柴油机尾气排放净化技术最终稿.docx
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柴油机尾气排放净化技术最终稿.docx
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柴油机尾气排放净化技术最终稿
柳州职业技术学院毕业论文档案材料
专业汽车检测与维修技术
班级汽车检测与维修技术(3)班
学生姓名徐秀城
学号20070108095
论文题目柴油机尾气排放净化技术
指导教师李光辉
内装材料清单:
1、毕业论文任务书
2、毕业论文
3、毕业论文成绩评定表
柳州职业技术学院2009届毕业论文
题目:
柴油机尾气排放净化技术
姓名徐秀城
学号20070108095
专业汽车检测与维修技术
年级2007级
指导老师李光辉
完成时间2010年01月
柳州职业技术学院毕业设计论文
任务书
汽车与环境工程系(部)2007汽车检测与维修技术专业3班学生学号20070108095
一、毕业设计(论文)题目:
柴油机微粒排放的净化技术
二、毕业设计(论文)工作规定进行的日期:
2009年10月25日起至2010年01月01日止
三、毕业设计(论文)进行地点:
柳州职业技术学院图书馆
四、任务书的内容:
目的:
了解柴油机微粒排放的成因和污染危害,掌握柴油机微粒排放的净化技术的运用。
任务:
在图书馆或其他地方收集有关资料,整理提取有价值的资料撰写论文论述目的。
工作日程安排:
2009年9月8日-2008年9月30日定期完成开题报告
2009年10月1日-2009年10月20日查找相关资料
2009年10月21日-2009年11月20日完成论文初稿
2009年11月21日-2009年12月20日完成论文修改
2009年12月21日-2010年1月1日提交论文成稿并进行答辩
设计(论文)要求:
(1)进行综合运用所学知识去解决实际问题和工作实践技能的水平、独立工作能力有所提高。
结合本专业所学知识进行分析,并提出解决方案。
(2)论文应该在教学计划所规定的时限内完成。
(3)不能抄袭他人文章或论文,一经查出,视为抄袭处理。
学生所作论文一定是要结合实际,有本人具体设计内容,不能是摘抄一些杂志、书籍的内容,或者是一些空泛内容的文字描述。
(4)按论文格式要求书写。
主要参考文献:
[1]肖永清,车用柴油机的使用与维修实例北京;人民邮电出版社。
2007
[2]曾小珍,柴油机维修技术北京;电子工业出版社。
2005
[3]刘天齐,三废处理工程技术手册(废气卷)。
北京;化学工业出版社。
1999
[4]中国易修网,http//
[5]中国知网,
学生开始执行任务书日期2009年7月1日指导教师签名:
年月日
学生送交毕业设计(论文)日期:
20年月日学生签名:
年月日
目录
摘要..................................................................1
关键词..................................................................1
引言...................................................................1
1柴油发动机整机的使用..................................................2
1.1柴油发动机的总体构造.............................................2
1.2四冲程柴油发动机的工作原理.......................................3
2.柴油机尾气排放主要成分................................................3
2.1一氧化碳(CO).....................................................3
2.2氮氧化物(NOx)...................................................4
2.3碳氢化合物(HC)...................................................4
2.4颗粒物(PM).....................................................4
3.当前柴油机尾气排放的主要净化措施......................................5
3.1废气再循环(EGR)系统..............................................5
3.1.1废气再循环(EGR)系统工作原理................................5
3.1.2增压柴油机EGR的实现........................................6
3.1.3废气再循环排气的冷却.......................................7
3.1.4柴油机EGR的控制............................................7
3.1.5柴油机EGR系统的结构........................................8
3.2催化转化技术.....................................................9
3.3颗粒物的净化技术................................................10
3.4四效催化转换器...................................................................................................................17
3.4.1四效催化转换器原理……………………………………………………...17
3.4.2四效催化转换器举例……………………………………………………17
4柴油机尾气排放异常故障诊断...........................................20
4.1柴油机排烟的生成................................................20
4.2排气管冒白烟....................................................20
4.2.1冒白烟的特征及原因........................................20
4.2.2冒白烟的故障原因..........................................22
4.2.3故障维修步骤..............................................22
4.3排气管冒蓝烟....................................................23
4.3.1冒蓝烟的原因..............................................23
4.3.2故障维修方法..............................................23
4.4排气管冒黑烟....................................................24
4.4.1冒黑烟的影响因素..........................................24
4.4.2冒黑烟故障的诊断程序......................................25
5.结论.................................................................25
参考文献...............................................................27
致谢..................................................................28
摘要:
与汽油机相比,现代车用柴油机具有动力性较高和经济性较好两大优点,而且具有较高效率、低油耗、寿命长、使用可靠等特点。
目前,欧洲的轿车消费市场上,柴油轿车占了40%。
我国的柴油车发展较晚,但发展迅速。
到2002全国汽车产量为325万辆,柴油车占99.8万多辆,约占汽车总量的30%。
增加如此之快,难免给环境造成较大的影响。
随着柴油汽车的社会拥有量的迅速增大,伴随着工业文明的迅速发展而出现的环境问题不断增多。
环境保护问题越来越引起人们的高度重视。
柴油机工作时排放的产物可分为两类:
一类是可见产物,即颗粒物,如碳粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等,另一类是一般情况下肉眼看不见的物质,如一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)和二氧化硫(SO2)、碳氢化合物(HC)等。
CO对人体有毒,而且在大气中不易自净;SO2有难闻的刺鼻气味;HC、NO在一定地理气候条件下,经太阳光的作用会形成毒性很强的光化学烟雾;NOx和SO2易溶于水形成酸雨。
显然,柴油机工作排出的燃烧产物不仅会对人类生存环境造成污染与破坏,而且由于柴油燃烧不完全,造成了能源的浪费。
碳烟越浓,排放的可燃物越多,对环境造成的污染越严重,能源的浪费就越大。
控制重点是氢氧化物和颗粒污染物。
面对当前的形势,汽车制造商采用了许多尾气净化的设备和技术,本文介绍几种当前先进的柴油机尾气排放净化技术。
关键词:
柴油机尾气;排放污染;尾气净化
引言
随着汽车工业的飞速发展,汽车保有量急剧膨胀,汽车排放问题受到极大关注,因为汽车排放严重影响着生态环境、人身健康、制约着经济的发展。
为了能更好地治理环境污染,各个国家相继颁布了愈来愈严格的排放法规。
随着汽车柴油化进程的不断加快,对车用柴油机的低污染要求越来越突出。
1柴油发动机整机的使用
1.1柴油发动机的总体构造
一台车用柴油机是由若干个机构,总成和零部件所组成的机器。
虽然目前往复活塞式发动机种类繁多,结构复杂,但其总体构造均匀共同特点。
车用柴油机一般由下述机构和系统组成;
(1)机体。
机体既发动机的固定部件——汽缸体总成、汽缸盖总成等。
机体既是柴油机机构、各系统的装配载体,其本身的许多部分又是有关机构和系统的组成部分。
(2)曲轴连杆机构。
曲轴连杆机构主要包括活塞连杆总成,曲轴飞轮总成。
通过该机构将活塞的往复直线运动转变为旋转运动而输出动力,是柴油机的主要组成部分。
(3)配气及传动机构。
配气及传动机构主要包括凸轮轴总成、气门挺住总成、齿轮传动机构。
其功用是定时地开闭进、排气门,使空气及时地充入汽缸,并及时地从汽缸中排出废气。
(4)进气、排气系统。
主要包括空气滤清器、进气管、排气管和消声器等。
柴油机增压器、中冷器或废气净化装置也应包括在此系统内。
其功用是将空气进行滤清和增压,并合理地供给各个汽缸;将燃烧过的废气从发动机内排出,或加以净化后排出,以免污染大气。
(5)润滑系统。
主要包括机油泵、机油集滤器、机油管路和油底壳等。
其功用是将润滑油供给给摩擦件,减少磨损、冷却机件、清洗摩擦表面等。
(6)冷却系统。
主要包括水泵、风扇、水箱散热器、节温器、机油散热器、中冷器等。
其功用是利用冷却介质(水或空气)将高温零件的热量散到大气中,以保证发动机能正常工作。
(7)电气系统。
主要包括充电发电机(电压调节器、蓄电池)、直流启动机和一些附属装置(为了便于启动)
(8)其他装置。
如空气压缩机等。
1.2四冲程柴油发动机的工作原理
汽油发动机与柴油发动机各冲程的比较见表2-1
表2-1汽油发动机与柴油发动机各冲程的比较
冲程
汽油发动机
柴油发动机
进气冲程
空气—燃油混合气被负压吸入燃烧室
只吸入空气
压缩冲程
活塞对空气—燃油混合气进行压缩
活塞压缩空气使其压力升至3.5—4.5MPa,同时温度高达110—150℃
做功冲程
火花塞点燃被压缩的混合气
燃油喷入高温高压空气中,由于压缩空气的高温而自然
排气冲程
活塞将废气压出汽缸
活塞将废气压出汽缸
柴油机与汽油机比较,各有特点。
汽油机具有转速高(目前轿车用汽油机最高转速达到5000—6000r/min,货车用汽油机达4000r/min左右)质量小、工作时噪音小、启动容易、制造和维修费用低等特点。
故在轿车和中、小型货车上及军用越野车上得到广泛的应用。
其不足之处是燃油消耗率较高,因而燃料经济性较差。
柴油机因压缩比高,燃油消耗率平均比汽油机低30%左右,且柴油价格低,所以燃油经济性较好。
一般装载质量7t以上的货车大都用柴油机。
柴油机的弱点是转速较汽油机低(一般最高转速在2500—3000r/min)、质量大、制造和维修费用高(因为喷油泵和喷油器加工精度要求高)。
但目前柴油机的这些弱点正在逐渐得到克服、它的应用范围正在向中、轻型货车扩展。
近年来国外、国内有的轿车也采用柴油机,其最高转速可达5000r/min
2.柴油机尾气排放主要成分
2.1一氧化碳(CO)
一氧化碳是柴油在空气不足(贫氧)的情况下燃烧的中间产物,在柴油机排气中一般含量较低,当柴油机燃烧局部缺氧时容易产生。
一氧化碳生成量的多少取决于空燃比,由于柴油机空燃比较大,因此一氧化碳排放量不大。
一氧化碳浓度达到一定程度就能引起人体慢性中毒,导致人体组织缺氧,危害中枢神经系统,引起头痛、头晕、四肢无力等中毒症状,严重时会导致生命危险。
2.2氮氧化物(NOx)
氮氧化物是柴油机燃烧高温条件下产生的,其生成取决于燃烧过程中的温度和反应时间的长短。
在直接喷射柴油机中,由于空燃比较大,氧气较为丰富,燃烧温度也高,使氮氧化物的生成量较大。
在间接喷射柴油机中,燃烧首先在极缺氧的涡流室(或副燃烧室)中进行,燃烧温度相对较低,当火焰喷入主燃烧室时,使燃烧在有充足空气中且燃烧温度较低的情况下进行,可避免氮氧化物的生成时机,所以氮氧化物排放量相对较低。
氮氧化物中NO、NO2都有毒性,对人体和环境破坏较大。
人吸入氮氧化物后出现眩晕、无力等,严重时出现窒息。
另外,还会与碳氢化合物一起引起光化学反应,造成更严重的危害。
2.3碳氢化合物(HC)
在柴油机排放中碳氢化合物的生成的主要途径为燃料不完全燃烧、缝隙效应、曲轴箱漏气等。
柴油机虽然有较大的空燃比,由于雾化质量(喷油器雾化不良、二次喷射、滴油等)很难达到使然由于空气混合到理想的均匀程度,燃油在喷射时,难以避免地会喷到壁面上,而形成局部过浓混合气,形成局部不完全燃烧。
另外喷射定时滞后与延迟、负荷与转速的变化、低温启动、怠速运转等情况下都会使未燃碳氢化合物的浓度增加。
排气中的碳氢化合物具有较大毒性,是一种很强的致癌物质。
另外碳氢化合物是引起光化学反应的起因物质,生成的过氧化物对环境的危害很大。
2.4颗粒物(PM)
柴油机的排放颗粒物主要是碳粒(也称碳烟),其形成的过程也很复杂。
影响碳粒形成的主要因素是高温和贫氧,在过量空气系数很低、油气混合不均匀而又处于高温下的油滴将被裂解,从而产生大量的碳粒。
在柴油机的燃烧过程中,碳粒的形成除过量空气系数、混合气的均匀性和燃烧温度外,还与燃料的成分有较大的关系,如燃料的碳氢比,灰分等都影响碳粒的生成。
碳粒易粘附重碳氧化物及硫酸盐,形成的颗粒物悬浮于空气中,在大气中受阳光和其他物质作用将发生光化学反应,对环境产生危害。
3.当前柴油机尾气排放的主要净化措施
3.1废气再循环(EGR)系统
3.1.1废气再循环(EGR)系统工作原理
柴油机与汽油机一样也有大量的NO生成,废气再循环(EGR)就是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应,利用废气中含有大量的惰性气体(CO2、N2、H2O等)具有较高的比热容这一特性,来降低NOX的生成。
柴油机NOX生成的原因是:
燃烧过程的平均过量空气系数虽然比较大,但因混合气成分不均匀,局部燃烧温度仍很高,所以生成大量NOX不过,随着柴油机负荷的降低,NOX的排放迅速减小。
在汽油机上降低NOX最主要的方法是通过废气再循环(EGR),而柴油机也可以通过废气再循环(EGR)来降低NOX排放。
废气再循环(EGR)为什么能降低NOX呢?
因为NOX的生成条件是高温富氧,而废气的引入,一方面使混合气热容量增大,造成相同量的混合气升高同样温度所需热容量增大,从而降低最高燃烧温度;另一方面,废气对新鲜充量的稀释也相应降低了氧的浓度,从而有效的抑制了NOX的生成。
根据废气进入气缸是否通过发动机的进气系统,EGR系统可分为内部EGR系统和外部EGR系统。
内部:
EGR系统通过改变配气正时实现。
该系统不需要外加其他设备,结构简单,应用方便,而且可以避免再循环废气对管道的腐蚀,有利于提高系统耐久性。
由于是在进气行程内,直接开启排气阀使废气回流,因此难以精确控制EGR率;同时废气未经冷却直接回流,引起混合气温度升高,这一点又有利于NOX的生成。
因此内部EGR对NOX的抑制效果并不显著。
但是随着控制技术的不断提高,内部EGR因其简单、便利,日益受到青睐。
外部:
EGR利用专门的管道将废气引入进气歧管,使废气与新鲜空气在进入气缸前充分混合。
由于外部EGR不但可以通过电控系统精确控制EGR率、优化发动机性能,而且可以在外部系统中通过加装EGR冷却器,有效降低燃烧温度,因此目前较为常用的是外部EGR系统。
3.1.2增压柴油机EGR的实现
自然吸气柴油机所用的EGR系统与汽油机类似。
由于进排气之间有足够的压力差,EGR的控制比较容易。
在现代增压柴油机中,由于涡轮增压器效率的提高,增压器后的进气压力(增压压力),在很多工况下会高于增压器前的排气压力,造成EGR的困难,至少不会获得足够高的EGR率。
为此可采用下列措施:
①如图3-la所示,在EGR阀5前,加一个排气脉冲阀6,利用排气脉冲加大EGR量。
②用节流阀7对进气进行节流(见图3-lb),可降低柴油机前的进气压力,可使EGR率大为提高。
但显然会增加柴油机的泵气损失,有损燃油经济性。
③在进气系统中,装一个文丘里管8(见图3-lc),可以提高EGR的有效压差,从而扩大EGR率的可调范围。
由于文丘里管喉口的压降,在喉口下游可得到部分的恢复,压力损失可以减,调节文丘里管的旁通阀9,可改变EGR的有效压差。
④用专门的EGR泵11(见图3-ld)强制进行EGR,当然具有最大的灵活性。
但由于EGR泵的流量要求很大,机械驱动泵显然过于庞大昂贵。
如图上所示涡轮增压器驱动一个外加的EGR泵11是一个实用方案。
⑤用可变喷嘴增压器VNT(VariableNozzleTurbocharger),是实现增压柴油机有效EGR的一个新途径。
用普通涡轮增压器,实现足够的EGR往往有困难。
有实验结果表明;用普通的涡轮增压器时,只能在部分负荷下获得0.1左右的EGR率;用可变喷嘴涡轮增压器时,柴油机大负荷时,可以通过减小涡轮喷嘴流通面积来提高排气压力,进而增大大负荷领域的EGR率。
图3-1(增压中冷柴油机的EGR系统)
a用排气脉冲阀的EGR系统b用进气节流阀的EGR系统
c用文丘里管的EGR系统d用EGR泵的EGR系统
1—电控单元2—中冷器3—柴油机4—涡轮增压器5—EGR阀6—排气脉冲阀
7—进气节流阀8—文丘里管9—文丘里管旁通阀10—EGR冷却器11—EGR泵
3.1.3废气再循环排气的冷却
实验证明,把再循环的排气加以冷却,即采用所谓冷EGR,可使进入缸内的新鲜空气的损失减少,从而避免了大负荷燃油经济性和排气烟度的恶化。
冷EGR系统布置如图3-1c、图3-1d所示。
EGR冷却器10可以用柴油机的冷却水冷却,但冷却温降有限,最好用空气直接冷却。
现已成功投产的EGR冷却器,可在不同工况下,使EGR温度下降50-150℃,使NO下降10%左右。
3.1.4柴油机EGR的控制
(1)控制方式
柴油机的EGR控制比较复杂,尤其是增压柴油机,一般都采用电子控制。
其控制方式可以是开环控制,也可以是闭环控制。
开环控制。
开环控制一般基于脉谱(MAP)的控制,即通过实验确定典型工况下,达到排放要求的最佳EGR率。
这种方法控制简单,目前应用较为普遍。
但其准确性依赖于各种工况下MAP图的精确制取,同时动态响应慢。
较典型的开环控制为对混合气的成份加以考虑,根据不同转速、负荷条件,由进气和排气中的氧气浓度来确定最优的EGR率,例如在图3—1a中,电控单元1根据柴油机转速、负荷,以及进气和排气中的氧气浓度、温度等传感器的输入信号,按标定的EGR脉谱对EGR阀5、节流阀7、旁通阀9等执行机构进行控制。
EGR阀5可以是一个真空阀。
电控单元1通过对一个独立真空源产生的真空度加以调制,来控制真空阀的开度。
EGR阀也可以是一个电磁阀,可由电控单元通过PWM信号直接控制。
闭环控制。
闭环控制可以选择基于排气背压的闭环控制,也可选择基于排气氧气传感器紫的闭环控制。
基于排气氧气传感器的闭环控制,选取对发动机性能影响最大的两个参数——进气中的氧气浓度和排气中的氧气浓度加以考虑。
基于过量空气系数的EGR控制,是通过过量空气系数来间接测量NOx的排放量,其受EGR率的影响大,可作为EGR闭环控制的反馈信号。
闭环控制可以实时根据工况的变化自动调整EGR量,使EGR达到最佳。
因此,它比开环控制的效果更好,但其结构也较复杂。
(2)控制时间
汽油发动机在发动机中小负荷时将一定量的废气引入燃烧室参与燃烧,怠速、全负荷时不起作用。
柴油发动机在发动机怠速、中小负荷时将一定量的废气引入燃烧室参与燃烧,全负荷不起作用。
3.1.5柴油机EGR系统的结构
以一汽大众柴油轿车为例,其柴油机EGR系统的结构主要分为两类:
①废气再循环电磁阀与机械阀分开方式(见图3-2)
②废气再循环电磁阀与机械阀合二为一,直接由发动机控制单元控制(见图3-3)
图3-2(EGR与机械阀分开方式)图3-3(EGR阀与机械阀合并方式)
1-发动机控制单元2-废气再循环阀(电磁)1-发动机控制单元2-废气再循环阀(电磁)
3-废气再循环阀(机械)4-空气流量计3-废气再循环阀(机械)4-尾气净化装置
5-尾气净化装置
3.2催化转化技术
3.2.1催化转化器工作原理
柴油机用催化转化剂与汽油机的基本相同,可用Pt等贵金属。
催化转化剂(Oxidizingtalyst)的作用是促使排气中的PM、HC和CO发生催化反应,被氧化为水和二氧化碳排出。
但因柴油机排气温度低,微粒中的碳烟难以氧化,氧化催化剂主要用于转化可溶性有机组分SOF(SolubleOlganicFraction),达到微粒排放降低的效果。
同时也可使HC和CO排放进一步降低,还可净化其他有害成分(如乙醛等),以及减轻柴油机排气臭味。
Pd的催化活性尽管不如Pt,但产生的硫酸盐要少得多,同时价格也便宜,因此也有选择Pd作为柴油机催化转化剂的活性成分的。
试验表明当使用Pt系催化剂时,由于大量硫酸盐的产生使微粒排放总量比未使用催化剂时高了50%
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