第六章汽车排放污染净化技术.ppt

长安大学汽车学院 汽车服务工程系郝艳召 汽车污染与环保 第六章汽车排放污染物净化技术 前处理技术汽油机机内净化技术柴油机机内净化技术后处理技术 1 汽油 柴油品质提升 一 前处理技术 2 燃油添加剂 减少积碳和喷嘴堵塞 3 清洁燃料 1 汽油 提高辛烷值2 柴油 减少芳香烃含量3 降低硫含量4 降低铅含量 1 汽油 柴油品质提升 一 前处理技术 1 汽油 柴油品质提升 一 前处理技术 1 汽油 柴油品质提升 一 前处理技术 为了降低汽车排放污染 同时也为了节省能源和开发新的汽车能源 以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖 国内外都在不懈的探索和研究更理想的动力系统和排放污染更低的代用燃料 目前已经得到实际应用的清洁燃料包括 3 清洁燃料技术 液化石油气 LPG 压缩天然气 CNG 醇类燃料 氢燃料 电能 1 液化石油气 LPG 3 清洁燃料技术 液化石油气是原油炼制汽油 柴油过程中的副产品 其主要成分是丁烷和丙烷 与汽油相比 液化石油气的单位热值较低 只有高级汽油的2 3左右 其辛烷值比汽油高 这些差异决定了液化石油气发动机的优缺点包括 优点 排气污染较少 LPG是由C3 碳三 C4 碳四 组成的碳氢化合物 可以全部燃烧 无粉尘 发动机和排气系统使用寿命长 燃烧积碳少 换机油周期长 运转较为平稳 易于运输 LPG在常温常压下是气体 在一定的压力下或冷冻到一定温度可以液化为液体 可用火车 或汽车 槽车 LPG船在陆上和水上运输 改装难度小 由汽油机改装成LPG发动机的技术难度不大 推广应用快 1 液化石油气 LPG 3 清洁燃料技术 液化石油气是原油炼制汽油 柴油过程中的副产品 其主要成分是丁烷和丙烷 与汽油相比 液化石油气的单位热值较低 只有高级汽油的2 3左右 其辛烷值比汽油高 这些差异决定了液化石油气发动机的优缺点包括 缺点 容积油耗高15 需要使用较大的特殊燃油箱 气门磨损严重 加速性能差 1 液化石油气 LPG 3 清洁燃料技术 液化石油气车辆的改装与排放比较 由表可以看出 与改装之前的汽油机相比 使用LPG后功率损失约7 8 燃料消耗量按照燃料热能计算降低了3 HC CO和NOx排放分别减少了38 86 和25 2 压缩天然气 CNG 3 清洁燃料技术 天然气燃料特性 天然气的主要成分是甲烷 甲烷不易着火 抗爆性好 所以纯天然气发动机的压缩比可以设计的很高 有利于提高内燃机的热效率 甲烷的氢碳比为4 是汽油和柴油的2倍 由于碳原子少 所以产生相同的热能时 甲烷燃烧所产生的CO2比汽油少得多 碳烟和微粒物也较少 天然气是气体燃料 容易形成混合气 所以冷起动阶段有害排放物减少 甲烷的密度只有空气的一半左右 万一出现泄漏事故 气体不会留在地面 加上天然气着火性能差 所以使用起来比较安全 天然气的缺点是能量密度低 即使用20MPa的压缩天然气的汽车加足一次燃料也只能行驶汽油车的1 4距离 2 压缩天然气 CNG 3 清洁燃料技术 压缩天然气主要用于汽油机 目前汽油机使用压缩天然气是以双燃料为主要方式 它是在汽油机的基础上保留汽油机的燃料供给系并附加了一套压缩天然气瓶 调压阀及计算机流量控制装置等 在汽车行驶过程中 司机可根据需要随时进行切换 这种方式的优点是汽油机改造成本相对较低 3 醇类燃料 3 清洁燃料技术 醇类燃料主要包括甲醇和乙醇 醇类燃料的特点 甲醇 醇类燃料分子结构中含有氧元素 因此单位醇类燃料完全燃烧所需要的空气比汽油或柴油要少得多 着火性较差 辛烷值高 抗爆性好 允许发动机有较高的压缩比 热值比汽油低 因此使用醇类燃料的发动机当要求有相同的运转时间时 必须相应加大燃料箱的体积 汽化潜热高 因此醇类燃料在汽化时所需的热能比汽油多 同时采用醇类燃料蒸气压低于汽油机 这会影响发动机的冷起动性能 并且低的蒸气压和高的汽化潜热对发动机的混合气形成系统提出了更高的要求 醇类燃料的排气中还有较多的甲醛和乙醛 对人体有害 3 醇类燃料 3 清洁燃料技术 1 醇类燃料用于汽油机 甲醇和汽油的混合燃料 汽油机使用该混合燃料时 发动机和燃油系统都需要进行改造 由于甲醇具有腐蚀性 因此燃油系统的橡胶件和塑料件等都需改用抗侵蚀的材料 混合燃料的挥发性较大 为避免热起动和由于汽阻引起的加速性下降等问题 必须采取加大燃油循环量等措施 由于混合燃料具有较高的蒸发潜热 因此阻风门和暖机装置必须与之相适应 与纯汽油机相比 采用混合燃料的CO HC和NOx排放分别降低6 7 15 5 和5 3 按能量计算的燃油消耗率下降了2 6 3 醇类燃料 3 清洁燃料技术 2 醇类燃料用于汽油机 纯甲醇燃料 由于醇类燃料的特性 发动机需要做一系列的改进 混合气的形成装置必须与甲醇燃料较低的热值及较小的空气量相配合 适当提高发动机的压缩比 以利用甲醇的高辛烷值特性获得更大的热效率和输出功率 采用进气加热 增加点火能量 辅助喷射和在甲醇中添加低沸点的添加剂等措施来改善发动机的冷起动及暖机性能 第六章汽车排放污染物净化技术 前处理技术汽油机机内净化技术柴油机机内净化技术后处理技术 1 电子控制燃油喷射系统 EFI 二 汽油机机内净化技术 6 层状充气发动机 2 推迟点火 减小点火提前角 3 废气再循环 EGR 4 燃烧系统优化设计 5 可变进气系统 1 电控燃油喷射系统 1 发展历史 机械式 电控式 二 汽油机机内净化技术 20世纪30年代 汽油喷射系统开始用于军用飞机上 1954年 德国奔驰公司在奔驰300SL上安装了机械式汽油喷射系统 K型 20世纪60年代 又在K型的基础上发展了机电组合式汽油喷射系统 KE型 20世纪60年代后期 随着电子技术的发展 德国博世 BOSCH 公司研制出了电控燃油喷射系统 ElectronicFuelInjectionSystem EFI 1 电控燃油喷射系统 1 发展概况二 二 汽油机机内净化技术 德国BOSCH公司电控燃油喷射系统 EFI 发展历史 1 电控燃油喷射系统 2 特点一 二 汽油机机内净化技术 燃油喷射技术将具有一定压力的燃油直接喷射到进气歧管 与进入的空气混合而形成适当浓度的可燃混合气 这种混合气形成方式相比于化油器具有如下的优点 进气阻力小 由于进气管中没有狭窄的喉管 发动机的进气阻力小 使发动机的充气效率得以提高 从而有效地提高了发动机的动力性 汽油雾化质量好 采用压力喷射方式 汽油雾化质量相比化油器大为改善 有助于形成空燃比适当 各缸均匀的混合气 保证发动机各缸均有良好的燃烧 降低油耗和排气污染 并且燃油喷射可在发动机低温 低速时使汽油仍得到良好的雾化 因此也改善了发动机低温起动性能和汽车爬坡性能 供油滞后性小 由于汽油以一定的压力直接喷射在进气门处 其对节气门的响应快 因此汽车的加速性能好 1 电控燃油喷射系统 2 特点二 二 汽油机机内净化技术 相比于机械控制燃油喷射系统 电子控制燃油喷射系统还具有如下优点 空燃比控制精度高 EFI技术可实现非线性的空燃比控制 在发动机的各种工况下均有最佳的基本供油量控制 并且还可根据发动机的温度 废气中的氧含量等参数对供油量作出修正改进 从而保证发动机始终在最佳的空燃比状态下工作 此外采用闭环反馈控制方式的EFI系统 还能够满足三元催化剂对空燃比的严格要求 可实现汽车减速断油控制 从而进一步减少燃油的消耗和排气污染 可实现与其它电子控制系统的协调控制 使汽车的安全性 舒适性 动力性及经济性得到进一步提高 1 电控燃油喷射系统 3 分类一 二 汽油机机内净化技术 按喷油地点分为 缸外喷射 在节气门上方 单点 或进气门前 多点 进行喷油 缸内直喷 喷油器安装在发动机气缸盖上 汽油直接喷射到气缸内 该喷射方式要求较高的喷油压力 喷射的时间要求很严 并且喷油器要承受高温 高压 结构较为复杂 缸内喷射技术在早期的机械控制燃油喷射装置中采用较广 之后随着电控燃油喷射装置的发展 该技术的应用减少 但是近年来 为了进一步提高汽油发动机的动力性 经济性和排放性能 人们又致力于研究开发缸内喷射式电子控制燃油喷射装置 稀薄燃烧汽油机 1 电控燃油喷射系统 3 分类二 二 汽油机机内净化技术 缸外喷射按喷油器数量分为 单点喷射和多点喷射 单点喷射 SinglePointInjection SPI 几个气缸共用一个喷油器 安装在节气门体上 多点喷射 MultiPointInjection MPI 每个气缸都装有一个喷油器 安置在进气门附近 单点喷射系统示意图 多点喷射系统示意图 1 电控燃油喷射系统 3 分类三 二 汽油机机内净化技术 多点喷射系统按喷油方式分为 同时喷油 按发动机转动节拍各缸喷油器同时喷油 可只用一个喷油器驱动电路 结构简单 空燃比的控制精度相对较低 分组喷油 将喷油器分成两组或多组 按发动机转动节拍各组交替同时喷油 该喷射方式控制精度有所提高 但增加了喷油器驱动电路 且需要分组气缸识别信号 控制电路相对要复杂一些 独立喷油 顺序喷油 各缸喷油器按照发动机气缸的工作顺序喷油 各缸独立喷射可相对于各缸的每次燃烧所需喷油量分别设定一个最佳的喷射时刻 因此可以展宽稀薄空燃比界限 进一步降低油耗 该喷射方式需要与气缸数相等的气缸识别信号及喷油器驱动电路 因此其控制电路的结构更为复杂 1 电控燃油喷射系统 3 分类四 二 汽油机机内净化技术 按有无反馈控制分为 开环控制 电子控制单元 ECU 根据传感器的信号对执行器进行控制 但不检测控制结果 无反馈控制修正 闭环控制 在开环控制的基础上 会进一步对控制结果进行检测 并反馈给电子控制单元 ECU 进而对控制进行调整优化 1 电控燃油喷射系统 3 分类五 二 汽油机机内净化技术 按博世 Bosch 公司的命名方式分为 K型 即博世公司的K Jetronic 是一种机械控制单点连续喷射式燃油喷射装置 KE型 为K型的改进型 是一种机电混合控制式燃油喷射装置 D型 即博世公司的D Jetronic 是一种采用速度密度法检测进气量的电子控制燃油喷射系统 用压力传感器检测进气管的压力 并再根据发动机的转速推算出进入发动机的空气量 L型 即博世公司的L Jetronic 是一种采用质量流量法检测进气量的电子控制燃油喷射系统 直接用空气流量传感器检测进气流量 再根据转速确定发动机每循环的进气量 1 电控燃油喷射系统 4 构造 分为进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统四部分 二 汽油机机内净化技术 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 1 进气系统 主要由空气滤清器 流量计 节气门及节气门体 怠速辅助空气通道及怠速调节电磁阀 进气歧管等组成 汽车运行时 在气缸进气行程真空吸力作用下 适量的空气经空气滤清器滤清后 经节气门和 或 怠速通道到进气歧管 与喷油器喷出的汽油混合后从进气门进入气缸 当发动机处于怠速时 节气门关闭 空气由怠速旁通道和怠速辅助通道进入气缸 此时电子控制器通过控制怠速调节电磁阀 来调节怠速辅助空气通道的进气量 从而实现发动机怠速的自动控制 二 汽油机机内净化技术 2 供油系统 主要由燃油箱 燃油泵 燃油滤清器 燃油压力调节器及喷油器等组成 工作时 电动燃油泵将燃油箱的汽油源源不断地泵出 经燃油滤清器滤除去杂质和水份后 在燃油压力调节器的调节作用下 使喷油器内的燃油压力始终保持为一定值 同时喷油器在电子控制器的控制脉冲作用下间歇喷油 将适量的燃油喷入进气管 并与空气混合形成空燃比适当的可燃混合气 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 2 供油系统 燃油泵 燃油泵由直流电动机和油泵组成 当泵内油压超过一定值时 燃油顶开单向阀向油路供油 当油路堵塞时 安全阀开启 泄出的燃油返回油箱 单向阀的作用是在燃油泵停止工作时 使燃油管路中保持一定的油压 以便在发动机再次起动时能及时供油而易于起动 安全阀的作用是防止供油管路中的油压过高 当汽油泵工作压力达到400kpa时 安全阀会打开 自动泄压 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 2 供油系统 燃油滤清器 作用 把含在发动机汽油中的氧化铁粉尘等固体杂质除去 防止供油系统堵塞 减小机械磨损 确保发动机稳定行驶 提高可靠性 滤清器一般采用纸质滤心 每行驶20000 40000 或1到2年应更换 1 入口2 出口3 滤芯 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 2 供油系统 燃油压力调节器 作用 根据进气歧管压力的变化来调节进入喷油器的汽油压力 使两者保持恒定的压力差 这样喷油量只取决于喷油器的持续开启时间 从而使电控单元能通过控制喷油时间的长短来精确地控制喷油量 工作原理 发动机工作时 压力调节器膜片上方承受的压力为弹簧压力和进气管内气体压力之和 膜片下方承受的压力为燃油压力 当进气管内气体压力下降时 膜片向上移动 回油阀开度增大 回油量增多 使输油管内燃油压力也下降 反之 进气管内气体压力升高时 弹簧力使膜片下移而关闭回油阀 油压又会回升 二 汽油机机内净化技术 2 供油系统 喷油器 喷油器的作用是根据电子控制器的喷油脉冲信号将适量的燃油喷射到进气歧管中 工作原理 喷油器不喷油时 回位弹簧通过衔铁使喷油阀紧压在阀座上 防止滴油 当电磁线圈通电时 产生电磁吸力 将衔铁吸起并带动喷油阀离开阀座 同时回位弹簧被压缩 燃油经过喷油阀喷出 当电磁线圈断电时 电磁吸力消失 此时回位弹簧迅速使喷油阀关闭 喷油器即停止喷油 喷油器按照喷油阀的结构可以分为针阀式 球阀式和片阀式三种 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 2 供油系统 喷油器 针阀式喷油器使汽油呈环状喷出 有利于燃油的雾化 同时针阀在喷口中往复运动 不易引起喷口的阻塞 球阀式喷油器球阀杆为空心杆 质量轻 并且球阀有自动定心的作用 因而具有较高的密封性能 片阀式喷油器的片阀惯性质量小 喷油器开启滞后时间短 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 3 点火系统 功能是在正确的点火时刻提供高压火花点燃已压缩的混合气 引发混合气燃烧 其中点火由穿透火花塞电极间的瞬时放电产生的电火花来完成 工作原理 点火时刻由发动机的速度和负荷状况计算得到 其中发动机的负荷由进气管压力换算得出 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 4 电子控制系统 主要由传感器 电控单元 ECU 和执行器三部分组成 作用是将各类传感器的工作状况转换成相应的电信号输送给电控单元 经实时处理和计算后 电控单元再向各有关执行器发出指令 以控制最佳喷油时刻 喷油量和点火时刻 使发动机在各种工况下都处于最佳的工作状态 从而降低排放污染 同时电控单元还具有故障自诊断功能 ECU 执行器 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 4 电子控制系统 传感器 作用是把非电量信号转换成电量信号 或将物理量 电量 化学量的信息转换成电控单元能够理解的信号 主要包括 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 4 电子控制系统 氧传感器 作用 检测排气中氧分子的浓度 并将其转换成电压信号或电阻信号 使电控单元能够依据此来控制混合气成份 工作原理 以氧化锆型氧传感器为例 氧化锆管为一多孔性的陶瓷体 具有氧离子传导性 高温下氧发生电离 当管的内外表面接触到氧浓度不同时 即存在浓度差 固体电解质内部的氧离子从内 大气侧 向外 废气侧 扩散 从而使氧化锆管成为电池 在管内外侧的铂电极便产生电压 依据电压大小可以确定废气中的氧气浓度 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 4 电子控制系统 电控单元 ECU 作用 根据自身存储的程序对发动机各种传感器输入的信息进行运算 处理 判断 然后输出指令 控制有关执行器运行 从而达到快速 准确 自动控制发动机工作的目的 ECU是发动机的综合控制装置 其基本构成主要是由各类硬件和软件组成的微型计算机 此外 在ECU内还设有专门的自诊断电路 当发动机运转时 电控单元会持续不断地监测各个部分的工作情况 一旦发现问题 便将故障信号存储于存储器内 并以代码方式显示出来 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 二 汽油机机内净化技术 4 电子控制系统 执行器 作用 根据电控单元输出的电控信号完成所需的机械动作 以实现对发动机一系列的调整与控制 汽车上主要的执行器有电动喷油泵 电磁喷油器 怠速电控阀 点火控制装置 废气再循环控制装置等等 1 电控燃油喷射系统 4 构造 进气系统 供油系统 点火系统和电子控制系统 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 喷油量控制喷油正时控制空燃比控制点火控制 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制电子控制器 ECU 根据各传感器输入的电信号判断发动机的工况和状态 并确定最佳的喷油量 由于燃油喷射系统的喷油压力和喷油器的喷口截面积均是恒定的 因此喷油量的控制实际上就是控制喷油器间歇喷油的时间 最佳喷油量控制包括确定基本喷油量和各种情况下的喷油量修正两部分 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 基本喷油量基本喷油量指保证发动机在正常的工作温度下运行时有最佳的空燃比 电子控制器根据发动机转速传感器采集的转速信号 进气压力传感器采集的进气管的压力信号或空气流量传感器采集的的进气流量信号来确定基本喷油量 基本喷油时间 基本喷油时间 Tp 可根据发动机转速参数和空气流量参数计算确定 式中Ga 空气流量 g s C 与喷油器结构和理论空燃比有关的常数 Z 发动机气缸数 n 发动机转速 r min 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 基本喷油量基本喷油时间 Tp 还可采用查寻法来确定 即首先通过试验确定发动机特定工况下的最佳基本喷油时间 取得一组发动机转速 空气流量或进气管压力所对应的喷油时间标准数据后 存入存储器中 之后电子控制器中的CPU根据运行中的发动机转速和空气流量 或进气管压力 从存储器中查寻得到最佳的基本喷油时间 如果发动机工作在非特定工况 CPU则根据该工况周围的4个特定工况点的基本喷油时间 通过插值法计算得到该工况下最佳的基本喷油时间 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 为了使发动机在各种情况下都有适当的空燃比 以保证发动机在各种情况下都能有可靠和良好的工作状态 电控燃油喷射系统一般有如下喷油量修正 起动时喷油量修正 起动后喷油量修正 怠速暖机时喷油量修正 加速时喷油量修正 减速时喷油量修正 大负荷时喷油量修正 燃油高温时喷油量修正 燃油关断控制 蓄电池电压变化时喷油量修正 混合气浓度反馈喷油量修正 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 起动喷油量修正 发动机起动时 由于转速很低 因此基本喷油量少 起动喷油修正指通过适当增加喷油量来改善发动机起动性能 其工作原理为电子控制器根据点火开关 发动机冷却液温度传感器和进气温度传感器的信号计算起动喷油量修正值 点火开关信号 当点火开关转至起动档时 点火开关向电子控制器提供发动机起动信号 电子控制器会根据该信号开始起动补充喷油量的修正 发动机冷却液温传感器信号 当发动机冷却液温度低于80 时 电子控制器就会作出低温起动补充喷油量修正 温度越低 其补充量也越多 进气温度传感器信号 进气温度低时 则适当增加起动补充喷油量 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 起动后的喷油量修正 发动机起动后 电子控制器在基本喷油量的基础上增加起动后补充喷油量 以保证发动机在温度较低 汽油雾化不良的情况下能稳定运转 其工作原理为控制器根据点火开关 发动机冷却液温度传感器和发动机转速传感器的信号来计算起动后喷油量修正值 点火开关信号 当点火开关从起动档到点火档的瞬间 电子控制单元判断出起动补充喷油量修正结束 从而开始起动后补充喷油量的修正 发动机冷却液温度传感器信号 发动机冷却液温度越低 起动后初始补充喷油量就越多 发动机转速传感器信号 起动后补充喷油量随发动机的转速信号脉冲的输入递减 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 怠速暖机喷油量修正 发动机冷机起动后 保证发动机起动后能稳定运行的起动后补充喷油量很快就会结束 此时如果发动机的温度还较低 就仍需有较浓的混合气 这就由时间相对较长的怠速暖机喷油量修正来保证 其工作原理为 电子控制器根据发动机冷却液温度传感器 节气门位置传感器及发动机转速传感器的信号作出适当的怠速暖机喷油量修正 节气门位置传感器信号 向控制器提供发动机怠速工况信号 发动机冷却液温度传感器信号 发动机的温度越低 怠速暖机喷油补充量就越大 当发动机冷却液温度升至正常工作温度时 怠速暖机修正量减至零 发动机转速传感器信号 发动机转速有变化时 怠速暖机修正量也会作相应的调整 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 加速时喷油量修正 加速时 基本喷油量控制会使混合气偏稀 为保证发动机有良好的加速性能 必须在基本喷油量基础上增加适当的喷油 此时 电子控制器根据节气门位置传感器 空气流量传感器或进气压力传感器 发动机转速传感器及发动机冷却液温度传感器四种信号来确定合适的加速喷油量修正值 节气门位置传感器信号 向电子控制器提供加速信号 电子控制器根据此信号作出加速喷油量修正 空气流量传感器或进气压力传感器信号 与发动机转速传感器信号一起 供电子控制器计算发动机负荷变化量 Ga n 确定加速喷油修正量 发动机冷却液温传感器信号 发动机温度较低时 加速喷油补充量就越大 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 减速时喷油量修正 与加速时相反 减速时基本喷油量控制会导致混合气过浓 因此电子控制器根据节气门位置传感器 空气流量传感器或进气压力传感器 发动机转速传感器及发动机冷却液温度传感器的信号作出减速喷油量修正 目的是减少喷油器喷油 以降低燃油消耗和排气污染 大负荷时喷油量修正 在发动机大负荷运转时需适当加浓混合气 以保证发动机仍在最佳的状态下工作 此时电子控制器根据节气门位置传感器的信号作出大负荷喷油量修正 当节气门的开度达到34 以上时 电子控制器根据节气门位置传感器的信号电压即可作出大负荷的判断 并开始进行大负荷喷油量修正 以加浓混合气 当节气门开度小于34 时 大负荷喷油量修正立即结束 喷油量修正值的确定同样是依据进气流量或进气压力信号 以及发动机转速和冷却液温度信号来计算 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 燃油高温 热启动 喷油量修正 当汽油温度过高时 喷油器内的汽油会汽化 并且含有蒸汽的汽油会导致喷油量减少而使混合气过稀 因此在汽车热起动时 如果汽油的温度过高时 应适当增加喷油时间 以弥补因汽油汽化所引起的混合气过稀 此时 电子控制器根据点火开关和发动机冷却液温度传感器的信号作出热起动喷油量修正 点火开关信号 点火开关转至起动档时 向电子控制器提供起动信号 发动机冷却液温度传感器信号 当发动机冷却液温度在设定值 通常为100 以上时 电子控制器根据发动机冷却液温度传感器的信号作出燃油高温喷油量修正 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 燃油关断控制 存在两种情况 一是在汽车减速时停止喷油 以达到节油和降低排气污染之目的 二是在发动机转速太高时停止供油 以防止发动机超速损坏 减速时停止喷油控制 电子控制器根据节气门位置传感器 发动机转速传感器和发动机冷却液温度传感器信号作出减速停止喷油控制 节气门位置传感器信号 节气门开度突然减小至关闭时 电子控制器将根据发动机转速和温度情况 确定是否停止输出喷油脉冲 发动机转速传感器信号 在减速过程中如果发动机转速很高 电子控制器将不输出喷油脉冲信号 停止喷油 而当节气门处于关闭位置 发动机转速低于某一个范围时 还需考虑此时的冷却液温度 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 燃油关断控制 存在两种情况 一是在汽车减速时停止喷油 以达到节油和降低排气污染之目的 二是在发动机转速太高时停止供油 以防止发动机超速损坏 减速时停止喷油控制 发动机冷却液温传感器信号 如果此时发动机冷却液温度较低 电子控制器将不作出停止喷油控制 或是在停止喷油状态下恢复喷油 高转速时停止喷油控制 电子控制器根据发动机转速传感器信号作出高转速停止喷油控制 属于一种保护设备目的的喷油量修正控制 即当发动机的转速超过了设定的极限转速时 电子控制器停止输出喷油脉冲 从而使发动机转速下降 以避免发动机因转速太高而引起事故 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 蓄电池电压变化喷油量修正 当蓄电池的电压变化时 会引起喷油器的电磁线圈电流的改变 使喷油器阀开启速率发生变化 因此为消除由于喷油器阀开启速率变化而引起的喷油量偏差 电子控制器将根据蓄电池电压的变化对喷油器通电时间 喷油脉冲宽度 进行修正 即当蓄电池的电压降低时 电子控制器适当延长喷油时间 以补偿因开启速率下降而减少的喷油量 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 1 喷油量控制 喷油量修正控制 混合气浓度反馈喷油量修正 为使发动机的排放有害物降至很低的水平 在发动机的排气通道上安装三元催化转化器来净化废气中的NOx HC和CO 当混合气的浓度在理论空燃比附近时 三元催化转化器的净化效果最佳 混合气浓度反馈喷油修正就是将混合气浓度控制在理论空燃比附近 以保证三元催化转化器良好的排气净化效果 工作原理 氧传感器通过监测发动机排出废气中的氧含量来反映混合气的浓度 电子控制器则根据氧传感器输入的信号对喷油量进行修正 当氧传感器的输入信号电压为0 8V左右时 电子控制器将作出降低混合气浓度 减少喷油时间 修正 当氧传感器的电压为0 1V左右时 电子控制器则作出提高混合气浓度 增加喷油时间 的修正 通过这样的反馈修正 使得发动机的空燃比始终保持在理论空燃比附近 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 2 喷油正时控制 在采用间歇喷射方式的电控燃油喷射系统中 电脑需要控制喷油器喷油的开始时刻 即喷油正时控制 可以分为同时喷射 分组喷射和顺序喷射三种 二 汽油机机内净化技术 2 同时喷油正时控制 特点 各缸喷油器由ECU控制同时喷油和停油 不需要气缸判别信号 对控制系统的要求较低 但由于各缸的喷油时刻距进气行程开始时间间隔存在差异 导致各缸混合气品质差别 工作原理 喷油正时控制以发动机最先进入作功行程的气缸为基准 在该缸排气行程上止点前某一位置 ECU输出指令信号 接通各缸喷油器电磁线圈电路 各缸喷油器同时开始喷油 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 2 分组喷油正时控制 特点 把所有喷油器分成2 4组 由ECU对各组分别控制喷油器 与同时喷油相比 可以提高喷油正时的可控性 改善各缸混合气浓度的均匀性 工作原理 以各组中最先进入作功的气缸为基准 在该气缸排气行程上止点前某一位置 ECU输出指令信号 接通该组各缸喷油器的电磁线圈电路 该组喷油器开始喷油 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 2 顺序喷油正时控制 特点 喷油器驱动回路数与气缸数目相等 各缸混合气的均匀性最好 但是由于每增加一个喷油器控制 ECU内部就需相应增加控制线路和内存空间 会导致系统复杂 成本较高 工作原理 ECU根据凸轮轴位置传感器 曲轴位置传感器和发动机的作功顺序 确定各气缸工作位置 当某缸活塞运行至排气行程上止点某一位置时 ECU输出喷油控制信号 接通喷油器电磁线圈电路 该缸开始喷油 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 3 空燃比控制 步骤 首先是精确的确定发动机的空气流量 可以采用空气质量流量计直接测量空气流量 也可以里采用速度密度法 利用进气歧管绝对压力传感器 进气温度和发动机转速信号来计算空气流量 之后根据所测空气流量时的发动机转速 计算每工作循环的进气流量 此外还需测量发动机运转时的各种传感器信号 节气门位置 冷却水温度 蓄电池电压等 之后依据传感器信号确定喷油量 喷油脉宽 修正系数 最终根据各气缸点火顺序 按照确定的喷油量修正系数控制喷油器工作 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 3 空燃比控制 方式 为了满足发动机各种工况的要求 混合气的空燃比不能都采用闭环控制 而是采用闭环和开环相结合的方式 主要有三种控制方式 冷起动或当冷却水温度低时 此时一般发动机转速较低 燃油挥发性差 需要对燃油进行一定的补偿修正 起动时 起动后 怠速暖机喷油修正等 通常采用开环控制方式 根据冷却水温度对喷油量进行修正 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 3 空燃比控制 方式 部分负荷和怠速运行时 如果为了获得最佳经济性 可采用开环控制方式 将空燃比控制在化学计量比较大的稀混合气状态下工作 通常空燃比控制在16 16 5之间 如果为了获得最佳排放性 并兼顾较好的燃油经济性 则可以采用三元催化转化器 进行空燃比闭环控制 即利用氧传感器对混合气浓度进行反馈 使空燃比始终保持在最佳范围内 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 3 空燃比控制 方式 节气门全开时 为了获得最大的发动机功率或防止发动机过热 可分别采用 大负荷喷油量修正 和 高转速停止喷油 等开环控制方式 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 4 点火控制 点火提前角控制 点火脉谱图指综合考虑发动机的动力性 经济性和排放特性所确定的各种工况下的最佳点火提前角 并将其作为发动机转速和负荷的函数预先存储在ECU中 发动机实际运转时 根据运转参数查询出最佳点火提前角 并根据冷却水温度等参数进行修正后得到优化后的最佳点火提前角 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 4 点火控制 爆震控制 爆震属于一种不正常的燃烧状态 通过减小点火提前角可以有效抑制爆震的发生 但推迟点火会导致功率的损失和燃油消耗的增加 因此控制爆震的方法就是采用类似于考虑三元催化转化效果的空燃比闭环控制方法 即采用点火提前角闭环反馈控制系统 控制方法 在发动机体上安装爆震传感器 根据发动机中燃烧气体冲击气缸壁面发出的高频震音的频率和振幅来判断爆震是否产生 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 二 汽油机机内净化技术 4 点火控制 爆震控制 当传感器判断爆震发生时 再根据爆震的强弱适当减小点火提前角 之后再进行爆震判断和控制 如此往复循环 直至爆震消除 1 电控燃油喷射系统 5 工作原理 2 推迟点火 减小点火提前角 是最简单易行也最普遍应用的排放控制技术 二 汽油机机内净化技术 点火提前角对发动机的动力性 经济性和排放性均有重要影响 当点火提前角在活塞上止点35 40o时 气缸内的平均有效压力 Pme 最大 油耗 ge 最低 这是以动力性和经济性为目的的最佳点火提前角范围 2 推迟点火 减小点火提前角 是最简单易行也最普遍应用的排放控制技术 二 汽油机机内净化技术 点火提前角对发动机的动力性 经济性和排放性均有重要影响 如果减小点火提前角 由于点火时喷入气缸内的燃油量降低 可以抑制最高燃烧温度和最大燃烧压力 使NOx排放降低 同时 减小点火提前角 会使后燃期延长 排气温度提高 这也有利于未燃烃在排气过程中继续燃烧和氧化 使HC排放降低 存在一个发动机动力性 经济性和排方性的矛盾 实际应用中应综合考虑发动机三方面的性能来确定最佳的点火提前角 一般在不影响发动机动力性和燃油经济性的前提下 利用推迟点火可以降低NOx排放10 左右 3 废气再循环 ExhaustGasRecirculation EGR 是控制NOx排放的一种主要措施 二 汽油机机内净化技术 控制机理 由于废气主要由惰性气体N2和CO2组成 含氧量很低 因此废气与新鲜空气混合后 会降低空气中的氧浓度 导致燃烧速度减慢 燃烧温度和压力降低 从而有效抑制NOx的生成 废气再循环量的多少通常用废气再循环率表示 EGR率 废气量 废气量 进气量 100 可以分为外部EGR和内部EGR两种 1 外部废气再循环 二 汽油机机内净化技术 从排气门排出的废气在EGR控制阀作用下 进入EGR回流管 与进入的新鲜空气混合后再通过进气门进入气缸继续参与燃烧 1 外部废气再循环 适用情况 二 汽油机机内净化技术 发动机起动 暖机 怠速和小负荷情况下 燃烧状况较差 温度和压力低 NOx排放较少 因此为了保证正常燃烧或燃烧的稳定 不进行EGR 发动机大负荷运转时 为了保证较好的动力性 混合气一般较浓 NOx排放减少 一般不进行EGR或减少EGR率 只有当发动机在中等负荷 稳定工况运转时 此时燃烧状况良好 燃烧温度和压力较大 有利于NOx的生成 因此需要进行EGR 1 外部废气再循环 EGR率 二 汽油机机内净化技术 废气再循环同样会影响发动机的动力性和经济性 如果EGR率过大 会使燃烧变得不稳定 失火率增加 燃油消耗增大 同时HC排放增加 当EGR率小于10 时 燃油消耗基本不受影响 但当EGR率超过20 时 发动机燃烧变得不稳定 工作粗暴 HC排放将增加10 因此通常将EGR率控制在10 20 较为合适 1 外部废气再循环 EGR率 二 汽油机机内净化技术 EGR率对NOx排放和发动机经济性的影响还受到空燃比和点火提前角等因素的影响 点火提前角随EGR率的增加而增大 相同过量空气系数下 NOx排放会随EGR率的增加而降低 1 外部废气再循环 EGR率 二 汽油机机内净化技术 因此 为了精确控制EGR率 一般采用电子控制EGR阀系统 综合考虑空燃比和点火提前角的影响 同时 为了提高EGR对NOx的控制效果 还可附加采用中冷技术 将废气冷却后再回流进入气缸 使进气温度降低 此外 为了消除EGR对发动机动力性和经济性的负面影响 还可同时采用快速燃烧和稳定燃烧措施 如加强缸内混合气湍流强度或加大点火能量等 2 内部废气再循环 通过控制进气门和排气门的开启或关闭时刻 使一部分废气留在气缸内 起到稀释新鲜混合气的目的 二 汽油机机内净化技术 过大的重叠角同样会使发动机燃烧不稳定 油耗和HC排放增大 因此配气相位重叠角的确定需要综合考虑对发动机的动力性 经济性和排放性能的影响 一般比功率大的发动机 由于具有较好的充气性能 通常重叠角较大 NOx排放也相对较低 4 燃烧系统的优化设计一 紧凑燃烧室设计 二 汽油机机内净化技术 燃烧室设计的重要原则就是尽量降低面容比 即尽可能使燃烧室紧凑 并且火花塞尽可能布置在燃烧室的中央 以缩短火焰的传播距离 紧凑型燃烧室设计可以使汽油机的动力性 经济性和排放性得到以下改善 可以缩短燃烧时间 实现快速燃烧 其中快速燃烧再与推迟点火或EGR排放控制措施配合使用 可以在降低排放的同时保证动力性和经济性不至于过度恶化 同时还可以有效防止爆震发生 燃烧时间越长 发生爆震倾向越大 面容比减小 可以减轻燃烧室壁面对混合气的淬熄效应 降低HC排放 同时还可以减少燃烧过程中的散热损失 提高发动机的热效率 4 燃烧系统的优化设计二 改善缸内气流运动 二 汽油机机内净化技术 提高缸内混合气的涡流强度 有利于加强油气混合 保证燃烧的快速和充分 一般静止或层流混合气中火焰传播速度只有1m s 而湍流混合气的传播速度可以达到100m s 汽油机加强气流运动的方法主要有 加强进气涡流 通过减小进气道直径或在进气门上设置导气屏来实现 采用挤气面设计 挤气面可以增强燃烧室内的湍流扰动 4 燃烧系统的优化设计三 二 汽油机机内净化技术 提高进气充量 将传统的每缸2气门布置改为3 4或5气门布置 或采用废气涡轮增压 可以明显提高进气充量 减少泵气损失 使得汽油机燃油消耗和CO及HC排放降低 减少不参与燃烧的缝隙容积 可以有效降低燃烧室内的壁面淬熄和狭缝效应 减少HC排放 如采用高位活塞环设计 可以降低20 的HC排放 5 进气系统的改进 二 汽油机机内净化技术 1 可变长度进气系统 发动机的进排气过程是一个周期性的脉动过程 因此进气系统中存在着强烈的压力波动 并且固定长度的进气管在不同转速时的进气充量系数也不同 进气充量系数 实际进气质量与理论进气质量之比 右图 一定长度的进气管只能在某一转速区域达到最佳进气充量 而在其他转速范围时进气充量则会降低 最佳进气充量系数随着进气管长度的增加向低转速方向移动 5 进气系统的改进 二 汽油机机内净化技术 1 可变长度进气系统 随着汽车电子控制技术的发展 出现了可变长度进气系统 由两个或多个不同长度的进气管构成 右图 进气系统由长短不同的主 副两个进气管组成 当发动机在中 低速运转时 转换阀3关闭 进气由较长的主进入管进入发动机 而在高速运转时 转换阀3开启 进气由主 副两个进气管同时进入发动机 最终保证发动机在高 中和低速运转时都能够得到较高的进气充量系数 主进气管 副进气管 转换阀 5 进气系统的改进 二 汽油机机内净化技术 2 可变气门定时 在电喷燃油喷射系统中 进入气缸的空气流量由节气门开启的角度和持续时间来控制 电控单元 ECU 再根据节气门位置传感器及其它位置传感器反馈来的信号来控制喷油器的喷油量 从而保证最佳的油气混合比 但是 固定的气门定时在一些工况下会出现难以解决的矛盾 例如如何保证低转速时的扭矩输出和高转速时的功率输出及在这些工况下的燃油消耗等问题 用单个节气门控制的燃油供给方式是难以完满解决的 因此就出现了可变气门定时技术 通过改变气门升程 气门开启持续时间和气门重叠角等参数来实现可变的气门定时 以保证在不同工况下都能达到最佳进气充量系数 提高发动机怠速的稳定性 并在不影响高速功率的前提下增加低速时的扭矩 同时降低发动机的排放 5 进气系统的改进 二 汽油机机内净化技术 2 可变气门定时 气门升程 指气门开启间隙的大小 气门开启持续时间 指气门从开启到关闭持续的时间 气门重叠角 指发动机进气门和排气门处于同时开启的一段时间 如果用曲轴转角来表示即为气门重叠角 改变进气门的定时对发动机性能的影响比改变排气门定时更明显 可以看出 在高负荷时提前打开进气门和在低负荷时延迟打开进气门都可以有效降低HC排放 6 层状充气发动机 在火花塞附近供给较浓混合气 以保证可靠点火 而在燃烧室其他区域供给较稀混合气 以保证充分燃烧 二 汽油机机内净化技术 最简单的层状充气发动机是采用分隔燃烧室设计 即在副燃烧室内装有火花塞 并给其提供较浓混合气 而在主燃烧室内由于不需考虑点火 可供给较稀混合气 由于层状充气发动机内的混合气要么很浓要么很稀 因此可以降低NOx排放 但是采用分隔型双燃烧室会造成面容比增大 壁面淬熄效应加强 未燃HC排放会增加 第六章汽车排放污染物净化技术 前处理技术汽油机机内净化技术柴油机机内净化技术后处理技术 1 柴油机排放特点 三 柴油机机内净化技术 1 柴油机和汽油机燃烧的差异 汽油机采用预混合燃烧方式 为了保证燃烧 要求过量空气系数 a在0 8 1 2之间 同时为了防止发生爆燃 要求压缩比 小于12 并且由于混合气的形成主要在机外进行 往往存在较大的进气节流损失 相比于汽油机 柴油机以扩散燃烧为主 过量空气系数 a大于1 2 并且通常采用较高的压缩比 16 24 无进气节流损失 因此柴油机比汽油机热效率高 燃油经济性好 一般柴油机燃油经济性要比汽油机高25 40 1 柴油机排放特点 三 柴油机机内净化技术 2 柴油机和汽油机的排放差异 柴油机的CO和HC排放相对汽油机要低很多 不到汽油机的1 10 即只有汽油机安装三元催化器净化后的水平 柴油机的NOx排放 在大负荷时接近汽油机的水平 而在中小负荷时明显低于汽油机 因此总体水平是略低于汽油机 柴油机的微粒排放较高 是汽油机的几十倍甚至更多 因此现阶段柴油机排放控制的重点是微粒和NOx 1 柴油机排放特点 三 柴油机机内净化技术 3 柴油机和汽油机的排放控制技术差异 目前汽油机降低排放的主要技术是三元催化器 通过利用电控系统精确控制空燃比 可使CO HC和NOx排放均同时降低90 以上 从而大大减轻了对汽油机机内净化技术的要求 而柴油机由于通常在过量空气系数 a大于1 2的条件下工作 并且柴油机排气中含有大量的微粒和硫氧化物 这会造成催化器的堵塞和中毒失效 因此柴油机无法像汽油机那样使用三元催化器 这也导致了柴油机的排放控制主要靠机内净化技术 另一方面 由于柴油机中微粒和NOx排放随 a变化呈相反的变化趋势 这也造成现阶段同时降低炭烟和NOx排放存在一定困难 因此柴油机的排放控制技术相比于汽油机发展缓慢 1 柴油机排放特点 三 柴油机机内净化技术 3 柴油机和汽油机的排放控制技术差异 日本汽车排放法规中NOx排放极限值随年代的变化汽油机轿车自1973年开始对NOx排放进行控制 到1978年时 已经降到法规实施前的1 10以下 而柴油机的NOx排放自1975年开始进行控制 直到1995年 用了20年时间才降到法规实施前的40 但仍大大高于汽油机 2 柴油机排放污染控制的主要途径 三 柴油机机内净化技术 一般来讲 柴油机为了保证同时降低NOx和微粒排放 并保证较高的热效率 理想化的燃烧过程应为 抑制预混合燃烧 降低燃烧温度 以减少NOx的生成 促进扩散燃烧以降低微粒的生成 该燃烧控制原则是各项柴油机排放控制措施遵循的基本原则 需要注意的是 每种技术措施对于降低某种污染物排放的效果往往有限 如过度使用则会带来另一种污染物排放的增加或发动机性能的恶化 因此在实际控制中往往是多种措施同时并用 1 推迟喷油 减小喷油提前角 主要用于控制NOx 三 柴油机机内净化技术 随着喷油时间的推迟 NOx排放显著降低 但同时燃油消耗率和炭烟排放会上升 柴油机通过推迟喷油使NOx排放降低的原因有两个 通过推迟喷油使燃烧过程避开上止点进行 燃烧等容度下降 因此燃烧温度和压力降低 越接近上止点喷油 缸内空气温度越高 燃油一旦喷入缸内便会很快蒸发混合并着火 即可以缩短着火滞燃期 这样燃烧初期的放热速率降低 同样会导致燃烧温度和压力下降 1 推迟喷油 减小喷油提前角 主要用于控制NOx 三 柴油机机内净化技术 但是如果过分推迟喷油 即从上止点继续推迟喷油时 NOx排放又会上升 这主要是由于在上止点后再开始喷油 会导致着火滞燃期的过分延长