汽车发动机原理课件：有害排放物的控制

纵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处理方法。这些技术尽管对降低排气污染起到了很大作用，但效果有限。随着排放法规的日益严格，人们开始考虑包括催化转化器在内的各种机外处理方法。由于汽车排放污染物分别来自于排气管(燃烧过程)、曲轴箱和燃油系统。因此，发动机机外处理包括对发动机燃烧排出的有害物，在排气系统等处进行后处理和对曲轴箱窜气或油蒸气部分进行处理。一、排气的后处理排气的后处理是指气体排出发动机汽缸以后，在排气系统中进一步减少有害成分的措施，主要指催化转化器。它包括用来减少HC和CO排放的氧化催化转化器，减少NOx排放的还原催化转化器和同时减少HC、CO及NOx排放的三元催化转化器，用于减少HC和CO的热反应器。对于柴油机的炭烟微粒净化装置也属排气后处理。汽油机工作过程中的不完全燃烧产物CO和HC在排气过程中可以继续氧化，但必须有足够的空气和温度以保证其高的氧化速率。如图9-14所示，在紧靠排气总管出口处装有热反应器，它有较大的容积和绝热保温部分，使反应器内部温度高600~1000℃；同时在紧靠排气门处喷入空气(即二次空气)，以保证CO和HC氧化反应的进行。这种系统若设计匹配合理，对CO和HC可得到50％以上的净化效率，但对NOx无净化效果。为保持较高的排气温度，一般要加浓空燃比以及推迟点火提前角，因而会导致燃油消耗率升高。在20世纪70

~80年代，热反应器在国外汽油车上采用的较多，随着净化效率更高的催化器特别是三元催化器的普及，现在新生产的汽车上已很少采用热反应器。由于摩托车的排气后处理装置要求结构简单和成本低廉，且摩托车最主要的排放污染物是CO和HC，因而热反应器在摩托车上仍有较好的应用价值和较广泛的实际应用。各类催化转化器均由金属外壳和活性催化材料组成。常见的有两种结构形式(图9-15):一类是整体陶瓷蜂窝结构，它在作为载体的多孔性氧化铝陶瓷表面渗一层活性催化剂；另一类是颗粒式结构，它将催化材料浸透在大量直径为2

~3mm的多孔性陶瓷小球表面。这两类转化器均应保证排气流畅，并使气流与催化剂有较大的接触面积。但催化剂的材料不同，转化器的功能也不一样。１.氧化催化转化器氧化催化转化器的作用是把排气中的CO和HC氧化成CO2和H2O。由于贵金属内在活性高，低温时的活性损失小，同时抗燃料中硫污染的能力强，因此最适合于用作催化材料。目前应用最广泛的氧化催化材料是铂(Pt)和钯(Pd)的混合物。这些氧化催化剂的转化效率随温度而变化，如图9-16所示。在温度足够高时使用新的催化剂，对CO的转化效率可达98％~99％，对HC的转化效率可达95％，但在温度低于250

~300℃时，其转换效率急剧下降。２.三元催化转化器三元催化剂包含铂(Pt)和铑(Rh)，Pt/Rh在2

~17的范围内，此外还含有Al2O3、NiO、CeO2(氧化铈)，用氧化铝作为载体材料。使用三元催化剂时，应将混合气成分严格控制在理论空燃比附近(α≈1)，这样催化剂才能促使CO及HC的氧化反应和NOx的还原反应同时进行，生成CO2、H2O及N2。而且，只有在接近理论空燃比的窄狭范围内(图9-17)，对这三种有害成分才有高的转化效率。这是目前车用汽油机上应用最广泛的机外净化措施。为了使空燃比保持在理论空燃比附近的狭窄空燃比范围内，使用了电子空燃比反馈控制系统。由排气系统安装的氧传感器，检出排出系统中的氧浓度，与同时得到的吸入空气量、冷却液温度等信息一起被送到控制单元处理，并同上述狭窄空燃比范围内的空燃比进行比较。通过电子控制的燃料供给系统向汽缸喷入适当的燃料量。催化剂一般都在一定的温度下才起作用，对于发动机刚起动后的情况，由于排气温度很低，催化器将不能净化排气中的有害成分。试验表明，在发动机的排放试验规范中，约80％的有害排放物是在最初冷机时排出的。为了解决这一问题，一般采用电加热催化剂法EHC和吸附剂法两种方案。３.柴油机微粒过滤及再生装置微粒是柴油机排放的突出问题，对车用柴油机排气微粒处理，主要采用过滤法。在滤芯上存积的微粒需及时清除，过滤器再生的原理是，将微粒尽可能烧掉，变成CO，随排气一起排入大气。针对这个问题，近10年来，国内外对过滤器再生技术进行了大量细致的研究工作提出了多种再生技术。根据利用能量形式的不同，再生技术可分为柴油机自身能量再生和利用外界能量再生两大类。自身能量再生分为:(1)全负荷再生。柴油机的排气温度是随其运转状态而变化的，在高速全负荷的情况下，排气温度可以达到400~500℃，在此温度下，沉积在滤芯内的微粒可自行燃烧，从而达到滤芯再生的目的，此系统不附加任何辅助系统，因此比较简单。但是，柴油机的排气温度只有在接近最高转速，全负荷的工况下在靠近汽缸盖排气口处，才能达到使滤芯内沉积的颗粒自燃的目的。但车用的柴油机很少在这工况下工作。(２)催化再生。是指利用化学催化剂的方法降低颗粒的反映活化能，可在较低的排气温度下使排气颗粒过滤器利用排气的温度再生，同时也可使柴油机排气中的CO和HC在催化作用下氧化成CO2和H2O，从而提高废气温度，使炭烟颗粒更容易自燃。催化的重点是寻找低温下有效的催化剂，并兼顾其他有害气体排放物的转化。方法主要包括:①将催化剂提前浸在滤芯上，以降低过滤时滤芯上颗粒的活化能；②采用燃油添加剂，即在燃油中加入金属有机化合物。图9-18所示为整体多孔陶瓷催化过滤器—燃烧器再生系统。微粒过滤器由多孔陶瓷材料制成，其过滤效率较高。在过滤器入口前，设置一燃烧器，靠泵及喷油器向燃烧器供给少量燃油，利用排气的氧或另外供给空气，用火花塞或电热塞点燃，由高温燃气再烧掉微粒。一般经过1

~2min后，即可完成再生过程，燃烧器停止工作。(３)节流再生。实际上是通过进气或排气节流的方法来控制柴油机的进气量以提高排气温度，是滤芯中的炭烟颗粒着火燃烧，目前研究较多的是排气节流，主要包括以下两种方法:提高排气压差，增加泵功损失和降低柴油机的容积效率。而于利用外部能量再生则包括:(１)喷油助燃再生。该方法发展比较早。它是通过一套专门的系统，适时的向滤芯上游空间喷入一定量的燃油和供给一定的空气，由点火系统将喷入的燃油点燃，使滤芯温度上升，颗粒着火燃烧，以实现滤芯的再生。(２)电加热再生(图9-19)。与喷油助燃再生相似，只不过以电能代替喷油燃烧热能加热空气或废气，以实现滤芯的再生。(３)电自加热再生和微波再生(图9-20)。电加热再生是利用高导电性能的结晶SiC作为过滤材料。当需要再生时，将滤芯作为电加热元件直接通电加热，使沉积在上面的炭烟颗粒升温燃烧，实现滤芯自身的燃烧。微波再生是利用微波所独具的选择加热和体积加热特性，对沉积在滤芯上的对微波具有极强的吸收能力的颗粒及滤芯本身进行加热，使颗粒迅速燃烧。(4)逆向喷气净化再生。以上几种都是颗粒燃烧和滤芯没有分离。为了提高柴油机颗粒过滤器和再生系统的可靠性和使用寿命，将颗粒燃烧和滤芯分离是一个有效的途径。该技术最大的特点是将滤芯和颗粒燃烧分开，因此该系统不存在滤芯由于燃烧发热产生爆裂和烧熔的问题，也解决了不燃物质在过滤器内堆积的问题(图9-21)(１)目前过滤、再生系统的可靠性和使用寿命很难满足要求。(２)过滤再生系统比较复杂，成本高，难以广泛推广使用。过滤材料是过滤器的根本，开发新的耐高温，耐热冲击，导热性能好的过滤材料，对提高过滤器的使用寿命有极其重要的意义。再生技术是决定再生效果好坏的关键再生技术的使用又与过滤材料的特性相关，电自加热再生、微波再生技术等多种技术配合将具有良好的前景。再生技术将向着工作可靠，系统简单，易于操作，再生安全彻底等方向发展。二、发动机的前处理发动机的前处理应包括防止汽油蒸发的措施，以及为降低NO生成而采取的废气再循环的措施。

１.曲轴箱强制通风封闭系统(PCV系统)如图9-22所示，从空气滤清器引出一股新鲜空气进入曲轴箱，再经流量调节阀(PCV阀)把窜入曲轴箱的气体和空气的混合气一起吸入汽缸烧掉。PCV阀是用真空操作和多个可变喷嘴控制的阀。其作用是在怠速、低速小负荷时减少送入汽缸的抽气量，避免混合气过稀而造成失火。在节气门全开时，即进气管真空度低，汽缸窜气量大时，提供足够的流量。这种系统在一些国家的法规上规定必须采用。２.油蒸气吸附装置下面介绍一种常用的活性炭罐式油蒸气吸附装置(图9-23)。从油箱蒸发出来的油蒸气，经储气罐流入炭罐被活性炭所吸附。当发动机工作时，由进气负压控制开启净化控制阀，在炭罐内被吸附的油蒸气与从炭罐下部流入的空气一起被吸入进气管。３.废气再循环装置(EGR)使少量废气(5％~20％)再次循环进入汽缸，降低燃烧温度，可抑制NOx生成。对废气再循环量的控制方法有进气负压控制式、排气压力控制式、负荷比例式及电子控制式。应根据不同工况决定是否采用废气再循环，或确定废气再循环量的多少。各大汽车公司所开发推出的EGR系统在控制方式上并不相同。按照工作方式分类主要有真空膜片式和全计算机控制电磁式。真空膜片式EGR系统主要有以下几种类型:气道式废气再循环系统；正背压废气再循环系统和负背压废气再循环系统。以上类型的EGR系统主要在日本车系、Ford车系和早期的GM车系上被广为运用。其主要通过电磁阀控制传送到EGR阀内部膜片上部控制管路中的真空，再结合发动机在不同工况下的排气压力和进气歧管绝对压力(MAP)差值综合控制EGR阀的开关程度。因为一般EGR电磁阀当发动机的冷却液温度达到70℃以上，节气门开度大于0的情况下，都被ECM控制开启，所以进气歧管上的真空可以说大多数时间是被作用于EGR阀内部的膜片上的，整个系统的控制近似于一种纯机械的方式。而且，作为发动机控制模块ECM接收到的EGR工作状况反馈信息也不是非常的精确。例如，日本车常用废气温度感知器来检测EGR阀的开启程度，福特车常用压力反馈电子感知器(PPE)通过监测流过废气压力计量孔节流后的废气压力值来计算出EGR的实际开启程度。全计算机控制电磁式EGR系统主要有以下两种类型:指状电磁线圈废气再循环系统和线性控制废气再循环系统。这两种废气再循环系统均由DelCO公司独家开发并仅装备在通用公司所生产的汽车上。指状电磁线圈废气再循环阀内部装备3个电磁线圈，这3个线圈全部由动力控制模块PCM控制，每个线圈配有1个可移动的枢轴，枢轴下端的锥体和对应废气信道阀座密封配合。当任一电磁线圈通电时，可动枢轴就被电磁力所吸引，废气可通过开启的废气信道进入进气管路。3个电磁线圈所对应的废气信道截面积各不相同，这主要是出于对发动机不同工况时控制废气再循环流量的设计考虑。目前，世界上只有DelCO公司的线性EGR阀，才真正能够胜任发动机全工况下NOx排放水平的最佳控制。先进的脉宽调制技术使得EGR阀枢轴的开启程度完全是线性渐变的，PCM根据各种感知器所传送的发动机运行参数计算出最优的EGR开启程度，并通过脉宽调制信号来控制EGR线圈。特别是线性EGR阀中嵌入的EGR枢轴位置感知器PPS，马上就能够将实际枢轴的移动位置反馈给PCM，实现了对废气再循环流量的精确死循环控制。在汽油机暖机过程申，在怠速及低负荷时，在高负荷、高转速或节气门全开时，一般不进行废气再循环，并要求随着负荷增加，废气再循环量应增加到允许的限度。根据工况不同，利用计算机控制废气再循环(EGR)阀的开度，可以获得较高的控制精度(图9-24)。在严格控制NO排放的国家，废气再循环(EGR)装置已成为净化NOx的主要方法。１)气电式气电式EGR系统主要由EGR阀、真空源、真空管路、ECU、EGR电磁阀和部分传感器等组成。其控制系统简图如图9-25所示。在气电式系统中，阀的开度是通过改变EGR阀上部真空室内真空度来调节，其真空源的选取由节气门附近或使用真空泵来提供，此系统中EGR阀与EGR电磁阀通过真空管路相连。EGR电磁阀在关闭状态下，真空管路与大气相连，而在开启状态下，真空管路与真空源相连，ECU通过改变EGR电磁阀的开启关闭时间比，达到调节真空管路中的真空度的目的，从而控制废气再循环流量。气电式EGR系统可以根据传感器信号判断发动机工作状态，相对准确计算出废气再循环的时机和最佳控制量。２)电控式EGR系统由EGR阀、EGR冷却器、混合腔、节流阀、一根或多根EGR管组成(图9-26)。EGR阀结构如图9-27。根据使用需要有时包含旁通阀和节流阀，电控EGR系统则还包含ECU控制器。汽缸排气经过排气管，通过EGR控制阀部分进入EGR系统，高温气体经过EGR冷却器，最终到达混合腔与新鲜空气混合进入汽缸。现阶段电控式EGR系统可以分为以下三种。(１)普通电控式EGR控制系统。普通电控式EGR系统主要由EGR阀、电磁阀、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、冷却液温度传感器、起动信号和电控单元等组成。发动机工作时，电控单元根据各个传感器反馈的电信号，确定发动机目前在哪种工况下运行。发动机在各种工况下运行，电控单元向EGR电磁阀发出接通信号，电磁阀通电，其阀门关闭切断EGR真空通道，EGR阀关闭，EGR系统停止工作。(２)可变电控式EGR控制系统。可变电控EGR控制系统主要由电控单元、EGR电磁阀、节气门位置传感器、EGR阀、节气门、曲轴位置传感器、定压阀和调压阀等组成。根据