排气净化与排放控制

1、2021/3/131排气净化与排放控制2021/3/132汽车排放污染物的来源 发动机燃烧后排放的废气 曲轴箱的废气 汽油蒸发形成的废气2021/3/133发动机燃烧后排放的废气 一氧化碳 空气量不足的情况下产生的不完全燃烧的产物,通常在空燃比小时容易产生。 碳氢化合物 HC是燃料不完全燃烧的产物（既有未燃的,也有燃料分解的产物）。当发动机点火不良、排气门泄漏或空燃比过小或过大时,导致燃烧不完全而产生,特别是在怠速和减速时最多。 氮氧化合物 NOX是NO、NO2、N2O4等多种氮氧化合物的总称,其中对环境危害最大的是NO和NO2,当气缸内的温度高,且氧浓度充足是情况下最易产生。2021/3/1

2、34排放与工况的关系 怠速时CO的排放量最多,NOX最少; 行驶时NOX排放量最多,HC最少; 加速时各种有害气体排放量都增加,其中NOX的增加最显著; 减速时,NOX最少,HC却显著增加。2021/3/135曲轴箱的废气 发动机从压缩到作功行程时,未燃烧的气体从活塞环、气缸的间隙窜入曲轴箱中,导致机油与废气混合使机油变稀,降低发动机的润滑性;机油产生热分解和变脏;生成油泥,使金属零件加速磨损;窜气使活塞和气缸过热,积碳造成早燃,引起活塞环胶着,造成气缸擦伤等。 窜气的主要成分是HC,占70% 80%,剩下的20%30%是CO、CO2、NOX、SO2、PbO等成分。2021/3/136汽油蒸汽

3、 随着外界温度的降低,油箱内部的汽油蒸汽凝结,产生部分真空,从油箱盖吸入空气; 随着外界温度的上升,空气与燃油蒸汽（HC）一起排出; 此外还有除油泵外燃油管路等接头处渗出的汽油蒸汽逸散到大气中。2021/3/137燃油蒸发控制装置活性炭罐蒸发污染控制装置2021/3/138燃油蒸汽挥发控制 为了防止燃油箱向大气排放燃油蒸汽而污染大气,在发动机控制系统中采取了由发动机ECU控制的活性炭罐蒸发污染控制装置。 当燃油受热或大气压力降低时,燃油箱中形成燃油蒸汽,经过燃油管将燃油蒸汽存储在活性炭罐中。 发动机工作时,ECU根据发动机转速、温度、空气流量等信号,控制炭罐电磁阀的开闭,当打开时,空气从活性炭

4、罐大气入口处吸进炭罐,冲洗活性炭罐延长活性炭罐寿命,并与燃油蒸汽混合送至发动机燃烧。 发动机工作时的燃油量包括喷油器喷射油量和来自燃油蒸发控制装置的燃油蒸汽。2021/3/139曲轴箱强制通风系统2021/3/1310曲轴箱强制通风系统 作用是减少窜缸废气（HC）。2021/3/1311废气再循环2021/3/1312废气再循环的基本概念 废气再循环是把发动机排出的一部分废气引入进气系统中,和混合气一起再进入气缸中燃烧,以抑制氮氧化合物的生成。2021/3/1313废气再循环的基本原理 NOX是在高温富氧条件下,混合气中的N2和O2发生化学反应的产物。一般而言,燃烧的温度越高,排出的NOX越多

5、。 将废气再次引入气缸,是因为废气中含有大量的二氧化碳。二氧化碳是一种惰性气体,新鲜的混合气中渗入适当比例的废气后,使得单位燃料中二氧化碳的含量明显增加,由于二氧化碳不参与燃烧,却能吸收热量,因此使燃烧温度随之下降,有利于抑制NOX的生成。2021/3/1314EGR率 采用废气再循环会使混合气着火性能及发动机输出规律下降,因此,应在发动机排放量多的运行工况范围进行适量的废气再循环。EGR的控制量一般采用EGR率表示。 EGR率EGR气体流量/（吸入空气量EGR气体流量）100%2021/3/1315EGR率过大的危害 过渡的废气再循环会影响发动机的正常运行,特别是在怠速、低转速小负荷及发动机

6、处于冷车运行时,再循环的供气将会使发动机的性能明显降低。 进入进气管的废气量一般控制在6%15%范围内。2021/3/1316EGR阀的控制方式 正压力型; 负压力型; 全电子控制式。2021/3/1317正压力控制式 简称P型,完全由真空控制。 当发动机起动后,若有真空源加到EGR膜盒,将膜片吸起后,EGR阀打开;真空消失后,EGR阀才会关闭。2021/3/1318负压力控制式 简称N型。 当发动机起动后,原在EGR膜盒内的真空会泄放,直到EGR动作条件达到时,发动机真空建立在膜盒内,但EGR阀还未开启,必须当排气压力达到EGR阀,才能打开,打开时间一次可持续20s。2021/3/1319全

7、电子控制式 发动机控制单元根据传感器和开关信号直接控制EGR阀的打开或关闭。 发动机ECU依据进气歧管压力传感器或空气流量计、节气门位置传感器、水温传感器和发动机转速、变速箱扭力、锁止离合器、P/N开关信号来控制EGR阀的开度的大小。 通常EGR在发动机怠速、暖机、小负荷、大负荷减速及高速时不工作,废气不回送,仅在加速、中负荷到大负荷之间动作。2021/3/1320废气再循环的基本原理图2021/3/1321废气再循环的基本原理 执行废气再循环时,一部分废气从排气歧管经管道通过废气再循环阀进入进气管与新鲜空气混合。 废气再循环阀由阀体上方真空室的真空度控制,真空室的真空度由ECU根据冷却水温度

8、等输入信息,控制真空电磁阀的空气或关闭来实现。 发动机怠速和暖机期间,真空电磁阀关闭空气进入废气再循环阀上方的真空室,废气再循环阀在回位弹簧的作用下关闭,废气再循环停止。 当温度达到一定水平时,真空电磁阀开启,真空室的真空度提高,废气再循环阀打开,进行废气在循环。2021/3/1322废气再循环对发动机性能的影响 废气再循环量过少,不能达到有效降低NOX排放量的目的。 废气再循环量过大,则发动机工作不温度,综合性能恶化。 一般情况下,EGR采用开环控制,ECU进行EGR控制的相关参数是发动机冷却水温、进气温度、发动机转速和节气门开度等。 由于在对EGR进行控制时,需要综合考虑以上因素,故必须采

9、用电子控制,否则很难使发动机性能和有效降低NOX排放量得到和谐的统一。2021/3/1323带EGR位置传感器的EGR装置2021/3/1324带EGR位置传感器的EGR装置 该系统在EGR阀上部装有一个可以检测EGR阀升程的位置传感器,用来检测EGR阀的开度,并利用电位计将其位移转换为相应的电压信号,输送到ECU,作为ECU控制废气再循环的参考信号。 在这种EGR控制系统中,根据发动机的转速和负荷,预先设定出阀的升程位置,通过改变ON-OFF电磁阀的工作状态,控制膜片室的负压。2021/3/1325工作 情况 工作时,将预先设定的EGR阀升程位置与当前的EGR阀升程位置（由EGR阀位置传感器

10、提供）作比较,若不相等,由ECU控制改变ON-OFF电磁阀工作状态,将EGR控制阀的升程调至最佳值。 在全负荷及高速范围内,利用节气门开度、发动机转速等控制参数,由ON-OFF电磁阀把空气导入真空室,使EGR阀完全关闭,停止再循环。2021/3/1326装有背压修正阀的EGR系统2021/3/1327背压修正阀的作用 在EGR真空电磁阀与EGR阀之间的真空管路中装有一个背压修正阀。 其作用是根据排气歧管中的背压,控制废气再循环。 即当发动机在小负荷、排气背压低时,背压修正阀保持EGR阀处于关闭状态,不进行废气再循环。当发动机负荷增大、排气管背压增大时,背压修正阀才允许EGR阀打开,进行废气再循

11、环。2021/3/1328装有背压修正阀的EGR系统工作原理 排气歧管的背压通过管路作用在背压修正阀的背压气室下方。当发动机在小负荷工况时,排气背压较低,在修正阀弹簧力作用下,背压气室膜片向下移动,修正阀关闭真空通道。此时,EGR阀在弹簧力作用下保持关闭,不进行废气再循环。2021/3/1329 当发动机负荷增大时,排气歧管背压升高,修正阀背压气室下方的压力升高,膜片克服阀门弹簧弹力向上运动,将修正阀打开。由EGR真空电磁阀控制的真空通过背压修正阀进入EGR阀上方真空气室,将EGR阀吸起,废气从排气歧管经EGR阀进入进气管进行废气再循环。2021/3/1330 EGR真空电磁阀由ECU控制。E

12、CU根据发动机转速、进气压力、冷却水温度、空气流量等输入信号,通过控制EGR真空电磁阀的开度,来控制EGR阀上方真空室的真空度,从而控制EGR阀的开度,达到对参与再循环的废气量进行控制的目的。2021/3/1331三元催化转化器2021/3/1332什么是三元催化转化器 为了进一步降低发动机排气中的CO、HC和NOX的排放量,现代轿车汽油机在排气系统中普遍安装净化装置,对上述三种有害物质进行净化处理,这种净化装置称为三元催化转化器。 三元催化转化器安装在排气消声器前面,由三元催化转化芯子和外壳 等构成。 大多数三元催化转化芯子以蜂窝状陶瓷作为承载催化剂的载体,在陶瓷载体上浸渍铂（或钯）和铑的混

13、合物作为催化剂。 为了提高芯子的抗颠簸性能,芯子的我们通常用钢丝包裹。2021/3/1333催化剂的作用 铂（或钯）和铑的混合物作为催化剂,它们不仅能促进CO和HC进行氧化反应变成CO2和H2O,而且还能促进NOX与CO进行化学反应转变成N2和CO2。 在三元催化转化芯子内所进行的化学反应,前者是氧化反应,后者是还原反应。2021/3/1334三元催化转换器的转换效率 三元催化转换器对CO、HC和NOX三种有害物质的转换效率与发动机的空燃比有关,只有当发动机在理论空燃比A/F=14.7/1运转时,三元催化转换器才同时对三种有害物质都具有最高的转换效率。2021/3/1335转换效率随空燃比的变

14、化2021/3/1336如何将空燃比控制在14.7/1 在早期的打开汽油喷射发动机中,ECU只是根据转速、进气量、进气压力、温度等信号确定喷油量（即对空燃比进行控制）,虽然相对于化油器对空燃比的控制已有了很大提高,但要将空燃比控制在14.7/1附近很窄的范围内,则还是很困难的。 为了实现空燃比的精确控制,使三元催化转化的效率达到最高,现代电控汽油机普遍采用由氧传感器组成的空燃比反馈控制方式,即闭环控制。 汽油中的铅会使催化剂中的贵重金属铂和钯失去催化效力,即造成所谓的催化剂中毒,所以装用三元催化转化器的汽油机,不能使用含铅汽油。2021/3/1337氧传感器的作用和类型 作用:用来检测排气中氧

15、的含量,以电信号输送到ECU,ECU根据氧传感器的输入信号,对实际空燃比相对理论空燃比的偏离情况作出判断,并以此对喷油量进行修正,实现空燃比的精确控制。 氧传感器安装在三元催化转化器前的排气歧管或排气管上。 目前应用较多的有两种:氧化锆式（ZrO2）和氧化钛（TiO2）式。2021/3/1338氧化锆式氧传感器 氧化锆式氧传感器的主要元件是氧化锆烧结的多孔性试管状陶瓷体,也称锆管。 锆管固定在带有安装螺纹的固定套中,锆管的内外表面都镀覆一层多孔铂膜作为电极。 锆管内表面与大气相通,外表面与排气管中的废气接触。 为了防止废气对铂膜的腐蚀,在锆管外表面是铂膜上覆盖有一层多孔性陶瓷层。 锆管的我们还加装了一个防护套管,套管上开有槽口。 氧传感器的接线端有一金属护套,其上开有一个孔,使锆管内表面与大气相通,导线将锆管内表面铂极经绝缘支架从传感器引出。2021/3/1339氧化锆式氧传感器工作原理 由于锆管的陶瓷体是多孔性的,因此氧能够渗入固体电解质内。 当温度较高时,氧气发生电离,若陶瓷体内（大气）和陶瓷体外（废气）两侧氧含量不一致,即存在浓度差时,固体电解质内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩散,此时锆管元件相当于一个微电池,在锆管两铂电极之间产生电压。2021/3/1340氧化锆式氧传感器工作原理 当混合气较稀时,排气中氧的含量高,锆管内外两侧氧的浓度