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第六章汽车排放污染物净化技术汽车排放与噪音控制汽油机机内控制技术柴油机机内净化技术汽车排放污染物的机外净化技术第一节第二节第三节清洁燃料第四节第一节汽油机机内控制技术汽油机降低排气污染和提高热效率的关键问题之一是精确控制空燃比，为此，人们曾在化油器上进行了各种改进设计，使它变得越来越复杂，甚至最后出现了电子化油器。1电子控制燃油喷射系统2019/8/17１.电控汽油喷射系统的优点电控汽油喷射系统与化油器相比，具有以下优点:(１)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。(２)各缸混合气分配均匀性好(多点电喷汽油机)。2019/8/17(３)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。(４)具有良好的瞬态响应特性，改善了汽车的加速性。2019/8/17(５)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。(６)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。2019/8/17２.EFI系统的分类１)按喷油器数量分２)按喷油地点分３)按进气量检测方法分４)按喷油时间间隔分５)按控制方式分６)按信息反馈的算法分７)按多点喷油系统的喷油方式分2019/8/17３.电控汽油喷射系统图6-6是闭环电子控制燃油喷射系统的一例—电控燃油喷射系统，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。2019/8/172019/8/17４.喷油器的构造及分类如前所述，喷油器可分为多点喷射和单点喷射。多点喷射系统在每一个汽缸进气管上各设置一个喷油器，喷油器的结构如图６-７所示。2019/8/172019/8/17５.燃油喷射时间的控制多点电控燃油喷射系统的喷油时间控制方式可分为同时喷射、分组喷射和独立(顺序)喷射3种。１)同时喷射２)分组喷射３)顺序喷射2019/8/17６.空燃比控制１)空燃比的控制策略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，主要分为3种控制方式:2019/8/17(１)冷起动和冷却水温度低时(２)部分负荷和怠速运行时此时可分为两种情况(３)节气门全开时2019/8/17２)空燃比控制方法要实现上述空燃比的控制策略可按下列步骤进行工作:(１)最主要的是精确地确定发动机质量流量。(２)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。2019/8/17(３)测量发动机此工况下的各种传感器信号。(４)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)。2019/8/17(５)计算喷油定时。(６)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。2019/8/17７.点火系统的控制１)点火脉谱图点火时间是决定发动机排放特性等各种性能的重要参数。在化油器式汽油机中，实际点火时间是在静态点火提前角的基础上，通过离心式点火提前调节装置(随转速变化)和真空式点火提前装置(随负荷而变)来控制的。2019/8/172019/8/17２)爆震控制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。控制爆震的原则是将点火提前角推迟到刚刚不发生爆震的位置，这就需要有一个类似空燃比闭环控制系统那样的反馈控制系统，图6-15是一例爆震控制系统示意图。2019/8/172点火系统的控制１.微机控制点火系的组成与控制策略１)组成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。2019/8/17２)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.点火系统对排放的影响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。3.推迟点火的途径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3废气再循环１.废气再循环ＥＧＲ的效果废气再循环是控制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。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。2019/8/172019/8/17２.EGR的控制策略(１)从图6-21可看出:增加EGR率可以使NOx排出物降低，但同时会使HC排出物和燃油消耗增加。因此在各工况下采用的EGR率必须是对动力性、经济性和排放性能的综合考虑。2019/8/172019/8/17(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。2019/8/17(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。2019/8/17３.内部废气再循环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。4燃烧系统优化设计１.紧凑的燃烧室形状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。2019/8/172019/8/17２.改善缸内气流运动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。2019/8/17３.合理提高压缩比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。2019/8/17４.提高进气充量由传统的每缸2气门布置改为３、４或5气门布置，或采用废气涡轮增压，可以明显提高进气充量，减少泵气损失。这样不仅使汽油机燃油消耗率减低和平均有效压力ｐｍｅ提高，而且也降低了CO和污染物的比排放量。2019/8/17５.减少不参与燃烧的缝隙容积如在第三章HC生成机理中介绍的那样，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。5可变进气系统１.可变进气系统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。２.可变气门定时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。2019/8/17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2019/8/17要实现这要求，最简单的办法是采用与柴油机一样分隔燃烧室形状，副燃烧室内装有火花塞，相当于预燃室作用，给副燃烧室提供浓混合气。在主燃烧室不需要考虑点火，可供给稀混合气。第二节柴油机机内净化技术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2019/8/17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，主要原因由两个，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。2推迟喷油提前角2019/8/17二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。这两种原因都起到了抑制NOx生成的作用。2019/8/17１.EGR对NOx和发动机性能的影响如前所述，EGR是降低汽油机NOx排放的实用化措施，而对于柴油车，EGR除在一部分柴油机轿车和轻型车上已实用化外，在寿命和可靠性要求很高的大中型柴油车上目前采用的并不多。3EGR2019/8/17２.EGR率的控制EGR对发动机性能的负面影响，主要表现在大中负荷时，而小负荷时影响不大，甚至有燃油耗率和HC排放略有改善的报道。因此，实际应用时，应随工况的不同而改变EGR率(即回流量)。2019/8/17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，如图6-44所示，发动机排出的具有一定能量的高温废气带动涡轮2高速旋转，由此驱动与涡轮同轴的压气机3旋转，新鲜空气由进气口4进入压气机，被压缩后送入汽缸。4增压及增压中冷2019/8/172019/8/17柴油机的喷油特性主要指喷油规律和喷雾特性，对混合气形成和燃烧过程以及各种排放污染物的生成有重要影响。5改善喷油系统和喷油特性2019/8/17１.合理的喷油规律２.预喷射PI３.多段喷射４.提高喷油压力５.小直径、多喷孔加速雾化混合６.柴油机电控喷油系统2019/8/17１.挤流口式燃烧系统传统的半开式燃烧系统，大都应用敞口、中凸的ω型燃烧室，如图6-54所示。这种燃烧室NOx排放较高，噪声也很大，英国泼金斯公司和奥地利AVL公司推出了底宽、口窄的挤流口式燃烧室(见图6-54)，获得良好效果。6高效低污染燃烧系统2019/8/172019/8/17２.非回转体型燃烧系统这些非圆形或方、圆形状及凹坑的设计，其目的有如下两点:(１)使气流在不规范的角落或联结处产生微涡流或紊流，大大加速油、气混合。2019/8/17(２)由于微涡流及紊流的能量消耗随速度的平方而增加，使得高速时，中央主旋流有很大的衰减，高转速涡流比下降，起到兼顾高、低速性能的效果。2019/8/17３.无涡流高压喷射燃烧系统这就是前面已提到过的，重型车用柴油机大都采用的，小喷孔，多喷孔，不组织涡流的高压喷射系统。大机型循环油量大，燃烧室直径大，喷油泵承压能力强，转速低，有条件达到上述燃烧组织的要求。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。1机外净化技术概述2019/8/17１)催化转化器的结构催化转化器简称催化器，如图6-60所示，它由壳体、减振层、载体及催化剂涂层4部分组成，而所谓催化剂是指涂层部分或载体和涂层的合称，催化剂是整个催化转化器的核心部分，它决定了催化转化器的主要性能指标。2三元催化转化器2019/8/172019/8/17２)催化剂的分类及工作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。2019/8/172019/8/17HC捕集器由HC捕集材料(如沸石)和催化剂涂层组成，在催化剂还没加热到起燃温度前，捕集材料捕获尾气中的HC，当催化剂起燃后，捕集材料释放HC，然后催化剂涂层把HC转化掉。3