排放控制系统1.doc

排放控制系统（降低空气污染）82094043顾雪波1、 汽车公害 1 、汽油主要是由C4C10各族烃类组成，是混合物，没有明确的化学式。里面辛烷（C8H18）非常重要，车用汽油的抗爆性用辛烷值表示。辛烷值是这样给定的：异辛烷的抗爆性较好 ，辛烷值给定为100 ，正庚烷的抗爆性差， 给定为 0，汽油辛烷值的测定是以异辛烷和正庚烷为标准燃料，使其产生的爆震强度与试样相同，标准燃料中异辛烷所占的体积百分数就是试样的辛烷值。辛烷值高，抗爆性 好。汽油的等级是按辛烷值划分的。 汽油供给装置向进气管提供一定比例的汽油与空气相混合，即形成混合气。汽油燃烧时按下式进行化学反应: CaHb+O2CO2+H2O 因为汽油的成分不是一种有机物，所以用CaHb表示。 空气和汽油的混合比，即空气质量与汽油质量比，称为“空燃比”，通常美国用A/F空燃比表示。其公式如下: A/F=空气质量/汽油质量 2、柴油主要是由烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃、多环芳烃与少量硫(260g/kg)、氮(1g/kg)及添加剂组成的混合物。以燃料油为例：白色或淡黄色液体。相对密度0.85。熔点-29.56。沸点180370。闪点40。蒸气密度4。蒸气压4.0kPa。蒸气与空气混合物可燃限0.75.0% 。不溶于水。遇热、火花、明火易燃,可蓄积静电,引起电火花。分解和燃烧产物为一氧化碳、二氧化碳和硫氧化物。 3、当我们提到汽车污染，首先是指汽车排气的污染。人们常常可以看到小轿车后面排气管喷出的团团白烟，柴油汽车和三轮摩托车还冒着滚滚黑烟，而且夹带着难闻的气味，加上喇叭声和汽缸振动的噪声，更是令人厌恶。据统计，1000千克汽油通过汽车发动机燃烧产生动力后，要排出1070千克尾气。另外，还有从燃料和燃烧系统中蒸发、泄漏出来的气体和汽油，约有2040千克。汽车发动机空档运转时排出的一氧化碳最多，约占排气量的5%。汽车缓慢行驶时，排气管喷出的烟是黑的，这说明燃料燃烧不完全，很多碳粒随气体排出。汽车高速行驶时，车尾喷出团团白烟。此时排气量最大，白烟中氮氧化物含量很高，这是汽油在高温燃烧下产生的一种有害气体。 汽车尾气的危害程度主要取决于汽油的成分。过去，车用汽油通常都用四乙基铅作为防爆剂，这样的汽油一1做含铅汽油。含铅汽油使汽车排放的尾气中含有较高浓度的铅，对人体健康危害严重。鉴于此，我国已于2000年开始使用无铅汽油，相应的四乙基铅被一系列新型汽油防爆剂所取代。在我国，无铅汽油是指含铅量在O.013gL以下的汽油。所以说无铅汽油并非铅含量为零的汽油，因此，汽车尾气中仍然含有少量的铅。农村居民，一般从空气中吸入体内的铅量每天约为1微克；城市居民，尤其是街道两旁的居民每天吸入的铅量会大大超过这个数值。 目前，无铅汽油中取代四乙基铅的新型防爆剂主要有：芳香烃类、甲基叔丁基醚(MTBE)、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基锰(MMT)、醇类等，其中以MTBE用量最大。废气中含有 150200种不同的化合物，其主要有害成分为：未燃烧或燃烧不完全的CH、NOx、CO、CO2、SO2、H2S以及微量的醛、酚、过氧化物、有机酸和含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染等。其中对人危害最大的有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅的化合物及颗粒物。有害气体扩散到空气中造成空气污染。 汽车尾气的颗粒物中含有强致癌物苯并(a)芘，在一般情况下，1克颗粒物含有约70微克苯并(a)芘，每燃烧1千克汽油可产生30毫克苯并(a)芘。当空气中的苯并(a)芘浓度达到0.012微克/立方米时，居民中得肺癌的人数就会明显增加。汽车尾气不仅对人产生危害，对植物也有毒害作用，尾气中的二次污染物臭氧、过氧乙酯基硝酸脂，可使植物叶片出现坏死病斑和枯斑。乙烯可影响植物的开花结果。汽车尾气对甜菜、菠菜、西红柿、烟草的毒害更为严重。公路两侧的农作物减产与汽车尾气的污染明显相关。 4、汽车的净化措施在汽车排出的成分中，CO、HC和NOx是主要的污染物质，因此，目前汽车的排污标准和净化措施也旨在降低这三种成分和含量。为此在汽车上采取了下列净化措施: (1)电子燃油喷射(EFI ),减少废气HC、CO和NOx的排放量; (2)三元催化装置(TWC ),减少废气HC、CO和NOx的排放量; (3)油箱蒸发物排放控制(EVAP ) ,减少HC气体排放量;(4)废气再循环( EGR),减少NOx排放量; (5)曲轴箱强制通风(PCV)，减少HC气体的挥发;(6)二次空气供给，减少HC、CO的排放量二、废气再循环控制（EGR)系统排气再循环（Exhaust Gas Recirculation）为汽车用小型内燃机在燃烧后将排出气体的一部分分离出、并导入进气侧使其再度燃烧的技术（手法或方法）。主要目的为降低排出气体中的氮氧化物（NOx）与分担部分负荷时可提高燃料消费率。取其每个英语单字的字首为“EGR”为通称。 内燃机在燃烧后排出的气体中含氧量极低甚至是没有，此排出气体气合后会使吸气中氧气浓度降低，因此会产生下列现象: 比大气更低的含氧量在燃烧时（最高）温度会降低，会抑制氮氧化物（NOx）的产生。燃烧温度降低时，汽缸与燃烧室壁面、活塞表面的热能发散会降低，另外因热解离造成的损失也会有些微降低。燃油引擎其部分负荷为汽缸内在非EGR时为了提供等量的氧气量（为了得到同一轴的出力），因此需要将油门开大，结果吸气时的吸油（油门）损失较低，燃料消费率会提高。此即为活塞在一次行程下吸入的氧气降低时，会如同使用小排气量引擎采下加速前进时一样的效果。EGR 的返流量依燃油引擎的情形(在吸气量中)下最大为15%，而怠速时与高负载时则会停止。以车辆重量来看引擎出力较小的大型柴油车，其引擎负载较高，为了能够达到排气量标准也常会使用到EGR技术。 EGR-工作原理及运用 宝来1.8L发动机的EEGR系统组成发动机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源，随着环境保护问题的重要性日趋增加，降低发动机有害排放物这一目标成为当今世界上发动机发展的一个重要方向。随着世界石油制品的消耗量逐年上升，国际油价居高不下，柴油车的经济性日渐突出,这使得柴油机在车用动力中占据着越来越重要的地位。所以开展柴油机有害排放物控制方法的研究，是从事柴油机设计者的首要任务。本文在这里简述降低有害排放物的控制技术中的一种-废气再循环系统。 废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation)简称EGR，是将柴油机产生的废气的一小部分再送回气缸。再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程，也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢，这就是氮氧化合物会减少的主要原因。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量(mass flow) 减少，因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。EGR系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成份最低。由于废气再循环量的改变会对不同的污染成份可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折衷的，使相关污染物总的排放达到最佳的方案。比方说，尽管提高废气再循环率对减少氮氧化物（NOx）的排放有积极的影响, 但同时这也会对颗粒物和其他污染成份的增加产生消极的影响。 系统分类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 ： 内置EGR系统特点：通过改变配气相位实现，结构简单，应用方便，但难以精确控制EGR率效果不显著。 内部EGR外置EGR系统特点：需要外加专门的管道，通过电控系统可精确控制EGR率效果显著，目前较为常用 。 外部EGR废气再循环方式增压中冷柴油机实现废气再循环一般有两种方式：一种是将涡轮前的排气引入中冷器之后，称为高压废气反向。采用可变截面涡轮增压器，可以扩大废气再循环有效工作范围，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最好方法。另一种是将涡轮后的排气引入压气机之前，称为低压废气再循环系统，它可有效降低氮氧化物，而废气循环工作范围较大，与柴油机匹配能有效地发挥其功能。 现在我们运用得最多的是低压废气再循环系统，其系统的主要元件是数控式EGR阀。数控式EGR阀安装在右排气歧管上，作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制，而不管歧管真空度的大小。EGR阀通过3个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回进气歧管的废气量，以产生7种不同流量的组合。每个计量孔都由1个电磁阀和针阀组成，当电磁阀通电时，电枢便被磁铁吸向上方，使计量孔开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时，具有良好密封性。 控制策略(1) 控制原则发动机的工况不同，对EGR量的要求也不同。为了使EGR系统能更有效地发挥作用，必须对参加EGR的废气数量加以限制。 随着负荷的增加，EGR的量也相应地增加，并能达到最佳值；怠速及低负荷时，NOx排放浓度较低，为保证正常燃烧，不进行EGR； 暖机过程中，发动机温度低，NOx排放浓度也较低，为防止EGR恶化燃烧过程，不进行EGR；大负荷、高速或油门全开时，为保证发动机的动力性，不进行EGR；加速时，为了保证汽车的加速性及必要的净化效果，EGR在过渡过程中起作用。 (2) 控制方式根据上述EGR的设计原则，必须对EGR进行控制和调节，使EGR在发动机中的应用能达到预期的效果。EGR的控制和调节的方法很多，根据其主要的特点可以从不同的角度进行分类。 EGR控制方式分类1）机械式和电子控制式机械式EGR系统 优点：结构简单，成本低，容易实施执行。 缺点：系统缺乏柔性。 电子控制式EGR系统（气电式和磁电式） 动态响应好，控制精度高。 2）开环控制和闭环控制l开环控制 优点：结构简单，控制方便。 关键：EGR率的精确控制依赖于控制MAP的精确制取。 l闭环控制 优点：能根据发动机的工况自动调整到最佳EGR量， 控 制精度高，动态响应好。 缺点：结构复杂。 目前情况 目前采用的废气再循环系统还有一种类型，日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统在柴油机进气过程中，排气门稍有提升，使部分高压废气回流到汽缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的形状和将废气再循环系统微升来实现的。在脉冲式废气再循环系统中，废气被重新送回气缸内，因此废气的压力应高到足以使气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时，从而利用废气的压力波才能实现，在该废气再循环系统中，废气压力“脉冲”被有效利用。 废气再循环（EGR）传感器：EGR传感器的用途是使车辆符合世界各国的废气排放标准。EGR传感器向引擎电子控制系统反馈废气流量信息。除去上述用途，EGR传感器的结构使得它还适用于踏板位置检测和采暖通风与空调系统中。 1.作用：废气再循环(EGR)系统用于降低废气中的氧化氮(NOX)的排出量。氮和氧只有在高温高压条件下才会发生化学反应，发动机燃烧室内的温度和压力满足了上述条件，在强制加速期间更是如此。 当发动机在负荷下运转时，EGR阀开启，使少量的废气进入进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭，几乎没有废气循环至发动机。汽车废气是一种不可燃气体(不含燃料和氧化剂)，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降低燃烧温度和压力，以减少氧化氮的生成量。进入燃烧室的废气量随着发动机转速和负荷的增加而增加。 2.工作原理：EGR系统的主要元件是数控式EGR阀，数控式EGR阀安装在右排气歧管上，其作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制，而不管歧管真空度的大小。 EGR阀通过3个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回进气歧管的废气量，以产生多种不同流量的组合。每个计量孔都由1个电磁阀和针阀组成，当电磁阀通电时，电枢便被磁铁吸向上方，使计量孔开启-阀门开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时，具有良好密封性。 EGR阀通常在下列条件下开启：1.发动机暖机运转。2.转速超过怠速。ECM根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器来控制EGR系统。三、曲轴箱强行通风（PCV)PCV是英文Positive Crankcase Ventilation(曲轴箱强制通风)三个字的简写，中文的意思是曲轴箱(或油底壳)积极通风控制系统。PCV阀由阀体、阀门、阀盖、弹簧组成，不可分解。其主要作用是：将曲轴箱内的气体通过PCV阀导入进气歧管，并有少量的空气由空气滤清器经PCV阀直接进入进气歧管，这就避免了节气门处结冰、燃烧不充分、排放恶化等现象。防止窜气进入大气，同时防止机油变质。 当发动机作功燃烧过程的末端，一些未燃混合气在高压力下从活塞环漏入曲轴箱内，业内将这种泄漏称为“窜气”。这些窜气会从曲轴箱内逸入大气中造成污染。这些窜入的混合气不被排除，还会稀释曲轴箱内的机油，使机油变质造成发动机机件过早磨损。从二十世纪60年代起，美国加利福尼亚州就率先要求汽车要加装PCV系统，现在已经成为汽车的必须装备。 现在大部分汽油机都装有PCV阀(曲轴箱强制通风装置)促使发动机换气，但窜气中的污染物会沉积在PCV阀的周围，可能使阀堵塞。如果PCV阀堵塞，则污染气体逆向流入空气滤清器，污染滤芯，使过滤能力降低，导致燃料消耗增大，发动机磨损加大，甚至损坏发动机。因此，须定期保养PCV，清除PCV阀周围的污染物。 PCV阀的源由及功能每部车都有排气管将引擎燃烧的废气排出车外，但并没有办法将废气百分之百地排出去，仍会有少部份的燃烧废气经由活塞与汽缸壁的间隙钻进油底壳中，一旦进入油底壳的油气累积多了，无法排除的话，就会形成气压，不但会稀释机油，造成引擎机件润滑不良，也会造成机油异常消耗等等的严重后果。所以油底壳中的油气必须有泄放的管道，以往在汽车排气污染立法管制之前，都是从油底壳接条管子，让油气直接排放到大气当中。车子愈老，燃烧油气吹漏愈严重，从油底壳排出的废气就愈多，形成严重的空气污染。 从60年代起，在美国加州就率先要求汽车要加装PCV系统，所以PCV可说是历史最悠久的排烟污染防治系统。它有一个控制阀一头接引擎的进气管、一头接油底壳，这样引擎发动运转之后，进气所产生的真空就可以将油底壳中的油气吸出来，让它随着新鲜的空气一起进入汽缸烧掉而得以解决污染问题。 PCV阀工作过程最早使用的曲轴箱强制通风系统为开式系统，这种系统仅在进气管与曲轴箱之间加装一个带有PCV阀的通风管。工作过程是：外界的新鲜空气在进气真空作用下，通过加机油口盖等处与大气相通的通风口进入曲轴箱中与曲轴箱中窜气混合后，通过PCV阀被吸入进气系统中进入燃烧室燃烧。这种系统结构简单，安装维护方便简单，但在某些工况下不能将所有曲轴箱窜气吸入进气系统中，尤其是大负荷下，曲轴箱窜气增大，进气管真空降低不能将所有窜气全部吸入进气系统，部分窜气从加机油口盖处排入大气中，从而造成对环境的污染。对开式系统进行改进后形成了闭式曲轴箱通风系统。这种系统是在开式系统的基础上密封曲轴箱，在空气滤清器与化油器(电喷发动机为节流阀体)之间增加一与曲轴箱连通的通风管，新鲜空气先经空气滤清器、通风管进入曲轴箱中与窜气混合，在进气管真空作用下经过PCV阀进入气缸进行燃烧。当发动机在大负荷下工作时，多余的窜气经通风管进入空气滤清器后方，与发动机进气混合进入气缸进行燃烧。闭式系统既不会使窜气排入大气，又能用新鲜空气进行曲轴箱换气，目前在世界上被普遍采用。 PCV阀工作原理PCV阀是一个计量控制阀。安装在发动机曲轴箱通风系统与进气系统之间。PCV阀由真空度来控制，调节曲轴箱通风系统产生的油烟进入进气系统的流量，当发动机高速运转时的流量要比低速时要高，同时当发动机发生回火时，PCV阀应能切断通风防止曲轴箱爆炸.。 PCV装置PCV是PositiveCrankcaseVentilation(曲轴箱强制通风)的缩写。它的作用是防止窜气进入大气，同时防止机油变质。当发动机作功燃烧过程的末端，一些未燃混合气在高压力下从活塞环漏入曲轴箱内，业内将这种泄漏称为“窜气”。这些窜气会从曲轴箱内逸入大气中造成污染。这些窜入的混合气不被排除，还会稀释曲轴箱内的机油，使机油变质造成发动机机件过早磨损。 装置PCV装置主要由通气软管、PCV阀组成。通气软管一条一般接通空气滤清器至气门室盖，另一条接通PCV阀至进气歧管。PCV阀由柱塞式阀门和弹簧构成，位于进气歧管的一侧，进气歧管的真空度决定了PCV阀的开闭及开启的程度，而PCV阀的开闭及开启的程度又决定了窜气混合气被重新吸入进气歧管参加燃烧的数量。 换句话说，当发动机常速或转速比较慢时，气流量小，窜气也少，PCV阀开度较小甚至关闭，因而被强制吸入燃烧的窜气也比较少甚至没有。当发动机加速或转速比较高时，气流量大，窜气也大，PCV阀开度较大，因而被强制吸入燃烧的窜气也比较多。 检查方法使发动机怠速运转，从气缸罩盖软管处拆下PCV阀，检查PCV阀是否堵塞。若把手放在PCV阀接口处，手指可感到有强烈的真空吸力。 另一种检查方法是，将PCV阀装复后从空气滤清器上卸下曲轴箱进气管，用一张薄纸轻轻盖在管口上，待曲轴箱内压力减小时(约lMIn后)，应明显见到薄纸被吸向管口。此外，停止发动机运转后，卸下PCV阀后用手摇动检查，若听到有“咔嗒”声，说明PCV阀灵活可用。 实例宝马PCV阀故障分析 故障现象：一辆2000款宝马520客户反映，该车在正常使用中突然发现排气管有大量白色烟雾冒出，同时发动机抖动，怠速不稳。 故障诊断：接车后发现该车故障现象正如客户所述，在随后的检查中发现，6只火花塞及所有活塞表面均附着一层未被燃烧的机油；同时还发现在发动机怠速运转时，打开发动机机油加油盖时有较强的吸气感觉，打开盖的同时发动机有抖动加剧的现象。运用排除法把发动机燃烧室内进机油的可能性一一排除，无论是缸套、活塞、活塞环或汽门油封、导管等都不可能同时突然损坏，显然大量机油同时进入6个燃烧室，肯定还有别的原因，此时回想到怠速时机油加油盖有较强的吸气感觉，根据这一现象进行分析，进气室与曲轴箱相通，发动机在工作时，曲轴箱内产生出的气体通过PCV阀与进气歧管相连。 发动机在工作过程中，活塞从压缩到作功行程时会从活塞、汽缸的间隙中窜出一些气体，这些气体进入曲轴箱后产生的后果是：使机油产生热分解而变脏生成油泥，使零部件加速磨损、氧化；同时也会使机油品质显著下降，其次还会使发动机过热造成早燃引起活塞环胶着造成汽缸擦伤等。为解决上述问题，曲轴箱内必须有新鲜空气不断循环降低曲轴箱内工作温度，稀释窜入的废气，而此时若循环后气体排入大气就会造成环境污染和能源浪费，为此发动机设置了曲轴箱通风阀及PCV阀，通过PCV阀啊曲轴箱与及其歧管连接在一起，PCV阀内的压力调节阀可根据曲轴箱与进气歧管内的压力差起节流作用。 再根据宝马PCV阀的特点，宝马发动机的PCV阀为全封闭式，曲轴箱通往PCV阀的管路安装在机油标尺底部，若PCV阀不能起到节流作用，怠速时进气歧管内的真空度特别高，由于机油附着于火花塞表面而造成火花塞工作不良，从而发动机抖动，而打开机油加油盖时，由于PCV阀的损坏，大量的空气为经空气流量传感器进入进气歧管再次抖动加剧，再因三元催化的作用，有害气体被过滤，所以排出的烟雾呈白色。 通过以上分析，可以判断该车PCV阀损坏，更换该阀后故障排除。4、 油箱蒸发物排放控制（EVAP）系统 活性炭罐控制系统 油箱中的燃油因外部空气和排气管的热辐射变热，加之从系统回油管流回的过量燃油，它在流过发动机零部件时，这些部件已被热的发动机机辐射加热，结果燃油箱中的燃油受热挥发。这就产生了排放物。它主要来自燃油箱的燃油蒸气。蒸发物排放受环保法规的限制。该法规要求安装蒸发物排放控制系统。该系统配备有安装在油箱通风管末端的活性炭滤清器(又叫活性炭罐)。活性炭滤清器中的活性炭吸附燃油蒸气，为了使活性炭罐在饱和后，具有再生功能，在发动机运行时，进气管中产生真空将这股新鲜空气和汽油蒸气经过炭罐吸进进气管。这股空气流吸收了储存在活性炭中的燃油蒸气，并把它们带到发动机中以供燃烧。为了使空燃比控制更精确和利于自诊断，在与进气管相通的导管上安装炭罐电磁阀，计量这股再生“清洁”气流。 清洁气流必定是不知道成分的油气混合物，因为它含有新鲜空气，也含有从活性炭罐中吸收的一定浓度的燃油蒸气。因此对于空燃比闭环控制系统，清洁气流是主要的干扰因素。相当于进气总量1%的且主要是由新鲜空气组成的清洁气流，将会使全部进气混合气稀释1% ;另一方面，清洁气流含有较多的汽油成分时，也可使混合气加浓30%，即活性炭罐的汽油成分会对空燃比影响1%30%。图8-5所示为蒸发物排放控制系统。 图8-5 蒸发物排放控制系统 活性炭罐电磁阀在保持空燃比偏移量最小的同时，确保活性炭罐有足够的通气量，才能保证活性炭吸附的吸附能力不下降。 怠速时进气歧管有最大的真空度，此时活性炭罐电磁阀打开是最好时机。其他工况打开，由于进气歧管没有最大的真空度，活性炭罐电磁阀打开也没有实际意义。 在怠速阶段，氧传感器的空燃比反馈控制系统未工作时，只有极少的清洁气流能进入进气系统或根本不进入进气系统。因为即使氧传感器的信号进入电脑，某些工况电脑也不进行反馈调节，系统也没有能够补偿清洁气流引起的混合气浓度偏移量的程序。所以ECU为了让此时的混合气不受来自油箱的气流干扰，活性炭罐电磁阀在此时间段中关闭。例如启动和怠速的某些工况，活性炭罐电磁阀关闭。 另如，为防止未燃烧的燃油蒸气进入催化转化器，一旦节气门全闭时，活性炭罐电磁阀立即断电关闭，以响应供油中断。 在热车时，怠速和部分负荷节气门后有真空吸力，且空燃比反馈控制起作用，这时是活性炭罐电磁阀打开的最好时刻。 清洁气流吸收一定的气态“燃油蒸气”(或叫“燃油负荷”)，燃油负荷的大小由来自先前的再生循环数据(电脑内时间记数器记录上一次活性炭罐电磁阀打开到现在积累的时间)来确定在刚接通清洁气流时的占空比。系统选择最合适工况，由ECU发出占空比信号以一定开度打开电磁阀。与此同时，控