第06章 进排气系统及排气净化装置

第六章

进排气系统及净化装置第一节进气系统进气系统的功用：尽可能多、尽可能均匀地向各缸供给可燃混合气或纯空气；进气系统组成：由空气滤清器和进气歧管组成；化油器及进气道喷射汽油机：空气经空气滤清器过滤后，进入化油器，在化油器内与汽油形成可燃混和气，进入进气歧管，然后经进气门进入气缸；柴油机：空气经空气滤清器过滤后，进入进气歧管，经进气门进入气缸；直接喷射式汽油机：空气经空气滤清器过滤后，流过空气流量计，由进气道进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合形成可燃混和气，经进气门进入汽缸；排气系统的功用：尽可能多的把燃烧后的废气排出气缸。1.空气滤清器2.排气歧管3.进气软管4.进气歧管5.排气管6.三元催化转换器7.中间消声器8.主消声器轿车发动机进排气系统的布局一)空气滤清器的功用燃油燃烧需要大量的空气。以普通轿车为例，每消耗1L汽油需要消耗5000～10000L空气。大量的空气进入气缸，若不将其中的杂质或灰尘滤除，必然加速气缸的磨损，缩短发动机使用寿命。实践证明，发动机不安装空气滤清器，其寿命将缩短2/3。空气滤清器的功用主要是滤除空气中的杂质或灰尘，让洁净的空气进入气缸。另外，空气滤清器也有降低进气噪声的作用。一、空气滤清器二)空气滤清器结构一般由进气导流管、空气滤清器盖、空气滤清器外壳和滤芯等组成。空气滤清器有多种结构形式：1.油浴式空气滤清器2.纸滤芯空气滤清器3.离心式及复合式空气滤清器空气滤清器（空气格）空气滤清器功用：①滤除空气中的杂质或灰尘，让洁净的空气进入气缸；②降低进气噪声的作用。在轿车上，为了增强发动机的谐振进气效果，空气滤清器进气导流管需要有较大的容积。但是导流管不能太粗，以保证空气在导流管内有一定的流速，因此，进气导流管只能做得很长。三)空气滤清器进气导流管较长的进气导流管有利于实现从车外吸气。因为车外空气温度一般比发动机罩下的温度低30℃左右，所以从车外吸入的空气密度可增大近10%，燃油消耗率可降低3%。对于化油器式或节气门体汽油喷射式发动机，进气歧管指的是化油器或节气门体之后到气缸盖进气道之前的进气管路。它的功用是将空气、燃油混合气由化油器或节气门体分配到各缸进气道。二、进气歧管1．进气歧管结构对于气道燃油喷射式发动机或柴油机，进气歧管只是将洁净的空气分配到各缸进气道。进气歧管必须将空气-燃油混合气或洁净空气尽可能均匀地分配到各个气缸，为此进气歧管内气体流道的长度应尽可能相等。为了减小气体流动阻力，提高进气能力，进气歧管的内壁应该光滑。由于进气过程具有间歇性和周期性，致使进气歧管内产生一定幅度的压力波。此压力波以当地声速在进气系统内传播和往复反射。的压力波，使进气歧管的压力增高，从而增加进气量。这种效应称作进气波动效应。谐振进气系统的优点是没有运动件，工作可靠，成本低。但只能增加特定转速下的进气量和发动机转矩。如果利用一定长度和直径的进气歧管与一定容积的谐振室组成谐振进气系统，并使其固有频率与气门的进气周期调谐，那么在特定的转速下，就会在进气门关闭之前，在进气歧管内产生大幅度2．谐振进气系统为了充分利用进气波动效应和尽量缩小发动机在高、低速运转时进气速度的差别，特别是改善中、低速和中、小负荷时的经济性和动力性的目的，要求发动机在高转速、大负荷时装备粗短的进气歧管；而在中、低转速和中、小负荷时配用细长的进气歧管。可变进气歧管就是为适应这种要求而设计的。可变进气歧管在所有转速下都可以使发动机转矩平均提高5%。双通道可变进气歧管可变长度进气歧管3．可变进气歧管第二节排气系统直列发动机在排气行程期间，气缸中的废气经排气门进入排气歧管，再由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。这种排气系统称作单排气系统。一、单排气系统及双排气系统V型发动机有两个排气歧管，在大多数装配V型发动机的汽车上仍采用单排气系统，即通过一个叉形管将两个排气歧管连接到一个排气管上。来自两个排气歧管的废气经同一个排气管、同一个消声器和同一个排气尾管排出。但有些V型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。这种布置形式称作双排气系统。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，因而可以充入更多的空气燃油混合气或洁净的空气，发动机的功率和转矩都相应地有所提高。二、排气歧管一般排气歧管由铸铁或球墨铸铁制造，近些年来采用不锈钢排气歧管的汽车愈来愈多，其原因是不锈钢排气歧管质量轻，耐久性好，同时内壁光滑，排气阻力小。排气歧管的形状十分重要。为了不使各缸排气相互干扰及不出现排气倒流现象，并尽可能地利用惯性排气，应该将排气歧管做得尽可能的长，而且各缸支管应该相互独立、长度相等。发动机的排气压力为0.3-0.5MPa，温度在500～700℃，这表明排气有一定的能量。同时，由于排气的间歇性，在排气管内引起排气压力的脉动。若将发动机排气直接排放到大气中，将产生强烈的、频谱比较复杂的噪声，其频率从几十赫到一万赫以上。排气消声器的功用是降低排气噪声。消声器通过逐渐降低排气压力和衰减排气压力的脉动，使排气能量耗散殆尽。三、消声器消声器基本结构形式随着汽车保有量的与日俱增，汽车排气对人类健康的危害及对环境的污染也日甚一日；世界各国都制定了相应的法规和标准，以期把汽车有害排放物控制在较低的水平；为了满足排放标准，必须对发动机排气进行净化。第三节排气净化装置发动机有害的污染物排放主要有尾气排放物、燃油系统蒸发物和噪声。汽油机排放物主要是：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOｘ)；柴油机排放物主要是：除一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOｘ)外，还有微粒（PM）和烟度。这些尾气排放物的生成直接与发动机的燃烧过程有关。发动机的有害排放物发动机排放的污染物主要有：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOｘ)和微粒碳烟对人的呼吸系统有害，所含多环芳香烃物质SOF有致癌作用。燃烧不完全排出的浮游碳离子，有时也含有液态的油雾。主要指柴油机排气中的碳烟。微粒排放（PM）对人的鼻、眼、口腔、呼吸道有刺激作用（与水分结合生成可溶性硝酸）；NOｘ主要是指NO和NO２。燃烧室内高温富氧环境中的产物。（要降低氧浓度，降低燃烧温度）氮氧化合物(NOx)在阳光照射下产生臭氧O3等强氧化物质，形成光化学污染。含致癌物。未燃或未完全燃烧的燃油和润滑油蒸汽（油箱、化油器逸出的油蒸汽，曲轴箱通风气体）碳氢化合物(HC)人吸入后将降低血液吸收和运送氧气的能力，引起中毒甚至死亡。燃料的不完全燃烧产物及局部高温的热分解产物。无色无臭无气味。（要氧气充足、控制高温）一氧化碳(CO)危害产生原因污染物燃烧后产生的大量CO2虽然不会对环境造成直接污染，但其大量积聚会对地球环境造成不良影响，它导致的温室效应、臭氧层的增加，对人类有害。未燃HC和NOx在一定环境下发生十分复杂的化学反应，诱发新的有害物，生成二次有害排放物。如经紫外线作用发生光化学反应形成光化学烟雾，主要成分：臭氧、醛等烟雾状物质。具有强烈氧化性，对人类、环境危害大。发动机各部位排出HC的比例：排气管：55%-65%；曲轴箱通风口漏出20%-25%；化油器和油箱蒸发15%-20%。二冲程汽油机的HC排放量因有扫气过程，较四冲程汽油机大许多。中国排放法规限值排放标准实施日期分类COg/kW.hHCg/kW.hNMHCg/kW.hCH4ag/kW.hNOxg/kW.hPMg/kW.h烟度m-1试验循环和说明国Ⅰ2000/2001＜85kW4.51.18.00.612ECER-49＞85kW0.36国Ⅱ2004/20054.01.17.00.15ECER-49国Ⅲ2007.01.01(2008)2.10.665.00.10/0.13c0.8ESC＆ELR5.450.781.65.00.16b0.21b,cETC国Ⅳ2010.01.011.50.463.50.020.5ESC＆ELR4.00.551.13.50.03bETC国Ⅴ2012.01.011.50.462.00.020.5ESC＆ELR4.00.551.12.00.03bETCa-仅适用于天然气发动机；b-不适用于在2000年和2005年阶段的气体发动机；c-适用于每缸排量小于0.75L和标定功率转速高于3000r/min的发动机。汽车发动机上应用的主要排放控制技术1.发动机结构优化技术；2.闭环电控发动机管理技术；3.改进油料；4.恒温进气系统；5.二次空气喷射系统；6.催化转换器；7.曲轴箱强制通风（PCV）技术；8.汽油蒸发控制系统；9.排气再循环（EGR）技术。1、恒温进气系统（汽油机）空气温度太低，汽油将在进气管内壁上凝结，难以蒸发雾化。恒温进气系统：控制进气温度，使之保持在35℃～40℃之间。当发动机温度升高后，恒温进气系统向发动机供给未经加热的环境空气。多用于化油器式汽油机或节气门体喷射式汽油机上。对这类发动机的进气歧管应进行适当的加热以促进汽油的蒸发。改善了发动机低温运转性能。恒温进气系统的结构：设一套空气加热与控制系统，利用发动机排气或循环冷却液进行加热。空气滤清器两个进气口分别接热空气管及冷空气进气导流管，由控制阀控制两个进气管的开闭。1.进气导流管2.真空控制膜盒3.控制阀

4.进气温度传感器6.热炉7.冷空气入口8.排气歧管

9.热空气出口10.热空气管原理：低于35℃时—加热空气；超过53℃时—进冷空气；

35℃～40℃时—冷热空气

图中，进气管真空度作用在真空控制膜盒7上，控制控制阀8开大或关小。过度加热将减少进入气缸的混合气数量使功率下降进气道燃油喷射式发动机的进气歧管无需加热。化油器式汽油机节气门体喷射式汽油机空气滤清器1—催化转换器2—氧传感器3—二次空气控制阀4—二次空气电磁阀点火开关接通后，蓄电池向二次空气电磁阀供电，ECU控制电磁阀搭铁回路。电磁阀不通电时，关闭通向膜片阀真空室的真空通道，膜片阀弹簧推动膜片下移，关闭二次空气供给通道；ECU给电磁阀通电，进气管真空度将膜片阀吸起，使二次空气进入排气管。

2、二次空气喷射系统（汽油机）1.功用：在一定工况下，利用空气泵将新鲜空气经空气喷管喷入排气道或催化转换器，使排气中的CO和HC进一步氧化或燃烧成为二氧化碳(CO２)和水(H２O)。同时加快三元催化转换器的升温。2.组成及原理二次空气喷射系统二次空气喷射系统：利用空气泵将新鲜空气经空气喷管喷入排气道或催化转换器，使排气中的CO和HC进一步氧化（燃烧）成为二氧化碳(CO２)和水(H２O)。3、催化转化换器（主要为汽油机）氧化催化转换器只将排气中的CO和HC氧化（燃烧）为CO２和H２O，因此这种催化转换器也称做二元催化转换器。必须向氧化催化转换器供给二次空气作为氧化剂，才能使其有效地工作。催化转换器是利用催化剂的作用将排气中的CO、HC和NOx转换为对人体无害的气体的一种排气净化装置。金属铂、钯或铑均可作催化剂。在化学反应过程中，催化剂只促进反应的进行，不是反应物的一部分。催化转换器有氧化催化转换器和三元催化转换器。1）氧化催化转换器三元催化转换器可同时减少CO、HC和NOX的排放，它以排气中的CO和HC作为还原剂，把NOX还原为氮(N２)和氧(O２)，而CO和HC在还原反应中被氧化（燃烧）为CO２和H２O。排气经过三元催化转换器之后，部分未被氧化的CO和HC继续在氧化催化转换器中与供入的二次空气进行氧化反应。2）三元催化转换器（TWC）一个缩小的废气催化反应罐（1）催化转换器不能使用含铅汽油（会使催化剂失效）；（添加四乙基铅的汽油称为含铅汽油。1970年开始，为了提高汽油的抗爆性能而添加四乙基铅。四乙基铅是一种无色油状、易溶于汽油的剧毒物质。含铅汽油对人类健康产生很大危害。现在汽油中不加含铅的添加剂，而添加一种称为甲基叔丁基醚（MTBE）的含氧化合物作为高辛烷值组分，提高抗爆性能。）（2）催化转换器仅在温度超过350C才起作用，因此，催化转换器都安装在温度较高的排气歧管之后附近；（3）混合气空燃比在14.7附近效果最佳。混合气过浓或气缸缺火，都会使转换器过热。三元催化转换器氧传感器孔影响三元催化转换器(TWC)转换效率的因素影响最大的是混合气的浓度和排气温度。如图所示，只有在理论空燃比14.7附近，三元催化转化器的转化效率最佳。一般都装有氧传感器检测废气中的氧的浓度，氧传感器信号输送给ECU，用来对空燃比进行反馈控制。此外，发动机的排气温度过高（815℃以上），TWC转换效率将明显下降。微粒（PM）是柴油机排放的突出问题。对车用柴油机排气微粒的处理，主要采用过滤法。4、微粒过滤器（柴油机）过滤器工作一段时间后，需及时清除积存在滤芯上的微粒，以恢复过滤器的工作能力和减小排气阻力。通常，在过滤器入口处设置一个燃烧器，通过喷油器向燃烧器内喷入少量燃油，并供入二次空气，利用火花塞或电热塞将其点燃，将滞留在滤芯上的微粒烧掉。微粒过滤器的滤芯由多孔陶瓷制造，它有较高的过滤效率。排气穿过多孔陶瓷滤芯进入排气管，而微粒则滞留在滤芯上。排气再循环(EGR)系统把发动机排出的部分废气回送到进气歧管，并与新鲜混合气一起再次进入气缸。由于废气中含有大量的CO2，而CO2不能燃烧却吸收大量的热，使气缸中混合气的燃烧温度降低，从而减少了NOx的生成量。排气再循环是净化排气中NOx的主要方法。5、排气再循环(EGR)系统（汽油机、柴油机）1．真空直接控制EGR阀2．正背压EGR阀3．电子控制EGR阀EGR阀类型：NOx的生成量随发动机负荷的增大而增多，因此，再循环的废气量也应随负荷而增加。在暖机期间或怠速时，NOx生成量不多，为了保持发动机运转的稳定性，不进行排气再循环。在全负荷或高转速下工作时，为了使发动机有足够的动力性，也不进行排气再循环。（因为再循环的废气使混合气的热值降低，使有效功率下降。）EGR阀安装在废气再循环通道中，用以控制废气再循环量。EGR电磁阀安装在通向EGR真空通道中（发动机进气道为负压，而排气道为正压）。ECU根据发动机冷却液温度、节气门开度、转速和起动等信号来控制电磁阀的通电或断电。1.废气再循环电磁阀2.节气门3.废气再循环阀4.水温传感器

5.曲轴位置传感器6.ECU7.启动信号ECU不给EGR电磁阀通电时，控制EGR阀的真空通道接通，EGR阀开启，进行废气再循环；

ECU给EGR电磁阀通电时，控制EGR阀的真空度通道被切断，EGR阀关闭，停止废气在循环。发动机工作时，会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；发动机在低温下运行时，还可能有液态燃油漏入曲轴箱。这些物质如不及时清除，将加速机油变质并使机件受到腐蚀或锈蚀。又因为窜入曲轴箱内的气体中含有HC及其他污染物，所以不允许把这种气体排放到大气中。6、强制式曲轴箱通风系统(PCV)（汽油机、柴油机）现代汽车发动机所采用的强制式曲轴箱通风系统(PCV)就是防止曲轴箱气体排放到大气中的净化装置。PCV阀控制元件PCV阀的作用：根据发动机工况的变化自动调节进入气缸的曲轴箱气体的数量。不工作时怠速负荷工况在负荷工况大负荷工况不同工况条件下，进气管真空度大小不同，PVC阀开度就不一样若气缸的密封性能良好，PCV系统应该使曲轴箱内的压力略低于大气压力（才能形成强制通风的作用）。功用：收集汽油箱内蒸发的汽油蒸气，并将汽油蒸气导入汽缸参加燃烧，同时，根据发动机不同工况要求，控制导入汽缸参加燃烧的汽油蒸气量。1.油箱盖2.油箱3.单向阀4.排气管5.电磁阀6.节气门

7.进气管8.真空阀9.真空控制阀10.定量排放孔11.活性炭罐

7、汽油蒸发控制系统（汽油机）组成：活性炭罐、电磁阀、真空控制阀、蒸气管路、真空管路等。