汽車排放與噪聲控制(李岳林第二版)第六章

1、 第六章 汽車排放污染物凈化技術(shù)汽車排放與噪音控制汽油機(jī)機(jī)內(nèi)控制技術(shù)柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)汽車排放污染物的機(jī)外凈化技術(shù)第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)清潔燃料第四節(jié)第一節(jié) 汽油機(jī)機(jī)內(nèi)控制技術(shù)汽油機(jī)降低排氣污染和提高熱效率的關(guān)鍵問題之一是精確控制空燃比， 為此，人們曾在化油器上進(jìn)行了各種改進(jìn)設(shè)計(jì)，使它變得越來越復(fù)雜，甚至最后出現(xiàn)了電子化油器。1 電子控制燃油噴射系統(tǒng). 電控汽油噴射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)電控汽油噴射系統(tǒng)與化油器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):()滿足發(fā)動機(jī)各種工況對空燃比和點(diǎn)火提前角的不同要求，從而使排放特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性達(dá)到最佳狀態(tài)。()各缸混合氣分配均勻性好(多點(diǎn)電噴汽油機(jī))。()沒有化油器中的狹窄喉管，減少了

2、節(jié)流損失，可以不要化油器發(fā)動機(jī)常用的進(jìn)氣加熱措施，因而進(jìn)氣密度增大，提高了充氣效率。()具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性，改善了汽車的加速性。()采用閉環(huán)反饋控制方式，可滿足三效催化劑對空燃比的嚴(yán)格要求。()由于采用壓力噴射，汽油霧化質(zhì)量比化油器大為改善，有利于快速和完全燃燒。. EFI系統(tǒng)的分類)按噴油器數(shù)量分)按噴油地點(diǎn)分)按進(jìn)氣量檢測方法分)按噴油時(shí)間間隔分)按控制方式分)按信息反饋的算法分)按多點(diǎn)噴油系統(tǒng)的噴油方式分. 電控汽油噴射系統(tǒng)圖6-6是閉環(huán)電子控制燃油噴射系統(tǒng)的一例電控燃油噴射系統(tǒng)，圖中電子控制單元(ECU)是整個(gè)系統(tǒng)的中心，它根據(jù)進(jìn)氣管、轉(zhuǎn)速、溫度等信號，進(jìn)行運(yùn)算、處理及分析判斷后，

3、向執(zhí)行器發(fā)出指令控制噴油器的噴射時(shí)間和噴射量，以保證發(fā)動機(jī)工作所要求的空燃比。. 噴油器的構(gòu)造及分類如前所述，噴油器可分為多點(diǎn)噴射和單點(diǎn)噴射。多點(diǎn)噴射系統(tǒng)在每一個(gè)汽缸進(jìn)氣管上各設(shè)置一個(gè)噴油器，噴油器的結(jié)構(gòu)如圖- 所示。. 燃油噴射時(shí)間的控制多點(diǎn)電控燃油噴射系統(tǒng)的噴油時(shí)間控制方式可分為同時(shí)噴射、分組噴射和獨(dú)立(順序)噴射3種。)同時(shí)噴射)分組噴射)順序噴射. 空燃比控制)空燃比的控制策略為了滿足發(fā)動機(jī)各種工況的要求，混合氣的空燃比不能都采用閉環(huán)控制，而是采用閉環(huán)和開環(huán)相結(jié)合的策略，主要分為3種控制方式:()冷起動和冷卻水溫度低時(shí)()部分負(fù)荷和怠速運(yùn)行時(shí)此時(shí)可分為兩種情況()節(jié)氣門全開時(shí))空燃比控

4、制方法要實(shí)現(xiàn)上述空燃比的控制策略可按下列步驟進(jìn)行工作:()最主要的是精確地確定發(fā)動機(jī)質(zhì)量流量。()根據(jù)所測空氣質(zhì)量流量時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出每工作循環(huán)每缸的進(jìn)氣質(zhì)量流量。()測量發(fā)動機(jī)此工況下的各種傳感器信號。()根據(jù)噴油器標(biāo)定數(shù)據(jù)(流量系數(shù))計(jì)算出噴油器噴油時(shí)間(噴油脈寬)。()計(jì)算噴油定時(shí)。()ECU中驅(qū)動器根據(jù)發(fā)火順序、按上面已計(jì)算得到噴油脈寬和噴油定時(shí)使噴油器工作。. 點(diǎn)火系統(tǒng)的控制)點(diǎn)火脈譜圖點(diǎn)火時(shí)間是決定發(fā)動機(jī)排放特性等各種性能的重要參數(shù)。在化油器式汽油機(jī)中，實(shí)際點(diǎn)火時(shí)間是在靜態(tài)點(diǎn)火提前角的基礎(chǔ)上，通過離心式點(diǎn)火提前調(diào)節(jié)裝置(隨轉(zhuǎn)速變化)和真空式點(diǎn)火提前裝置(隨負(fù)荷而變)來控制的。)

5、爆震控制爆震是汽油機(jī)的一種不正常燃燒狀態(tài)，嚴(yán)重爆震會使汽油機(jī)各項(xiàng)性能全面惡化。控制爆震的原則是將點(diǎn)火提前角推遲到剛剛不發(fā)生爆震的位置，這就需要有一個(gè)類似空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣的反饋控制系統(tǒng)，圖6-15是一例爆震控制系統(tǒng)示意圖。2 點(diǎn)火系統(tǒng)的控制. 微機(jī)控制點(diǎn)火系的組成與控制策略)組成微機(jī)控制點(diǎn)火系主要由下列元件組成:監(jiān)測發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況的傳感器，處理信號、發(fā)出執(zhí)行指令的微處理機(jī)(ECU)，響應(yīng)微機(jī)發(fā)出指令的點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈等組成，微機(jī)控制點(diǎn)火系由于廢除了真空、離心點(diǎn)火提前裝置，點(diǎn)火提前角由微機(jī)控制。)控制策略()起動時(shí)點(diǎn)火提前角的控制。()怠速時(shí)點(diǎn)火提前角的控制。()正常行駛時(shí)點(diǎn)火提前角的控制。

6、2 . 點(diǎn)火系統(tǒng)對排放的影響點(diǎn)火系統(tǒng)通過火花質(zhì)量和點(diǎn)火正時(shí)(點(diǎn)火提前角)對排放產(chǎn)生影響。()火花質(zhì)量決定點(diǎn)燃混合氣的能力。()點(diǎn)火正時(shí)會影響發(fā)動機(jī)輸出功率、燃油消耗量、汽車驅(qū)動性能和燃燒生成的有害排放物， 因此點(diǎn)火正時(shí)需對多種因素進(jìn)行優(yōu)化。3 .推遲點(diǎn)火的途徑 通過改進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒未定性，保證使用發(fā)揮性較差燃油時(shí)具有良好的駕駛性，同時(shí)大幅度推遲點(diǎn)火和采用稀空燃比。有如下兩種改進(jìn)燃燒可靠性的方法， )增強(qiáng)進(jìn)氣充量運(yùn)動 )雙火花塞3 廢氣再循環(huán). 廢氣再循環(huán)的效果 廢氣再循環(huán)是控制NOx排放的一種主要措施，其工作原理如圖6-19所示。由于排氣中氧含量很低，主要由惰性氣體N2和CO2構(gòu)成。一部分排氣經(jīng)

7、EGR閥還流回進(jìn)氣系統(tǒng)，與新鮮混合氣混合后，稀釋了新鮮混合氣中的氧濃度，導(dǎo)致燃燒速度降低，同時(shí)還使新鮮混合氣的比熱容提高，這兩個(gè)原因都造成了燃燒溫度的降低，從而可以有效地抑制NOx的生成，如圖6-20所示。. EGR的控制策略()從圖6-21可看出:增加EGR率可以使NOx排出物降低，但同時(shí)會使HC排出物和燃油消耗增加。因此在各工況下采用的EGR率必須是對動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的綜合考慮。()怠速和低負(fù)荷時(shí)，NOx排放濃度低，為了保證穩(wěn)定燃燒，不進(jìn)行EGR。()只在熱機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行EGR，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)溫度低時(shí)， NOx排放濃度也較低，混合氣供給不均勻，為保證正常燃燒，冷機(jī)時(shí)不進(jìn)行EGR。()大負(fù)

8、荷、高速時(shí)，為了保證發(fā)動機(jī)有較好的動力性，此時(shí)混合氣較濃， NOx排放生成物較小，不進(jìn)行EGR 或減少EGR 率。()廢氣再循環(huán)量對NOx排放和油耗的影響還受到空燃比、點(diǎn)火提前角等因素的影響。. 內(nèi)部廢氣再循環(huán)通常把發(fā)動機(jī)排氣經(jīng)過EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管，與新鮮混合氣混合在一起的方式為外部EGR。由于配氣相位重疊角使進(jìn)排氣門同時(shí)開啟，造成一部分廢氣留在缸內(nèi)，稀釋了新鮮混合氣的方式稱為內(nèi)部EGR。4 燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) . 緊湊的燃燒室形狀 不同的燃燒室形狀會使汽油機(jī)性能有很大差別，圖6-27給出了一些有代表性的燃燒室形狀。. 改善缸內(nèi)氣流運(yùn)動提高缸內(nèi)混合氣的渦流和湍流程度，有助于加強(qiáng)油氣混合，保證快

9、速燃燒和完全燃燒，這是因?yàn)殪o止或?qū)恿骰旌蠚庵械幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣纫话悴怀^/ ，而湍流時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤筛哌_(dá)100/ 。. 合理提高壓縮比由于汽油機(jī)熱效率低于柴油機(jī)的重要原因是壓縮比低，因而提高壓縮比一直是汽油機(jī)多年來孜孜以求的主要改進(jìn)方向。. 提高進(jìn)氣充量由傳統(tǒng)的每缸2氣門布置改為、 或5氣門布置，或采用廢氣渦輪增壓，可以明顯提高進(jìn)氣充量，減少泵氣損失。這樣不僅使汽油機(jī)燃油消耗率減低和平均有效壓力 提高，而且也降低了CO和污染物的比排放量。. 減少不參與燃燒的縫隙容積如在第三章HC生成機(jī)理中介紹的那樣，在活塞頭部、火花塞和進(jìn)排氣門處存在著S/V很大的縫隙，由于壁面淬熄效應(yīng)而產(chǎn)生大量HC。5 可變進(jìn)

10、氣系統(tǒng). 可變進(jìn)氣系統(tǒng) 發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣過程是一個(gè)周期性的脈動過程，進(jìn)排氣系統(tǒng)中存在著強(qiáng)烈的壓力波動，利用壓力波來提高進(jìn)氣門關(guān)閉前的進(jìn)氣壓力，可得到增大進(jìn)氣充量的效果，被稱為動態(tài)效應(yīng)，也稱慣性增壓。. 可變氣門定時(shí) 氣門定時(shí)對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能有較大的影響，固定的氣門定時(shí)很難在較大轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)適應(yīng)發(fā)動機(jī)的要求，因此，近年來可變氣門定時(shí)得到較大的發(fā)展。改變進(jìn)氣門的定時(shí)對發(fā)動機(jī)性能的影響相對要比改變排氣門的定時(shí)明顯。為了保證可靠點(diǎn)火，在火花塞附近形成濃混合氣，而在其他區(qū)域供給稀混合氣，按這樣的要求設(shè)計(jì)成的發(fā)動機(jī)稱為層狀充氣發(fā)動機(jī)。6 層狀充氣發(fā)動機(jī) 要實(shí)現(xiàn)這要求，最簡單的辦法是采用與

11、柴油機(jī)一樣分隔燃燒室形狀，副燃燒室內(nèi)裝有火花塞，相當(dāng)于預(yù)燃室作用，給副燃燒室提供濃混合氣。在主燃燒室不需要考慮點(diǎn)火，可供給稀混合氣。第二節(jié)柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù). 柴油機(jī)與汽油機(jī)排放控制技術(shù)的異同. 柴油機(jī)排放控制的對策技術(shù). 柴油機(jī)排氣污染控制的主要途徑1 概述柴油機(jī)噴油時(shí)間延遲使NOx排放量下降的原因與汽油機(jī)并不完全相同，主要原因由兩個(gè)， 一是使燃燒過程避開上止點(diǎn)進(jìn)行，燃燒等容度下降，因而溫度下降。2 推遲噴油提前角二是越接近上止點(diǎn)噴油，缸內(nèi)空氣溫度越高，燃油一旦噴入缸內(nèi)便很快蒸發(fā)混合并著火，即著火落后期可以縮短，燃燒初期的放熱速率降低，導(dǎo)致燃燒溫度降低。這兩種原因都起到了抑制NOx生成的作用

12、。. EGR 對NOx和發(fā)動機(jī)性能的影響如前所述， EGR是降低汽油機(jī)NOx排放的實(shí)用化措施，而對于柴油車， EGR除在一部分柴油機(jī)轎車和輕型車上已實(shí)用化外，在壽命和可靠性要求很高的大中型柴油車上目前采用的并不多。3 EGR. EGR 率的控制EGR對發(fā)動機(jī)性能的負(fù)面影響，主要表現(xiàn)在大中負(fù)荷時(shí)，而小負(fù)荷時(shí)影響不大，甚至有燃油耗率和HC排放略有改善的報(bào)道。 因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)隨工況的不同而改變EGR 率(即回流量)。增壓是提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣充量的有效措施，最常用的增壓方法是廢氣渦輪增壓，如圖6-44所示， 發(fā)動機(jī)排出的具有一定能量的高溫廢氣帶動渦輪2 高速旋轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動與渦輪同軸的壓氣機(jī)3旋轉(zhuǎn)，新

13、鮮空氣由進(jìn)氣口4進(jìn)入壓氣機(jī)，被壓縮后送入汽缸。4 增壓及增壓中冷 柴油機(jī)的噴油特性主要指噴油規(guī)律和噴霧特性，對混合氣形成和燃燒過程以及各種排放污染物的生成有重要影響。5 改善噴油系統(tǒng)和噴油特性. 合理的噴油規(guī)律. 預(yù)噴射PI. 多段噴射. 提高噴油壓力. 小直徑、多噴孔加速霧化混合. 柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng). 擠流口式燃燒系統(tǒng)傳統(tǒng)的半開式燃燒系統(tǒng)，大都應(yīng)用敞口、中凸的 型燃燒室，如圖6-54所示。這種燃燒室NOx排放較高，噪聲也很大，英國潑金斯公司和奧地利AVL公司推出了底寬、口窄的擠流口式燃燒室(見圖6-54)，獲得良好效果。6 高效低污染燃燒系統(tǒng). 非回轉(zhuǎn)體型燃燒系統(tǒng)這些非圓形或方、圓形狀及凹

14、坑的設(shè)計(jì)，其目的有如下兩點(diǎn):()使氣流在不規(guī)范的角落或聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生微渦流或紊流，大大加速油、氣混合。()由于微渦流及紊流的能量消耗隨速度的平方而增加，使得高速時(shí)，中央主旋流有很大的衰減，高轉(zhuǎn)速渦流比下降，起到兼顧高、低速性能的效果。. 無渦流高壓噴射燃燒系統(tǒng) 這就是前面已提到過的，重型車用柴油機(jī)大都采用的，小噴孔，多噴孔，不組織渦流的高壓噴射系統(tǒng)。 大機(jī)型循環(huán)油量大，燃燒室直徑大，噴油泵承壓能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速低，有條件達(dá)到上述燃燒組織的要求。第三節(jié)汽車排放污染物的機(jī)外凈化技術(shù) 綜觀人類治理汽車排放污染的歷程，在20世紀(jì)70年代中期以前主要是采用以改善發(fā)動機(jī)燃燒過程為主的各種機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)， 這些技術(shù)盡管

15、對降低排氣污染起到了很大作用，但效果有限。1 機(jī)外凈化技術(shù)概述)催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu) 催化轉(zhuǎn)化器簡稱催化器，如圖6-60所示，它由殼體、減振層、載體及催化劑涂層4部分組成， 而所謂催化劑是指涂層部分或載體和涂層的合稱，催化劑是整個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的核心部分，它決定了催化轉(zhuǎn)化器的主要性能指標(biāo)。2 三元催化轉(zhuǎn)化器)催化劑的分類及工作原理 按工作原理不同，催化劑可分為氧化型催化劑、還原型催化劑、三元催化劑和稀燃催化劑。目前單純還原型的催化劑已很少，稀燃催化劑將在后面介紹，而最常用的氧化型催化劑和三元催化劑的工作原理介紹如下。 HC捕集器由HC捕集材料(如沸石)和催化劑涂層組成， 在催化劑還沒加熱到起燃溫度前，

16、捕集材料捕獲尾氣中的HC， 當(dāng)催化劑起燃后，捕集材料釋放HC，然后催化劑涂層把HC轉(zhuǎn)化掉。3 捕集器. HC捕集器的作用機(jī)理. 控制捕集效率的因素. 提高系統(tǒng)效率的措施謂非排氣污染物是指由排氣管以外的其他途徑排放到大氣中的有害污染物，主要是指曲軸箱竄氣和燃油蒸發(fā)所產(chǎn)生的HC排放。. 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置. 燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)4 非排氣污染物控制技術(shù)柴油機(jī)的主要排氣污染成分是微粒和Nox，盡管有多種方案被提出并被研制開發(fā)，但目前被認(rèn)為有實(shí)用可能的有以下幾種:4 柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)()氧化催化轉(zhuǎn)化器用于降低SOF(可溶性有機(jī)成分)、HC和CO。()微粒捕集器用于降低微粒排放。() NOx還原催化轉(zhuǎn)化

17、器用于降低NOx排放。第四節(jié)清潔燃料. 液化石油氣的燃料特性)優(yōu)點(diǎn)()發(fā)動機(jī)和排氣系統(tǒng)使用壽命長()燃燒積炭少()換機(jī)油周期長()排氣污染較少()運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)1 液化石油氣)缺點(diǎn)()容積油耗高15()需要使用較大的特殊燃油箱 ()氣門磨損嚴(yán)重，加速性能差()使用仍受限制(不允許在地下車庫使用). 液化石油氣的規(guī)格車用液化石油氣必須保證其使用安全性、抗爆性和良好的起動性能和排放性能，飽和蒸汽壓是液化石油氣最主要的安全指標(biāo)。. 液化石油氣車輛的改裝 圖6-112是一種用汽油機(jī)改裝的液化石油氣發(fā)動機(jī)供給系統(tǒng)示意圖，它既可用于汽油，也可用于液化石油氣， 在進(jìn)行這些改裝時(shí)必須考慮到一些重要方面。. 醇類燃

18、料的性能()熱值低。()由于醇類分子結(jié)構(gòu)中含有氧元素，所以1 醇類燃料完全燃燒所需要的空氣比汽油或柴油少得多。()汽化潛熱高。2 醇類燃料()醇類的蒸氣壓比汽油低，影響發(fā)動機(jī)的冷起動性能。()甲醇的著火性很差，十六烷值只有，抗爆性卻較好，辛烷值比汽油高。()內(nèi)燃機(jī)使用醇類燃料時(shí)排氣中含有較多的甲醛和乙醛。()甲醇有腐蝕性，對供油系統(tǒng)的橡膠件和塑料伴有腐蝕作用。. 醇類燃料用于汽油機(jī)醇類燃料在汽油機(jī)上的應(yīng)用已日益成熟并獲得推廣， 在汽油中混溶10 15 的甲醇(10 15)作為混合燃料在汽油機(jī)上使用基本上不成問題，目前國內(nèi)外大多應(yīng)用和推廣的也是這種混合燃料。. 醇類燃料用于柴油機(jī)醇類燃料按其化學(xué)

19、性能比較適合汽油機(jī)，為了提高熱效率和減少柴油機(jī)的排煙和有害氣體排放物，人們已開始對柴油機(jī)上采用甲醇燃料進(jìn)行研究。. 天然氣的燃料特性天然氣的主要成分是甲烷(CH)，甲烷不易著火，抗爆性好，其辛烷值高達(dá)130，所以純天然氣發(fā)動機(jī)的壓縮比可以設(shè)計(jì)得很高，有利于提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率。3 壓縮天然氣. 壓縮天然氣用于汽油機(jī)。. 壓縮天然氣用于柴油機(jī)。氫是一種清潔燃料，其燃燒產(chǎn)物是水，沒有炭煙，不產(chǎn)生CO2，也不產(chǎn)生除NOx以外的污染物， 但是氫的生產(chǎn)過程需要消耗能源，如果所消耗的能源是太陽能、水力勢能或風(fēng)能等，則可以降低CO2的排放。4 氫燃料5 電能 電動汽車是一項(xiàng)相對年輕的技術(shù)，與燃油機(jī)汽車相比，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動部件減少，大大降低了日常維修保養(yǎng)量，駕駛操作更加方便， 另外它可以減少汽車對石油資源的依賴