汽车新技术课件—第九章排放控制

1、单元二发动机电控系统构造与维修化控化控 在大气污染中，汽车排放所造成的污染占有相当的比重。据有关在大气污染中，汽车排放所造成的污染占有相当的比重。据有关部门资料介绍，大气中所含部门资料介绍，大气中所含CO的的75、HC和和NOx的的50来源于汽车来源于汽车的排放。特别是排放污染早已成为严重的社会公害。为此，发达国家均的排放。特别是排放污染早已成为严重的社会公害。为此，发达国家均建立了严格的排放法规加以限制。汽车排放中的有害物质主要是建立了严格的排放法规加以限制。汽车排放中的有害物质主要是CO(汽汽油不完全燃烧的产生油不完全燃烧的产生)、HC(汽油不完全燃烧和缸壁淬冷产生汽油不完全燃烧和缸壁淬冷

2、产生)、NOx(高温条件下，氧和氮反应产生高温条件下，氧和氮反应产生)，除此而外，汽油蒸发对大气也会，除此而外，汽油蒸发对大气也会造成一定程度的污染。造成一定程度的污染。CO、HC和和NOx与空燃比之间的关系前已述及。与空燃比之间的关系前已述及。9.1 发动机排放控制与净化的技术措施发动机排放控制与净化的技术措施v三元催化转换器；三元催化转换器；v废气再循环废气再循环(EGR)；v二次空气喷射；二次空气喷射；v活性碳罐系统。活性碳罐系统。 ECU清除电磁阀活性碳罐活性碳罐燃料压力调节器燃料压力调节器PCV阀阀喷油嘴喷油嘴WTSEGR控制阀控制阀EGR电磁阀电磁阀ISC阀阀TPSAFS氧传感器氧

3、传感器高压侧高压侧燃料滤清器燃料滤清器燃料泵燃料泵单向阀单向阀分离器分离器三元催化器三元催化器 9.1.1 排放污染物排放污染物 (1)排放污染物的来源排放污染物的来源 汽车排气管排气，燃料箱和化油器的油气，曲轴箱窜气。汽车排气管排气，燃料箱和化油器的油气，曲轴箱窜气。 (2)有害物的种类有害物的种类 在发动气缸内，汽油和空气混合并燃烧，大部分生成在发动气缸内，汽油和空气混合并燃烧，大部分生成CO2和和 H2O。但一。但一部分由于不完全燃烧而生成对人体有害的气体。部分由于不完全燃烧而生成对人体有害的气体。 有害物的有害物的 3种类种类 CO-一氧化碳一氧化碳 HC-碳氢化合物碳氢化合物 Nox

4、-氧化氮氧化氮油箱和化油器蒸发的油箱和化油器蒸发的 HC 20% 曲轴相窜气曲轴相窜气 HC 25%排气排气CO 100%HC 55%Nox 100%9.1.2 汽油发动机的有害燃烧产物汽油发动机的有害燃烧产物(1) CO的生成的生成: CO产生原因是在局部产生原因是在局部 缺氧或低温下由于烃的缺氧或低温下由于烃的 不完全燃烧而产生的。不完全燃烧而产生的。 构成汽油的碳元素燃烧并构成汽油的碳元素燃烧并 生成生成 (CO2). C+O2=CO2 但空气不足时进行不完全但空气不足时进行不完全 燃烧并进行燃烧并进行2C+O2=2CO化化 学反应，产生学反应，产生CO。OCO对人体无害对人体无害CO2

5、COCO对人体有害对人体有害 CO排放浓度和空燃比的关系排放浓度和空燃比的关系: CO主要是在局部缺氧或低温下由于烃的不完全燃烧产生，混合气浓时燃烧主要是在局部缺氧或低温下由于烃的不完全燃烧产生，混合气浓时燃烧时所需要的氧不足，而时所需要的氧不足，而CO产生量多。产生量多。 空燃比空燃比: 少少(浓浓)-CO多多 = 混合气混合气:浓浓-CO多多 多多(稀稀)-CO少少 稀稀-CO少少 CO排放浓度和行驶状态的关系排放浓度和行驶状态的关系: A)怠速时怠速时;进气量少进气量少,燃料雾化也不良，需要浓混合气，燃料雾化也不良，需要浓混合气， 因此因此CO的产生量多。的产生量多。 B)加速时或高负荷

6、行驶时加速时或高负荷行驶时;加速时或输出最大功率时需要很大的旋转扭矩，加速时或输出最大功率时需要很大的旋转扭矩，因此需要浓混合气，因此需要浓混合气，CO的排放量也随着增加。的排放量也随着增加。 C)减速时减速时;化油器车辆，节气门关闭，进气量少但进气管负压很大，因此怠化油器车辆，节气门关闭，进气量少但进气管负压很大，因此怠速口喷油量多，混合气变浓，速口喷油量多，混合气变浓，CO产生量增加。产生量增加。 HC产生的原因除燃料的不完产生的原因除燃料的不完 全燃烧汽油蒸汽外，缸壁淬冷也是全燃烧汽油蒸汽外，缸壁淬冷也是 排气中排气中HC的主要来源。由于壁面的主要来源。由于壁面 的冷却作用，缸壁附近的混

7、合气，的冷却作用，缸壁附近的混合气， 活塞顶部与第一道环之活塞顶部与第一道环之 间空隙的混合气烧不着随废气间空隙的混合气烧不着随废气 排出排出.当混合气过稀，引起断火，当混合气过稀，引起断火， 使排气中的使排气中的 H汽油汽油(C6H14(核酸核酸)热热+压力压力CH4(甲烷甲烷)C2H4(乙烯）乙烯）C3H8(丙烷丙烷) HC排放浓度和空燃比的关系排放浓度和空燃比的关系: HC产生时，浓混合气氧气不足或由于稀薄混合气发生断火，产生时，浓混合气氧气不足或由于稀薄混合气发生断火，HC量增加。量增加。 空燃比空燃比:少少因氧气不足增加因氧气不足增加 混合气混合气:浓浓-因氧气不足增加因氧气不足增加

8、 多多因断火增加因断火增加 稀薄稀薄-因断火增加因断火增加 HC排放浓度和行驶状态的关系排放浓度和行驶状态的关系: 怠速或减速时增加，特别是减速时混合气过浓，发生断火怠速或减速时增加，特别是减速时混合气过浓，发生断火 HC的产生增加的产生增加(防止装置防止装置;缓冲器缓冲器) 。 HC排放浓度和燃烧时形状的关系排放浓度和燃烧时形状的关系: 加快火焰传播速度，使混合气产生涡流防止异常燃烧。加快火焰传播速度，使混合气产生涡流防止异常燃烧。 通常把氮气和氧气的化合物统称通常把氮气和氧气的化合物统称 为氧的化合物（为氧的化合物（Nox）。占空气中）。占空气中78% (体积比体积比)氮气在燃烧室的高温条

9、件下氮气在燃烧室的高温条件下 （温度（温度1500 C以上）以上） ，由氧和氮的，由氧和氮的 反应所形成的。反应所形成的。 N2+O2=2NO 这些这些 NO排到大气，并与空气中排到大气，并与空气中 的氧分子发生反应而变成的氧分子发生反应而变成NO2. 2NO+O2=2NO2 氮的氧化物有好几种，但汽车尾氮的氧化物有好几种，但汽车尾 气排出去的主要是气排出去的主要是NO，NO在大气中在大气中 又转换成又转换成N2常温时常温时ZZZN2高温时高温时NONO2NNNN Nox排放浓度和空燃比的关系排放浓度和空燃比的关系: Nox是空气在燃烧时的高温条件下，由氧和氮的反应所形成的。因是空气在燃烧时的

10、高温条件下，由氧和氮的反应所形成的。因此跟燃烧室的温度有密切关系，空燃比此跟燃烧室的温度有密切关系，空燃比 (1516:1)附近附近 Nox值最大值最大.混合混合比稀或浓时比稀或浓时Nox产生量减少产生量减少. 空燃比空燃比;少少-减少减少 混合气混合气;浓浓-减少减少 多多-增加增加 稀薄稀薄-增加增加 Nox排放浓度和行驶状态的关系排放浓度和行驶状态的关系: 燃烧室的温度跟充气量有关。节气门开度大，充其量多，燃烧室的温度跟充气量有关。节气门开度大，充其量多，Nox产生量增多。产生量增多。 CO:理论空燃比为基准，当高于理论空燃比为基准，当高于空燃比时增加，低于空燃比时减少。空燃比时增加，低

11、于空燃比时减少。 HC:高于理论空燃比增加，高于理论空燃比增加，低于理论空燃比因断火也增加低于理论空燃比因断火也增加. NOx:稍稀于理论空燃比时产生量稍稀于理论空燃比时产生量最多，比理论空燃比稍浓或稍稀，最多，比理论空燃比稍浓或稍稀，产生量减少。产生量减少。9.1.3 有害气体的排放浓度有害气体的排放浓度理论空燃比理论空燃比COHCNOx各排放气体浓度各排放气体浓度空燃比空燃比少少(浓浓)大大(稀薄稀薄)9.2 三元催化转换器三元催化转换器 现代汽车发动机上普遍采用三元催化转换器，它不仅能促使CO、HC的氧化反应，也能促使NOx的还原反应，从而使CO、HC和NOx三种有害气体都得到净化。三元

12、催化转换器安装在排气管中，其结构如图所示。 三元催化剂是金属铂(或钯)和铑的混合物，它能够与HC、CO和NOx发生反应。但是只有当空燃比保持稳定时，其转换效率才得到精确控制。三元催化转换器转换效率与空燃比的关系曲线见图，在理论空燃比(14.7：1)时，三元催化转换器的转换效率最佳。 因此，为了保持有良好的废气转换效率，必须对空燃比进行精确地控制，即把空燃比保持在理论空燃比附近很窄的范围内。 催化剂的表面活性作用是利用排气本身的热量激发的。 一般排气中有害成份的开始转化温度高于250 。发动机起动预热5min后才能达到此温度，一旦转换反应开始，催化床便因反应放热而自动地保持高温。 使用最佳温度范

13、围为400-1000，在此温度范围内，既能保持有高的净化率，又能延长转换器的使用寿命。当温度超过1000 时，催化剂会由于过热而加快老化，以至于完全丧失催化功能。 如火花塞缺火或点火不正时，未燃烧的混合气进入转换器，使催化床温度急剧升高(可达1400 )，转换器负荷加大，寿命降低。排气中的铅化物、碳烟、焦油等物质也会造成转换器过早的损坏，因此，为了提高三元转换器的使用寿命，汽油发动机应使用无铅汽油。 9.3 废气再循环（废气再循环（EGR)控制系统控制系统 废气再循环是在发动机工作过程中，将一部分废气引到吸废气再循环是在发动机工作过程中，将一部分废气引到吸人的新鲜空气人的新鲜空气(或混合气或混

14、合气)中，返回气缸内进行再循环的方法，中，返回气缸内进行再循环的方法，其作用是用来减少其作用是用来减少NOx的排放量。的排放量。 在怠速、低转速小负荷及发动机处于冷态运行时，再循环在怠速、低转速小负荷及发动机处于冷态运行时，再循环的废气将对发动机的性能产生严重的影响。的废气将对发动机的性能产生严重的影响。 参与再循环的废气量（参与再循环的废气量（EGR率）一般在率）一般在613之间变之间变化为宜。化为宜。 EGR=EGR气体流量气体流量吸入空气量吸入空气量+EGR气体流量气体流量燃烧速度慢燃烧速度慢燃烧速度快燃烧速度快燃烧速度慢燃烧速度慢NOxNOx排放气体排放气体混合气密度小混合气密度小混合

15、气密度大混合气密度大废气再循环装置原理废气再循环装置原理 100位置传感器位置传感器排气入口排气入口EGR阀阀12TPSCASAFSWTSEGR阀阀电磁阀电磁阀(EGR,VENT)电磁阀电磁阀(EGR,VACUUM)位置传感器位置传感器电子控制式电子控制式 EGR1;检测发动机转速检测发动机转速 2;决定决定EGR气体量气体量到进气岐管到进气岐管ECU构成构成特征特征发动机发动机发动机发动机发动机发动机空气空气真空控制阀真空控制阀排放气体排放气体排放气体排放气体EGR阀阀空气空气排放气体排放气体EGR阀阀真空控制阀真空控制阀真空控制阀真空控制阀空气空气排放气体排放气体净率净率 EGREGR负荷

16、可变负荷可变轻负荷轻负荷-EGR率少率少高负荷高负荷-EGR率大率大EGR率负荷可变率率负荷可变率机械式机械式 EGREGR阀阀EGR真空阀真空阀背压背压信号信号EGR信号信号3通道电磁阀通道电磁阀EGR控制阀控制阀E C U控制控制WTS /WWTSTPS B.P.T (Back Pressure Transducer) EGR型式型式由由EGR真空阀来的真空阀来的负压信号负压信号给给EGR真空阀真空阀传达废气输入信号传达废气输入信号废气在循环停止时废气在循环停止时废气在循环进行时废气在循环进行时废气到进气岐管废气到进气岐管废气再循环入口废气再循环入口 (2)EGR 真空阀真空阀 废气压力和

17、进气岐管的负废气压力和进气岐管的负压下，内部的膜片弹簧工作，压下，内部的膜片弹簧工作，调节调节 EGR阀阀 的负荷变化量。的负荷变化量。 (3)EGR 电磁阀电磁阀 受微机输出的信号（冷却受微机输出的信号（冷却水温度和散热器温度信号），水温度和散热器温度信号），使负压到使负压到EGR控制阀。控制阀。 (4)真空延迟阀真空延迟阀 延迟延迟EGR阀的负压传达，阀的负压传达，防止防止 EGR的突然开启。的突然开启。附压信号附压信号由由EGR排气压力排气压力空滤空滤EGR电磁阀电磁阀 系统的工作是随着通道真空，排放废气，冷却水温，发动机转速进行控制。但急减速时，系统的工作是随着通道真空，排放废气，冷却

18、水温，发动机转速进行控制。但急减速时，进气岐管水温进气岐管水温70C以下以下, 散热器水温散热器水温 17C以下或发动机转速以下或发动机转速 1500rpm以下时，为了提高行驶性以下时，为了提高行驶性能，停止能，停止EGR，在，在Nox产生量多的中速，中负荷区域，增加产生量多的中速，中负荷区域，增加EGR量，降低量，降低 Nox量量.种类种类切切断断EGR 基本基本EGR增量增量EGR条件条件散热器水温散热器水温17C以下或发动机冷却水温以下或发动机冷却水温70C以下以下怠速怠速,低速无负荷低速无负荷高速高负荷高速高负荷其他区域其他区域中速中负荷中速中负荷EGR量量无无少量少量多量多量备注备注

19、缩短暖机时间缩短暖机时间提高稳定性提高稳定性输出最高功率输出最高功率最高最高15%左右左右 (2)背压修正阀背压修正阀 背压修正阀的作用是根据排气歧管中的背压，附加控背压修正阀的作用是根据排气歧管中的背压，附加控制废气再循环。制废气再循环。 当发动机在小负荷排气背压低时，背压修正阀使当发动机在小负荷排气背压低时，背压修正阀使EGR控制阀保持关闭状态，不进行废气再循环。控制阀保持关闭状态，不进行废气再循环。 在发动机负荷增大，排气歧管背压增大时，背压修正在发动机负荷增大，排气歧管背压增大时，背压修正阀才允许阀才允许EGR控制阀打开进行废气再循环。控制阀打开进行废气再循环。 9.4 燃油蒸发气体控

20、制装置燃油蒸发气体控制装置 把燃料箱或化油器里产生的燃料蒸气不排出到大气，供入气缸内进把燃料箱或化油器里产生的燃料蒸气不排出到大气，供入气缸内进行燃烧，抑制行燃烧，抑制HC的产生。蒸发气体控制装置有通断型电磁阀的控制方式的产生。蒸发气体控制装置有通断型电磁阀的控制方式和占空比控制方式。和占空比控制方式。 (1)通断型构成通断型构成 为了防止汽油箱向大气排放燃油蒸气而产生污染，在电控发动机控为了防止汽油箱向大气排放燃油蒸气而产生污染，在电控发动机控制系统中普遍采用了由电控单元制系统中普遍采用了由电控单元(ECU)控制的活性炭罐蒸发污染控制装控制的活性炭罐蒸发污染控制装置。置。 发动机工作时，电控

21、单元发动机工作时，电控单元(ECU)根据发动机转速、冷却水温度、空根据发动机转速、冷却水温度、空气流量等信号，控制炭罐电磁阀的开闭，进而控制排放控制阀上部的真气流量等信号，控制炭罐电磁阀的开闭，进而控制排放控制阀上部的真空度，从而达到控制排放控制阀开度的目的。当排放控制阀打开时，汽空度，从而达到控制排放控制阀开度的目的。当排放控制阀打开时，汽油蒸气将通过排放控制阀被吸人进气歧管，随进气一起进入气缸内燃烧。油蒸气将通过排放控制阀被吸人进气歧管，随进气一起进入气缸内燃烧。 (2)占空比型构成占空比型构成 ECU根据各种输入装置检测发动机工作状态，随工作条件由占空比控制进根据各种输入装置检测发动机工

22、作状态，随工作条件由占空比控制进行调节已确定的燃油蒸发气体量。电磁阀是发动机暖机时，齿轮工作状态，怠行调节已确定的燃油蒸发气体量。电磁阀是发动机暖机时，齿轮工作状态，怠速开关速开关OFF时时,氧传感器功能正常时工作。氧传感器功能正常时工作。 燃油蒸发气体控制装置单向阀单向阀油气分离器油气分离器活性碳罐活性碳罐电磁阀电磁阀ECU吸入发动机内吸入发动机内输入输入信号信号 活性碳罐活性碳罐: 将油气吸附与碳粒表面，将油气吸附与碳粒表面， 跟纯空气一起由气体状态进跟纯空气一起由气体状态进 入进气岐管。入进气岐管。 NO3清除控制阀清除控制阀: 增加进入气缸的蒸发气增加进入气缸的蒸发气 体流量的阀门，受

23、清除控制电体流量的阀门，受清除控制电 磁阀的信号。磁阀的信号。空气空气(PURGE AIR)滤网滤网滤网滤网碳粒碳粒从燃料箱来从燃料箱来从进气岐管来从进气岐管来到进气岐管到进气岐管 在燃烧室里产生的排放气体中的在燃烧室里产生的排放气体中的HC,CO,Nox经过催化器时被经过催化器时被Pt,Ph的作用，的作用，进行氧化和还原反应转换成进行氧化和还原反应转换成CO2,H2O,N2. 为了促进氧化反应，通过片簧阀供入为了促进氧化反应，通过片簧阀供入新鲜空气。新鲜空气。 构成图构成图:9.5 三元催化器和二次空气喷射装置三元催化器和二次空气喷射装置片簧阀片簧阀三元催化器三元催化器O2传感器传感器 (1)催化器催化器 燃烧室里产生的有害气体经过三元燃烧室里产生的有害气体经过三元 催化器时被贵金属进行化学反应，催化器时被贵金属进行化学反应， 净化成对人体无害的气体，排到大气。净化成对人体无害的气体，排到大气。排放气体排放气体贵金属贵金属净化气体净化气体 CO+O2 白金白金 CO2 HC+O2 铂铂 CO2+H2O Nox 铑铑 H2O,CO2,+N2 (2)片簧阀片簧阀 由于排放气体的脉动，产生由于排