排放控制系统毕业论文

引言近年来，随着人们对环境保护的日趋重视，世界各国对内燃机废气排放的法规变得越来越严格对发动机排放控制技术的研究也在不断深入，各种类型的排气净化装置为机动车的污染控制提供了新的方法和途径。车用柴油机排放物中碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的量较少，而NOx及微粒的排放量相对较多，其控制的难度较大，国外在相关领域已经有成功的技术，国内也正在加紧研究和开发有效的控制技术和装置。1柴油机排放物的组成和降低方法柴油机排放物是一个复杂的气态、液态和固态物质的混合物。主要的有害排放物包括碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、碳烟及微粒排放物。为满足日益严格的排放法规的要求，出现了各种柴油机污染物控制技术，针对不同的成分及其控制目标而采用不同的技术手段。碳氢化合物（HC）是在燃烧过程中处于相对温度较低的区域的未燃燃料。主要来自润滑油、喷油器的压力室和喷孔中的燃料、活塞环上被冷却的混合气、着火期内形成的过稀混合气以及燃烧结束时混合不好的燃料[1]。降低HC的措施[2,6]主要包括：①消除喷油系统的各种问题（二次喷射、较大的喷嘴压力室容积等）；②改造燃烧室，减小死区容积；③提高压缩比；④合理的供油规律；⑤控制初期喷油速率。氮氧化物（NOx）主要取决于燃烧室局部的最高温度。可采取下列措施减少NOx:①多气门技术；②增压中冷技术；③控制喷油速率；④废气再循环。碳烟（烟度）主要是由于燃烧室局部空气不足，燃油与空气混合不好而产生的，可通过燃油与空气的精确控制及充分混合以减少碳烟。具体措施：①采用废气涡轮增压；②采用进气压力/燃料流量控制装置；③提高喷油压力；④增大低速时的燃油喷射速率；⑤减小传动机构磨损的敏感性。微粒排放物（PM）主要取决于燃料燃烧是否完全，由燃烧后的一些固体和液体残余物组成，包括润滑油、未燃燃料、HC、碳烟等。为减少微粒要求燃料迅速而完全地燃烧，可采取下列一些措施：①提高喷射压力；②改进燃烧室结构；③减少机油消耗；④使用低硫燃油；⑤改善低速时的喷油率；⑥喷油提前；⑦增加着火延迟期内的燃油量。以上措施有时是相互矛盾的，或者与发动机的其它特性（如经济性）相矛盾。比如，喷油定时对降低氮氧化物与减少微粒的作用相矛盾。燃烧室结构、进排气系统特性及燃油喷射装置的喷射特性等对排放的影响较大，必须寻求相关结构和参数的最佳匹配。2柴油机电子控制技术与排放控制柴油机的电子控制推动了柴油机的技术进步柴油机电控包含整机的控制与各子系统的控制。由于电子控制的柴油机具有控制的灵活性，这样有可能通过对各系统的优化控制，使柴油机在各种工况以及环境条件下实现各系统（如喷射系统、增压系统等）的最佳匹配，因此，柴油机采用电控技术为控制排放、节约能源、降低噪声、改善性能提供了灵活而有效的手段。电控柴油机的核心部分是电控燃油喷射系统自70年代末期开始，国外在电控燃油喷射系统研究方面取得了巨大的进步。国外研制的电控燃油喷射系统有多种多样的结构形式，不同的系统应用于不同的领域。从技术发展的角度来看，柱塞泵式的燃油喷射系统已经由位置控制方式向时间控制方式发展，同时，共轨式电控喷射系统也正处于试用化研究和开发阶段。在我国，电子控制技术应用于柴油机的研究起步较晚，近几年来，对电控燃油喷射系统的研究在不断加强。燃油喷油系统正朝着高压喷射、喷油量、喷油时刻及喷射压力的灵活控制以及喷油速率柔性控制的方向发展。柴油机电控技术的应用能极大地改善柴油机的综合性能，但并不是说柴油机采用电控就能使排放大幅度的降低。影响柴油机排放的结构因素多种多样，必须从改善柴油机工作过程的角度，实现进排气系统、燃烧系统、喷油系统结构与特性的优化从根本上减少有害排放物的生成，才能达到减少排气污染的目的。柴油机的电子控制能根据发动机的工况变化实现发动机各系统的结构与特性的优化匹配，从而达到降低柴油机排放的目的。3柴油机排气后处理的方法柴油机颗粒排放物是固态和液态的有机和无机组分的混合物，它是在某一定温度下在具有一定稀释比的通道中利用滤纸所收集到的除水以外的所有物质。柴油机微粒由三部分组成，即固态的未燃碳微粒的聚合物、可溶性有机微粒物和无机盐类。其中可溶性有机物微粒是未燃的HC,一部分吸附在碳微粒表面，另一部分呈现蒸气态单独存在。通过排气后处理来降低柴油机微粒排放量的方式一般有微粒捕集器和催化氧化器。3·1微粒捕集器微粒捕集器装置主要由过滤材料制成，所采用的过滤材料主要有金属丝网、陶瓷纤维、泡沫塑料和单石体陶瓷等。微粒通过扩散、沉积和撞击作用被过滤材料所捕集。微粒捕集装置所捕集到的微粒物必须通过一定的方式及时从捕集器中清除（捕集器的再生），否则会引起柴油机排气背压升高，甚至使发动机产生破坏。微粒捕集器的再生一般采用燃烧法，可以采用外部再生或内部再生，外部再生是使柴油机工作一段时间以后将微粒捕集装置卸下来将捕集到的微粒清除掉，而内部再生则是在微粒捕集装置中自动地将捕集到的微粒烧掉。再生也可分为被动再生和主动再生，被动再生是利用柴油机本身所具有的能量进行再生，主动再生是利用外加能源进行再生。再生装置的工作可靠性是微粒捕集装置关键技术问题，尽管在技术上存在可行性，但一套高效的微粒捕集装置的成本还很高，目前还难以得到广泛的使用。3·2催化转化装置柴油机催化转化装置是通过采用氧化型催化器（OCC）如图1所示，降低排气微粒物中的可溶性HC （SOF）的含量，从而降低总的微粒排放量；还可以有效地降低排气中的气态有害物HC和CO。OCC对微粒的捕集效率远不及微粒捕集器，但由于HC的点火温度较低，所以OCC不需要附加昂贵的再生系统，投资费用较低。影响OCC可靠性工作的最主要因素是排气温度和燃油的含硫量。较高的废气温度将有助于SOF的氧化，提高转化效率但在过高的温度下（400℃~500℃以上）， SOx和燃油中的S转化为硫酸盐的量将大大增加，这样有可能使总的微粒量增加而不是减少。另外，硫酸盐覆盖在OCC内表面将使得OCC失去活性，大大降低其转化效率。总而言之， OCC的使用一般要求柴油机使用燃油中的含硫量要小于0·05%,甚至达0·01%。图1催化转化装置的结构图4柴油机排气净化装置的研制4·1排气净化装置的结构特点由于微粒捕捉与再生装置的结构比较复杂，对微粒捕捉与再生过程的控制需要复杂的控制系统其成本较高。而催化转化装置具有结构简单的特点，但其转化率及工作温度范围都存在一定的局限性。在分析上述两种方法特点的基础上，作者研制了一种新型柴油机排气净化装置，如图2所示。图2新型柴油机排气净化装置结构原理图在该净化装置中，起燃单元主要由涂有催化剂的金属网板组成，它能使排气中的部分HC氧化而使排气温度适当升高；保温单元主要由陶瓷蜂窝构成，它能使排气保持较高的温度，以利于催化氧化；微粒催化净化单元则由催化剂和过滤器组合而成，主要作用在于捕捉部分排气微粒，在催化剂的作用下使之氧化，从而减少柴油机排气中的微粒排放；消声单元则用于降低排气噪声。该装置具有如下特点①微粒捕捉与催化转化相结合的结构设计②合理的空速，即在温度在25℃和压力为100Kpa的标准状态下，排气容积流量（L/H）与催化剂载体容积（L）之比值③适当的工作温度范围（250°-650°④不需要附加的再生装置。4·2排放特性试验在一台IVECO增压柴油机上，笔者按照上述原理设计了两种结构的净化器，并且对几种结构的净化装置进行了试验对比，试验结果如图3所示。其中净化器方案1和净化器方案2为自行设计的排气净化装置，原装净化器为国外直接为IVECO发动机配套的净化器。由图2可见，所开发的净化器1和2对烟度的降低有一定的效果，特别是方案使发动机外特性的烟度降低0·5-1·0 Rb。图3全负荷烟度试验结果在整车上进行了自由加速试验，试验结果如表1所示。可以看出，使用净化器以后，自由加速烟度降低的幅度达50%。表1自由加速烟度试验结果原车净化消声器烟度变化率自由加速烟度2·6 Rb 1·5结论（1）降低柴油机的排气污染可以从机内和机外两方面采取必要的措施，但最根本还是在发动机内部通过合理组织燃烧过程，减少有害排放物的生成。（2）电控柴油机技术的应用为控制污染物的生成提供有效的途径。（3）排气后处理装置在一定的程度上能减少排气污染物的排放量。（4）所开发的排气净化装置对于减小柴油机的烟度具有一定的效果，为该项技术的应用作出了有益的尝试。