第七章进排气系统及排气净化装置

1第七章进排气系统及排气净化装置2本章主要内容•第一节进气系统•第二节排气系统•第三节排气净化装置•第四节强制式曲轴箱通风系统•第五节汽油蒸发控制系统3第一节进气系统4•进气系统的功用是尽可能多和尽可能均匀地向各气缸供给可燃混合气或纯净的空气。•一般进气系统主要包括空气滤清器和进气歧管。•汽油喷射式发动机的进气系统中还包括空气计量装置。首页返回章返回节5首页返回章返回节6一、空气滤清器•（一）空气滤清器的功用•其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。此外，空气滤清器也有消减进气噪声的作用。•普通轿车，每消耗1L汽油需要消耗5000~10000L空气。实践证明，发动机若不安装空气滤清器，其寿命将缩短2/3。首页返回章返回节7（二）空气滤清器结构•1、油浴式空气滤清器首页返回章返回节外壳滤芯密封圈盖蝶形螺母8•2、纸滤芯空气滤清器首页返回章返回节9首页返回章返回节10•纸质空气滤清器首页返回章返回节纸滤芯进气短管11•3、离心式及复合式空气滤清器首页返回章返回节12（三）空气滤清器进气导流管•为增强发动机的进气谐振效果，空气滤清器进气导流管需要有较大的容积，但不能太粗，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较长。也有利于从车外吸气。谐振室前进气导流管后进气导流管13二、进气歧管•1、进气歧管结构•化油器式或节气门体喷射式发动机，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。•其功用是将空气—燃油混合气由化油器或节气门体分配到各缸进气道。•一般由合金铸铁制造，轿车多用铝合金制造。•内壁应光滑。首页返回章返回节14•排列方式不同首页返回章返回节152、进气歧管加热首页返回章返回节163.谐振进气系统•由于进气系统具有间歇性和周期性，致使进气歧管内产生一定的压力波。此压力波以当地声速在进气系统内传播和往复反射，若用一定长度和致敬的进气歧管与一定容积的谐振室组成谐振进气系统，并使其自振频率与气门的进气周期调谐，则在特定的转速下，就会在进气门关闭之前，在进气歧管内产生大幅度的压力波，使进气歧管的压力增高，从而增加进气量——进气波动效应。•无运动件，工作可靠，成本低。但只能增加特定转速下的进气量。首页返回章返回节17•谐振进气系统进气歧管主谐振室副谐振室进气导流管空气流量计空气滤清器18首页返回章返回节194、可变进气歧管•为充分利用进气波动效应，尽量缩小发动机在高、低速运转时进气速度的差别，从而达到改善发动机经济性及动力性特别是改善中、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。可变进气歧管因此应需而设计的。首页返回章返回节20首页返回章返回节21首页返回章返回节22•进气歧管转换长进气歧管发动机在低转速时，空气经过长的进气管，使气缸充气最佳，且扭矩增大。短进气歧管发动机在高转速时，空气经过短进气管，可提高效率。真空单元进气道首页返回章返回节23低速时首页返回章返回节24高速时首页返回章返回节25第二节排气系统26一、单排气系统及双排气系统•单排气系统首页返回章返回节27•V型发动机的单排气系统及双排气系统首页返回章返回节28•二排气歧管首页返回章返回节29三、消声器•其功用是消减排气噪声。•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。•一般可采用的方法：•1.多次的变动气流方向；•2.重复的使气流通过收缩而又扩大的断面；•3.将气流分割为很多小的支流并沿着不平滑的平面流动；•4.将气流冷却。首页返回章返回节30•消声器的基本结构形式干涉式扩张式共振式吸收式31消声器结构示意图前中后首页返回章返回节32奥迪轿车消声器前消声器中消声器后消声器首页返回章返回节33第三节排气净化装置34一、发动机的有害排放物（一）发动机排气中主要的有害排放物及危害•1、CO–有毒。与血红素的亲和力是氧的300倍。人吸入后，头晕、头痛、反应迟钝、有睡意，甚至死亡。•2、NOX（NO和NO2）–导致酸雨和光化学烟雾。刺激口腔和鼻粘膜、眼角膜等，降低肺功能，可使人出现肺气肿死亡。•3、HC–导致光化学烟雾。–对人眼及呼吸系统有刺激作用，对农作物有害。•4、碳烟–是发动机污染物中产生气味和可见脏污的主要原因。其表面（PM2.5）吸附有机物、金属和致癌物质。首页返回章返回节35（二）发动机排气中主要的有害排放物的产生机理•1、CO–不完全燃烧的产物。混合气过浓，或已成为燃烧产物的CO2和H2O在高温时吸热而产生热离解反应生成。排气中的HC不完全氧化也会产生少量CO。首页返回章返回节362、HC–100—200种成分。可分为总碳氢化合物（THC，TotalHydrocarbon），非甲烷碳氢化合物（NMHC，NonMethaneHydrocarbon），非甲烷有机气体（NMOG，NonMethaneOrgaincGas）。目前，美国采用NMHC作为HC排放的评价指标，美国加州LEV法规采用NMOG，中国、日本和欧洲各国都用THC作为HC排放的评价指标。•HC在柴油机和汽油机中生成机理有所不同。首页返回章返回节372.1HC在汽油机中的生成机理•1）不完全燃烧–怠速及高负荷时，φa1，造成不完全燃烧；加、减速时暂时的混合气过浓或过稀，也会产生不完全燃烧或失火；即使φa1，也会因混合气不均而产生φa1不完全燃烧。首页返回章返回节38•2）壁面淬熄效应–壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却（冷激Quenching），使活化分子的能量被吸收，链式反应中断，在壁面形成厚约0.1~0.2mm左右的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量未燃HC。–缝隙效应——燃烧室中各种狭窄的缝隙，淬熄效应十分强烈，火焰无法传染其中燃烧，在膨胀和排气中，缸内压力下降，缝隙中的未燃混合气返回气缸并随废气排出。首页返回章返回节39•3）壁面油膜和积炭的吸附–在进气和压缩工程中，缸壁上的润滑油膜及沉积在各表面上的多孔性积炭，会吸附混合气和燃料蒸汽，而在膨胀和排气工程中释放出来。–旧车清除积炭后，HC排放会降低20%~30%。首页返回章返回节402.2HC在柴油机中的生成机理•1）混合不均匀–柴油机混合气的浓度分布极不均匀，在超出着火界限的过浓或过稀的混合气区域，会产生局部失火。•2)喷油器压力容积的影响–喷油结束时，压力容积中充满燃油，随燃烧和膨胀过程的进行，这部分柴油被加热和气化，并以液态或气态低速进入燃烧室，由于混合及燃烧速度极慢，使得其很难充分燃烧和氧化，从而产生大量的HC。同理，二次喷射和滴油也会产生HC。首页返回章返回节41•3、NOX（主要是NO，少量NO2）•1）高温NO（ThermalNO）–在高温下O2分子裂解成O原子，通过N2+O→N+NO，N+O2→O+NO生成NO，这是苏联科学家捷尔杜维奇于1946年提出的，称为捷氏反应机理（ZeldovichReaction）。–都是强烈的吸热反应，只有在1600℃的高温下才能进行。因此也称高温NO生成机理。首页返回章返回节42•2）激发NO（PromptNO）–20世纪70年代初提出，不需很高温度。目前，详细的化学动力学反应过程尚不十分明了。•3)燃料NO（FuelNO）–目前认为，汽油基本不含氮，柴油的含氮率较低，因而基本可以不考虑FuelNO。但未来需要考虑。首页返回章返回节43•综上，产生NO的三要素是：温度、氧浓度和反应时间。即在足够的氧浓度条件下，温度越高，反应时间越长，则NO的生成量越大。首页返回章返回节44•4、碳烟微粒PM（ParticulateMatter）–一般认为汽油机不产生微粒，柴油机产生微粒。其中PM2.5悬浮于离地面1~2m高的空气中，对人体危害最大。–碳烟微粒是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的。首页返回章返回节45二、汽油机的排气净化•（一）机内净化措施•1、改善可燃混合气品质–1）恒温进气系统–2）废气再循环(EGR)–3）电子控制燃油喷射系统首页返回章返回节46•1）恒温进气系统环境空气热空气首页返回章返回节47•2）废气再循环(EGR，ExhaustGasRecirculation)–一般情况下，氮和氧不能生成化合物，只能在富氧的高温情况下才能发生化合反应。发动机废气主要含有H2O、N2、CO2，其热容较高。利用EGR系统把适量废气混入新鲜混合气使之参与燃烧，便可以降低混合气氧浓度、吸收燃烧放出的热量，使燃烧速度减慢、燃烧温度降低，从而减少NOx生成数量。首页返回章返回节48•再循环的废气量应随着负荷的增加而增加。随着EGR率的增加，将使燃烧速度减慢、燃烧稳定性变差、HC和CO排放上升、发动机功率下降、油耗增大。因此，EGR率必须适当控制，总的控制要求是：•起动、暖机、怠速期间，为保持发动机运转的稳定性，不进行再循环。•全负荷或高转速工作时，为使发动机有足够的动力性，不进行再循环。•发动机水温低于50℃时，不应进行废气再循环。首页返回章返回节49首页返回章返回节50首页返回章返回节5152首页返回章返回节53542、改善燃烧状况1）配气相位–气门重叠时间长，缸内温度低，NOX生成量减少，HC增加；重叠时间短，HC减少，NO2增加。–采用可变进气系统，可变配气相位。•2）推迟点火提前角–HC因排气温度上升而减少，NOX因最高燃烧温度降低而减少。但可能影响动力性和经济性。首页返回章返回节55•3）层状燃烧•4）均质稀燃技术•二者都可以使发动机燃烧过稀的混合气。首页返回章返回节56（二）机外净化措施•1、二次空气喷射系统（SecondaryAirInjectionSystem）–在发动机冷起动阶段，由于混合气比较浓，贫氧状态下燃烧不充分，加之催化转换器还没有达到起燃温度，使CO和HC排放较高。二次空气喷射装置的作用就在于通过向排气管中喷入附加的二次空气，使CO和HC在排气管中再次燃烧，降低CO和HC的排放量，并利用再次燃烧产生的热量加快催化转换器起燃。首页返回章返回节57•在具备工作条件时，通过发动机电脑激活二次空气系统开始工作，发动机起动后经过滤清器的空气通过二次空气泵直接被吹到排气门后。•在二次空气系统未工作状态下，热的废气将停止在组合阀门处，阻止废气进入二次空气泵。•在控制过程中，自诊断系统同时进行着检测。由于废气中所含氧气量的增加导致氧传感器电压降低，所以氧传感器必须处于工作状态。二次空气系统正常工作时，氧传感器将检测到极稀的混合气。首页返回章返回节58•二次空气系统只在以下两种工况下短暂作用：–冷起动阶段–热起动时怠速自检阶段工况冷起动热起怠速冷却液温度作用时间50C—300C最大960C100S10S首页返回章返回节59SecondaryAirInjectionSystem首页返回章返回节60•2、催化转换器•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（CO2、O2、N2、H2O）的一种排气净化装置。•常用的催化剂有Pt（铂）、Pd（钯）、Rt（铑）•有颗粒型和整体型两种。首页返回章返回节61•整体式催化转换器首页返回章返回节62•在三元催化转换器中进行如下反应:•HC与O2反应，生成H2O和CO2•CO与O2反应，生成CO2。•NOX剥离氧原子，生成N2和CO2。首页返回章返回节63来自发动机大气陶瓷基体氧化铝载体铂催化剂氧化催化转换器首页返回章返回节64催化转换器的工作条件•使用无铅汽油；•温度超过300℃；•发动机必须燃烧理论空燃比的混合气。首页返回章返回节65•催化转换器与氧传感器安装位置示意图首页返回章返回节66首页返回章返回节67三、柴油机的排气净化•1、采用碳烟微粒过滤器。•2、减小喷油提前角（过分推迟会使经济性变差、碳烟及微粒排放增加）。•3、增压、中冷，同时加冒烟限制器。•4、改善喷油系统和喷油特性（合理的喷油规律，预喷射，多段喷射，提高喷油压力）。•5、改进燃烧方法和燃烧室。•6、预混合燃烧。首页返回章返回节68第四节强制式曲轴箱通风系统69•