采用二次空气补给和催化转化器技术降低摩托车尾气排放研究(可编辑)

采用二次空气补给和催化转化器技术降低摩托车尾气排放研究(可编辑) 采用二次空气补给和催化转化器技术降低摩托车尾气 排放研究 1 采用二次空气补给和催化转化器技术降低 摩托车尾气排放的研究 领域:车辆工程 研究生:谈宗文 指导教师:杜青研究员 企业导师:邓志勇高级工程师 天津大学机械工程学院 二零一一年三月 ,‘‘????????2 卜 亿? 产 慷? 。,‘一 一, 毒? ?霭’ 。崎 .妒洳。弓乙 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:谈参太签字嗍沙//盯月班 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学之论文作者签名:分鲇主、~ 导师签名: 签于日期:沙‘‘年广 月严日 签字日期:函 年,月纩日3 ,\中文摘要 我国摩托车行业的发展非常迅速,但随之而来的空气污染也非常严重。目前,我国 政府己高度重视摩托车排放问题,排放法规限值不断的严格,正在推进与国际接轨的工 作,然而排放控制技术的研究还有待进一步发展。有很多的措施来控制机动车尾气污染, 其中改变或改善内燃机工作过程中减低废气排出的措施往往与动力性及经济性互相矛 盾,而废气后处理技术构造简洁、效果明显,成本增加不多,是摩托车排放净化的首选 方法。减低内燃机有害废气排出的重要技术措施是催化反应器技术,在国外已经作为尾 气净化主流技术,发展较成熟,但是国内在摩托车上只是刚刚开始使用,尤其是在中小 排量摩托车上的实际应用不多,尚有大量技术问题还需要改进和吸收。 催化反应器常常与二次空气补给技术配合使用以便满足比较严格的排放限值。在深 入研究催化反应器和二次空气补给系统的基础上,了两级催化加二次空气补给的摩 托车尾气净化系统。利用前级催化剂快速提升排气温度,未净化的部分由后级催化剂进 一步净化。摩托车废气中和的含量较高,氧气的含量较低,向消声器中补入二次 空气,可以提升和的净化率。这种方案既可以保证高的净化率,又可以使内燃机 的功率下降小。本文第一部分对国内摩托车排放状况进行了分析,对各种常用的排放控 制方法进行了分析比较,并根据此选定本课题的尾气净化方案。第二部分详细介绍了二 次空气和催化反应器相结合的摩托车尾气净化系统设计过程。第三部分通过试验研究了 不同工况下的消声器温度场、二次空气补给方式、位置和补 给量对催化反应器转化率的 影响,通过对设计样车进行对比及耐久测试来验证尾气净化系统的实际效果。 试验结果表明:性能良好的催化器加上设计合理的布置方式,有利于催化剂性能的 发挥;使用二次空气补给系统为催化反应提供充分的氧气量,可以有效的减低摩托车 和排出量;在不同速度和负荷等运行工况下补入不同量的:,可以减少对内燃机性能 的影响并尽可能多的减低尾气污染物;引入二次空气时,一方面空气入口应靠近缸头排 气口,以便有足够的燃烧温度,可以利用高温排气使尾气中的、与二次空气混合后 继续燃烧,另一方面又要考虑到消声器内部压力分布,使消声器利用负压增加补气时间; 气泵式主动补气对催化反应器性能的提升要优于被动式补气方式。测试表明,该设计 系统可以有效的减低摩托车污染物排出,满足国限值。 关键词:摩托车尾气净化,催化反应器,二次空气补给4 认 ........ , ,. .. ..,.?...., ’. ,. . .., :. 5 .. .. ’.. ,., ... .~:。 匆;训” 。体;。, 6 目录第一章绪论 .引言.摩托车国内排放现况及国内外排放法规发展进程? ..国内摩托车尾气排放现况? ..国内外摩托车排放法规发展进程? .摩托车尾气污染物的危害、形成机制及影响因素..摩托车尾气污染物的形成机制? ..摩托车尾气污染物的危害 ..摩托车尾气污染物排放的影响因素? .尾气净化技术的现况和发展 ..燃油蒸发回收装置 ..吸入空气温度控制和预热装置..曲轴箱强制通风系统..尾气再循环系统 ..真空延时阀..氧化催化转化器 ..三元催化转化器..电控补气系统 ..二次空气补给系统 ..颗粒收集器 .本文研究 重点和意义 第二章摩托车尾气净化系统设计.发动机尾气污染控制方案介绍? ..催化剂起燃方案介绍? ..催化反应器的构造和工作原理.尾气净化系统设计? ..二次空气补给系统设计..摩托车催化反应器的选型和布置匹配设计? .结仑 第三章摩托车尾气净化系统底盘试验与结果分析 .试验装置? ..摩托车发动机? ..底盘测功机 ..污染物排放分析仪7 .试验过程及结果分析“? ..不同厂家催化器性能对比和筛选 ..单催化器和双催化器对尾气净化效率的对比试验? ..不同工况下消声器排气温度的测试及结果对比 ..不同补气位置对催化转化效果的影响试验及结果对比 ..二次空气补给方式不同的对比试验? 。.补气量变化对催化反应器净化效果的影响试验.. 及耐久测试? 第四章全文总结与展望? .课题总结? .展望??””??”?”“??””??“ 参考文献致谢 8 第一章绪论 第一章绪论 .引言 一直以来,摩托车凭借构造简洁、操控方便、机动性强等特点而深受众多用 户的喜爱。在我国,不断增加的产量及社会持有量使摩托车对空气污染的贡献量 越来越引人注目。对机动车摩托车的废气治理己列入政府的工作日程表。我国 摩托车废气排出标准的颁布始于年,迄今已经历了二十多年的历程。在这 期间,迅速成长的摩托车市场促进了摩托车技术的较大长进,其产量及社会持有 量增长非常猛烈,产品品种日益多样化,产能激增,同业竞争非常激烈。在出口 市场方面,年的出口量接近万辆,约占整个产量的/,增长也很迅 速。东南亚、南美、非洲、西亚的一些国家 成为我国摩托车的主要出口市场,在 欧美国家的出口量则很少。摩托车的废气净化问题如能得到全面解决,将会更加 有利于摩托车的出口。根据国家环保总局污染控制司年统计数字,我国摩 托车持有量已达万辆以上,其总体有毒物排出状态仍处于发达国家上世纪 年代末的水平。 .摩托车国内排放现况及国内外排放法规发展进程 ..国内摩托车尾气排放现况 国家环保部年发布的中国城市环境状况图报告表明:在个 环保重点城市中,个城市占.%达到三级空气质量标准,个城市占 .%能达级空气质量标准,仅个城市能够达到一级空气质量标准。 .鼻 一.誓 一一级 一二级 口三级 图卜 年环保重点城市空气质量状况 都市空气污染的一个重要有毒源来自机动车废气有毒物。相关研究表明,机 动车对空气中的贡献率分别为:北京%、上海%、广州%。在我国这样 一个发展中大国,摩托车总的持有量及每万人的拥有量都远远大于其它机动车,9 第一章绪论 其废气污染总量必须引起高度重视。 日‘呈; 兰 ‘佴呈署 兰日 ‘,..//图卜中国摩托车二冲程排放现况 图中国摩托车四冲程排放现况 在相当长的一段时间内,我国摩托车产销量将处于增长状态,市场占有量 较大。但仅仅只有少量摩托车采取了特别的废气净化措施,新车型的设计上很少 针对废气净化做深入的研究,对与废气排出相关的系统如进气系、供油系、内燃 机配气系统、点火系和燃烧室系统等方面缺乏全面而深入的研究。因此总体废气 排出量较高、单台废气排出水平高、排出水平参差不齐是我国摩托车的共性。我 国二、四冲程摩托车排放现况工况法与欧盟和台湾不同年代 限值的相对关系 如图卜、图卜所示:对于 .及 .规定的限值,除少数产 品外国产摩托车都可以达到标准,绝大多数二冲程摩托车排放超出欧洲限值, 相当多的四冲程摩托车仅能达到欧洲号标准。我国摩托车排放具有如下特点: 发动机工作温度较低排气温度小于,废气污染物【排出量低于 普通小汽车; 四冲程摩托车占有比例大,、的排出量接近于普通小汽车的原始废 气排出: 采用废气净化技术减低排放会带来较大的成本压力,因摩托车本身价值 低,不利于废气净化技术在摩托车上推广: 摩托车对都市空气污染的贡献率受到了大城市禁摩政策的影响。 摩托车对我国都市空气污染的贡献率在不同城市、不同时期有很大的 不同。目前,摩托车上牌照在我国许多城市受到了严格限制,各地出台 了许多禁摩、限摩规定。在北京,十多年来机动车持有量迅增,政府严 格控制摩托车总量,早在年代就出台了摩托车强行报废更换的法规, 因此摩托车的排出量仅占全部机动车排出量的%。在上海,前些10 第一章绪论 年由于对所谓助力车上牌照采取了较为宽松的规定,两三年内净增多 万辆助力摩托车,成为上海空气污染的重要源头。近年广州严格实施 摩托车强制报废淘汰的政策,因此广州目前的摩托车数量急剧减少。 ..国内外摩托车排放法规发展进程 工况法和怠速法是摩托车废气污染物测试的两种主要方法。最常采用的工况 法有:工况采用的国家主要有:欧洲各国、澳大利亚、瑞士、泰国和中国 等、一工况采用的国家主要有:美国、加拿大、墨西哥及新加坡等和本国 工况采用的国家主要为印度。 ...国内摩托车排放法规发展进程 伴 随着时代的变迁和科学的发展,不断增强的环境保护意识贯穿人们的日常 生活。建立低碳、可持续发展的节约型社会成为世界上许多国家的发展战略。早 在年中国官方就投资了亿元人民币,用于推进多个环境项目。新 定型的汽车、摩托车产品,其出厂废气排出水平必须稳定达到国家排放标准的要 求。任何企业不得生产、销售、注册和使用超出国家废气排出限值的新定型产品。 年我国制定了第一部关于摩托车废气污染物控制的标准《摩 托车怠速污染物测量方法》,开始对怠速废气排出污染物加以限制。 年我国颁布了/?《摩托车污染物排放限值及测量方法》、 《摩托车和轻便摩托车排气污染物排放限值及测量方法》。 年颁布了卜《摩托车和轻便摩托车排气污染物排放限值及 测量方法》、《摩托车污染物排放限值及测量方法》、 《轻便摩托车污染物排放限值及测量方法》。 年颁布了?《摩托车污染物排放限值及测量方法》、 《轻便摩托车污染物排放限值及测量方法》、《摩托 车和轻便摩托车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法》。 我国开始执行等同于欧洲年.的限值始于年,年执 行等同于欧盟年生效的欧洲限值,年开始执行等同于欧的限 值,年开始执行等同于欧的废气排出限值。 与欧洲号、欧洲号、欧洲号的摩托车废气排出限值相当的法规标准已 在我国排出了具体的实施日期,见表,。 北京市为兑现申奥承诺,在我国提前实施了更为严格的机动车废气排出标 准。欧洲号汽车废气排放标准于年月开始实施,自年月日起, 达不到新标准的汽车禁止在北京市场销售。按新标准,轻型汽油车的一氧化碳、 碳氢和氮氧化物的排出限值较欧洲号标准分别严格了%、%,重型汽油车第一 章绪论 的颗粒物严格了%左右。年,北京市采用欧洲三号标准。在废气排出限值 更为严格的欧标准中,一氧化碳、碳氢化合物以及氮氧化合物排出限值比欧三 标准都减低了约%。为满足欧限值要求,使用高质量、高效率的废气净化系 统已成为必然选择。 年月日,北京市颁布了地方标准?《摩托车、轻便摩 托车排气污染物排放标准》,该标准高于同期国家标准对摩托车的限值要求。自 年月日起的第一阶段工况法限值与台湾的限值相当:而自年 月日起的第二阶段工况法限值则与台湾的限值相当。同时该标准还对工况 法耐久性要求和怠速法限值做出了明确规定,见表、表。 年,我国台湾地区开始实施台湾期,年开始实施台湾期废 气排出限值,台湾、期废气排出法规中不分冲程,台湾期中则按二、 四冲程给出不同限值见表,这与采用冷起动的试验方法有关。 表摩托车废气污染物排放限值及实施日期 废气 第一阶段 第二阶段 第三阶段 污染物 两轮摩托车 三轮摩托车 两轮 三轮 两轮 两轮 三轮 ? 工况 二冲 二冲 摩托 摩托 摩托 四冲 四冲 法 车 车 车 程 程 程 程 . . ,/ . . . . . . ,/ . . . . . . . . . 。,/ 型式认证:年月日 绷年月日 年月日 执行日期 生产一致性:年月日 年月日 年月日 表卜轻便摩托车排放污染物排放限值及实施日期 限值/ 废气污染物 第一阶段 第二阶段 第三阶段 两轮 三轮 三轮 两轮 三轮 两轮 , . . .. . . . , 执行 型式认证 年月日 年月日 年月日 年月日 年月日 年月日 日期 生产一致性第一章绪论 表北京市地方法规工况法试验排放限值 排放限值/ 废气污 车别 第一阶段 第二阶段 染物 自年月日起 自年月日起 . 。 新生产摩托车及 . . 轻便摩托车 。 耐久性里程 :./。 注:新生产残疾人专用车第一阶段排放标准值放宽到:./ 耐久性里程,即要求车辆行驶里程在内时,仍符合本标 准限值。 表北京市地方法规怠速法试验排放限值 排放限值 车别及实施日期 % 四冲程 二冲程 .年月日以后生产 新生产车 .的摩托车及轻便摩托车 在用车 年月日以前生产的摩托车及轻 .便摩托车在用车 表台湾省各期摩托车排放标准 工况法测试 怠速测试 怠速测试 实施日期 新车检验 新车检验 在用车检验, 期别 发布日 % % / / .. . . . ... . . . . . . . .. . . . .二冲程 . . ... .四冲程 . . 第一章绪论 ...国外摩托车排放法规发展进程 目前美国、欧盟、日本构成世界汽车排放法规的三大体系强。 欧洲摩托车排放法规 在欧洲,摩托车的废气排放由联合国欧洲经济委员会的废气排出法 规和欧洲经济共同体,即后来的欧盟的废气排出指令 共同加以约束。年月日以后,适用指令//。之前,缺少统一的 欧洲摩托车环保法规。在废气排出法规方面,制定法规法规是联合国欧洲 经济委员会在进行。参与国自愿采用并相互认可该法规。.和 法规分别是针对摩托车和轻便摩托车的废气排出法规。 对于摩托车和轻便摩托车的定型车进行型式认证的新开发试验车和新生 产车进行生产一致性检查的车型,均要求进行类和类试验,而且欧洲摩 托车排放法规分别作出了规定。检验在拥挤的市区行驶时气体污染物的平均排出 量采用类试验工况法。检验怠速时和的排出量采用类试验怠速法。 瑞士环境保护办公室年的研究结论指出:仅需从原机水平做很少工作就 可以达到 .,同样,无控制轻便摩托车的废气排出水平也仅略高于 的限值。因此,从减少废气排出量所起的作用看,虽然废气排出法 规 .和 规定了定型车认证废气排出限值和较松的新生产车限值,但其 限值水平几乎相当于原始废气排出量,对废气排出的约束意义不大。 用于摩托车和轻便摩托车的欧和轻便摩托车欧阶段的排放要求欧盟指 令//第章于年月日提出。年月日,//的 修订指令//被欧盟正式发布。该指令同时规定了两轮摩托车欧?、欧 ?阶段的排放要求。具体限值参见表。 欧盟指令要求怠速废气排出测量应在完成类试验工况法试验后马上进 行。欧洲对于怠速废气排出中的限值,仅对摩托车有要求,即不得超过.%, 轻便摩托车仅要求记录的测量数据值,没有限值要求。而最新的欧盟 //指令,同时规定了怠速废气排出和高怠速工况中的测量要求,均 要求对两个怠速工况的测量结果进行记录,并作为在用车废气排出测量的限 值要求。欧洲对于怠速和高怠速下的排出均无要求。 针对摩托车提前研究更具典型性的测试循环已纳入“欧洲摩托车排放法规发 展计划”,正在研发制定中的全球统一的摩托车测试循环也被欧盟考虑 直接引用。在欧阶段,在修改的 循环和循环之间任选其一进行 检测是制造商的授权选择,受到广泛认可后的将作为型式认证唯一有效的 测试循环。对摩托车排出、微粒排出、燃油蒸发排放控制以及轻便摩托车的 废气排出要求等方面进行研究也是发展计划纳入考虑的范畴,并且提出相应的法第一章绪论 规要求。摩托车的废气排出控制伴随着摩托车科技的不断进步将越来越严格,与 轻型汽车的废气排出法规控制内容接轨是一个必然的发展趋势。 表欧、欧、欧?摩托车排放法规限值对比 欧 欧 欧 摩托车 轻便 摩托车 轻便 三轮摩托车 摩托车 标准 二冲 四冲 摩托 ? 摩托 ? 点燃式压燃式 程 车车 程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 黾 , . . . . . . . . . , . 试验循环 执 执 热 冷 冷 冷热起动 热 热 热 热 ?’ ?’、 热 耐久性 执 型式认证 年月日 行 年月日 年月日 年月日 日 生产唰年月日 年月日 年月日 年月日 期 日本摩托车排放法规 日本摩托车废气排出法规限值及实施日期见表。日本在年月以 前,两轮摩托车废气排出并无法规限制。 日本空气质量委员会环境中心年起草了“关于降低机动车排放的未来 政策”,新限值表计划已在年实施,新的更严格的废气排出要 求包括试验循环对摩托车的废气排出进行了约束。从具体的限值来看, 限值在新排放法规中严于欧?,世界上最严格的摩托车排放法规就此诞生。 美国摩托车排放法规 年,美国环境保护局发布了摩托车废气排出法规的过渡标准 、年月日,仅对和车型年有效,车型年最终标 准开始有效。年标准因缺少对的排出要求而变得比较宽松。表所 示为排量以上公路用摩托车美国联邦和废气排出标准及进程。 比轿车甚至比大型运动车辆单位里程产生更多的有害排放是由美国第一章绪论 摩托车贡献的。清洁空气行动节要求美国摩托车此管理考 虑减低摩托车排放和其他车辆相当。已多年没有修改摩托车排放标准了。 表日本摩托车排放法规限值 年法规 现行法规 标准二冲程 四冲程 ? ? ?. . . . . . 工况法 . . . . . . , / . . . . . . 试验循环 . . ,% . 怠速法, 年 年 年 年 年 执行时间 注:耐久性考核条件:排量?::排量?:;排 量.。 表美联邦和加州对 排量以上公路用摩托车排放标准 发动机 排放。/ 法规状态 试验类型 车型年 排量, , 美国联邦标准 修改的 全部 . . 及以后 执行 ? . .~ . . . ? . . 美同加利福和亚,标准 ~ . . 修改的 ~ . . 及以后 执行 ? . . ? . . ? ? . 及以后 .第一章绪论 一个建议制订新的公路摩托车废气排出标准的通知由在年 月发布,同时包括摩托车制造商、摩托车用户、政府部门及公众 在内的有关各 方面的意见被要求征集。新的联邦摩托车废气排出标准表由在 年月日发布。新标准与加州标准基本一致,但比加州要晚年实施, 包括 坐式摩托车和轻便摩托车。一直未受控制的排量小于的摩托车也作为类 摩托车进行了控制,但对驾驶循环测试进行了稍微的改动,以使其相对较低的速 度和加速性能能够适应。同加州一样,考虑一个车队的平均标准, 这样就给那些有一些内燃机系列超过标准限值的制造商提供了一些灵活性,因为 他们还有一些内燃机系列低于标准。标准中还对年产摩托车小于辆 包括、、?类摩托车、雇员少于人的小制造商给予了宽限期,可延迟 至年才实施第一阶段的新标准,而且不必实施第二阶段的新标准。另外, 新标准对合法的定制改装摩托车可免除约束。 加州摩托车废气排出法规在年及以后类摩托车的标准可以满足一个 共同的平均基础,.和大于等于这两类在由类划分而成,以 适用新的标准。这些标准今天仍在美国加州使用。目前加州没有公路摩托车的 标准,加州摩托车采用一试验模式。表所示为排量以上公路用 摩托车美国联邦和加州废气排出标准。 心 三加 \ 』 ‘ ? / 图世界各国及地区摩托车废气排放标准对比 加州公路类摩托车标准于年最终发布并分两个阶段实施。车型 年开始阶段,车型年开始实施随后的,现行的加州类、第一章绪论 类摩托车标准保持不变。摩托车控制水平及限值在新标准中得到 了明确规定。的排出要求在加州的标准中没有变化,仍维持在./。新 的加』,类摩托车废气废气排出标准如表所示。 图为初始阶段欧洲、台湾、日本、和印度摩托车排放标准对比。 .摩托车尾气污染物的危害、形成机制及影响因素 摩托车废气污染物是由内燃机燃烧排出的废气造成的环境污染。主要污染物 为碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫、醛类等有害气体以及 铅尘、烟尘、石棉尘等微粒物。消声器排出的碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化 碳等占总体排出量的%%,是摩托车最大的污染物排出源。 , ..摩托车尾气污染物的形成机制 ... 的形成机制 汽油内燃机形成的原因有: 在汽油内燃机汽缸内,火焰的传播促使油气混合气体的燃烧,由于燃烧室 壁面的冷却作用,阻止了火焰继续完整地传播到壁面,由此形成了一个火 焰烧不着的气体层??激冷层,激冷层厚度大约为.,该层混合气不 能燃烧直接排出缸外,成为产生的主要来源; 汽油内燃机燃烧室内存在许多缝隙或狭缝,火焰的传播不能抵达几何空间 很小的狭缝,因此这就成为产生的另一个主要原因; 在汽油内燃机燃烧室内,空燃比对燃烧状况的影响很大,低于理论最佳空 燃比.时,燃烧室混合气过浓,因空气不足而不能完全燃烧,一些未 燃烧的混合气被排出气缸外,造成排出的升高; 对于二冲程内燃机而言,由于其燃烧室换气过程不是通过气门开启来实 现,而是通过活塞的扫气来实现,扫气过程造成了一定量的油气混合气未 经燃烧就直接排向气缸外,因此同等排量下二冲程内燃机的排出高于 四冲程内燃机; 在低速下内燃机失火,造成混合气未燃烧就排出燃烧室外。 ... ,的形成机制 在汽油机排出的废气污染物中,和的产生来自于燃料,但,不一样, 因燃料中不含氮,它来自于空气中的:。在燃烧室富氧、高温的条件下,由氧 原子和氮原子相互反应生成氦氧化合物,。%以上为,另有少量为。、。 ,产生的重要条件:高温、富氧、高温持续时间。 按照策尔多维奇理论解释:“不论燃烧反应进行的是完全的还是不完全的燃第一章绪论 烧,其最初都要产生很多的热,这将使空气中的:裂解为氧原子,氧原子与空 气中的分子发生反应而生成和,氮原子遇到空气中的氧分子又发生 反应形成一氧化氮和氧原子。这部分氧原子又重复发生前面的反 应,与 空气中的氮分子作用产生一氧化氮。上述反应中,温度越高,燃烧后剩余 的氧气浓度越大,高温持续时间越长,,生成的量就越大。的产生量在空燃 比为时最多。”?’对于摩托车发动机而言,空燃比一般小于.,处于偏浓的 状态,加上排量小、压缩比小一般为、散热面积较大、转速高等因素使 得高温持续时间很短,所以摩托车氮氧化物的生成浓度很小。过低的原始废气排 出使得我国初期摩托车废气排出法规对氮氧化物的排出不加控制。在欧洲,欧 之前的和。法规没有提出对,的控制要求。欧虽然提出了对 摩托车,的限值,但是这个限值很宽松。一般没有采取废气排出控制技术的二、 四冲程摩托车发动机,其原始废气排出中,的实测数值比限值低许多。 ... 的形成机制 烃类燃料燃烧的中间产物是。在局部缺氧或低温下,烃的不完全燃烧是 造成内燃机废气中的产生的主要原因。在理想状态,当空燃比为/.质 量比,燃料和空气完全反应,生成:,即: .日。刀詈一刀:詈: 当/.时,燃料有一部分因空气不足而不能完全燃烧生成,即: 卜 。呈署一刀?罢日: 空燃比/只是一个比较宽泛的概念,在实际燃烧过程中,往往由于混合 气形成不均匀和分配不均,即使在平均/.的情况下,仍然有微量的剩余 氧存在于燃烧生成物中,在/.的情况下,燃烧生成物中仍然有和。。 另外,在燃烧高温作用下,己经形成的。和。中一小部分因气体裂解而 , 发生裂解反应: 卜 片卜 :又会利用裂解反应产生的:还原成: ? 内燃机燃烧室内实际的反应是相当复杂的,一般来说,内燃机废 气成分中的 浓度主要决定于空燃比。二冲程摩托车没有进排气门机构,油气混合气通过第一章绪论 曲轴箱和扫气道才能进入燃烧室,进气路径较四冲程内燃机长许多。为了保证二 冲程摩托车发动机的加速性能,通常将化油器设置在比较浓的状态,因此排 出较高。 综上,空气与燃料的混合比/是摩托车产生、、等废气污染物的 主要影响因数。另外,混合气的雾化情况、点火提前角、点火能量、内燃机载荷、 内燃机的转速、曲轴配气相位等因素的影响也是比较大的。 ..摩托车尾气污染物的危害 ...碳氢化合物 ? 排出的主要原因为燃烧室内不完全燃烧、气缸壁激冷层与狭缝效应等。 成分有一百多种,它对人体健康的直接危害目前尚不清楚。在太阳紫外线的 作用下,氮氧化物和碳氢化合物会相互作用产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾, 这种烟雾包含有臭氧、醛类、硝酸脂类等多种复杂化合物。人体的眼睛和上呼吸 道黏膜最易受这种光化学烟雾的直接刺激,引起眼睛红肿和喉 炎。发生在 年月的伦敦光化学烟雾污染事件,天中死亡人数较常年同期多人, 死 亡最多的为岁以上,约为平时的.倍:岁以下的约为平时的.倍。 ...氮氧化合物。 ,生成的主要成因为燃烧室内的高温、富氧及反应时间等,,对人 体与生 物的影响见表,高浓度;可引起中枢神经的抽缩及失去知觉。 表卜氮氧化合物,对人及生物的影响 ,体积分数咱 影 响 . 连续个月~个月,引起支气管炎及肺水肿出现 . 可闻到臭味 . 超过,番茄等作物叶子变白色 . 可闻到强烈臭味 之内,人的呼吸异常,上呼吸道受刺激 引起胸闷、胸痛 ,或冈肺气肿而死亡 ...一氧化碳 燃油在内燃机燃烧室内不完全燃烧生成,其主要影响因素是空燃比。人 体中的血红蛋白极易与结合成碳氧血红蛋白,造成血液中携氧 能力减弱,使人体因缺氧而中毒,不同浓度的危害见表。第一章绪论 表不同浓度一氧化碳的危害 体积分数×书 危害 致人呼吸急促、贫血,病人心脏、呼吸道恶化 致人在内中毒 致人头痛、恶心、嘴唇发紫 致人在内中毒 致人呼吸困难甚至死亡 ..摩托车尾气污染物排放的影响因素 ...环境低温 在环境低温下,燃油雾化不好,内燃机吸入的混合气遇到冷的进气管及燃烧 室壁时,易使一部分汽油发生凝结,成为液态油滴,这在汽油机冷起动时尤其明 显。因此,为改善内燃机冷机起动性能,需供给浓混合气,由于燃烧不完全,而 生成一氧化碳。同时由于燃烧温度低,未燃化合物增多,但,生成 量很少。 ?% 右 竹 鲁 、 气 \ 聿 /一 / 量 一\/ // .一/ ~\\文 ‘ 铲、 / 一 \//\ 一/ \ \ ’、、一二/ \ 空七 图汽油发动机有害排放物浓度与空燃比的关系 第一章绪论 ...环境高温 过热、爆燃、早燃等非正常燃烧现象会在汽油机燃烧室环境温度过高时发生, 非正常燃烧使燃烧温度迅速上升,导致氮氧化物的生成量增多。 ...车辆加速 车辆加速时,化油器的加浓泵在短时间内供给浓混合气,导致不完全燃烧, 和的生成量增加。因燃烧室燃烧气体温度升高,故会产生大量的,。 ...车辆减速 化油器节气门因车辆减速而迅速关闭,进气管内形成瞬时的高真空,过量的 燃油被吸入。这就形成了这样一个过程:节气门关小一进气量减少一混合气变浓。 在这工情况下气缸压缩压力和燃烧温度减低,导致、生成倍增加。 图为汽油发动机各种有害排放物浓度与空燃比的关系。从图中可以看 出,在空燃比的提升的情况下,、的生成量的减小,而的生成量增加。 鉴于此,机动车的废气污染控制变得异常复杂。 正因为内燃机性能影响极大的受制于内燃机运转因素,人们一直希望将综合 经济性、动力性、排放、噪声等各方面的要求协调起来,使各运转因素处于最佳 状态。随着电子技术的发展,用电子伺服控制机构、微型计算机程序控制己能较 好的满足这种需求。 .尾气净化技术的现况和发展 为了满足日益严格的废气排出法规的要求,减低汽车、摩托车废气污染物中 的有害成份,减少对环境的污染,多年来许多生产工厂企业及研究机构在减低废 气污染物上进行了有益的尝试,采取了很多的技术措施,从大的方面讲,可分为 机内净化措施和机外净化措施两大类,本课题只研究机外净化技术。 机内净化措施是根据有害废气排出物的生成原理,采用一些新材 料、新工艺 和新科技,对内燃机控制系统和构造进行适当地优化设计,使内燃机内的混合气 完全燃烧,以此减少有害污染物的生成。目前汽车上普遍采用的电子控制多点燃 油喷射、可变正时技术就属于此类。机外净化措施是对已产生的有害污染物曲 轴箱窜气、消声器排出的燃烧废气以及燃油蒸气,在进入空气环境之前进行预 处理的一种方法。篇幅所限,本篇主要介绍目前汽车上普遍采用的机外净化技术。 ..燃油蒸发回收装置 汽车的燃油箱在大气环境温度和压力发生变化时,会使燃油蒸汽大量排向空 气中,造成了能源的浪费和对环境的污染。这部分燃油蒸发污染物碳氢化合物 占汽车碳氢化合物排出总量的%。为了控制燃油蒸发,汽车上普遍第一章绪论 安装了炭罐装置,我国从年起规定所有新出厂的汽车一律安装炭罐装置。 摩托车第三阶段废气排出也要求新出厂的摩托车一律安装炭罐装置 。炭罐是一个耐油的塑料罐,由罐体、盖和脱附阀等部件组成,罐内装有 活性炭。炭罐有两个入口和一个出口:一个入口与油箱连接,不断吸收燃油蒸气; 另一个入口与大气相通,特定时刻吸入空气;出口与进气管相连。当内燃机工作 时,利用进气管的真空度,炭罐中吸附的油气与罐底流入的空气一起被吸入燃烧 室燃烧而脱附,活性炭颗粒重新恢复油气吸附功能,从而使炭罐的吸附与脱附功 能实现循环。 ..吸入空气温度控制和预热装置 燃油的雾化受环境低温影响较大,环境温度较低时,燃油雾化质量不高,导 致车辆冷机起动困难,为了改善车辆冷机起动性能,通常会将混合气变浓,而这 会使混合气在燃烧室中燃烧不完全,增加了废气中的和的含量。为了兼顾 。冷机起动和废气排出控制,进气温度控制和预热装置应运而生,该装置能保证在 外界温度较低的情况下,内燃机进气温度始终控制在?左右,从而既改善了 燃油的雾化和蒸发效果,又使燃烧室获得较稀且均匀的可燃混合气,对减低冷机 起动阶段废气中的和的含量成效显著。 该装置主要构成部件:温度传感器、热空气阀和真空室等。加热消声器、 水温预热或电阻元件加热的空气的进入通道由热空气阀控制,热空气阀受进气 真空度控制。在进气温度较低时,驱动热空气阀开启,将一部分预热空气掺入进 气流中,提升进气温度。在进气温度较高时,热空气阀将关闭阻止热空气的加入。 ..曲轴箱强制通风系统 该系统主要作用是防止曲轴箱窜气进入大气环境造成的危害。其工作过 程为:将空气滤清器中的新鲜空气引入曲轴箱,同曲轴箱窜气进行混合,在内燃 机工作时,通过进气管的真空度控制,将流量控制阀阀打开,吸入前述混 合气进入内燃机燃烧室燃烧。阀利用进气管的真空度来控制,可根据内燃机 的不同工况,改变其流通截面大小。流通截面将随进气管的真空度增大内燃机 怠速或负荷较小而减小,这就避免因过多吸气而使燃烧室内混合气过稀;反之, 当进气管的真空度小高负荷时,流通截面将增大,便于适应窜气量大时的换气 需要。目前阀广泛应用于各类汽车上。 ..尾气再循环系统 废气再循环系统用于减低废气中的。的排出量。只有在高温高压条件 第一章绪论 下氮和氧才会发生化学反应,因为此时内燃机燃烧室内的温度和压力满足了上述 条件。系统从消声器引出少量废气不可燃气体,在燃烧室内不参与燃烧, 它通过吸收燃烧产生的部分热量来减低燃烧温度和压力进入进气管与新混合气 混合后进入燃烧室燃烧,从而使燃烧温度下降,抑制了。的生成。 在采用系统后,内燃机的输出功率和混合气的点火性能有所下降,因此 必须通过内燃机转速范围的适当选择,对进行适量的控制。的控制指标 一般采用率来表示: 率引入废气量/吸入空气量引入废气量×% 率一般控制在%%范围内,太大将使内燃机的功率及油耗损失太大。 目前系统已普遍应用于汽车上,成为净化,的主要技术措施之一。 ..真空延时阀 真空延时阀通过减低车辆加速时内燃机的最高燃烧程度,从而减低内燃机燃 烧的温度,减少。的生成,该装置主要作用是减低废气中,的含量。在分电 器与进气管之间的真空管上通常被用来安装真空延时阀。 ..氧化催化转化器 摩托车用反应器外形呈圆柱形状,以催化剂作为媒介质,通常采用贵金属钯 作为催化剂,催化剂沉积在表面积很大的蜂窝形基体表面,催化剂基体材料采用 氧化铝。内燃机排出的和气体在反应器中与废气中的剩余氧结合,发生氧 化反应,生成无毒的和:排出,从而达到无害排放的目的。在催化剂的最 佳工作温度区间,的转化率可达%,的转化率可达%。在温度低于 时,转化率迅速降低。氧化催化反应器广泛用于柴油机和汽油机, 用于汽油发动机时,通常要引入二次空气以保证氧化效果。 ..三元催化转化器 氧化型催化转化器仅能氧化和,不能催化。的还原反应,而三元催 化转化器既能促进、的氧化燃烧反应,又能催化,的还原反应,使废气中 的、、。三种有害成分都得到相应的净化反应。 三元催化转化器构造和外观图与氧化催化转化器大体相同,只是催化 剂的成分不同。三效催化剂中钯能促进、的氧化,铂、铑能加快,的还原。 催化剂利用消声器中废气本身的热量激发表面活性起燃,起燃后催化床便因放 热而自动保持高温。最佳工作温度在??区间,有利于三元催化转化器 能保持高净化率、高使用寿命。当催化转化器工作温度超过?后,催化剂第一章绪论 容易过热老化、甚至熔融使催化剂失效。另外废气中重金属杂质铅化物、碳烟、 焦油等覆盖在催化剂表面,也能使催化剂中毒失效,所以汽车应使用杂质含量 少的高品质无铅汽油以确保三元催化转化器良好工作环境。 排气 ? 戴体和催化剂 壳体 图三元催化转化器的示意图 ..电控补气系统 电控补气的目的在于为使用化油器的机动车提供一个稳定燃烧的最佳空燃 比,从而为三元催化转化器的加装创造条件。具体的方法是先将空燃比适当调低, 然后加装电控单元,氧传感器和补气阀等元件。补气阀从空气滤清器引入新鲜空 气,补入节气门后方,电控单元根据氧传感器提供的信号,控制进气系统的补入 空气量,使内燃机燃烧室内的空燃比达到最佳状态。通过加装电控补气系统同时 配合三元催化转化器的使用,现行的化油器摩托车可以满足欧洲号的废气排 出新标准。目前,东风汽车、一汽轿车、上海大众、长安汽车和天津汽车都采用 电控补气系统加三元催化反应器的方法来改造原生产的化油器汽车,德国公 司生产的电控补气系统被众多汽车企业采用。 ..二次空气补给系统 二次空气补给系统又称空气净化系统福特公司、空气补给反应系统通用 公司、二次空气补给系统克莱斯勒公司和空气保护系统丰田汽车公司。其 工作过程是在排气道或消声器中引入一定量的空气,进一步燃烧和氧化废气中的 和,减少废气中的和的浓度。通过控制空气补气阀,在内燃机空燃 比小于.时,引入新鲜空气,而在空燃比大于.时,则阻断新鲜空气进入 消声器。目前在国、国摩托车上二次空气补给系统已普遍使用。 .. 颗粒收集器 微粒收集器适用于柴油机的废气净化,通常用过滤的方法对车用柴油机废气第一章绪论 中微粒的处理。通过由蜂窝形陶瓷制成的颗粒收集器对废气的过滤,微粒被吸附 而去除。颗粒收集器的微粒可不定期通过高温燃烧去除,从而可以循环使用。 .本文研究重点和意义 随着摩托车行业的迅速发展,伴随而来的空气污染也异常严重。目前,我国 政府己高度重视摩托车排污问题,颁布了一系列排放标准法规,排放限值不断的 提升,与全球接轨的工作正在逐步进行,然而对废气净化技术的 科学研究还有待 继续深入下去。已知的机动车废气净化技术有很多,其中机内净化技术常常在改 善或改变发动机工作进程中减低排气污染的措施往往与动力性及经济性互相冲 突,相较而言,机外废气后净化技术构造简洁、成本低廉、成效明显,是摩托车 排气净化的首选方法。年国家环保总局发布了环发号文件, 年发布了环发【号明确了摩托车有害气体排出防治技术政策,发布了机 动车有毒气体排放治理技术指南,该指南明确了摩托车排气污染物减低的技术路 线:二次空气补给加三效催化反应技术。目前这套废气净化系统成本低廉,技术 成熟可靠,‘因此,研究利用二次空气补给和催化反应器技术减低摩托车排放便成 为本文重点。 采用催化反应器技术能有效地减低废气排放,在发达国家,该项技术已经得 到广泛应用并收到很好的效果。在我国摩托车行业,此项技术应用尚处于探索与 小范围使用阶段。为了获得更好的废气净化效果,催化反应器常 常与二次空气补 给系统联合使用。尤其是对于摩托车混合气偏浓的特点,废气中氧气含量低,为 了获得、良好的净化效果,必须进行适量的补气。本文通过对催化剂和二 次空气补给原理、构造以及布置位置研究的基础上进行总体设计;设计了系列试 验验证设计方案的净化效率,研究消声器温度场对催化器性能的影响、不同厂家 催化器性能比较、不同二次空气补给方式、不同补气位置、不同补气量对催化反 应器转换效率的影响。通过对改进前后样品车及耐久测试表明,配合精调化 油器的使用,采用二次空气补给三效催化器的废气净化系统能有效减低中小摩 托车废气污染物,达到国三限值要求,因此对二次空气补给三效催化器尾气净 化技术的研究具有非常重要的意义。第二章摩托车尾气净化系统设计 第二章摩托车尾气净化系统设计 .发动机尾气污染控制方案介绍 一直以来,广大科技工作者为了探索对汽车废气污染进行有效净 化控制而孜孜以求, 自上个世纪年代开始,相关科学家及科研机构就开始进行废气净化方面的研发。大量 的探索证明,改变发动机运行过程可以改善废气排出,但该类技术常常与内燃机的扭矩 性及经济性相冲突,而且往往与提升扭矩性及经济性互相冲突。能够统筹平衡各方面特 性的燃烧反应系统很复杂,成本很贵,不宜推广。改善发动机工作过程的空间将随着排 放法规的不断严格越来越小。因此,世界各国都先后开始进行废气后处理科技的研究与 尝试。其中废气催化净化技术因其使用简洁、效果明显而成为废气排出控制技术的先导。 中国环境保护总局环发号文所颁布的《机动车排放污染物防治技术政策》, 以及年颁布的环发号明确了摩托车排出污染物防治技术政策明确摩托车 废气排出控制技术的主要方法是开发二次空气补给加三效催化反应技术。采用废气催化 反应技术,可减低有害物%%,成效明显,就当前行情成本增加元/车,在 用户和生产企业的承受范围。我国现阶段采用废气催化反应科技 是适宜的。催化反应技 术在国外已成为摩托车废气净化的主导技术,同样废气催化反应反应器作为当前主要技 术措施在中国台湾省治理摩托车废气排污中采用,时下台湾地区进入第四阶段,还在不 断研制高效催化反应器。 摩托车废气净化技术的发展受益于严格的废气排出标准促进,采用了无铅高品质汽 油闭环电喷三效催化反应器的技术,能很好的减低废气排出,但对于低废气排出标准 和超低废气排出标准的要求,这种方法还不能充分契合。这大多是由于冷机起动过程中 各部分环境温度偏低,油品雾化较差,燃烧不完全。常常需要向燃烧室内供给较浓的油 气混合气以确保稳态燃烧。另一方面催化剂的工作温度在?内才能有接近% 的转换效率隋。催化反应器在?以下的温度工作时,催化器转换效率很低,导致废气 中的和增加很多。比如说的排出量,在测试中,装了三效催化反应器的汽 油内燃机,在冷机起动时的分钟内集聚了排出量%旧。 图为摩托车在?、一?和热机后米的废气排出量对比,图中清晰 地表明 摩托车废气污染物在低温下大大高于内燃机预热后的废气排出值。图为催化剂转化 效率和温度的关系,从图中显示出,在?时,催化剂对的转换效率达到%,对 的转换效率达到%,内燃机预加热后催化器的工作环境温度一般在?以上,催化 剂在此温度下对、的转换效率达到%以上?】。 综上,解决摩托车废气排出问题首先要解决好发动机冷机起动问题,改善催化剂的 起燃状况对解决好冷机起动问题至关重要。第二章摩托车尾气净化系统设计?、, 口一? 昌 卫 :?热起动后第一公里 \ ‖霉 嫌 蒋较辎擗谣晕避蛉 旷 :/.;邑 ?帕?的蚰;;加 枯 ?.一. 温度 图摩托车,一?和热机后 图催化剂转换效率和温度的关系 第一公里的排放情况对比 ..催化剂起燃方案介绍 催化剂在排气温度低时,激活困难,排气温度低在冷机起动过程中表现明显,克服 内燃机冷机起动时催化剂起燃的方法主要有:前置催化剂、电加热催化剂、尾气燃 烧器、收集器、二次空气补给、真空隔热催化反应器等。 ...前置催化器 内燃机冷机起动之后燃烧室内混合气较浓,此时消声器内温度较低,催化转换器的 转换效率较低,造成废气排出污染物增加。为了尽快地提升催化转换器的温度,减少冷 机起动后的废气排出污染,一条通常行之有效的方法是将催化转换器直接焊接在排气道 后面的消声器中,利用靠近排气口的高温废气使催化剂在内燃机冷起动时快速加温。该 科技常常与二次空气补给系统配合使用,能在起动后秒左右就达到催化剂起燃温度。 催化剂靠近内燃机排气道,必须要考虑热冲蚀和排气阻力。内燃机在高负载运行工 况下会产生高热量,高的热负载会使催化剂老化加快,内燃机的动力性能会因大的排气 背压而减低。近年来研制的含催化剂在以下使用也很稳定,这得益于催化涂覆 层技术的提升增加涂覆层比表面积和高温稳定性。使用金属基体或壁薄的陶瓷体可以 减小排气阻力。 通常前置催化剂分为两种:一种是前置主催化剂单级;另一种是采用两级催化剂, 将次级催化剂前置,利用次级催化剂快速起燃来尽快加热主催化剂。 ...电加热催化器 限制冷起动废气排出的另一种强悍方法是电加热催化器图。电加热催化器通常 选用金属蜂窝基体。在催化反应器前部的进气通路上增加电阻金属导流叶片,利用电流 加热电阻金属导流叶片,废弃通过时使废气升温。通常有两种制造方法:一种是将蜂窝第二章摩托车尾气净化系统设计 基体中嵌入褶皱金属薄片:另一种则是将金属粉末挤压或烧结成整体型蜂窝基体。蜂窝 密度大多为孔/,壁厚为.。由于优良的经济性,而且具有较好的耐腐蚀和 耐氧化的热机械性能, 族不锈钢合金成为系统所采用的首选金属材料。同 样,电加热式催化器通常和二次空气补给配合使用,以保障有足够的氧气来减低废气中 的和含量。 金属载体通常在内燃机起动之前预热秒,起动之后再加热秒以充分加 热废气以便获得更好一些的净化性能。轻量的能更快捷的达到高温加热废气并对 和进行转换,反应放出的热量废气迅速流到主催化剂,主催化剂快速起燃效果很明显。 图电加热催化转换器 ...尾气燃烧器嘲 尽管电加热催化剂以及利用消声器排出气体燃烧产生的热量,能推动催化剂升 温,更快地提升催化剂的初期活性,但电能主要由电瓶等提供,往往造成电瓶亏电且装 置比较繁杂。尾气燃烧器是在消声器总成中布设尾气燃烧器,将浓混合气状态下产 生的等燃烧成分与二次空气提供的氧气相互作用,形成燃烧混合 气导入燃烧器,通过 火花塞放电电弧点燃多余混合气。利用燃烧放出的热能提升催化剂的初期活性,同时还 能燃烧多余成分。适于净化内燃机在冷机起动后的浓混合气废气,内燃机排出的 入口百分比较大,后,开始燃烧,能大幅度地减低浓度。通过对 和向催化剂供给热量的对比探索中发现,方式催化反应率高。总之,通过对 催化剂的强行加热,能有效地促进催化剂起燃。技术大有超过的趋势。 ...化学加热催化器 与电加热催化剂不同的是,使用化学路径使催化剂迅速升温达到起燃温度。 它不需要电瓶提供能源就可以使催化剂在两秒钟后加热到 。其工作过程是:将少量第二章摩托车尾气净化系统设计 氢气射入到催化反应器前,氢气和氧气在催化剂表面自然燃烧低于室温也可,催化剂 被燃烧反应放出的热量预热。在内燃机冷机起动初始阶段用氢气作为燃料,当达到催化 剂起燃温度后再把燃料切换到汽油。氢气可由水电解产生。这项技术的关键是设计小型 的可随车携带的电解剂使车辆能够不断补充氢气并将氢气压缩 储存起来,以备下次冷起 动时使用。目前,沃尔沃和公司已联合开发成功此技术。 ...