各缸之间分配均匀，即保证各缸的EGR率一致。
通常把发动机排气经过EGR阀进入进气歧管，与新鲜混合气混合在一起的方式称为外部EGR。实际上，EGR的这种效果也可以通过不充分排气以增大滞留于缸内的废气量（即增大残余废气系数）来实现。与上述外部EGR相对应，称这种方法为内部EGR。滞留在缸内的废气量决定于配气相位重叠角的大小，重叠角大，则内部废气再循环量也大。
高比功率的发动机，由于有较好的充气，通常重叠角较大，内部废气再循环量也大，因而NOX排放物相对较低，但是重叠角也不能无限加大。过大的重叠角会使发动机燃烧不稳定、失火并使HC排放量增加等，因此在确定配气相位重叠角时必须对动力性、经济性和排放性能进行综合考虑。