汽车尾气排放控制、治理技术介绍

汽车尾气排放控制、治理技术介绍北京市汽车研究所王凯明一。排放物与空燃比的关系•排放的状态与发动机的燃烧直接相关，通常有3种排放物被加以限制，CO，HC或THC，NOX，从下图可看到CO，CO2，HC，NOX及O2与A/F的关系。3.02.52.01.51.00.5016151413121110987654321O211.80.8012.50.8513.20.9014.00.9514.71.0015.41.0516.21.1016.91.1517.61.2018.31.25COHCCO2NOXAIR-FUELRATIOLAMBDAHCX100%RICHLEAN燃烧产物与A/F的关系•概括地讲：•*当A/F等于理论空燃比（化学计算的值）时，HC最低。这是因为燃油在燃烧过程中基本完全燃烧。偏浓或偏稀的混合气或点火问题均会因燃烧未完成而增加HC•*当A/F接近理论空燃比（化学计算值）时，因有足够的氧，且不易形成积碳，使CO最低。这是由于在理论空燃比处燃烧比较彻底，比理论空燃比浓的混合气将导致CO增加，而较稀的混合气对CO影响较小。•*当A/F接近理论空燃比（化学计算值）时，CO2最高。当混合气变浓或稀时，CO2均会降低。•*当A/F接近理论空燃比（化学计算值）时，O2接近0。由于绝大多数O2在燃烧过程被燃烧。当混合气变浓时，O2减少，而混合气变稀时，O2增加。•*当A/F（空燃比）非常浓或稀时，NOX最低。当混合气稍稀且发动机在一定负荷下，NOX最高。数据分析说明：•在理论空燃比：*CO和O2相等•*CO2反映燃烧效率，在理论空燃比处最高。在稀或浓时均降低。•*NOX无EGR时，在有负荷下典型的读值约1700至2500ppm，当有EGR时约500至1000ppm•稀空燃比：*高的HC表示混合气过稀或失火•*O2比HC能更好反映混合气过稀或失火•*高的O2反映空燃比过稀•*当CO或HC最低时，NOX最高•浓空燃比：*低的O2表示混合气浓•*高的CO通常表示混合气比理论空燃比浓•*高的HC通常表示由于点火不足或有部分未燃烧而存在过量的未燃燃油，常见原因是点火系统故障，真空泄漏，或混合气问题•空燃比的影响：•过稀：*发动机功率不足•*在某些速度失火•*气门和活塞烧损•*缸筒拉伤•*易产生爆震或砰砰声•稍稀：*油耗降低•*排放较低•*发动机功率稍有减低•*有爆震的轻微趋向•理论空燃比：各方面性能相对较好•稍浓：*发动机功率最高•*排放较高•*油耗高•*爆震趋向较低•过浓：*发动机功率降低•*排放高•*油耗很高•*爆震趋向很低五气体尾气分析仪读值分析：•下表介绍了各读值可能出现的相互关系和常见原因，其中内容是在断开空气喷射系统下获得的。•注：L=低，M=中等程度，H=高几种与排放相关的排放控制装置：1.曲轴箱通风:强制曲轴箱通风系统有2种，一种是固定量孔式，另一种是PCV阀式，典型的PCV阀式曲轴箱通风系统如下图：空滤进气PCV阀化油器或节气门体曲轴箱通风进气口燃烧室曲轴箱通风气体通道典型的PCV系统•它们都是在一定负荷下将曲轴箱的废气通过固定量孔或可变流通截面的PCV阀进入进气歧管，再进入燃烧室参与燃烧，从而避免将未燃气体（HC）直接排入大气中。对不同年型或不同发动机的流量标定是不同的，若安装不正确会导致排放不合格和发动机的性能不良•当通风系统被堵塞或卡滞在关闭位置时，曲轴箱的压力会增高，导致发动机机油的泄漏，且混合气会变浓，若通风系统泄漏或PCV阀卡滞在打开位置或过度磨损，则会导致进气歧管真空度下降，对化油器的车辆，会造成怠速混合气过稀，对使用MAF系统的汽油喷射的车辆，也会造成混合气过稀，而对于使用MAP系统的汽油喷射的车辆则会造成混合气浓。•检查内容：在PCV阀系统正确连接的情况下，读取CO和O2值，然后断开PCV阀进气口，在量孔或PCV阀处应有真空的吸力，此时会吸进发动机室的热空气，注意CO和O2读值。CO值应降低，O2值应增加。若无变化，应清洗PCV系统，或按要求进行修理。当用手指堵住PCV阀进气口时，发动机的运转状态应有一定的变化，再读取此时的CO和O2值。此时CO值应增加，O2应降低，若读值与断开吸进空气时一样，或稍有增加，则表示PCV阀系统未工作。对采用PCV阀的系统，堵住时还应听到阀被吸动的声音。另外还可使用真空表及系统诊断仪器中的数据来分析（如空气流量，歧管压力，发动机的负荷等参数）。2.炭罐3.EGR系统•NOX:大气中约有78%的氮气（N2），和21%的氧气（O2）。在燃烧室温度达到2000℉至2500℉时，形成氮氧化物（NOX），其中主要是NO，还有一些NO2，统称为NOX。实际上在燃烧过程中主要形成NO，而在排气过程中，由于添加的氧气（O2）而形成NO2。虽然NOX不会影响发动机的性能，但某些可防止NOX形成的装置会影响发动机的性能，当其功能不正常时，还会导致CO和HC的增加。NOX与A/F的关系3000250020001500100050011.80.8012.50.8513.20.9014.00.9514.71.0015.41.0516.21.1016.91.1517.61.2018.31.25AIR-FUELRATIOLAMBDAppmRICHLEAN影响NOX的因素•EGR：它冲淡和稀释进入缸内的混合气，降低燃烧室的温度，减小火焰传播速度，在40-50km/h车速稳定行驶时，5%的EGR可减少40%以上的NOX，10%的EGR可减少80%的NOX，但若控制不正常时，随着EGR的增加，HC也会迅速增加（失火）。•配气相位：它会影响进气的状态和燃烧室的温度，如同EGR的作用一样。•点火正时：在任何运转状态下，增加点火提前和负荷，将会增加NOX•进气歧管真空：歧管真空的降低，将提高发动机的负荷和燃烧室的温度，降低剩余废气的含量和燃烧时间，从而提高最大循环的温度，导致NOX的增加。相反，歧管真空的增加，将降低发动机的负荷和燃烧室的温度，增加剩余废气的含量和燃烧时间，从而降低最大循环的温度，导致NOX的减少。•发动机转速：发动机转速的增加，由于涡流的影响将提高火焰传播速度，从而减小每循环的热损失，提高了实际压缩比，燃烧温度和燃烧压力，当混合气较浓时，燃烧加快，导致NOX增加。而当混合气较稀时，由于燃烧速度降低，减少了NOX的形成。•进气温度：高的进气温度将提高NOX•冷却液温度：高的冷却液温度将提高汽缸和气体的温度，从而增加NOX。过高或过低的冷却液温度将引起汽缸和燃烧室沉积物的形成，提高了实际压缩比，也会增加NOX浓度•积碳：燃烧室的积碳减小了燃烧室的容积，提高了实际压缩压力和混合气的温度，增加NOX浓度•燃油的辛烷值：低辛烷值燃油由于爆震导致燃烧的失控，也会增加NOX浓度•混合气：•稀的发动机状态：若发动机有爆震声，表示发动机工作在稀的状态，会增加NOX浓度，若混合气和排气过稀，催化转化器虽可降低CO和HC，但不能降低NOX浓度。•稀的发动机状态：浓的混合气和高的CO会掩盖NOX的问题。当发动机内部由于过浓而形成积碳，以及由于对过浓状态的修正，导致稀燃的状态也会增加NOX的形成。•当混合气和排气过浓时，催化转化器虽可降低NOX，但不能降低HC和CO浓度。•催化转化器：工作正常的催化转化器可减少NOX，但当混合气和排气过浓时，催化转化器虽可降低NOX，但不能降低HC和CO浓度。当混合气和排气过稀时，催化转化器虽可降低CO和HC，但不能降低全部NOX浓度•湿度：混合气湿度的增加，由于减低了燃烧室内的最大火焰温度，也会减少NOX的形成•空气泵的工作：若空气泵的压力超过催化器内的压力在减速时，由于空气被泵入催化器（正常时是切换至大气中）导致空气的回流，减少了催化器的有效部分，也将导致NOX的增加•喷油器的问题：在多点喷射的发动机上，若一个汽缸的喷油器阻塞，将导致该缸工作在较稀状态，提高了汽缸温度，增加NOX浓度。由于此时其他汽缸还正常，在排气尾管测量的NOX值仅稍有提高。背压控制式EGR电磁阀控制式EGR系统的监测（机械和电气）：•位置检测-位置传感器•温度检测-温度传感器•压力检测-压力传感器（DPFE或PFE）压力传感器监测方式•机械检查：•a.在发动机怠速时，用手或合适的工具提升EGR阀。发动机怠速应不稳甚至失速。•b.因在怠速时，EGR系统不工作，不能检测EGR系统的状态，可用ASM工况方式进行检查，即在一定负荷，一定车速下检查未断开和断开EGR系统下的NO读值，加以比较，若前后读值一样或差别很小，说明EGR未正常工作。二次空气系统：发动机ECM氧化型CAT还原型CATO2传感器单向阀空气泵旁通空气至大气真空电磁阀来自ECM的电气信号典型的二次空气系统•二次空气系统在压力升至5psi时将新鲜空气泵入排气系统用于降低CO和HC。这些附加的O2进入热的废气中以继续燃烧，降低尾管处的CO和HC。该燃烧发生在燃烧室外。如图，该系统包括一个由皮带驱动的空气泵，空气旁通或切换阀，防止反喷的单向阀以及连接管路。•当该系统正常工作时，HC、CO、CO2读值降低，而O2读值升高。因此在监测尾气时，应将空气泵的工作考虑进去。某些空气系统，在某些状态时会将泵入的空气切换至空滤或大气中，可能或导致错误的检测结果，因此应对被检系统的工作原理有所了解。催化转化器（结构如下图）：O2，CO2，H2O壳体隔热密封垫陶瓷载体和催化剂•基本结构和原理：在发动机的控制和改进达到一定排放水平时，如要满足进一步严格的排放法规，就必须使用催化转化器。通常汽油机和柴油机所用的催化转化器是不同的。对汽油机，在早期的催化转化器仅是两效（两床）的，即仅对CO和HC加以处理，随着各国排放法规的严格和对NOX的限制，现在都采用三效催化转化器。它是在封装的壳体内烧结或安装一定形状，如陶瓷蜂窝状，金属等载体，再根据匹配的发动机，在载体上涂刷不同含量的含有贵金属铂（Pt）、钯（Pd）、及铑(Rh)的水涂层，即催化剂。其中Pt负责HC和CO的氧化，Rh负责NOX的还原。催化剂是一种能改变化学反应速率而本身的质量和组成在化学反应前后保持不变的物质。当排气通过催化转化器时，在这些催化剂的催化作用下，CO和HC与氧与发生化学反应，使HC生成H2O，CO变成CO2，（被称为氧化反应），而NOX被还原为O2和N2。催化转化器的转化效率对A/F对变化十分敏感，只有在理论空燃比附近才会保持较高的效率。转化效率与空燃比的关系CONOx14.314.414.514.614.714.814.9020406080100计量空燃比空燃比污染的转化率%•从上图中可看出，在理论空燃比附近时，各污染物的转化效率均比较高，当向浓（贫氧）侧偏离理论空燃比时，各污染物的转化效率均降低，其中CO和HC表现更加明显。当向稀（富氧）侧偏离理论空燃比时，CO和HC的转化效率都很高，而NOX的转化效率却明显下降。催化器的正确匹配•*催化转化器与发动机特性的匹配•*催化转化器与电子控制燃油喷射系统的匹配•*催化转化器与进排气系统的匹配•*催化转化器的流动特性改善与优化设计•*催化转化器与燃料和润滑油的匹配•*催化转化器与整车设计的匹配氧传感器及催化器的检测和诊断：•由于安装了催化器，用通常的两气分析仪很难诊断发动机的故障，因CO和HC经催化转化后，都与直接燃烧后不一样了，故需要4或5气的尾气分析仪。下面仅介绍一些对催化器和控制系统好坏的简单诊断方法。•如单纯为诊断发动机的燃烧状态，最好在催化器前方测量，这样可更好的接近实际燃烧结果。•*废气分析诊断：定期检测，对比数值，若有明显恶化，应对催化剂进行进一步的检查。•用冷、热车怠速的方法检查各值的不同。若几乎一样，则表示催化器可能不良。•*排气温度测量诊断：在催化器进出口分别测量温度，一般两者应相差20至100度以上，在此范围内，相差越大，说明催化剂的转化效率越高。但温度过高也不正常，因有大量的CO和HC进行反应才会产生大量的反应热。这通常说明燃烧过程或控制系统出现了问题，如燃烧不完全，混合气控制失调，点火不正确，甚至失火等。•*车载控制系统诊断（OBDII