兰装院汽车发动机构造与维修讲义11排气系统

《汽车发动机构造与维修》讲义111/7任务十一排气系统的检修完成本学习任务后，你应当能：1.准确地说出发动机排气系统的主要结构；2.准确地说出汽车排放污染物及净化方式；3.正确地检查排气系统的背压；4.正确地检查排气系统；5.正确地更换催化转化器。习任务发动机排气系统应尽可能多地把燃烧后的废气排出气缸，同时还兼具排气消声、废气净化等功能。直列发动机在排气行程时，缸内的废气经排气门进入排气道和排气歧管，进入排气管、催化转换器和消声器，最后由排气尾管排到大气中，这种排气系统为单排气系统。一、排气系统的结构发动机排气系统应尽可能多地把燃烧后的废气排出气缸，同时还兼具排气消声、废气净化等功能。直列发动机在排气行程时，缸内的废气经排气门进入排气道和排气歧管，进入排气管、催化转换器和消声器，最后由排气尾管排到大气中，这种排气系统为单排气系统，如图11-1所示。图11-1单排气系统V形发动机有两个排气歧管，一些V形发动机仍采用单排气系统，通过一个叉形管将两个排气歧管连接到一个排气管上；有些V形发动机采用两个单排气系统，即每个排气歧管各自都连接一个排气管、催化转换器、消声器和排气尾管，这种布置形式为双排气系统(图4-2)。双排气系统降低了排气系统内的压力，使发动机排气更为顺畅，气缸中残余的废气较少，可以充入更多的空气或可燃混合气，使发动机的功率和转矩相应提高。图11-2双排气系统1.排气歧管排气歧管，一般由铸铁或球墨铸铁制造(图11-3)。近年来，采用不锈钢排气歧管的汽车愈来愈多，主要是不锈钢排气歧管质量小，耐久性好，同时内壁光滑且排气阻力小。不锈钢排气歧管铸铁排气歧管图11-3排气歧管排气歧管的形状十分重要，为了避免各缸排气干扰和排气倒流现象，并尽可能地利用惯性排气，应该将排气歧管做得尽可能长，而且各缸支管应该相互独立且长度相等。2.消声器由于发动机排气具有间歇性，在排气管内会引起排气压力的脉动。排气的温度、压力和速度也很高，具有一定的能量，将其直接排放到大气中，将产生强烈的、频谱比较复杂的噪声。消声器通过逐渐降低排气压力并衰减排气压力的脉动，使排气能量和排气脉动耗散，从而降低排气噪声。排气消声器的基本结构形式有吸收式、扩张式、共振式和干涉式等，实际消声器是多种基本形式的组合，如图11-4所示。图11-4消声器二、汽车排放污染物汽车在带来交通便捷和舒适的同时，其污染对人类健康、社会和环境带来很大的危害。汽车所产生的污染包括排放污染、噪声污染和电磁污染等，其中排放污染的影响最大。汽车排放污染主要来自于排气管排出的废气。汽油机从排气管排出的气体除了原来空气中所包含的N2外，大部分是完全燃烧产物CO2和H20，还包括一些污染物CO，HC和NOx等。CO是不完全燃烧的产物，在汽油机中，排出CO主要由于混合气较浓；排出HC的原因主要是低温缸壁的冷却作用、电火花微弱不能点燃混合气而失火、气门重叠期间新鲜混合气的流出、曲轴箱窜气和燃油的蒸发等生成的不完全燃烧产物和未燃烃。NOx是在燃烧过程的高温条件下生成的，其生成量取决于氧的浓度、温度及反应时间。温度越高、氧浓度越大，生成的NOx越多。柴油机也同样有CO，HC，NOx等废气产生。与汽油机相比，柴油机的平均过量空气系数大，燃烧相对较完全，CO，HC也相对较少。由于柴油机在燃烧过程中局部温度很高，并有过量的空气，NO产生量相对较多。柴油机混合气没有汽油机混合均匀，总有部分燃料不能完全燃烧，分解为以C为主体的微粒，对人体的呼吸极为有害。炭烟由多孔性粒状物构成，是柴油在高温缺氧区脱氢反应所致。如图11-5所示。图11-5排放污染物成分三、发动机排放污染物的净化方式发动机排放污染物的净化方法可以分为两大类：机内净化和机外净化。1.机内净化机内净化是通过优化工作过程，改善可燃混合气的品质和燃烧状况，彻底减少有害气体，使排气中的有害气体减至最少。例如，采用电控汽油喷射装置取代原先的化油器是机内净化的有效措施，可以实时优化混合气浓度和燃烧过程，从而最大程度地降低有害气体排放；通过对配气相位、点火时刻、燃烧方式及燃烧室形状等方面进行综合考虑，最大程度地降低有害排放物的生成条件；对于柴油机，燃烧室形状、气流组织方式、喷油系统和特性、是否采用增压和中冷、不同品质的柴油等，都会对柴油机的工作过程和排放污染物的形成产生重要的影响。通过机内净化的方式，无法消除所有的有害排放物，为达到严格的排放标准，必须采取机外净化的方式，即安装附加装置对废气净化后再排入大气，又称尾气后处理。2.机外净化(1)催化转换在排气管中安装催化转换器，当排放污染物进入排气管，流经催化器后，在催化剂的作用下将CO，HC和NOx转换为对人体无害的气体。催化转换器有氧化催化转换器、还原催化转换器和三元催化转换器。氧化催化转换器只将排气中的CO和HC氧化为CO2和H20，因此这种催化转换器也称作二元催化转换器。还原催化转换器只将排气中的NOx进行还原，生成N2和O2。三元催化转换器以排气中的CO和HC作为还原剂，把NO还原为N2和O2，同时CO和HC被氧化为CO2和H20(图11-6)，是常用的催化转换器。图11-6三元催化器结构三元催化转换器多用金属外壳封闭，中间加有隔热减振层。将带有很多小孔的蜂窝状陶瓷作为载体，表面有一层薄的氧化铝中间镀层，再在其上镀以催化剂，催化剂大多用铂、钯、锗等贵金属(图11-6)。催化转换器的使用有一定的要求：①由于铅会使催化剂失效，要求使用无铅汽油；②温度超过350℃时才发生催化反应，温度较低时转换效率急剧下降；③发动机的混合气浓度必须始终保持在理论空燃比，只允许极小的偏差才能有较好的转换效果，长期过浓或过稀都会使三元催化转换器失效。(2)二次空气在发动机冷启动和暖机过程中，混合气比较浓，并且由于催化转换器的温度太低催化转换过程不能较好地完成。为了使催化转换器的温度尽快升高，可采用推迟点火、电加热和二次空气喷射等方法。二次空气喷射就是在每缸排气门后面输入空气，可使高温废气中的HC和CO在排气管中继续燃烧，产生的热量使催化转换器尽快升温。二次空气喷射系统，一般由二次空气泵、继电器、电磁阀、单向阀等组成(图11-7)。空气经过滤器过滤后由二次空气泵加压，然后由单向阀等流向控制元件进入排气管或排气道。为防止高温排气进入二次空气系统，单向阀在背压较高时关闭，阻止废气倒流。图11-7二次空气喷射系统示意图(3)排气再循环排气再循环(EGR)就是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应(图11-8)，利用废气中含有的大量惰性气体(CO2，N2，H20等)具有较高的比热容特性，降低燃烧温度，从而达到降低NOx的目的。当这些不活泼气体被吸入燃烧室后，燃烧状况就会发生改变。大量的N2和CO2起到了稀释气缸内反应气体的作用，从而减慢了燃烧反应速度，降低了最高燃烧温度。高热容量的水蒸气和CO2气体温度上升需吸收较多的热量，有效地降低了气缸内的燃烧温度，使NOx生成量减少。外部EGR系统利用专门的管道将废气引入进气管，使废气与新鲜充量在进入气缸前充分混合。它可以通过电控系统精确地控制EGR率，优化发动机性能，还可以在外部系统中通过加装EGR冷却器有效降低燃烧温度，如图11-9所示。图11-8排气再循环工作示意图图11-9带冷却器的EGR系统再循环的废气量由EGR阀自动控制，当EGR阀开启时，部分废气将从排气门经排气再循环通道进入进气歧管。EGR阀分机械式和电控式两种，其中机械式主要有直接控制式EGR阀和正背压式EGR阀。直接控制式EGR阀，进气管真空度经真空传送管传入膜片室。当真空度较小或没有时，在膜片弹簧的作用下，锥阀将排气再循环通道关闭；真空度较大时，膜片、膜片推杆和锥阀一起上升，将排气再循环通道打开。如图11-10所示。正背压式EGR阀，通气膜片上有一通气孔。当通气阀打开时，膜片室与大气连通。发动机转速较低或节气门开度很小时，排气压力不大，不足以克服通气阀弹簧弹力而使通气阀打开，膜片室与大气继续连通，传递到膜片室的真空度减弱或消除，锥阀保持关闭；排气压力增大时，膜片被推动向上并将通气阀关闭，使膜片室与大气的通路隔断，进气管真空度传到膜片室，吸引膜片、膜片推杆和锥阀上升，排气再循环通道开启。如图11-11所示。图11-10直接控制式EGR阀图11-11正背压式EGR阀一般发动机EGR系统通过电磁式EGR控制阀来控制EGR背压，从而控制EGR阀的开度和排气再循环量，也有发动机直接通过电控式EGR阀来控制排气再循环量（图4-12）。EGR降低了发动机的有效功率，甚至导致燃烧不稳定且失火率增加。通常要求在怠速下不进行排气再循环。随着负荷的增加逐渐增加排气再循环量，在全负荷和高速下，为了使发动机有足够的动力性，也不进行排气再循环。(4)燃油蒸发控制系统汽油箱内的汽油随时都在蒸发汽化，由于油箱不可能密封，且需要有调节油箱压力的装置，汽油蒸气一旦进入大气，将造成环境污染和燃油浪费。所以，必须严格控制汽油的蒸发。汽油蒸发控制系统将汽油蒸气收集和储存在炭罐内，在发动机工作时将其送入气缸燃烧。现代车用发动机采用电子控制汽油蒸发控制系统(图11-13)。图11-12电控式EGR阀图11-13电子控制汽油蒸发控制系统示意图炭罐与油箱连接，内部装有活性炭，来自油箱的燃油蒸气经过压力控制阀进入炭罐。如图11-14所示。图11-14炭罐的结构炭罐控制阀安装在炭罐至进气歧管的真空管路上，用于控制燃油蒸发控制系统再生气流的流量。控制器控制炭罐控制阀打开，由于进气歧管的真空作用，新鲜空气经通风口被吸入，与炭罐中饱和的燃油蒸气形成再生气流，重新引入发动机进气管。控制器根据发动机工况的不同，改变输送给炭罐控制阀电磁线圈脉冲信号的占空比，从而对再生气流的流量进行控制，该流量还受两端压力差的影响。节流阀可以确保排空活性炭罐。如图11-15所示。图11-15炭罐控制阀工作原理(5)强制曲轴箱通风(PCV)发动机工作时，有部分可燃混合气和燃烧产物经活塞环由气缸窜入曲轴箱内从而导致曲轴箱内压力升高、机油加速变质。这些气体中含有HC及其他污染物，不能直接排放到大气中。现代车用发动机采用强制曲轴箱通风将曲轴箱内的窜气引入到进气系统，然后进入燃烧室烧掉。如图4-16所示。在PCV系统中，控制元件是PCV阀，其上端出口接进气管，下端进口接曲轴箱。一些发动机PCV阀常直接安装在气缸盖罩上，进行曲轴箱通风。它根据发动机工况的变化，自动调节曲轴箱通风气体流量。如图11-17所示。图11-16强制曲轴箱通风示意图图11-17PCV阀结构及工作原理①发动机不工作或发生回火时，弹簧将锥形阀压在阀座上，关闭曲轴箱与进气歧管的通路；②怠速或减速时，进气管真空度很大，真空度克服弹簧力把锥形阀推向上端，使锥形阀与阀体之间只有很小的缝隙。该工况下，窜入曲轴箱的气体很少，虽然PCV阀开度小，但足以使曲轴箱气体流出曲轴箱；③中等负荷时，进气管