汽车排放与噪声控制（第3版）课件：汽车排放污染物净化技术

汽车排放与噪声控制（第3版）

汽车排放污染物净化技术第一节汽油机机内控制技术第二节柴油机机内净化技术第三节汽车排放污染物的机外净化技术第四节清洁燃料1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术图6-1电控喷射汽油车的普及情况电子控制汽油喷射系统(EFI)，它能利用各种传感器检测发动机的各种状态，经微机的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。EFI系统是在现代计算机技术和测试技术基础上发展起来的,是汽车发展史上的重大技术进步。

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。电控汽油喷射系统的优点1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术EFI系统的分类1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术分类按喷油器数量分多点喷射单点喷射按喷油地点分缸内喷射喷在节气门上方喷在进气门前按进气量检测方法分速度密度法质量流量法按喷油时间间隔分连续喷射间接喷射按控制方式分开环控制闭环控制按信息反馈的算法分比例积分微分(ＰＩＤ)控制算法模糊(Ｆｕｚｚｙ)控制算法按多点喷油系统的喷油方式分同时喷油分组喷油电控汽油喷射系统1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术图6-6电子控制汽油喷射系统１,输油泵

２,燃油滤清器

３,油箱

４,分油管

５,油压调节器

６,电子控制单元(ＥＣＵ)

７,电磁喷油器

８,冷起动电磁喷油器

９,怠速转速调节螺钉

１０,节气门控制器

１１,节气门

１２,进气流量感应板

１３,控制继电器组

１４,氧传感器

１５,冷却液温度传感器

１６,温度时间继电器

１７,分电器

１８,冷起动空气补偿器

１９,怠速混合器调节螺钉

２０,蓄电池

２１,起动开关图中电子控制单元(ECU)６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,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1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术图6-7MPI系统的喷油器１

针阀

２

复位弹簧

３

电路接头

４

油滤器

５

节气门多点喷射系统在每一个汽缸进气管上各设置一个喷油器(图6-6)喷油器的结构如图6-7所示.单点喷射喷油器结构如图6-8所示图6-8SPI节流阀体和喷嘴１

压力调节器

２

空气温度传感器

３

电磁喷油器

４

节气门体

５

节气门即各喷油器在同一时间喷射。顺序喷射：各缸喷油器被ECU单独控制,分别在最佳喷油定时(如进气行程开始)条件下喷射,因而各缸混合气均匀性最好。同时喷射：相邻汽缸为一组,将多缸发动机的喷油器分成3或2组可使喷射定时的可控性改善,各缸混合气浓度

的均匀性提高分组喷射：1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术燃油喷射时间的控制图6-9喷油时间控制方式对比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。空燃比的控制策略：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。空燃比控制方法1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术空燃比控制点火时间是决定发动机排放特性等各种性能的重要参数。显然电控点火系统可以实现复杂的点火提前角控制,使点火时间的设计自由度扩大,这就可以实现点火提前角的最优化.点火脉谱图：1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术点火系统的控制图6-14电子式与机械式的点火提前角控制对比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。爆震控制1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术点火系统的控制图6-16爆震传感器信号图6-15爆震控制系统Ｇ,点火信号

ＫＮＫ,爆震信号

ＴＷ,冷却液温度信号

ＮＥ,转速信号图6-17爆震控制过程EFI发动机除要满足动力性、经济性和排放特性外,还应考虑驾驶性、可靠性和耐久性、环境适应性(高/低温区域、不同海拔地区)以及生产成本经济性等。1.电子控制燃油喷射系统第一节

汽油机机内控制技术其他控制项目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。2.点火系统的控制第一节

汽油机机内控制技术微机控制点火系的组成与控制策略控制策略:(１)起动时点火提前角的控制。(２)怠速时点火提前角的控制。(３)正常行驶时点火提前角的控制。2.点火系统的控制第一节

汽油机机内控制技术微机控制点火系的组成与控制策略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。(１)火花质量决定点燃混合气的能力。(２)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。2.点火系统的控制第一节

汽油机机内控制技术点火系统对排放的影响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，１)增强进气充量运动２)双火花塞2.点火系统的控制第一节

汽油机机内控制技术推迟点火的途径图6-18点火提前角对动力经济性的影响

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。3.废气再循环第一节

汽油机机内控制技术废气再循环(ＥＧＲ)的效果图6-19ＥＧＲ系统工作原理

一部分排气经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。

3.废气再循环第一节

汽油机机内控制技术废气再循环(ＥＧＲ)的效果图6-20燃烧温度与ＮＯｘ生成物的关系(１)从图6-21可看出: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。从图6-22可看出因此通常应将EGR率控制在１０％~２０％范围内较为合适3.废气再循环第一节

汽油机机内控制技术ＥＧＲ的控制策略图6-22ＥＧＲ率与发动机性能关系图6-21不同ＥＧＲ对油耗和排放的影响(２)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。(３)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。

(４)大负荷、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。

(５)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。3.废气再循环第一节

汽油机机内控制技术ＥＧＲ的控制策略

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。3.废气再循环第一节

汽油机机内控制技术内部废气再循环

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。4.燃烧系统优化设计第一节

汽油机机内控制技术紧凑的燃烧室形状图6-27典型的汽油机燃烧室形状

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１ｍ/ｓ，而湍流时的火焰传播速度可高达100ｍ/ｓ。4.燃烧系统优化设计第一节

汽油机机内控制技术改善缸内气流运动

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。4.燃烧系统优化设计第一节

汽油机机内控制技术合理提高压缩比

4.燃烧系统优化设计第一节

汽油机机内控制技术提高进气充量

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，因而在燃烧室和活塞组设计中应尽量减少这些缝隙容积。4.燃烧系统优化设计第一节

汽油机机内控制技术减少不参与燃烧的缝隙容积图6-29采用高位活塞环降低HC的效果

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.5.可变进气系统第一节

汽油机机内控制技术可变进气系统图6-30可变进气管长度实例

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.5.可变进气系统第一节

汽油机机内控制技术可变气门定时图6-31可变气门定时可能方案

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.层状充气发动机第一节

汽油机机内控制技术可变气门定时图6-34稀燃发动机混合气浓度工作极限１、采用三元催化转换器ϕ=1时发动机控制

２、用稀燃传感器控制发动机

３、用燃烧室压力传感器控制发动机

４、发动机处于工作极限下运行

５、工作极限

６、燃油消耗

７、发动机运行不稳定稀薄燃烧可以将λ提高到远超过1.1的水平，降低发动机油耗并改善CO2.将稀燃系统分为轴向分层稀燃系统和滚流分层稀燃系统两大类。在这种燃烧系统中影响稀燃效果的主要因素是缸内涡流的强度和喷油定时。稀薄燃烧发动机,其实只是在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧,起动、怠速、加速和全负荷都不能实行稀薄燃烧。7.低排放燃烧系统第一节

汽油机机内控制技术稀薄燃烧技术均质压燃(HCCI)采用类似于汽油机的均质混合气，以类似于柴油机的压缩着火方式着火，融合汽油机与柴油机的优点。7.低排放燃烧系统第一节

汽油机机内控制技术均质压燃技术图6-35四种燃烧模式的区别

排放诊断系统(OBD)指安装在汽车和发动机上的计算机信息系统，属于污染控制装置，具备下列功能:诊断影响发动机排放性能的故障，在发生故障时通过报警系统显示，通过存储在电控单元存储器中的信息确定可能的故障区域并提供信息离线通信。8.排放诊断系统第一节

汽油机机内控制技术１.柴油机与汽油机排放控制技术的异同２.柴油机排放控制的对策技术３.柴油机排气污染控制的主要途径1.概述第二节

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1.概述第二节

柴油机机内净化技术柴油机排放控制的对策技术1.概述第二节

柴油机机内净化技术柴油机排气污染控制的主要途径柴油机应采用如图6-38所示的燃烧过程控制思路，即由实线所示燃烧过程变为虚线所示燃烧过程。实际中常常是几种措施同时并用。具体采用何种措施应根据所要满足的排放法规来确定。图6-38

低排放柴油机燃烧过程控制思路2.推迟喷油提前角第二节

柴油机机内净化技术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：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。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。3.EGR第二节

柴油机机内净化技术

EGR对NOX和发动机性能的影响图6-40EGR对柴油机性能的影响图6-41

对燃烧温度的影响3.EGR第二节

柴油机机内净化技术

EGR

率的控制图6-42EGR脉谱图图6-43

的控制系统3.EGR第二节

柴油机机内净化技术

EGR

引起的异常磨损

柴油机排气中的SO2最终会生成硫酸,对EGR系统的管路和阀门以及汽缸壁面形成腐蚀,并使润滑油劣化,同时,排气中的微粒还流回汽缸,容易附在摩擦面上或混入润滑油里。这些都会导致汽缸套、活塞环以及配气机构的异常磨损。4.废气涡轮增压及可变截面增压技术第二节

柴油机机内净化技术

废气涡轮增压

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。图6-45废气涡轮增压系统１

排气口

２

涡轮

３

压气机

４

进气口4.废气涡轮增压及可变截面增压技术第二节

柴油机机内净化技术

可变截面增压器

可变截面增压器(ＶＧＴ)技术是在涡端安装一个可以调节流通截面的装置，可以根据发动机工况自动调节涡端流通面积，当发动机运行在低速工况时，减小涡轮流通面积使增压器保持相对高速，当发动机运行在高速工况时，增大流通面积，使增压器不致超速。图6-47

VGT实物图5.改善喷油系统和喷油特性第二节

柴油机机内净化技术

合理的喷油规律图6-52双弹簧喷油器１

弹簧座

２

第一级弹簧

３

顶杆

４

第二级弹簧图6-50理想的喷油规律图6-51凹弧凸轮的供油规律5.改善喷油系统和喷油特性第二节

柴油机机内净化技术

预喷射图6-53预喷射对燃烧过程的影响图6-54预喷射量对ＮＯｘ排放的影响5.改善喷油系统和喷油特性第二节

柴油机机内净化技术

多段喷射图6-5５多段喷射示意图5.改善喷油系统和喷油特性第二节

柴油机机内净化技术

提高喷油压力

加速燃油与空气混合的主要方法之一是使燃油喷雾颗粒进一步细化，以增大燃油与空气的接触表面积和缩短强化时间，为此，近年来高压喷射技术在直喷式柴油机上得到了很快的应用。5.改善喷油系统和喷油特性第二节

柴油机机内净化技术

小直径、多喷孔加速雾化混合图6-56六孔与四孔喷嘴的喷注分布比较图图6-57喷油嘴的喷孔数对炭烟排放的影响(转速2000r/min，部分负荷)5.改善喷油系统和喷油特性第二节

柴油机机内净化技术

柴油机电控喷油系统电控共轨喷油系统与传统喷油系统相比具有下述特点：(１)喷油压力柔性可调(２)系统紧凑、刚度大(３)可柔性控制喷油速率变化，实现各种灵活多样的喷油规律(４)采用电磁阀控制喷油，控制精度高，循环变动小6.高效低污染燃烧系统第二节

柴油机机内净化技术

挤流口式燃烧系统图6-59挤流口型与标准型燃烧室的排放特性6.高效低污染燃烧系统第二节

柴油机机内净化技术

非回转体型燃烧系统图6-60三种非回转体燃烧室图6-61三种燃烧室的烟度及燃油耗率7.渗水冷却技术第二节

柴油机机内净化技术

渗水冷却技术是指利用向进气管喷水或者向气缸进行喷水、喷油(乳化油)、柴油与水分层喷射的方式，促进其在燃烧室高温环境中迅速将水变成水蒸气，从而挥发带走部分热量，实现降温的目的，从而减少NOX的排放。8.进排气节流技术第二节

柴油机机内净化技术图6-62进、排气节流试验装置示意图9.可变气门正时技术第二节

柴油机机内净化技术双可变气门正时系统智能可变气门正时技术可变气门正时技术10.低温燃烧技术第二节

柴油机机内净化技术均质混合气压燃技术ACB预混合充量压燃技术反应可控压燃技术低温燃烧技术11.柴油机电子控制系统第二节

柴油机机内净化技术

柴油机电子控制(EDC)系统用于控制和调节影响柴油机排放物的相关参数，通过EDC设定了柴油机燃油喷射系统的控制和调节过程，并实现对柴油机系统的管理，相对于机械式调节器而言，其可实现精确调节，控制过程可被认为是借助控制单元而使参数尽量精确地接近额定值，以此对被控对象产生影响。1.机外净化技术概述第三节

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，这些技术尽管对降低排气污染起到了很大作用，但效果有限。2.三元催化转换器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术催化转换器的结构及原理图6-65催化转换器的基本结构图6-66载体及涂层的细微构造2.三元催化转换器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术催化转换器的结构及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：2.三元催化转换器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术催化转换器的性能指标和评价试验方法空燃比特性催化器的流动特性转化效率空速特性催化剂的耐久性及失活机理起燃温度特性催化器的性能指标2.三元催化转换器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术催化转换器的性能指标和评价试验方法催化剂的性能评价试验方法研究开发过程中的评价试验方法实验室小样评价发动机台架评价车辆评价在用车催化器的性能评价催化剂活性和寿命评价试验方法2.三元催化转换器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术催化转换器的匹配问题催化器的匹配是一项交叉于汽车、材料和化学等不同领域的涉及范围很广的技术。(１)催化器与发动机特性的匹配；(２)催化器与电子控制燃油喷射系统的匹配；(３)催化器与进排气系统的匹配；(４)催化器与燃料及润滑油的匹配；(５)催化器与整车设计的匹配。2.三元催化转换器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术汽油机稀燃催化剂

已实用化并成功地应用于缸内直喷式汽油机的主要是NOX吸附还原型三元催化剂。图6-88吸附还原催化剂的工作原理图6-89吸附还原催化剂的空燃比控制方法3.汽油机颗粒捕集器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术

由流通式三效催化转换器演变而来，是一种安装在汽油发动机排放系统中的陶瓷过滤体，外形一般为圆柱体。图6-90壁流式蜂窝陶瓷载体过滤原理图4.ＨＣ捕集器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术图6-91HC捕集系统示意图HC捕集器的作用机理１)HC捕集系统２)捕集材料控制捕集效率的因素１)选择和开发捕集材料２)选择和开发催化剂涂层３)选择催化剂载体形状4.ＨＣ捕集器第三节

汽车排放污染物的机外净化技术图6-102一种改进的HC捕集系统的效果提高系统效率的措施１)主动控制系统２)改善被动控制系统图6-101HC捕集系统5.非排气污染物控制技术第三节

汽车排放污染物的机外净化技术图6-103有害成分排放源及其所占比率所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5.非排气污染物控制技术第三节

汽车排放污染物的机外净化技术图6-105燃油蒸发控制系统１

空气滤清器

２

控制器

３

储气罐

４

油箱

５

炭罐:６

进气管图6-104闭式曲轴箱强制通风系统6.柴油机排气后处理技术第三节

汽车排放污染物的机外净化技术催化转换器的匹配问题柴油机的主要排气污染成分是微粒(PT)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:(１)氧化催化转换器———用于降低SOF(可溶性有机成分)、HC和CO；(２)微粒捕集器———用于降低微粒排放；(３)微粒氧化催换器———用于降低微粒排放；(４)NOX还原催化转换器———用于降低NOX排放;(５)主动NOX吸附技术———用于降低NOX排放;(６)被动NOX吸附技术———用于降低NOX排放;(７)四元催化转换器———用于降低CO、HC、PT和NOX排放;(８)等离子体低温技术———用于降低微粒和NOX排放;(９)柴油机选择性催化还原捕集技术———用于降低微粒和NOX排放;(１０)电加热技术;(１１)微型燃烧器;1.液化石油气第