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文檔簡介

1、現(xiàn)代缸內直噴式汽油機 (七 )(接上期 )分層燃燒直噴式汽油機的排氣后處理 缸內直噴式汽油機分層燃燒運行時具有很大的節(jié)油潛 力,是降低燃油耗最有效的措施,同時還具有良好的瞬態(tài)特 性和全負荷性能,但是要充分挖掘其節(jié)油潛力,在很大程度 上受到廢氣排放的制約。迄今為止,汽油機的顆粒排放與柴油機相比可忽略不 計,但是隨著汽油直接噴射的應用,這一情況要重新加以認 識。原則上,直噴式汽油機特別是在分層燃燒時,在極其不 均勻的混合汽中會有局部過濃的區(qū)域, 可能生成顆粒。 但是, 現(xiàn)代批量生產的汽車在轉鼓試驗臺上進行的顆粒排放測量 結果(圖 51)表明,直噴式汽油機的顆粒質量排放雖然明顯高 于進氣道噴射汽油機

2、,但還是遠遠低于現(xiàn)代柴油機的限值。 就顆粒質量排放而言,現(xiàn)代批量生產的直噴式汽油機已經能 夠滿足未來更為嚴格的排放標準限值,如美國超低排放汽車 (ULEV) 標準的限值 (0.01g/mile) 。缸內直噴式汽油機由于混合汽形成時間較短,特別是采 用壁面引導時燃油會碰壁, 從而使 HC 排放顯著增加 (見上期 圖 46) 。在分層稀燃運行時氧過剩的情況下, 為 HC 和 CO 的 氧化凈化創(chuàng)造了有利的條件,但正如上所述,與柴油機的排 放相似。富氧廢氣后處理的最大挑戰(zhàn)在于 NOx 的還原凈化反 應因缺乏還原劑 (CO、HC 或 H2) 而無法進行,因此分層稀燃 直噴式汽油機的排氣凈化問題最重要的

3、關鍵是減少 NOx 排 放量。圖 52 表示缸內分層稀燃直噴式汽油機達到歐 4 排放 標準所要求的 NOx 轉化凈化率必須大于 95,才能達到與 進氣道噴射汽油機那樣的 NOx 排放水平。其 NOx 的凈化任 務可分別由機內凈化降低 NOx 的原始排放和機外排氣后處 理來分擔。由于直噴式汽油機在分層稀燃時空氣富余,為采 用高 EGR 率降低 NOx 原始排放創(chuàng)造了有利條件,因而就可 使原始排氣中的NOx含量降低約5070%。但為了達到廢 氣排放標準還必須附加一個 NOx 后處理裝置。分層稀燃直噴 式汽油機可選用的 NOx 后處理裝置有兩種:即 NOx 連續(xù)催 化轉化器 (如三菱公司 )和 NO

4、x 吸附催化轉化器。但是,從圖 53 所示出的這兩種催化轉化器所能達到的 NOx 轉化凈化率 的對比可以清楚地看出。 只有最新型的 NOx 吸附催化轉化器 才能達到上述所要求的 NOx 轉化凈化率水平。圖 54 示出了 NOx 吸附催化轉化器的基本工作原理。其 載體用堿土金屬 (例如鋇、鉀等 )作為活性吸附存儲材料,而 用貴金屬鉑(Pt)和銠(Rh)作為活性催化劑。在稀混合汽狀態(tài)下,廢氣中的NO在貴金屬鉑(Pt)的催化作用下被氧化成NO2,這樣所有的NOx都以NO2的形式出現(xiàn),并與堿土金 屬化合成硝酸鹽的形式被可逆性地吸附到 NOx 存儲材料上, 而排氣中的HC和CO被直接氧化凈化成 H2O和

5、CO2排出。 在存儲材料吸附的 NOx 達到極限量以前, 應采取一定的方式 將吸附器中吸附的 NOx 還原。以騰空吸附器中的吸附容積。 供下一個吸附周期之用。此時,電控系統(tǒng)會使汽油機短暫地 進入濃混合汽狀態(tài)運轉,使排氣中產生足夠的還原劑 (HC、 CO和H2等),并在貴金屬銠(Rh)的催化作用下與從硝酸鹽 中析出的 NO2 反應還原成 N2 ,這個過程稱之為 NOx 吸附催 化轉化器的再生過程。通常,分層稀燃直噴式汽油機 NOx 吸附催化轉化器的再生過程的時間間隔約為每運轉 1min 需 要再生2s,如圖55所示。這種不連續(xù)的周期性運行模式對 發(fā)動機電控,系統(tǒng)提出了更高的要求。圖56 為分層稀

6、燃直噴式汽油機電控系統(tǒng)控制 N0x 吸附催化轉化器再生過程的 實例。從圖中可以看出,在整個再生過程中,司機踩油門的 位置并沒有變化,發(fā)動機的負荷狀態(tài)也沒有變化,但是受電 控系統(tǒng)控制的電子節(jié)氣門,在進入再生過程時加大了關閉程 度。使過量空氣系數(shù)從 1.6 降低到 0.7 左右,點火定時也相 應地從上止點前 45°減小到 30°,而這一切都是在司機毫 無察覺的情況下非常平順地完成的,由此對分層稀燃直噴式 汽油機電控系統(tǒng)的匹配要求之高可見一斑。圖 57 示出了分層稀燃直噴式汽油機廢氣后處理系統(tǒng)布 置的示意圖。通常,為了改善冷啟動期間 HC 的轉化凈化, 在 NOx 吸附催化轉化器

7、之前應用一個氧化催化轉化器, 稱之 為前置催化轉化器,并為改善其起燃性能。與發(fā)動機排氣管 直接緊密耦聯(lián),這樣 NOx 吸附催化轉化器就能布置在汽車地 板下,避免過熱,從而能提高其承擔 NOx 吸附存儲和催化還 原的活性材料的耐久性。位于前置催化器后面的溫度傳感器 用于測量廢氣和催化器的溫度, 而位于在 NOx 吸附催化轉化 器之后的 NOx 傳感器用于監(jiān)控催化器和調節(jié)廢氣凈化。 借助 于 NOx 傳感器就能夠直接監(jiān)測 NOx 的吸附存儲過程,當 NOx 的吸附存儲量達到飽和狀態(tài)時才按需要開始進行 NOx 的再生,使得在每個稀薄一加濃循環(huán)中, NOx 的再生總是與 原始排放的波動和催化器的吸附催

8、化活性老化程度相匹配, 既提高了 NOx 的催化轉化效率, 又能減少再生頻率降低燃油 耗。NOx 吸附催化轉化器在批量生產中的應用, 不僅要注意 在新狀態(tài)下的催化轉化率,還要考慮其長期運行的性能穩(wěn)定 性。后者主要取決于催化劑的高溫穩(wěn)定性及其對燃油中硫的 容忍度。通常小Ox吸附催化轉化器的正常工作溫度在250450C之間。如果廢氣溫度高于 750%,運行較短的時間后就 會對 NOx 的吸附存儲和催化還原的活性能力造成嚴重的損害。圖 53 中示出了某種 NOx 吸附催化轉化器在承受高溫 (750850%)排氣沖刷一段時間后 NOx轉化率的下降情況。 除了耐高溫之外, NOx 吸附催化轉化器的耐久性

9、很大程度上 取決于其抗硫能力。由于硫具有與氮相似的化學性質,因此 燃油中含有的硫會與堿土金屬化合成硫酸鹽的形式被吸附 到 NOx 存儲材料上,占據(jù)其活性位置,并逐漸把它們堵 塞。雖然存儲在 NOx 吸附催化轉化器中的硫,在溫度超過 650 C且混合汽較濃即排氣中無氧的情況下,會在很大程度 上被去除而隨排氣流出 (稱之為脫硫作用 ),但這要求發(fā)動機 大負荷運行以提高排氣溫度,例如在高速公路上行駛往往能 自動達到,但是從圖 58 所示出的,在大多數(shù)情況下,特別 是市內行駛條件下,還是需要通過發(fā)動機的電控系統(tǒng)采取附 加的加熱措施,例如控制點火定時、控制過量空氣系數(shù)、控 制配氣定時以及控制噴油時刻和數(shù)

10、量等來大大提高排氣溫 度。但是,采取這些加熱措施后,免不了會在短期內使燃油 耗增加。只有當燃油的含硫量低于10ppm(稱之為無硫燃油)時, NOx 吸附催化轉化器的硫化很緩慢, 才可以不用專門的 脫硫對策。 但是。 能普遍供應這種無硫燃油的國家和地區(qū)(如挪威、日本等)并不廣泛,這就是目前 k =1的均質燃燒直噴 式汽油機應用較多的主要原因。圖 59 示出了某種分層稀燃直噴式汽油機采用的對NOx 吸附催化轉化器最有利的排氣系統(tǒng)布置方案。發(fā)動機排氣管 按汽缸點火相位均勻地分成兩組做成 Y 形,發(fā)動機的排氣分 成兩支流入前置催化轉化器,然后再合并成一支。前置催化 轉化器靠近發(fā)動機布置, 而 NOx

11、吸附催化轉化器則布置在汽 車地板下面。前置催化轉化器前有一個常規(guī)的氧傳感器,其 后為溫度傳感器??拷l(fā)動機布置的前置催化轉化器在發(fā)動 機冷啟動后通過兩次噴油能很快起燃,然后發(fā)動機在化學計 量比混合汽下運行。 只有在 NOx 吸附催化轉化器起燃后才開 始以稀混合汽運行。前置催化轉化器的尺寸要足以確保發(fā)動 機以化學計量比混合汽運行,直到中高負荷都能充分凈化發(fā) 動機的排放物。 這種 Y 形布置的排氣系統(tǒng)除了具有良好的全 負荷性能外, 對于 NOx 吸附催化轉化器還有可能實現(xiàn)有利的 加熱對策。當發(fā)動機用化學計量比混合汽運行時,可把兩組 汽缸輪流地分別微調到略稀和略濃的混合汽,而總管內仍保 持為化學計量比。 用這種方法可以在

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