汽车排放与噪声控制(李岳林第二版)第六章

1、 第六章 汽车排放污染物净化技术汽车排放与噪音控制汽油机机内控制技术柴油机机内净化技术汽车排放污染物的机外净化技术第一节第二节第三节清洁燃料第四节第一节 汽油机机内控制技术汽油机降低排气污染和提高热效率的关键问题之一是精确控制空燃比， 为此，人们曾在化油器上进行了各种改进设计，使它变得越来越复杂，甚至最后出现了电子化油器。1 电子控制燃油喷射系统. 电控汽油喷射系统的优点电控汽油喷射系统与化油器相比，具有以下优点:()满足发动机各种工况对空燃比和点火提前角的不同要求，从而使排放特性、燃油经济性和动力性达到最佳状态。()各缸混合气分配均匀性好(多点电喷汽油机)。()没有化油器中的狭窄喉管，减少了

2、节流损失，可以不要化油器发动机常用的进气加热措施，因而进气密度增大，提高了充气效率。()具有良好的瞬态响应特性，改善了汽车的加速性。()采用闭环反馈控制方式，可满足三效催化剂对空燃比的严格要求。()由于采用压力喷射，汽油雾化质量比化油器大为改善，有利于快速和完全燃烧。. EFI系统的分类)按喷油器数量分)按喷油地点分)按进气量检测方法分)按喷油时间间隔分)按控制方式分)按信息反馈的算法分)按多点喷油系统的喷油方式分. 电控汽油喷射系统图6-6是闭环电子控制燃油喷射系统的一例电控燃油喷射系统，图中电子控制单元(ECU)是整个系统的中心，它根据进气管、转速、温度等信号，进行运算、处理及分析判断后，

3、向执行器发出指令控制喷油器的喷射时间和喷射量，以保证发动机工作所要求的空燃比。. 喷油器的构造及分类如前所述，喷油器可分为多点喷射和单点喷射。多点喷射系统在每一个汽缸进气管上各设置一个喷油器，喷油器的结构如图- 所示。. 燃油喷射时间的控制多点电控燃油喷射系统的喷油时间控制方式可分为同时喷射、分组喷射和独立(顺序)喷射3种。)同时喷射)分组喷射)顺序喷射. 空燃比控制)空燃比的控制策略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策略，主要分为3种控制方式:()冷起动和冷却水温度低时()部分负荷和怠速运行时此时可分为两种情况()节气门全开时)空燃比控

4、制方法要实现上述空燃比的控制策略可按下列步骤进行工作:()最主要的是精确地确定发动机质量流量。()根据所测空气质量流量时发动机转速，计算出每工作循环每缸的进气质量流量。()测量发动机此工况下的各种传感器信号。()根据喷油器标定数据(流量系数)计算出喷油器喷油时间(喷油脉宽)。()计算喷油定时。()ECU中驱动器根据发火顺序、按上面已计算得到喷油脉宽和喷油定时使喷油器工作。. 点火系统的控制)点火脉谱图点火时间是决定发动机排放特性等各种性能的重要参数。在化油器式汽油机中，实际点火时间是在静态点火提前角的基础上，通过离心式点火提前调节装置(随转速变化)和真空式点火提前装置(随负荷而变)来控制的。)

5、爆震控制爆震是汽油机的一种不正常燃烧状态，严重爆震会使汽油机各项性能全面恶化。控制爆震的原则是将点火提前角推迟到刚刚不发生爆震的位置，这就需要有一个类似空燃比闭环控制系统那样的反馈控制系统，图6-15是一例爆震控制系统示意图。2 点火系统的控制. 微机控制点火系的组成与控制策略)组成微机控制点火系主要由下列元件组成:监测发动机运行状况的传感器，处理信号、发出执行指令的微处理机(ECU)，响应微机发出指令的点火器、点火线圈等组成，微机控制点火系由于废除了真空、离心点火提前装置，点火提前角由微机控制。)控制策略()起动时点火提前角的控制。()怠速时点火提前角的控制。()正常行驶时点火提前角的控制。

6、2 . 点火系统对排放的影响点火系统通过火花质量和点火正时(点火提前角)对排放产生影响。()火花质量决定点燃混合气的能力。()点火正时会影响发动机输出功率、燃油消耗量、汽车驱动性能和燃烧生成的有害排放物， 因此点火正时需对多种因素进行优化。3 .推迟点火的途径 通过改进发动机燃烧未定性，保证使用发挥性较差燃油时具有良好的驾驶性，同时大幅度推迟点火和采用稀空燃比。有如下两种改进燃烧可靠性的方法， )增强进气充量运动 )双火花塞3 废气再循环. 废气再循环的效果 废气再循环是控制NOx排放的一种主要措施，其工作原理如图6-19所示。由于排气中氧含量很低，主要由惰性气体N2和CO2构成。一部分排气经

7、EGR阀还流回进气系统，与新鲜混合气混合后，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高，这两个原因都造成了燃烧温度的降低，从而可以有效地抑制NOx的生成，如图6-20所示。. EGR的控制策略()从图6-21可看出:增加EGR率可以使NOx排出物降低，但同时会使HC排出物和燃油消耗增加。因此在各工况下采用的EGR率必须是对动力性、经济性和排放性能的综合考虑。()怠速和低负荷时，NOx排放浓度低，为了保证稳定燃烧，不进行EGR。()只在热机状态下进行EGR，因为发动机温度低时， NOx排放浓度也较低，混合气供给不均匀，为保证正常燃烧，冷机时不进行EGR。()大负

8、荷、高速时，为了保证发动机有较好的动力性，此时混合气较浓， NOx排放生成物较小，不进行EGR 或减少EGR 率。()废气再循环量对NOx排放和油耗的影响还受到空燃比、点火提前角等因素的影响。. 内部废气再循环通常把发动机排气经过EGR阀进入进气歧管，与新鲜混合气混合在一起的方式为外部EGR。由于配气相位重叠角使进排气门同时开启，造成一部分废气留在缸内，稀释了新鲜混合气的方式称为内部EGR。4 燃烧系统优化设计 . 紧凑的燃烧室形状 不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别，图6-27给出了一些有代表性的燃烧室形状。. 改善缸内气流运动提高缸内混合气的涡流和湍流程度，有助于加强油气混合，保证快

9、速燃烧和完全燃烧，这是因为静止或层流混合气中的火焰传播速度一般不超过/ ，而湍流时的火焰传播速度可高达100/ 。. 合理提高压缩比由于汽油机热效率低于柴油机的重要原因是压缩比低，因而提高压缩比一直是汽油机多年来孜孜以求的主要改进方向。. 提高进气充量由传统的每缸2气门布置改为、 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。这样不仅使汽油机燃油消耗率减低和平均有效压力 提高，而且也降低了CO和污染物的比排放量。. 减少不参与燃烧的缝隙容积如在第三章HC生成机理中介绍的那样，在活塞头部、火花塞和进排气门处存在着S/V很大的缝隙，由于壁面淬熄效应而产生大量HC。5 可变进

10、气系统. 可变进气系统 发动机进排气过程是一个周期性的脉动过程，进排气系统中存在着强烈的压力波动，利用压力波来提高进气门关闭前的进气压力，可得到增大进气充量的效果，被称为动态效应，也称惯性增压。. 可变气门定时 气门定时对发动机的动力性、经济性及排放性能有较大的影响，固定的气门定时很难在较大转速和负荷范围内适应发动机的要求，因此，近年来可变气门定时得到较大的发展。改变进气门的定时对发动机性能的影响相对要比改变排气门的定时明显。为了保证可靠点火，在火花塞附近形成浓混合气，而在其他区域供给稀混合气，按这样的要求设计成的发动机称为层状充气发动机。6 层状充气发动机 要实现这要求，最简单的办法是采用与

11、柴油机一样分隔燃烧室形状，副燃烧室内装有火花塞，相当于预燃室作用，给副燃烧室提供浓混合气。在主燃烧室不需要考虑点火，可供给稀混合气。第二节柴油机机内净化技术. 柴油机与汽油机排放控制技术的异同. 柴油机排放控制的对策技术. 柴油机排气污染控制的主要途径1 概述柴油机喷油时间延迟使NOx排放量下降的原因与汽油机并不完全相同，主要原因由两个， 一是使燃烧过程避开上止点进行，燃烧等容度下降，因而温度下降。2 推迟喷油提前角二是越接近上止点喷油，缸内空气温度越高，燃油一旦喷入缸内便很快蒸发混合并着火，即着火落后期可以缩短，燃烧初期的放热速率降低，导致燃烧温度降低。这两种原因都起到了抑制NOx生成的作用

12、。. EGR 对NOx和发动机性能的影响如前所述， EGR是降低汽油机NOx排放的实用化措施，而对于柴油车， EGR除在一部分柴油机轿车和轻型车上已实用化外，在寿命和可靠性要求很高的大中型柴油车上目前采用的并不多。3 EGR. EGR 率的控制EGR对发动机性能的负面影响，主要表现在大中负荷时，而小负荷时影响不大，甚至有燃油耗率和HC排放略有改善的报道。 因此，实际应用时，应随工况的不同而改变EGR 率(即回流量)。增压是提高发动机进气充量的有效措施，最常用的增压方法是废气涡轮增压，如图6-44所示， 发动机排出的具有一定能量的高温废气带动涡轮2 高速旋转，由此驱动与涡轮同轴的压气机3旋转，新

13、鲜空气由进气口4进入压气机，被压缩后送入汽缸。4 增压及增压中冷 柴油机的喷油特性主要指喷油规律和喷雾特性，对混合气形成和燃烧过程以及各种排放污染物的生成有重要影响。5 改善喷油系统和喷油特性. 合理的喷油规律. 预喷射PI. 多段喷射. 提高喷油压力. 小直径、多喷孔加速雾化混合. 柴油机电控喷油系统. 挤流口式燃烧系统传统的半开式燃烧系统，大都应用敞口、中凸的 型燃烧室，如图6-54所示。这种燃烧室NOx排放较高，噪声也很大，英国泼金斯公司和奥地利AVL公司推出了底宽、口窄的挤流口式燃烧室(见图6-54)，获得良好效果。6 高效低污染燃烧系统. 非回转体型燃烧系统这些非圆形或方、圆形状及凹

14、坑的设计，其目的有如下两点:()使气流在不规范的角落或联结处产生微涡流或紊流，大大加速油、气混合。()由于微涡流及紊流的能量消耗随速度的平方而增加，使得高速时，中央主旋流有很大的衰减，高转速涡流比下降，起到兼顾高、低速性能的效果。. 无涡流高压喷射燃烧系统 这就是前面已提到过的，重型车用柴油机大都采用的，小喷孔，多喷孔，不组织涡流的高压喷射系统。 大机型循环油量大，燃烧室直径大，喷油泵承压能力强，转速低，有条件达到上述燃烧组织的要求。第三节汽车排放污染物的机外净化技术 综观人类治理汽车排放污染的历程，在20世纪70年代中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过程为主的各种机内净化技术， 这些技术尽管

15、对降低排气污染起到了很大作用，但效果有限。1 机外净化技术概述)催化转化器的结构 催化转化器简称催化器，如图6-60所示，它由壳体、减振层、载体及催化剂涂层4部分组成， 而所谓催化剂是指涂层部分或载体和涂层的合称，催化剂是整个催化转化器的核心部分，它决定了催化转化器的主要性能指标。2 三元催化转化器)催化剂的分类及工作原理 按工作原理不同，催化剂可分为氧化型催化剂、还原型催化剂、三元催化剂和稀燃催化剂。目前单纯还原型的催化剂已很少，稀燃催化剂将在后面介绍，而最常用的氧化型催化剂和三元催化剂的工作原理介绍如下。 HC捕集器由HC捕集材料(如沸石)和催化剂涂层组成， 在催化剂还没加热到起燃温度前，

16、捕集材料捕获尾气中的HC， 当催化剂起燃后，捕集材料释放HC，然后催化剂涂层把HC转化掉。3 捕集器. HC捕集器的作用机理. 控制捕集效率的因素. 提高系统效率的措施谓非排气污染物是指由排气管以外的其他途径排放到大气中的有害污染物，主要是指曲轴箱窜气和燃油蒸发所产生的HC排放。. 曲轴箱强制通风装置. 燃油蒸发控制系统4 非排气污染物控制技术柴油机的主要排气污染成分是微粒和Nox，尽管有多种方案被提出并被研制开发，但目前被认为有实用可能的有以下几种:4 柴油机排气后处理技术()氧化催化转化器用于降低SOF(可溶性有机成分)、HC和CO。()微粒捕集器用于降低微粒排放。() NOx还原催化转化

17、器用于降低NOx排放。第四节清洁燃料. 液化石油气的燃料特性)优点()发动机和排气系统使用寿命长()燃烧积炭少()换机油周期长()排气污染较少()运转较平稳1 液化石油气)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()使用仍受限制(不允许在地下车库使用). 液化石油气的规格车用液化石油气必须保证其使用安全性、抗爆性和良好的起动性能和排放性能，饱和蒸汽压是液化石油气最主要的安全指标。. 液化石油气车辆的改装 图6-112是一种用汽油机改装的液化石油气发动机供给系统示意图，它既可用于汽油，也可用于液化石油气， 在进行这些改装时必须考虑到一些重要方面。. 醇类燃

18、料的性能()热值低。()由于醇类分子结构中含有氧元素，所以1 醇类燃料完全燃烧所需要的空气比汽油或柴油少得多。()汽化潜热高。2 醇类燃料()醇类的蒸气压比汽油低，影响发动机的冷起动性能。()甲醇的着火性很差，十六烷值只有，抗爆性却较好，辛烷值比汽油高。()内燃机使用醇类燃料时排气中含有较多的甲醛和乙醛。()甲醇有腐蚀性，对供油系统的橡胶件和塑料伴有腐蚀作用。. 醇类燃料用于汽油机醇类燃料在汽油机上的应用已日益成熟并获得推广， 在汽油中混溶10 15 的甲醇(10 15)作为混合燃料在汽油机上使用基本上不成问题，目前国内外大多应用和推广的也是这种混合燃料。. 醇类燃料用于柴油机醇类燃料按其化学

19、性能比较适合汽油机，为了提高热效率和减少柴油机的排烟和有害气体排放物，人们已开始对柴油机上采用甲醇燃料进行研究。. 天然气的燃料特性天然气的主要成分是甲烷(CH)，甲烷不易着火，抗爆性好，其辛烷值高达130，所以纯天然气发动机的压缩比可以设计得很高，有利于提高内燃机的热效率。3 压缩天然气. 压缩天然气用于汽油机。. 压缩天然气用于柴油机。氢是一种清洁燃料，其燃烧产物是水，没有炭烟，不产生CO2，也不产生除NOx以外的污染物， 但是氢的生产过程需要消耗能源，如果所消耗的能源是太阳能、水力势能或风能等，则可以降低CO2的排放。4 氢燃料5 电能 电动汽车是一项相对年轻的技术，与燃油机汽车相比，结构简单，运动部件减少，大大降低了日常维修保养量，驾驶操作更加方便， 另外它可以减少汽车对石油资源的依赖