第6章发动机有害排放物的控制

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第六章发动机有害排放物的控制2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第2页第六章发动机有害排放物的控制排气净化装置强制式曲轴箱通风系统汽油蒸发控制系统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。对此，世界各国都制定了相应的法规或标准，以期把汽车的有害排放物控制在较低的水平上。例如，在美国特别是在加利福尼亚州，自1990年以来，排放标准愈以严格。为了满足排放标准，必须对发动机的排气进行净化。近几年来，汽车界开发和创造出许多净化排气新技术和新装置。

2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第3页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第4页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第5页〔续〕本节从以下几方面介绍汽车的排气净化装置：一、发动机的有害排放物二、恒温进气空气滤清器三、二次空气喷射系统四、催化转换器五、柴油机微粒过滤器六、排气再循环〔EGR〕系统2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第6页一、发动机的有害排放物以内燃机为动力的汽车是城市大气的主要污染源之一。汽车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。

更进一步2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第7页CO是燃油的不完全燃烧产物，是一种无臭无味的气体。它与血液中血红素的亲和力是氧气的300倍，因此当人吸入CO后，血液吸收和运送氧气的能力降低，导致头晕，头痛等中毒病症。当吸入体积分数为0.3%的CO气体时，可致人于死亡。NOx主要指NO和NO2，产生于燃烧室内高温富氧的环境中。空气中含NOx的体积分数达(10~20)*0.0001%可刺激口腔及鼻粘膜，眼角膜等。当NOx的体积分数达500*0.0001%时，几分钟可使人出现肺气肿而死亡。HC包括未燃和未完全燃烧的燃油和润滑油蒸气。HC和NOx在阳光照射下形成光化学烟雾，其中主要的生成物是臭氧()，它具有强氧化性，可使橡胶开裂，植物受害，大气能见度降低，并刺激人眼和咽喉。微粒主要是柴油机排气中的碳烟，而汽油机的排气微粒微缺乏道。微粒外表吸附的可溶性有机物对人的呼吸道有害。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第8页二、恒温进气空气滤清器恒温进气空气滤清器也称进气温度自动调节式空气滤清器。它是在普通空气滤清器上增设一套空气加热与控制系统构成的(图6-1)。气道燃油喷射式发动机不采用恒温进气空气滤清器。恒温进气空气滤清器多用于化油器式或节气门汽油喷射式发动机上。恒温进气空气滤清器的功用就是当发动机冷起动之后，向发动机供给热空气。在这种情况下，即使化油器供给稀混合气，热空气也能促使燃油充分汽化和燃烧，从而既减少了CO和HC的排放，又改善了发动机低温运转性能。当发动机温度升高后，恒温进气空气滤清器向发动机供给环境温度的空气。因此，这种空气滤清器是一种排气的净化装置。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第9页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第10页恒温进气空气滤清器的结构2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第11页恒温进气空气滤清器的工作原理示于图6-3。当发动机冷起动后汽车前罩下的环境温度低于30摄氏度时，双金属进气温度传感器4将通气阀5开启(图6-3)。进气管真空度经真空软管6作用到真空控制膜盒1，并吸引膜片2向上，膜片通过连杆带动控制阀9将进气导流管10关闭。这时，热空气从热炉经热空气管7进入空气滤清器(图6-3a)。温度在30-50摄氏度之间时，进气温度传感器根据温度的上下局部地开启通气阀，使进气管真空度只有一局部传送到控制膜盒。在此局部真空度的作用下，控制阀局部地开启导流管。这时将有局部热空气和局部环境空气供入发动机(图6-3b)，使进气温度根本恒定。当进气温度超过53摄氏度之后，双金属进气温度传感器使通气阀关闭，真空软管与膜盒隔断，在这种情况下没有真空度传到膜盒，膜片在膜片弹簧3的推压下向下移动。这时，控制阀将进气导流管全部翻开，而将热空气管完全封闭，于是进入空气滤清器的空气全部是环境空气(图6-3c)。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第12页三、二次空气喷射系统很多汽车发动机装有二次空气喷射系统。虽然二次空气喷射系统有各种各样的结构，但其功用却根本相同，即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()和水()。1.组成

2.工作原理2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第13页图6-4所示为电脑控制的二次空气喷射系统，它由空气泵1，旁通线圈及旁通阀2，分流线圈及分流阀4，空气分配管6，空气喷管7和单向止回阀11等组成。1.组成2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第14页空气泵通常由发动机驱动，空气泵产生的低压空气称作二次空气。在分流阀与排气道之间以及分流阀与催化转换器之间均装有单向止回阀，以防止排气进入二次空气喷射系统。分流线圈及旁通线圈由电脑控制，当接通发动机点火开关之后，电源电压便施加到两个线圈绕组上，电脑通过对每个绕组提供接地使线圈通电。当发动机起动之后，电脑不使旁通线圈和分流线圈通电，于是这两个线圈同时把通向旁通阀和分流阀的真空隔断，这时空气泵送出的空气经旁通阀进入大气。这种状态称为起开工作状态，其持续时间的长短决定于发动机的温度。如果发动机的温度很低，起开工作状态将持续较长时间。2.工作原理2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第15页

发动机在预热期间，电脑同时使旁通线圈和分流线圈通电。这时进气管真空度分别经旁通线圈和分流线圈传送到旁通阀和分流阀。空气泵送出的空气此时经旁通阀流入分流阀，再由分流阀流入空气分配管，最后由空气喷管喷入排气道。当发动机在正常的冷却温度下工作时，电脑只使旁通线圈通电而不使分流线圈通电，通向分流阀的真空度被分流线圈隔断，这时，空气泵送出的空气经旁通阀进入分流阀，再经分流阀进入氧化催化转换器。〔续〕2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第16页四、催化转换器催化转换器是利用催化作用将排气中的CO、HC和NOx转换为对人体无害的气体的一种排气净化装置，也称为催化净化转换器。金属铂、钯或铑均可作催化剂。在化学反响过程中，催化剂只促进反响的进行，不是反响物的一局部。催化转换器有氧化催化转换器和三效催化转换器。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第17页〔续〕氧化催化转换器只将排气中的CO和HC氧化为和，因此这种催化转换器也称作二效催化转换器。必须向氧化催化转换器供给二次空气作氧化剂，才能使其有效地工作。三效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作为复原剂，把NOx复原为氮(N2)和氧(O2)，而CO和HC在复原反响中被氧化为和。当同时采用两种转换器时，通常把两者放在同一个转化器外壳内，而且三效催化转换器置于氧化催化转换器前面。排气经过三效催化转换器之后，局部未被氧化的CO和HC继续在氧化转换器中与供入的二次空气进行氧化反响。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第18页催化转化器的结构催化转化器有两种结构形式(图6-5)：一、颗粒型催化转换器(图6-5a)其中有100个直径为2-3mm的多孔性陶瓷小球构成反响床，排气从反响床流过；二、整体型催化转换器(图6-5b)其中是一个有很多蜂窝状小孔的陶瓷块，排气从蜂窝状小孔流过。转换器内的陶瓷小球或陶瓷块小孔外表有一层薄薄的铂，钯或铑的镀层。小球或陶瓷块均装再不锈钢外壳内。与颗粒型催化转换器相比，整体型催化转换器有体积小，与排气接触的外表积大和排气阻力小等许多优点。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第19页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第20页催化转换器的使用条件相当严格：首先，装用催化转换器的发动机只能使用无铅汽油。如果使用加铅汽油，铅覆盖在催化剂外表将使催化剂失效。其次，仅当温度超过350摄氏度时，催化转换器才起催化反响。温度较低时，转换器的转换效率急剧下降。因此，催化转换器都安装在温度较高的排气支管后面。第三，必须向装有三效催化转换器的发动机供给理论混合比的混合气，才能保证三效催化转换器有较好的转换效果。如果混合气成分不是理论混合比，那么，CO和HC氧化反响或NOx的复原反响不可能进行的很完全。另外，发动机调节不当，如混合气过浓，或气缸缺火，都将引起转换器严重过热。催化转换器的使用条件2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第21页五、柴油机微粒的过滤器微粒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。微粒过滤器的滤芯由多孔陶瓷制造，有较高的过滤效率。排气穿过多孔陶瓷滤芯进入排气管，而微粒那么滞留在滤芯上。过滤器工作一段时间后，需及时去除存积在滤芯上的微粒，以恢复过滤器的工作能力和减少排气阻力。为此，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(图6-6)。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第22页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第23页六、排气再循环(EGR)系统排气再循环是指把发动机排出的局部废气回送到气管，并与新鲜混合气一起再次进入气缸。由于废气含有大量的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。在新鲜的混和气中掺入废气之后，混和气的热值降低，致使发动机的有效功率下降。为了做到既能减少NOx的排放，又能保持发动机的动力性，必须根据发动机的工况对再循环的废气量加以控制。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。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第24页一种由电脑控制的排气再循环系统如图6-7

所示。排气再循环阀(EGR阀)8用来控制再循环的废气量。进气管真空度经电磁阀6和真空调节阀7作用到EGR阀

8的真空膜片室12，吸引膜片13向上并带动锥形阀14升起，这时发动机排出的废气由排气支管经锥形阀进入进气支管。作用在膜片上的真空度越大，锥形阀的开度就越大，再循环的废气量也越多。如果没有真空度传送到真空膜片室，弹簧11推压膜片向下，使锥形阀关闭，这时废气不能进行再循环。真空调节阀的作用是根据进气管真空度的变化或节气门开度的大小调节通往EGR阀的真空度，使再循环的废气量随节气门开度或发动机负荷的增大而增加。电磁阀由电脑3控制。电脑根据空气流量计2，节气门位置传感器1，冷却越温度传感器4和发动机转速传感器5等输入的信号，使电磁阀通电或断电。当发动机冷却温度低于50℃时，或发动机在怠速工作时，或发动机转速超过预定值时，电脑使电磁阀断电，电磁阀中的可动铁心隔断真空传送通道，同时空气经电磁阀进入真空调节阀，使锥形阀14关闭，不进行排气再循环。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第25页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第26页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第27页第二节强制式曲轴箱通风系统简介PCV系统的组成PCV阀〔在PCV系统中最重要的控制元件〕2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第28页

简介强制式曲轴箱通风系统又称PCV系统。在发动机工作时，会有局部可燃混合气和燃烧产物经活塞环由气缸窜入曲轴箱内。当发动机在低温下运行时，还可能有液态燃油漏入曲轴箱。这些物质如不及时去除，将加速润滑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及其它污染物，所以不准许把这种气体排放到大气中。现代汽车发动机所采用的强制式曲轴箱通风系统，就是防止曲轴箱气体排放到大气中的净化装置。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第29页PCV系统的组成PCV系统的组成如图6-9所示。当发动机工作时，进气管真空度作用到PCV阀6，此真空度还吸引新鲜空气经空气滤清器1，滤网2，空气软管3进入气缸盖罩4内，再由气缸盖和机体上的孔道进入曲轴箱。在曲轴箱内，新鲜空气与曲轴箱气体混合并经气-液别离器5，PCV阀6和曲轴箱气体软管7进入气管8，最后经进气门进入燃烧室烧掉。被气-液别离器别离出来的液体返回曲轴箱。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第30页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第31页PCV阀的功用是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。(1)发动机不工作时PCV阀的开度当发动机不工作时，PCV阀中的弹簧2(图6-10)将其中的锥形阀3压在阀座4上，关闭了曲轴箱与进气管的通路(图6-10a)。(2)发动机在怠速或减速时PCV阀的开度在怠速或减速时，进气管真空度很大，真空度克服弹簧压力把锥形阀高高吸起，这时锥形阀3与PCV阀体1之间只有很小的缝隙(图6-10b)。因为发动机在怠速或减速工作时，窜入曲轴箱的气体很少，所以PCV阀开度很小，但足以使曲轴箱气体流出曲轴箱。(3)局部节气门开度时PCV阀的开度节气门不分开都市的进气管真空度比怠速小，在弹簧的作用下锥形阀与阀体间的缝隙增大(图6-10c)。因为在局部节气门开度下发动机的负荷比怠速时大，窜入曲轴箱的气体较多，所以较大的PCV阀开度可以使所有曲轴箱气体被吸入进气管。(4)发动机在大负荷工作时PCV阀的开度发动机在大负荷工作时，节气门全开，进气管真空度较小，弹簧将锥形阀进一步向下压，使PCV阀的开度到达最大(图6-10d)。因为大负荷时将产生更多的曲轴箱气体，所以只有PCV阀开度很大才能使曲轴箱气体全部流进进气管。(5)进气管回火时PCV阀的开度如果进气管发生回火时，进气管压力增高，锥形阀落在阀座上，如同发动机不工作时一样，以防止回火进入曲轴箱而引起发动机爆炸。当活塞或气缸严重磨损时，将有过多的气体窜入曲轴箱，这时即使PCV阀开度最大也缺乏以使这些气体都流入进气管。在这种情况下，曲轴箱压力将会升高，局部曲轴箱气体经空气软管和滤网进入空气滤清器(图6-9)。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第32页2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕第33页

第三节汽油蒸发控制系统燃油箱和化油器浮子室中的汽油随时都在蒸发汽化，假设不加以控制或回收，那么当发动机停机时，汽油蒸发将逸入大气，造成对环境的污染。汽油蒸发控制系统的功用就是将这些汽油蒸气收集和储存在碳罐内，在发动机工作时在将其送入气缸燃掉。汽油蒸发控制系统有各种各样的结构形式，但其作用只有一个，即降低HC从燃油箱和化油器浮子室向大气的排放。2023/10/22哈尔滨工业大学〔威海〕