【正文】 份，因而汽油機的機內(nèi)凈化技術(shù)措施并不是很多很復(fù)雜。與汽油機相比，柴油機由于其排氣后處理技術(shù)尚未達(dá)到完全實用階段，目前主要還是依靠機內(nèi)凈化技術(shù)來降低其排放污染。降低柴油機NOx和PM排放技術(shù)對策，總體上可以分為燃燒改善、燃料改善和排氣后處理三類，前兩類為機內(nèi)凈化技術(shù)。 推遲點火(噴油)時間在第3章中，通過對汽車排放污染物的影響因素分析，我們已經(jīng)知道通過減小點火提前角，能夠使NOx和HC同時降低。因此，推遲點火提前角一直是最簡單也是最普遍采用的排放控制技術(shù)。但通過推遲點火提前角來降低排放的效果是有限的，在不使動力性及經(jīng)濟性明顯惡化的前提下，NOx可降低10%~30%。實際應(yīng)用中要通過綜合考慮排放特性、動力性及經(jīng)濟性來確定最佳點火提前角。 與汽油機相似，在柴油機上通過推遲噴油提前角可以有效地控制NOx的排放，且方法簡單易行。、炭煙和燃油消耗率的影響。由圖可知，噴油提前角的推遲，NOx顯著降低，同時燃油消耗和微粒惡化。但噴油時間過晚NOx又有上升，這是因為如果活塞下行后才開始噴油，汽缸內(nèi)溫度已降低，著火落后期又加長的原因。 廢氣再循環(huán)所謂廢氣再循環(huán)是在保證內(nèi)燃機動力性不降低的前提下，根據(jù)內(nèi)燃機的溫度及負(fù)荷大小將發(fā)動機排出的廢氣的一部份再送回進(jìn)氣管，和新鮮空氣或新鮮混合氣混合后再次進(jìn)入氣缸參加燃燒,使燃燒反應(yīng)的速度減慢，從而降低NOx的排放量,反應(yīng)的速度減慢，從而降低NOx的排放量。廢氣中的氧含量很低,含有大量N，CO和水蒸氣，這三種氣體很穩(wěn)定,不能燃燒,可吸收大量熱量。當(dāng)一部份排氣經(jīng)EGR控制閥還流回進(jìn)氣系統(tǒng)與新鮮空氣或新鮮混合氣混合后，稀釋了新鮮空氣或新鮮混合氣中的氧濃度，使燃燒速度降低。這兩個因素都使燃燒溫度降低,從而有效控制了燃燒過程中NOx的生成。 EGR總體布局簡圖循環(huán)廢氣的量一般用EGR率表示，EGR率就是進(jìn)入廢氣管的廢氣質(zhì)量與進(jìn)入氣缸的總氣體質(zhì)量的比值，可表示為：EGR對NOx的生成以及燃燒過程的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）稀釋效應(yīng)再循環(huán)廢氣替代了一部分新鮮空氣，使得原有的新鮮充量減少的氧氣濃度降低。氧氣濃度降低后，一方面，燃料的焰前化學(xué)反應(yīng)和燃燒反應(yīng)速度都將降低，也就是著火滯燃期和燃燒持續(xù)期延長；另一方面，氮氣與氧氣接觸的機會也減小，這樣可以極大地降低NOx的生成量。2) 熱效應(yīng)再循環(huán)廢氣中的CO2和H2O是三原子分子，具有較高的比熱容，能比空氣吸收更多的熱量；工質(zhì)總熱容增加后吸收等量的燃燒放熱時工質(zhì)的溫度變化較小，這有助于解決在EGR量較大時控制燃燒速度、防止壓升率過高等問題。3) 化學(xué)效應(yīng)在高溫下，廢氣中CO、水蒸氣會發(fā)生裂解，裂解是一個高的吸熱過程，會吸收一部分燃燒熱量，使得缸內(nèi)峰值溫度降低，這樣會減少因峰值溫度過高而造成對NOx排放的影響。，EGR降低NOx的效果，隨著EGR率的增加，NO的排放量迅速下降。由于這是靠降低燃燒速度和燃燒溫度得到的，因而會導(dǎo)致全負(fù)荷時最大功率下降；中等負(fù)荷時的燃油消耗率增大，HC排放上升；小負(fù)荷特別是怠速時燃燒不穩(wěn)定甚至失火。為此，一般在汽油機大負(fù)荷、起動及暖機、怠速時不使用EGR，而其它工況時的EGR率一般不超過20%，由此可降低NOx排放量的50%~70%。為了精確控制EGR率，一般采用電子控制EGR閥系統(tǒng)。為了增強降低NOx的效果，可采用中冷EGR。 由于柴油機排氣中的氧含量相對汽油機要高得多，以及CO2的濃度要小得多，因而必須使用大量的EGR才能有效地降低NOx。一般汽油機EGR不超過20%，而直噴式和非直噴式柴油機的EGR率可分別超過40%和25%。，采用EGR可以使NOx明顯降低，其原因除了由于大量惰性氣體阻礙了燃燒的快速進(jìn)行以及混合氣的比熱容增大使燃料溫度降低外，EGR對進(jìn)氣加熱和稀釋造成的實際過量空氣系數(shù)φa下降也是重要原因。 EGR對柴油機性能的影響 燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計對于汽油機而言，由于電控燃油噴射加三效催化劑技術(shù)使汽油機的排放大大降低，因而從排放控制的角度對汽油機燃燒室設(shè)計的要求明顯低于柴油機，但并不能忽視合理的燃燒室設(shè)計對控制汽油機排放的效果。緊湊的燃燒室結(jié)構(gòu)可以使燃燒快速充分地進(jìn)行，并減少淬熄效應(yīng)，由此可降低CO和HC的排放；改善缸內(nèi)氣流運動，有助于加強油氣混合，同樣使燃燒快速充分地進(jìn)行；還可以改善燃燒時的循環(huán)波動，而循環(huán)波動也是HC排放以及動力性和經(jīng)濟性惡化的重要原因?，F(xiàn)在常用汽油機的典型燃燒室有浴盆型燃燒室、楔型燃燒室、半球型燃燒室、多球型燃燒室等。對柴油機來說，改進(jìn)燃燒方法和燃料室的結(jié)構(gòu)是是控制排放污染的一個重要措施。合理的混合氣形成和燃燒過程應(yīng)滿足:滯燃期內(nèi)不要形成過多的混合氣、合理地組織渦流和湍流運動、加強燃燒后期的擾流等，尋求油、氣、室(燃燒室)三者之間的最佳配合，以獲得排放特性的綜合改造。單獨來看，采用何種強度的渦流、何種噴油方式、何種形狀的燃燒室，并不存在最佳方案，但綜合起來看，在一定的限制條件下，只要油、氣、室(燃燒室)三者之間能恰當(dāng)配合，達(dá)到綜合的優(yōu)化性能指標(biāo)，就是最優(yōu)方案。在現(xiàn)代柴油機上為了控制柴油機兩種固有的產(chǎn)物:炭煙和微粒，國外廣泛開展了對柴油機預(yù)混合燃燒的研究。所謂預(yù)混合燃燒主要是借鑒汽油機采用預(yù)混合燃燒一般不會出現(xiàn)炭煙和微粒這一混合燃燒方式而來的。在柴油機上實現(xiàn)預(yù)混合燃燒的主要方法有:采用噴霧范圍大、油粒細(xì)而勻的燃油噴霧，以快速形成均勻的混合氣濃度場；想方設(shè)法大幅度延長滯燃期，以便在著火前使燃油有充分的蒸發(fā)混合時間；控制前期燃燒速度，以抑制NO生成和高溫裂解產(chǎn)生的炭煙。但在柴油機上實現(xiàn)預(yù)混合燃燒還有很大的難度，這主要是由于柴油分子質(zhì)量大不易蒸發(fā)，以及著火時間必須精確等。但柴油機預(yù)混合燃燒的提出，極大地拓寬了柴油機燃燒的思路，使得被NOx和微粒排放問題長期困擾的傳統(tǒng)柴油機，有可能找到一條打破僵局的途徑，具有十分重要的意義。 提高點火能量和電控汽油噴射技術(shù)對汽油機來說，提高點火能量可以提高著火的可靠性，減小循環(huán)波動率，擴大混合氣的著火界限。特別是伴隨著汽油機燃燒稀薄化，無觸點的高能電子點火系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。提高點火能量的措施能增大極間電壓，極間電壓一般為10~20KV,但最高的有35KV。而電控汽油噴射系統(tǒng)由于能夠更精確、更柔性地滿足各種工況的參數(shù)優(yōu)化要求，從而可以實現(xiàn)汽油機排放特性、燃油經(jīng)濟性和動力性的綜合優(yōu)化。此外，三效催化轉(zhuǎn)化器與電控噴射系統(tǒng)的組合，已成為當(dāng)前和將來較長時間內(nèi)汽油機排放控制的最主要的技術(shù)。 增壓及增壓中冷增壓可以大幅度提高柴油機進(jìn)氣的的密度，在足夠大的φa條件下保證燃燒完全，因而容易抑制住汽油機炭煙和微粒的產(chǎn)生，CO和HC也會進(jìn)一步降低。增壓還可以使柴油扒的功率提高30%~100%；由于燃燒充分，加之泵氣過程做正功，因而燃油經(jīng)濟性也好。，在NOx不變的條件下，通過提高增壓度使汽增大，結(jié)果使排氣煙度和燃油消耗率都得到了明顯的下降。但增壓伴隨的壓縮終了溫度的升高和富氧環(huán)境氛圍，可能造成NOx排放量的升高。對此，可采用增壓中冷的方法使進(jìn)氣溫度降低，以抑制NOx排放的惡化。國外經(jīng)驗表明，為穩(wěn)定達(dá)到歐洲1排放法規(guī)的要求，重型車用柴油機應(yīng)安裝廢氣渦輪增壓裝置，而為了穩(wěn)定達(dá)到歐洲2的要求，則應(yīng)安裝帶中冷的增壓系統(tǒng)。 改善噴油特性要改善噴油特性，就要為柴油機提供合理的噴油規(guī)律、提高噴油嘴的噴油壓力，甚至為了更精密地控制其燃燒過程，柴油機電子噴射系統(tǒng)的研究近年來已取得了突破性的進(jìn)展，而且還出現(xiàn)了新型的共軌式噴油系統(tǒng)。為了實現(xiàn)理想的燃燒過程，合理的噴油規(guī)律應(yīng)該是“初期緩慢，中期急速，后期快斷”。具體地說，初期噴油速率不要過高，以抑制著火落后期內(nèi)混合氣生成量，降低初期燃燒速率，以達(dá)到降低燃燒溫度，抑制NOx生成及降低噪聲的目的。中期應(yīng)急速噴油。即采用高噴油壓力和高噴油速率以加速擴散燃燒速度，防止微粒排放和熱效率的惡化。后期要迅速結(jié)束噴射，以避免低的噴油壓力和噴油速率使霧化質(zhì)量變差，導(dǎo)致燃燒不完全和炭煙及微粒排放增加。提高噴油壓力是加速燃油與空氣混合的主要方法，此方法能夠使燃油噴霧顆粒進(jìn)一步細(xì)化，以增大燃油與空氣的接觸表面積。為此，高壓噴射技術(shù)近年來在直噴式柴油機上得到了很快的應(yīng)用。噴射壓力由傳統(tǒng)直噴式柴油機的30~50MPa，提高到了60~80MPa，近年來已達(dá)到150~180MPa。高壓噴射造成的這種高溫高速以及混合能量很大的燃燒過程使微粒排放和熱效率都有了明顯的改善。柴油機的電子噴射系統(tǒng)是在近一二十年發(fā)展起來的，主要分為位置式電控燃油噴射系統(tǒng)和時間控制式燃油噴射系統(tǒng)。這兩種方法都是利用電控裝置來對噴油系統(tǒng)的噴油量及噴油時間進(jìn)行控制，從而改變其噴油特性。隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán)，僅依靠機內(nèi)凈化技術(shù)已不能滿足要求，還必須使用排氣后處理技術(shù)來控制排放。在國外絕大部分發(fā)動機制造商都是在改進(jìn) 歐三排放發(fā)動機的基礎(chǔ)上，增加SCR系統(tǒng)或EGR系統(tǒng)等的后處理裝置來實現(xiàn)階段性排放要求 催化凈化技術(shù)車尾氣凈化催化劑是控制汽車尾氣排放，減少污染的最有效的手段。汽車尾氣凈化催化劑有多種，早期使用普通金屬Cu、Cr、Ni，催化活性差，起燃溫度高，易中毒，后來用的貴金屬Pt、Pd、Rh等作催化劑具有活性高、壽命長、凈化效果好等有點。但由于貴金屬價格昂貴，很難推廣。含稀土的汽車尾氣凈化催化劑價格低、熱穩(wěn)定性好、活性較高、具有較好的抗中毒能力，使用壽命長，引起人們廣泛關(guān)注。目前國內(nèi)外已成功開發(fā)了含少量金屬的稀土基汽車尾氣凈化催化材料，特別是用于活性涂層的鈰稀土復(fù)合氧化物已成功用于汽車凈化器上，催化性能與使用壽命大大提高。貴金屬之間的協(xié)同作用在很大成都上會改善催化劑的綜合性能。如Pt、Pd、Rh之間的作用。因此可以形成多種符合型催化劑用以凈化汽車尾氣。（1）少量貴金屬取代鈣鈦礦型氧化物催化劑鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在高溫下穩(wěn)定，具有催化燃燒NOx還原的雙重作用，抗Pb、P、S中毒性能強，所以從20世紀(jì)70年代就開始作為汽車尾氣凈化催化劑進(jìn)行研究，其中添加少量貴金屬的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物是研究的熱點。Rh在鈣鈦礦型氧化物中的極少量摻雜會提高LaMn系催化劑的NOx還原性能。同樣若將LaCuO4鈣鈦礦型氧化物中的Cu用Pt來代替，置入LaCuO4結(jié)構(gòu)中，則此氧化物具有三效催化劑的功能。（2）分子篩型貴金屬催化劑分子篩型催化劑在稀燃NOx小凈化中具有較為廣泛的研究。分子篩包括ZSM絲光沸石MCM4MFI、SAPO3鎂堿沸石、X型沸石、Y型沸石等?；钚越M分以Cu研究得最多。而其中PtZSM5的催化活性最高，切具有很強的耐水蒸汽侵蝕及抗SO2中毒的能力。對離子交換的沸石催化劑，載體類型會對催化劑性能構(gòu)成影響。三效催化劑閉環(huán)控制系統(tǒng)是目前世界上最常用的排氣催化凈化系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，汽油機排氣中的三種主要污染物CO、HC、NOx能同時被高效率地凈化。三效催化劑的主要反應(yīng)步驟：（1）CO和O2擴散進(jìn)入多孔的催化劑活性涂層；（2）O2吸附在催化劑活性位上；然后分解成O原子；（3）CO與O原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2；（4）CO再脫附回到尾氣流中；（5）NOx分子擴散進(jìn)入活性涂層，并化學(xué)吸附在活性上；（6）NO鍵斷裂形成N原子和O原子；（7）二個N原子結(jié)合并脫附O；原子停留在催化劑上；（8）反應(yīng)循環(huán)往復(fù)。三效催化轉(zhuǎn)化器的化學(xué)反應(yīng)在催化接觸時間小于1s的催化轉(zhuǎn)化器里，要同時完成氧化和還原反應(yīng)的確是一件很難的事其主要的化學(xué)反應(yīng)如下:(1)CO和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)：2CO+O2=2CO2；CO+O=CO2；2CxHx+(2x+12y)O2=yH2O+2xCO2(2)NOx的還原反應(yīng)：2NO+2CO=2CO2+N2；2NO+2H2=2H2O+N2；CHy+(2+12y)NO=y2O+CO+(2+y)N(3)其它反應(yīng)：2H2+O2=2H2O；52H2+NO=NH3+H2O其中，氨的形成是不希望的，應(yīng)通過催化材料的合理選擇，加以避免。三效催化轉(zhuǎn)化器同時降低3種排氣污染物的效果只有在汽油機當(dāng)量燃燒，即過氧空氣系數(shù)等于1時才能實現(xiàn)。因為，NOx的還原需要HCO和HC等作為還原劑?？諝膺^剩時，這些還原劑首先和氧氣反應(yīng)，NOx的還原反應(yīng)就不能進(jìn)行。空氣不足時，CO和HC則不能被完全氧化。過?？諝庀禂?shù)對三效催化轉(zhuǎn)化器中3種主要污染CO、HC和NOx的轉(zhuǎn)化效率的影響，由于氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，設(shè)計時必須考慮催化劑分雙層鋪設(shè)，讓氧化先發(fā)生放熱，幫助擴散到里層的NOx強制還原Rh/Pt催化劑位于外層，Pd催化劑位于內(nèi)層這種設(shè)計可以提高10％的NOx轉(zhuǎn)化效率。因為Rh/Pt催化劑能選擇性地催化CO、NO反應(yīng)在CO被O2消耗之前，NOx的還原反應(yīng)可以有效地進(jìn)行美國ENGELHARD公司開發(fā)的riftMetal三效催化劑的測試結(jié)果表明：在行走16萬km后，催化劑仍能保持95％的NOx、90％的HC、85％的CO凈化率。：圖 稀土在治理汽車尾氣方面的作用。燃料燃燒必須在氧氣的存在下才能進(jìn)行。為了減少油耗和降低燃料不完全燃燒造成的尾氣污染，必須調(diào)整合適的空氣燃料比，使燃料燃燒完全。因此，可使用計算機控制的測定氧氣濃度的氧傳感器。這種氧傳感器是以氧化釔(Y2O3)和穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)制成管狀作為固體電解質(zhì)，用鉑作為電極，其基本原理是利用氧的濃差電池，可表示為：Pt，p0／Y2O3+ZrO2／p，PtPt為涂于氧化鋯管內(nèi)外兩側(cè)的多孔鉑電極。管的內(nèi)側(cè)為氧的已知濃度和氧的已知分壓為P0的氣體，一般使用空氣作為參比。管的外側(cè)是通入的尾氣，當(dāng)管內(nèi)外兩側(cè)的氧氣濃度不等時將產(chǎn)生電動勢，根據(jù)測得的平均電動勢，可求出待測尾氣中氧的分壓p和濃度，并可利用此濃差電池所產(chǎn)生的平均電動勢自動調(diào)節(jié)和控制空氣的流量，從而達(dá)到控制空氣和燃料比的目的。：含氧量的調(diào)節(jié)劑（CeO2）空氣CO2H2ON2CO、CH、NOx稀土三效催化劑發(fā)動機催化劑載體的穩(wěn)定劑燃料氧傳感器調(diào)節(jié)空氣燃料比燃料添加劑