汽车节能减排技术 第五章 汽车排放污染物及控制技术课件.pptx

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1、汽车节能减排技术,概述,燃油汽车整车节能技术,燃油汽车发动机节能技术,汽车使用节能技术,第一章,第二章,第三章,第四章,汽车排放污染物及控制技术,第五章,新能源汽车节能减排技术,第六章,第五章,活塞连杆组故障诊断与修复,汽车排放污染物及控制技术,汽车是能源消耗和污染物排放的主要根源，随着汽车保有量的急剧增加，环境排污问题日益严重。世界各国制定相应法规和出台相应政策，严格实施排放标准，对排污超标的汽车加以处罚，加大对汽车排放控制研究扶持力度，鼓励支持改进汽车设计，优化发动机结构，研发汽车排放控制技术。发展趋势是研发新能源汽车。,第一节,活塞连杆组故障诊断与修复,汽车排放污染物的危害与生成机理,汽

2、车排放污染物主要包括一氧化碳（CO）、总碳氢化排放（THC，包括甲烷）、氮氧化物，（NOx）、铅（Pb）、细微颗粒物及硫化物等，其污染环境，危害人体健康（表5-1）。上述污染物还会通过大气化学反应，生成光化学烟雾、酸沉降等二次污染物，另外汽车排放中的二氧化碳（CO2）是引发“温室效应”的重要原因。全球大气污染的42%源于交通车辆，随着城市机动车数量的快速增长，机动车排放已成为城市大气污染的主要污染源。汽车排放控制，不仅是环保问题，其排放量也反映汽车使用过程中对能源的浪费情况。汽车绿色低碳转型已成为保障国家能源安全、推动区域环境治理和应对气候变化的综合战略要求。,一、汽车排放污染物及其危害,一、

3、汽车排放污染物及其危害,科学家预测：未来100年全球平均地表温度将上升1.45.8。CO2和其他温室气体引发温室效应，温室效应导致全球变暖。地球温度升高会破坏生态系统，引发影响人类的许多自然灾害，加剧气候变化风险。国际能源机构（EA）估计：城市机动车CO2总排放量将从1990年的29亿吨增加到2020年的60亿吨。为减少机动车对全球气候变暖的影响，削减CO2的排放量，机动车应尽量采用小排量发动机和稀薄燃烧发动机，最大限度地提高能源利用效率。目前，各国已开始制定并实施城市机动车CO2排放法规。2008年，欧盟要求小型汽车CO2排放量不高于140g/km，2012年不高于120g/km，2020年

4、不高于100g/km。我国将大力推广新能源技术，包括电动汽车、天然气汽车和以天然气为燃料的内燃机技术，到2030年我国机动车的CO2排放总量有望降低45%。,一、汽车排放污染物及其危害,1.汽车排放污染物的生成机理 汽车排放中的有害气体成分和浓度取决于发动机混合气形成条件、燃烧室结构和排气系统的反应条件。CO、THC和NOx的生成条件不同，CO和THC是燃油不完全燃烧的产物，NOx是在燃烧高温、富氧的条件下形成的。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,1.汽车排放污染物的生成机理（1）CO的生成。CO是燃烧过程中碳氢燃料的中间产物的不完全燃烧。对于汽油机，若空气量充足，理论上不会产生CO；

5、但实际工作过程中，排气中都存在0.01%0.5%的CO，原因是汽油机燃烧室内的部分区域存在空燃比小于14.7的过浓区，部分未燃碳氢化合物在排气过程中发生不完全燃烧；温度低或滞留时间短等，燃烧未能完全进行；若燃烧后的温度很高，会使正常燃烧情况下生成的CO2分解为CO和O2。对于柴油机，在喷注贫油火焰区，由于氧浓度和燃气温度合适，CO只作为中间化合物而生成，在喷注核心和壁面附近，CO的形成速率很高，其消失速率主要取决氧化的局部浓度、混合、燃气局部温度以及有效的氧化时间，在贫油火焰外围区边界附近生成的CO，取决于空燃比。小负荷时，CO排放较高，因为燃气温度低而且氧化反应少；负荷或空燃比增加时，燃气温

6、度增加，CO排放较少；当空燃比超过一定界限时，不管燃气温度是否增加，由于氧化物浓度低和反应时间短，随负荷增加，CO排放增加。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,1.汽车排放污染物的生成机理（2）THC的生成。THC是燃料没有完全燃烧的中间产物和部分被分解的产物的混合物。发动机在任何工况下运转时，排气中总含有一定量的THC，且汽油机远大于柴油机。THC的生成受发动机混合气过浓、过稀或雾化不良，点火能量低或点火过迟，火焰难以传播到低温缸壁等因素影响。发动机缸内混合气通过火焰传播而燃烧，由于低温缸壁的冷却作用，火焰传播到紧靠缸壁的气体层，使该层混合气中的THC随废气排出。为提高发动机最大功率，

7、通常使其在空燃比小于14.7的情况下工作，低负荷时缸内残余气体较多，为了不使燃烧速度过低，需要供给浓混合气，这些情况都会因空气不足导致燃烧不完全；此外，缸内混合气过浓或过稀、燃料雾化不良或混入废气过多时，都可能产生灭火或半灭火状态，使部分未燃燃料（THC）排出。燃料燃烧过程要经过完整的化学反应才能生成最终产物（CO2和H2O），在反应过程进行的不同阶段存在不同的中间产物，若这些中间产物进一步氧化的条件不适宜，会因氧化不彻底而使THC的排量增加。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,1.汽车排放污染物的生成机理（3）NOx的生成。发动机排放中，NO约占99%，NO2约占1%。NO排入大气后，

8、进一步氧化成NO2。高温条件下，N2和O2发生化学反应生成NOx。燃烧气体的温度和氧的浓度是影响NOx浓度的重要因素，温度越高，氧气越足，则NOx浓度越大。此外，燃烧气体停留在高温、高压下的时间越长，NOx生成越多。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,1.汽车排放污染物的生成机理（4）微粒的形成。微粒通常由炭烟、可溶性有机成分和硫酸盐组成，其中炭烟是微粒的主要组成部分。炭烟是碳氢化合物高温缺氧条件下燃烧的产物，由于热分解，碳氢化合物生成甲烷和乙烯等低分子碳氢化合物。当燃烧气体温度较高且富氧时，这些产物进行氧化反应；当氧气不足时，甲烷和乙烯进行脱氢反应，并聚合成直径为2030m的炭烟粒子，

9、小粒子进一步聚合，长成直径为50200m的大粒子。汽油机与柴油机排放的微粒不同，汽油机排放微粒主要是铅化物、硫酸盐和一些低分子物质，只有发动机技术状况变差，润滑油窜入燃烧室燃烧时，才有大量炭烟排出；柴油机排放微粒是类似石墨的含碳物质，并凝聚和吸附了大量的高分子可溶性有机物和SO2等，这些有机物包括未燃的燃油、润滑油及其不同程度的氧化和裂解产物。柴油机排出的微粒浓度要比汽油机排出的微粒浓度高3080倍。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,2.使用因素对汽车排放的影响（1）燃油供给系统技术状况。发动机工作过程中，燃油供给系统所提供的混合气浓度是否适当，对排放污染物形成有重要影响，如图5-1所

10、示。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,图5-1 空燃比与排放污染物之间的关系,2.使用因素对汽车排放的影响（1）燃油供给系统技术状况。空燃比大于理论空燃比（A/F=14.7）时，随着空燃比增大，火焰传播中断现象严重，THC排放增加。由于稀混合气燃烧温度低，抑制了NOx的生成，因此NOx排放下降。此时排气中含有少量由CO2分解形成的CO。空燃比较理论空燃比大10%时，燃烧过程中氧充足，有利于降低CO和THC，但此时NO排放最大。空燃比小于理论空燃比时，混合气因空气量不足，燃料不能完全燃烧，随空燃比下降，CO和THC排放增大，但混合气中氧浓度低，NOx排放降低。,二、汽车排放污染物的生成机

11、理及影响因素,2.使用因素对汽车排放的影响（2）点火（喷油）系统技术状况。点火提前角减小，汽缸内工作压力和温度降低，废气中NOx排放随之减小；反之，NOx排放增大，如图5-2所示。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,图5-2 点火时刻和空燃比对NOx排放的影响,2.使用因素对汽车排放的影响（2）点火（喷油）系统技术状况。点火滞后时，补燃增多，排气系统温度升高，废气中的CO和THC排放减小；若点火过迟，则燃烧速度慢，CO和THC排放又有所提高，如图5-3所示。点火滞后会使发动机功率下降，油耗增加。点火系统技术状况不良、点火能量不足时，由于燃烧缺火，会使THC排放增大。柴油机供油系的喷油提前

12、角是影响排气污染的重要因素，随着喷油提前角的减小，循环最高温度降低，废气中的THC排放增加，NOx排放下降，CO排放基本不变。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,2.使用因素对汽车排放的影响（2）点火（喷油）系统技术状况。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,图5-3 点火时刻对CO、THC排放的影响,2.使用因素对汽车排放的影响（3）配气相位。排气门早关，废气排放不完全，NOx排放减少；排气门晚关，没有排出的废气被回吸，THC排放略有增大。进气门早开，残余在缸内的废气增多，新鲜混合气被废气稀释，降低燃烧温度，NOx排放减少；进气门早开，废气流入进气管，THC排放减少，但开得过早反而

13、会使THC排放增加。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,2.使用因素对汽车排放的影响（4）汽车技术状况。随着汽车行驶里程的增加，汽车技术状况逐渐变差，其动力性、经济性和可靠性下降，排气污染随之增大。CO和THC排放与汽车行驶里程的关系，如图5-4所示。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,图5-4 CO和THC排放与汽车行驶里程的关系,2.使用因素对汽车排放的影响（5）发动机运转工况。发动机转速、负荷、工作温度和工况稳定性对发动机排放影响很大。转速。发动机转速只是通过对进气过程、混合气形成及燃烧过程的作用，影响有害气体的形成及浓度。混合气浓度一定，当汽油机转速提高时，燃烧室内混合气紊

14、流加强、混合气质量和燃烧质量得到改善，排放废气中的CO、THC随之下降；当转速达到最高转速的65%75%时，NOx达到最大值。当柴油机转速提高时，排放中的CO、THC和NOx均有所下降；在最高转速时，由于燃烧时间、短燃烧条件恶化以及发动机工作强度大，CO浓度继续下降，而THC和NOx浓度增大，如图5-5所示。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,2.使用因素对汽车排放的影响（5）发动机运转工况。转速。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,图5-5 转速对发动机排放有害成分的影响,2.使用因素对汽车排放的影响（5）发动机运转工况。负荷。不同负荷条件下，燃油供给系统提供的可燃混合气浓度不同

15、，如图5-6所示，空燃比对发动机排放影响很大。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,图5-6 A/F与负荷的关系,2.使用因素对汽车排放的影响（5）发动机运转工况。负荷。对于汽油机：a.怠速时，由于转速低，进气系统内空气流速低，汽油雾化不良，与空气混合不均匀，混合气在各缸内的分配也不均匀；同时缸内压力、温度低，汽油气化不良。为避免汽缸缺火，燃用浓混合气，使排放中的CO、THC大大增加。b.小负荷工况（节气门开度25%以下），进入汽缸的可燃混合气较少，缸内残余废气相对较多，不利于燃烧，因此采用较浓混合气，排放中的CO、THC较多。c.中等负荷工况（节气门开度25%80%），燃用经济混合气，排

16、放中的CO和THC较少。d.大负荷工况（节气门开度80%以上），燃用功率混合气，排放中的CO和THC增多，NOx排放有所减小。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,2.使用因素对汽车排放的影响（5）发动机运转工况。负荷。对于柴油机：a.大负荷条件下工作时（如加速、爬坡或超载），CO和THC排放增加不多，但生成的NO明显增大，并产生大量黑烟。b.柴油机随着负荷增大，喷油量增加，燃烧状况改善，CO和THC的排放逐渐降低。接近全负荷时，混合气较浓，燃烧不完全，CO的排放有所增多，满负荷条件下，柴油机的CO和THC排放增加不多，但NOx显著增大，并产生大量炭烟。柴油机的炭烟排放量比汽油机大得多，原

17、因是虽然空气量供给充足，但混合气形成时间短，混合不均匀。缸内某些有过量空气的区域，局部温度高，生成大量的NOx；局部混合气过浓的区域，因氧气不足，使烃分子发生分裂而形成炭烟。因此，柴油机的主要排气污染物是炭烟和NOx。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,2.使用因素对汽车排放的影响（5）发动机运转工况。负荷。对于柴油机：c.柴油机通过控制喷油量调节负荷，怠速和小负荷工况下运转时，虽喷入燃烧室内的燃料较其他工况少，混合气较稀，但燃料分布不均匀，局部过浓，致使排放中的CO增多，同时因局部过稀区域的混合气不能着火，THC排放较高。但与汽油机相比，CO和THC的排放很少。,二、汽车排放污染物的生

18、成机理及影响因素,2.使用因素对汽车排放的影响（5）发动机运转工况。工作温度。发动机工作温度提高时，缸壁温度随之升高，缸壁的微冷作用减弱，THC排放下降；NOx排放与燃烧的最高温度有关，缸壁温度升高时，NOx排放增加；发动机供油系统过热时，发动机会产生气阻现象，因混合气过稀而熄火，THC排放增加。THC排放与发动机冷却液温度的关系如图5-7所示。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,图5-7 THC排放与发动机冷却液温度的关系,2.使用因素对汽车排放的影响（5）发动机运转工况。不稳定工况影响。汽车行驶过程中，发动机的转速和负荷随时间不断变化。在怠速、低转速和减速工况下，混合气较浓且混合不均

19、匀，废气中不完全燃烧的物质较多，CO、THC排放量大。发动机加速和高速时，NOx排放明显增大。加速时，由于混合气较浓，缸内燃气温度提高，产生大量的NOx，又会引起不完全燃烧，导致CO和THC排放增加。发动机运行工况与排放的关系如图5-8所示。,二、汽车排放污染物的生成机理及影响因素,图5-7 发动机运行工况与排放的关系,第二节,活塞连杆组故障诊断与修复,汽油机机内净化技术,汽油机机内净化技术是从有害排放物的生成机理和影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为核心，实现减少和抑制污染物生成的各种技术，如电控汽油喷射技术、电控点火技术、氧传感器与三元催化转化器的闭环控制技术、废气再循环技术、多气门技术等

20、。,汽油机燃烧过程分着火延迟期、明显燃烧期和补燃期三个阶段，如图5-9所示。,一、汽油机燃烧过程分析,图5-9 汽油机的燃烧过程-着火延迟期；-明显燃烧期；-补燃期；1-火花塞跳火；2-形成火焰中心；3-最高压力点,（1）着火延迟期（）。从火花塞开始跳火到缸内形成火焰中心，如图5-9中的12点，是燃烧的准备阶段，主要进行热量的积累，缸内压力线与纯压缩线基本重合。从火花塞跳火瞬时到活塞运行至上至点的曲轴转角，称为点火提前角（）。最佳点火提前角（佳）能使发动机获得最佳的动力性、经济性和排放性能，佳受转速、混合气燃烧速度、缸温、缸压、汽油辛烷值、空燃比等因素影响，只有采用微机控制点火系统，才能高速、

21、精确、稳定地实现佳。着火温度和热稳定性越低，着火延迟期越短；空燃比为12时，着火延迟期最短；火花塞跳火时缸内压力和温度高，着火延迟期缩短；电火花强度大，点火延迟时间将减小；残余废气量、缸内混合气运动等对着火延迟期长短也有影响。,一、汽油机燃烧过程分析,（2）明显燃烧期（）。从火焰中心形成到缸内压力达到最高点，如图5-9中的23点。火焰传播至整个燃烧室，约90%的燃料被烧掉，该阶段中的压力升高率和最高燃烧压力对发动机动力性、经济性和排放产生重大影响。明显燃烧期越短，越靠近上至点，发动机动力性、经济性越好，但压力升高率大，工作粗暴。（3）补燃期（）。从最高燃烧压力点3至燃料基本完全烧完为止。混合气

22、燃烧速度已开始降低，活塞向下止点运动，缸内压力开始下降。继续燃烧的是火焰前锋面扫过后未完全燃烧的燃料以及璧面及其附近的未燃混合气。补燃期越短，能提高热量利用率，改善排放。,一、汽油机燃烧过程分析,废气再循环（EGR）是指在发动机工作时，将一部分废气引入进气管，并与新鲜空气混合后吸入汽缸内再次进行燃烧的过程。废气再循环是降低NOx的一种有效方法，通过降低燃烧室的燃烧温度，抑制NOx的生成。通常，废气再循环程度用EGR率表示，其定义如下，当EGR率达到15时，NOx的排放量即可减少60。但EGR率增加过多时，会使发动机动力性能下降，THC含量上升。因此，ECU精确控制EGR率，即能使NOx有效降低

23、，又可保证发动机的动力性。,二、废气再循环技术,1普通废气再循环电子控制系统 普通废气再循环电子控制系统主要由EGR电磁阀、节气门位置传感器、EGR控制阀、曲轴位置传感器、ECU、冷却液温度传感器等组成，如图5-10所示。,二、废气再循环技术,图5-10 普通废气再循环电子控制系统1-EGR电磁阀；2-节气门位置传感器；3-EGR控制阀；4-冷却液温度传感器；5-曲轴位置传感器；6-ECU,1普通废气再循环电子控制系统 发动机工作时，ECU根据点火开关、曲轴位置传感器、节气门位置传感器和冷却液温度传感器等信号，确定发动机运行工况，并同时输出指令，控制电磁阀电磁线圈的导通与截止。并利用进气管的真

24、空来控制EGR控制阀开启或关闭，使废气再循环进行或停止。废气再循环控制过程见表5-2，当ECU向EGR电磁阀发出“接通”信号，电磁阀接通（ON），其阀门关闭，切断了控制EGR控制阀膜片室的真空通道，使EGR不起作用。反之，当电磁阀关闭（OFF）时，其阀门打开，通往控制废气再循环控制阀膜片室的真空通道打开，EGR再次起作用。当EGR电磁阀工作时，EGR率不可调节。,二、废气再循环技术,1普通废气再循环电子控制系统,二、废气再循环技术,2可变EGR率的废气再循环控制系统 可变EGR率的废气再循环控制系统主要由EGR控制阀、VCM真空控制阀、ECU及各种传感器等组成，如图5-11所示。,二、废气再循

25、环技术,图5-11 可变EGR率的废气再循环控制系统1-EGR控制阀；2-VCM真空控制阀；3-ECU；4-传感器输入信号；5-节气门位置传感器；6-EGR管路；7-定压室,2可变EGR率的废气再循环控制系统 EGR控制阀内有一膜片，膜片在弹簧及两侧气压的作用下可上下移动，膜片移动时可带动其下方的锥形阀同时移动，将阀门关闭或打开。当阀门打开时，EGR阀将排气管和进气管连通，有废气从排气管中流入。此外，EGR控制阀阀门的开启高度由VCM真空控制阀控制。ECU通过控制VCM真空电磁阀相对通电时间，控制EGR阀膜片室的真空度，进而改变EGR阀的开启开度，以此调节EGR率。占空比越大，电磁线圈通电相对

26、时间越长，膜片室的真空度越小，EGR阀开启高度越小，进入汽缸中的废气越少，EGR率越低。因此，ECU只要控制施加在VCM阀电磁线圈上脉冲电压的占空比，即可实现对EGR率的控制。,二、废气再循环技术,3闭环控制式废气再循环 上述两种型式的废气再循环控制系统均属开环控制，EGR率只能预先设定，不能检测发动机各种工况下实际的EGR率。目前，在更为先进的EGR控制系统中广泛采用了闭环反馈控制式废气再循环系统，控制系统以EGR率或EGR阀的开度作为反馈信号，进行闭环控制。（1）用EGR阀开度作为反馈信号。与普通电子控制式EGR系统相比，其在EGR阀上增加了一个用于检测其开启高度的EGR位置传感器，如图5

27、-12所示。电位计式的EGR位置传感器可将EGR阀开启高度转换为相应的电压信号，并反馈给ECU。ECU根据反馈信号控制真空电磁阀的动作，进而调节EGR阀膜片室的真空度，以此改变EGR率。,二、废气再循环技术,3闭环控制式废气再循环（1）用EGR阀开度作为反馈信号。,二、废气再循环技术,图5-12 用EGR阀开度作为反馈信号的闭环控制系统,3闭环控制式废气再循环（2）用EGR率作为反馈信号。其直接用EGR率作为反馈信号的废气再循环闭环控制系统，如图5-13所示。EGR率传感器安装于稳压箱（进气总管）上，可利用测量混合气中的氧气浓度来检测混合气的EGR率，并将其检测信号反馈给ECU，ECU依据此信

28、号发出控制指令，不断调整EGR阀的开启高度，以此控制混合气中的EGR率，使其始终保持在最佳状态，从而有效地减少NOx的排放量。,二、废气再循环技术,图5-13 用EGR率作为反馈信号的闭环控制系统,4.EGR率对汽油机净化与性能的影响 EGR率对NOx排放和发动机油耗的影响如图5-14和图5-15所示。随着EGR率的增大，有利于降低NOx排放。但随着EGR率的增大，发动机油耗也将增加。,二、废气再循环技术,图5-14 EGR率对NOx排放的影响,图5-15 EGR率对发动机油耗的影响,4.EGR率对汽油机净化与性能的影响 EGR率对汽油机净化与性能的影响如图5-16所示，当EGR率超过15%2

29、0%时，发动机的动力性和经济性开始恶化，未燃烃类排放浓度也因EGR率加大而上升，此时对进一步降低NOx排放的作用不大。因此，通常将EGR率控制在10%20%范围内。,二、废气再循环技术,图5-16 EGR率对汽油机净化与性能的影响,三元催化转化器安装在发动机排气总管后面，当催化转化器达到起燃温度后，排放气体通过三元催化转化器时，在贵金属催化剂的作用下，发生氧化和还原反应，将排放中的有害气体转化为无害气体，可同时降低排放中未燃的CO、THC和NOx，如图5-17所示。当汽油机空燃比接近理论空燃比时，三元催化转化器的转化效率最高。汽油机电控燃油喷射系统采用氧传感器进行闭环控制，实现发动机各种工况下

30、空燃比的精确控制。,三、氧传感器与三元催化转化器的闭环控制,图5-17 氧传感器与三元催化转化器闭环控制的净化效果,冷起动及暖机阶段，油气混合不良，需要适当过量供油，将产生大量未燃烃类化合物进入排气管中的催化转化器。此时发动机未能工作在理论空燃比附近，催化剂正处于低温状态，远未达到起燃温度（250300），为减小汽油喷射发动机冷起动和暖机阶段排放，要对空燃比进行精确标定，不要过量供给燃油。冷起动阶段，以能顺利起动为原则，对不同温度下的起动初始空燃比进行合理标定；暖机阶段，不要提供太浓的混合气，因为起燃温度偏高的催化转化器尚未工作；另外，稀混合气使排气湿度较高，配合推迟点火，有利于催化转化器迅速

31、升温，尽快达到起燃温度。由于稀混合气使暖机怠速不稳定，需要适当提高暖机转速。如图5-18所示，当空燃比标定较浓时，从发动机起动到冷却液温度达到65需要11min，且CO排放高；当空燃比标定较稀时，暖机时间缩短为7min，CO排放迅速减少。,三、氧传感器与三元催化转化器的闭环控制,三、氧传感器与三元催化转化器的闭环控制,发动机多气门即每个汽缸的气门数目超过两个。其构成包括两进和一排的三气门式、两进和两排的四气门式、三进和两排的五气门式，其中四气门式最普遍，如图5-19所示，欧宝V6、奔驰320E、富士EJ20等发动机采用四气门技术。发动机多气门技术，能保证有较大的换气流通面积，减少泵气损失，提高

32、充气效率，且火花塞可布置在燃烧室中央或接近该位置，保证有高质量的燃烧速率。发动机低速运行时，可通过电控系统关闭一个进气道，使汽缸内进气涡流加强，改善燃烧。因此，发动机采用多气门技术，有利于降低排放，提高发动机功率和降低噪声等。,四、多气门技术,四、多气门技术,图5-19 四气门配气定时机构1-进气凸轮轴；2-第一低速凸轮；3-高速凸轮；4-第二低速凸轮；5-第一摇臂；6-中间摇臂；7-第二摇臂；8-空动弹簧；9-进气门；10-排气门；11-液压活塞A；12-液压活塞B；13-排气凸轮；14-限位活塞,在燃料辛烷值允许的前提下，发动机尽可能采用较高的压缩比，以获得较好的功率和油耗，但压缩比过高对

33、排气净化不利。压缩比提高，使燃烧室更扁平，面容比S/V增大，导致未燃烃类化合物增加；压缩比提高，使排气温度下降，未燃烃类化合物的后氧化减弱，使排放变差；高压缩比发动机最高燃烧温度较高，使得NOx增加，热分解产生的CO也增多。现代汽油机采用更高的压缩比，在大部分工况下能正常燃烧，而少数工况发生爆震时，通过爆燃传感器反馈给发动机电控单元，通过适当推迟点火，精确控制点火正时，消除爆燃。英国里卡多公司生产的HR-CC型燃烧系统的燃烧室有较大的挤气面积，能产生较强的紊流，火花塞电极伸到燃烧室中，使火焰传播距离缩短，压缩比由9提高到13，很大程度地减少了缸内废气，CO和NOx排放可分别降低50%和80%。

34、,五、高压缩比燃烧系统,第三节,活塞连杆组故障诊断与修复,汽油机机外净化技术,机内净化技术以改善发动机燃烧过程为主，但其效果有限，且不同的净化程度对汽车动力性和经济性产生负面影响。随着排放要求的日趋严格，改善发动机工作过程的难度越来越大，为此世界各国都先后开发各种机外净化技术，如排气后处理技术，在几乎不影响发动机其他性能的同时，在排气系统中安装净化装置，主要有三元催化转化器、热反应器和二次空气喷射系统等；采用非排气污染物处理技术，主要指燃油蒸发控制装置和曲轴箱强制通风装置。,发动机排放中的CO、THC和NOx在温度高于1000时，可以很容易地变成无害气体，但排气系统很难维持如此高的温度。三元催

35、化转化器采用铂（Pt）、钯（Pd）或铑（Rh）等贵金属的催化剂，可在不改变自身的情况下加快排气中的化学反应速率，在较低的温度（30900）下将上述排放物转化为无害物质。当汽油机空燃比接近理论空燃比时，三元催化转化器的转化效率最高。汽油机电控燃油喷射系统采用氧传感器进行闭环控制，实现发动机各种工况下空燃比的精确控制。,一、三元催化技术,1三元催化转化器的类型（1）氧化型转化器。氧化型转化器中的贵金属是Pt和Pd，可将CO和THC氧化成CO2和H2O。对于仅有氧化型转化器的车辆，为了降低NOx排放，需要用EGR阀。为使氧化型转化器很好工作，需要提供空燃比为16左右的稀混合气。某些车型，采用二次空气

36、泵将空气泵入氧化型转化器，确保其良好工作。（2）三元催化转化器。三元催化转化器中的贵金属是Pt和Rh，Pd也用于某些三元催化转化器。为使三元催化转化器正常工作，空燃比必须保持理论空燃比（14.7）。三元催化转化器能氧化THC和CO，且还原NOx。（3）双床式转化器。在双床式转化器中第一床含有还原型催化剂，可将NOx还原成N2，THC和N2合成氨（NH3）。氧化床位于转化器的后面，二次空气泵将空气泵入转化器两床之间，CO和THC被氧化，同时NH3被烧掉。在某些卡车中，二次空气泵将空气泵入转化器之前，双床式转化器需要稍浓的混合气。,一、三元催化技术,2三元催化转化器的结构原理 三元催化转化器通过发

37、动机的改进或EGR还没有清除掉的有害成分（THC、CO、NOx），在发动机排气系统中进行氧化还原反应，生成H2O、CO2和N2，实现对废气的净化。三元催化转化器的结构及原理如图5-20所示。,一、三元催化技术,图5-20 三元催化转化器的结构及原理,2三元催化转化器的结构原理 稀混合气燃烧后的排气中未参加燃烧反应的氧气量较多，在氧化催化作用下，THC和CO生成CO2和H2O，而NOx并不被还原而随之排出；浓混合气燃烧后的排气中几乎没有氧气，THC和CO处于过剩状态。NOx在还原催化作用下，与过剩的THC、CO还原生成H2O和N2，剩余的THC、CO被排出。在理论空燃比范围内，三元催化和还原的能

38、力很强，能高效率地进行THC、CO的氧化和NOx的还原，使三种排放污染物被同时净化。因此，有必要使可燃混合气的空燃比控制在非常狭小的高效净化区域内，并在燃烧后再把排气引到催化器中进行净化。,一、三元催化技术,2三元催化转化器的结构原理 三元催化转化器加装在发动机排气总管后面，如图5-21所示。其中的三元催化剂是Pt和Ph的混合物，Pt能促使排气中的有害成分CO、THC氧化成CO2和H2O，Ph能加速有害气体NOx还原成N2和O2，从而起到净化排气的作用，催化剂的表面活性作用是利用排气本身的热量激发的，其使用温度范围以活化开始温度为下限，以过热引起催化转换器故障的极限温度为上限。一般排气中有害成

39、分开始转化温度需超过250，发动机起动预热5min后，才能达到此下限温度。一旦活化开始，催化床便因反应放热而自动地保持高温。保持催化转换器高净化率、高使用寿命的理想运行条件的使用温度为400800，使用温度的上限为1000。当超过此温度后，催化剂过热会加速老化，以至于完全丧失催化功能。另外，催化转换器也经常因排气中铅化物、碳烟、焦油等导致损坏。,一、三元催化技术,2三元催化转化器的结构原理,一、三元催化技术,图5-21 三元催化转化器1-载体（含催化剂）；2-垫层；3-氧传感器；4-壳体,3.三元催化转化器的匹配 三元催化转化器与发动机以及汽车应实现优化匹配，即为三元催化转化器提供合适的工作条

40、件。匹配主要包括与发动机特性的匹配、与电控燃油喷射系统的匹配、与排气系统的匹配、与燃料及润滑油的匹配、与整车设计的匹配。（1）三元催化转化器与电控燃油喷射系统的匹配。冷起动工况。保证发动机运转平稳为前提，采用较小的空燃比、较小的点火提前角和较高的暖机转速，以产生较高的排气温度，使三元催化转化器尽快起燃。怠速工况。确保三元催化转化器转化效率，将空燃比控制在理论空燃比附近，采用较小的点火提前角和较高的怠速转速，保证排气温度高于催化器的起燃温度。中小负荷工况。为实现空燃比波动控制，要进行氧传感器电压修正和空燃比波动频率、幅值调节。,一、三元催化技术,3.三元催化转化器的匹配（1）三元催化转化器与电控

41、燃油喷射系统的匹配。大负荷工况。加浓空燃比，降低排气温度，防止催化转化器过热。加减速等过渡工况。对加速变浓、减速变稀和减速断油等工况进行标定，兼顾良好的过渡性能和排放性能。尤其在减速过程中，要严格控制失火现象，以免未燃混合气在催化器中的燃烧引起催化器过热。,一、三元催化技术,3.三元催化转化器的匹配（2）三元催化转化器与排气系统的匹配。排气系统通过压力波对排气干扰而影响发动机性能，其影响程度随排气管长度而变化。催化转化器的安装位置会显著影响排气系统的波动效应，采用催化转化器时必须对发动机排气系统进行重新设计，合理确定排气总管、排气歧管的尺寸和配气相位。如图5-22所示，排气总管长度发生变化，不

42、同转速时的最大转矩有明显变化，如转速为3000r/min时，最大转矩在140160Nm范围内变化，有13%的影响。另外，安装位置对发动机的燃油经济性和排气噪声也会产生影响。,一、三元催化技术,3.三元催化转化器的匹配（2）三元催化转化器与排气系统的匹配。,一、三元催化技术,3.三元催化转化器的匹配（3）催化转化器与燃料和润滑油的匹配。对于油品有害成分含量（铅、硫、磷等）尚未实行控制的地区，应选用抗中毒劣化性好的催化剂。另外，催化转化器与排放法规之间也应有合理的对应关系，以仅满足CO和THC为控制目标的排放法规，可选用氧化型催化器；为满足带有城郊高速行驶工况的排放测试程序，应选用变速特性好的催化

43、器。催化转化器性能越好，催化剂贵金属含量越高，成本越高。催化转化器性能的优化应以恰好满足当时的排放法规为准。,一、三元催化技术,二次空气喷射系统又称为空气管理系统，采用此系统可进一步降低排放，提高催化剂的转化率。二次空气喷射系统将一定量的空气引入排气管中，使废气中的CO和THC进一步燃烧，以减少CO和THC的排放。二次空气又分为上游气流及下游气流。上游气流进入排气总管，下游气流流入转换器中的空气室中，如图5-23所示。ECU控制空气进入排气总管及转换器中的时间。,二、二次空气喷射系统,图5-23 空气管理系统,二次空气供给有两种方法，即有空气泵的空气喷射系统（称空气泵系统）和利用排气压力将空气

44、导入的装置（称脉冲空气系统）。脉冲空气系统与空气泵系统相比，不需动力源注入空气，成本低及功耗小，其工作原理如图5-24所示。空气来自空气滤清器，由ECU控制电磁阀的开、闭。电磁阀与检查阀相连，检查阀为止回阀。由于排气中压力是正负交替的脉冲压力波，当排气压力为负时，空气进入排气口，压力为正时，检查阀关闭，空气不能返回。其上、下游空气道各有1个电磁阀和1个单向阀，其中电磁阀由ECU控制。,二、二次空气喷射系统,图5-24 脉冲空气系统原理,1.热反应器的功能 热反应器直接连接在汽缸盖上，促使排气中的CO和THC进一步氧化，如图5-25所示。除具有促进热的排气和喷入排气口的二次空气（在浓混气工况时）

45、的混合外，还具有消除排气在成分和温度上的不均匀性，使气体保持高温，并增加CO、THC在高温中的滞留时间。,三、热反应器,图5-25 热反应器结构,2.CO和THC的氧化条件 当无催化剂时，氧化THC时需要的温度约600，需要的反应停留时间约50ms；氧化CO时需要的温度高达700。汽油机排气温度：怠速时为300400，全负荷时为900，中等负荷时为400600。发动机大部分工况下的排气温度，很难达到THC和CO氧化时所要求的600700 高温。,三、热反应器,3.热反应器的结构特点 热反应器主要由保温装置、混合装置和二次空气装置组成。热反应器两端采用隔热材料保温，径向采用多层壁面和防热辐射材料

46、。采用防辐射壁面防止辐射放热和采用绝热材料（如石棉等）隔热等，利用排气管内排气压力脉动及压差（利用气泵或压缩空气）供给二次空气。,三、热反应器,4.热反应器的净化效果 三菱汽车的缸内直喷汽油机采用了热反应器式排气管，以增加排气在排气管中的滞留时间，使其与空气发生氧化反应，并使膨胀行程后期的二段燃烧在排气管中继续进行，缩短催化剂启燃时间。无热反应器式排气管的发动机启动后达到催化剂工作温度（250）需要100s以上，采用二段燃烧后，达到该温度的时间缩短了50%，如图5-26所示。,三、热反应器,图5-26 热反应器在降低THC排放中的效果,为防止油箱向大气中排放汽油蒸气而产生污染，现代汽车普遍采用

47、了由ECU控制的燃油蒸发排放控制系统（EVAP），如图5-27所示。,四、燃油蒸发排放控制技术,图5-27 燃油蒸发排放控制系统,油箱中的汽油蒸气通过单向阀进入炭罐上部，空气从炭罐下部进入清洗活性炭。发动机工作时，ECU根据发动机的转速、空气流量、温度等信号，控制活性炭罐电磁阀的动作来控制排放控制阀上部的真空度，从而控制排放阀的开闭动作。当排放控制阀打开时，汽油蒸气通过阀中的定量排放小孔吸入进气歧管，然后进入汽缸被烧掉。某些车型中的EVAP有利于发动机抑制爆燃，当ECU判断出发动机产生爆燃时，即刻使炭罐电磁阀关闭，切断真空，关闭排放控制阀，直至爆燃消失后且超过150ms时，ECU才使炭罐电磁阀

48、恢复工作。,四、燃油蒸发排放控制技术,曲轴箱污染物净化装置利用进气系统的真空，将从燃烧室漏入曲轴箱的未燃烃类化合物吸出曲轴箱，使其重新进入燃烧室燃烧。曲轴箱污染物净化装置通常称为曲轴箱通风系统，如图5-28所示，系统采用密封式加油口盖，加注机油口盖不通大气。,五、曲轴箱污染物净化技术,图5-28 曲轴箱通风系统,如图5-29所示，PCV阀由壳体、阀体和回位弹簧组成，进入进气歧管气体流量的多少由阀体的位移控制，发动机工况不同，PCV阀的阀体所处位置不同。发动机部分负荷正常工况时，曲轴箱内的所有窜缸气体通过PCV阀进入进气歧管。在怠速或低速时，进气歧管中相对真空度较高，阀体移动使气体流量较小，即真

49、空吸力与弹簧力平衡，阀体处的位置只允许少量曲轴箱混合气通过。当发动机转速或负荷加大时，节气门开度增大，进气管真空度下降，吸力减小，阀体在弹簧作用下移到新的平衡位置，允许较多的气体通过。当发动机全负荷工作时，PCV阀的弹簧使阀门开启到最大流量状态。当窜缸气体量大于阀门的流通动力时，曲轴箱中过量的窜气量将通过空气滤清器连接管进入空气滤清器，进入汽缸再次燃烧。,五、曲轴箱污染物净化技术,当发动机回火时，PCV阀还可起保护作用。回火时进气歧管中的压力骤增，迫使PCV阀中的阀体移动顶住进气口，关闭全部通道，避免回火火焰通过PCV阀和连接软管进入曲轴箱，点燃窜缸气体。,五、曲轴箱污染物净化技术,图5-29

50、 PVC阀工作原理,第四节,活塞连杆组故障诊断与修复,柴油机机内净化技术,1.柴油机的燃烧过程 柴油机燃烧过程分着火延迟期（滞燃期）、速燃期、缓燃期和后燃期4阶段，如图5-30所示。,一、柴油机机内净化措施,图5-30 柴油机燃烧过程、喷油特性、放热规律,1.柴油机的燃烧过程（1）着火延迟期。从燃油开始喷入燃烧室内（A点），至由于开始燃烧而引起压力升高，使压力线明显脱离压缩线开始急剧上升的点（B点）。包括燃油的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理变化，以及重分子的裂化、燃油的低温氧化等化学变化，到混合气浓度和温度比较合适、氧化充分的一处或几处同时着火。着火延迟期越短，柴油机的动力性、经济性和