第06章 進排氣系統(tǒng)及排氣凈化裝置

第六章

進排氣系統(tǒng)及凈化裝置第一節(jié)進氣系統(tǒng)進氣系統(tǒng)的功用：盡可能多、盡可能均勻地向各缸供給可燃混合氣或純空氣；進氣系統(tǒng)組成：由空氣濾清器和進氣歧管組成；化油器及進氣道噴射汽油機：空氣經(jīng)空氣濾清器過濾后，進入化油器，在化油器內(nèi)與汽油形成可燃混和氣，進入進氣歧管，然后經(jīng)進氣門進入氣缸；柴油機：空氣經(jīng)空氣濾清器過濾后，進入進氣歧管，經(jīng)進氣門進入氣缸；直接噴射式汽油機：空氣經(jīng)空氣濾清器過濾后，流過空氣流量計，由進氣道進入進氣歧管，與噴油嘴噴出的汽油混合形成可燃混和氣，經(jīng)進氣門進入汽缸；排氣系統(tǒng)的功用：盡可能多的把燃燒后的廢氣排出氣缸。1.空氣濾清器2.排氣歧管3.進氣軟管4.進氣歧管5.排氣管6.三元催化轉(zhuǎn)換器7.中間消聲器8.主消聲器轎車發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的布局一)空氣濾清器的功用燃油燃燒需要大量的空氣。以普通轎車為例，每消耗1L汽油需要消耗5000～10000L空氣。大量的空氣進入氣缸，若不將其中的雜質(zhì)或灰塵濾除，必然加速氣缸的磨損，縮短發(fā)動機使用壽命。實踐證明，發(fā)動機不安裝空氣濾清器，其壽命將縮短2/3。空氣濾清器的功用主要是濾除空氣中的雜質(zhì)或灰塵，讓潔凈的空氣進入氣缸。另外，空氣濾清器也有降低進氣噪聲的作用。一、空氣濾清器二)空氣濾清器結(jié)構(gòu)一般由進氣導流管、空氣濾清器蓋、空氣濾清器外殼和濾芯等組成。空氣濾清器有多種結(jié)構(gòu)形式：1.油浴式空氣濾清器2.紙濾芯空氣濾清器3.離心式及復合式空氣濾清器空氣濾清器（空氣格）空氣濾清器功用：①濾除空氣中的雜質(zhì)或灰塵，讓潔凈的空氣進入氣缸；②降低進氣噪聲的作用。在轎車上，為了增強發(fā)動機的諧振進氣效果，空氣濾清器進氣導流管需要有較大的容積。但是導流管不能太粗，以保證空氣在導流管內(nèi)有一定的流速，因此，進氣導流管只能做得很長。三)空氣濾清器進氣導流管較長的進氣導流管有利于實現(xiàn)從車外吸氣。因為車外空氣溫度一般比發(fā)動機罩下的溫度低30℃左右，所以從車外吸入的空氣密度可增大近10%，燃油消耗率可降低3%。對于化油器式或節(jié)氣門體汽油噴射式發(fā)動機，進氣歧管指的是化油器或節(jié)氣門體之后到氣缸蓋進氣道之前的進氣管路。它的功用是將空氣、燃油混合氣由化油器或節(jié)氣門體分配到各缸進氣道。二、進氣歧管1．進氣歧管結(jié)構(gòu)對于氣道燃油噴射式發(fā)動機或柴油機，進氣歧管只是將潔凈的空氣分配到各缸進氣道。進氣歧管必須將空氣-燃油混合氣或潔凈空氣盡可能均勻地分配到各個氣缸，為此進氣歧管內(nèi)氣體流道的長度應盡可能相等。為了減小氣體流動阻力，提高進氣能力，進氣歧管的內(nèi)壁應該光滑。由于進氣過程具有間歇性和周期性，致使進氣歧管內(nèi)產(chǎn)生一定幅度的壓力波。此壓力波以當?shù)芈曀僭谶M氣系統(tǒng)內(nèi)傳播和往復反射。的壓力波，使進氣歧管的壓力增高，從而增加進氣量。這種效應稱作進氣波動效應。諧振進氣系統(tǒng)的優(yōu)點是沒有運動件，工作可靠，成本低。但只能增加特定轉(zhuǎn)速下的進氣量和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。如果利用一定長度和直徑的進氣歧管與一定容積的諧振室組成諧振進氣系統(tǒng)，并使其固有頻率與氣門的進氣周期調(diào)諧，那么在特定的轉(zhuǎn)速下，就會在進氣門關閉之前，在進氣歧管內(nèi)產(chǎn)生大幅度2．諧振進氣系統(tǒng)為了充分利用進氣波動效應和盡量縮小發(fā)動機在高、低速運轉(zhuǎn)時進氣速度的差別，特別是改善中、低速和中、小負荷時的經(jīng)濟性和動力性的目的，要求發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速、大負荷時裝備粗短的進氣歧管；而在中、低轉(zhuǎn)速和中、小負荷時配用細長的進氣歧管?？勺冞M氣歧管就是為適應這種要求而設計的。可變進氣歧管在所有轉(zhuǎn)速下都可以使發(fā)動機轉(zhuǎn)矩平均提高5%。雙通道可變進氣歧管可變長度進氣歧管3．可變進氣歧管第二節(jié)排氣系統(tǒng)直列發(fā)動機在排氣行程期間，氣缸中的廢氣經(jīng)排氣門進入排氣歧管，再由排氣歧管進入排氣管、催化轉(zhuǎn)換器和消聲器，最后由排氣尾管排到大氣中。這種排氣系統(tǒng)稱作單排氣系統(tǒng)。一、單排氣系統(tǒng)及雙排氣系統(tǒng)V型發(fā)動機有兩個排氣歧管，在大多數(shù)裝配V型發(fā)動機的汽車上仍采用單排氣系統(tǒng)，即通過一個叉形管將兩個排氣歧管連接到一個排氣管上。來自兩個排氣歧管的廢氣經(jīng)同一個排氣管、同一個消聲器和同一個排氣尾管排出。但有些V型發(fā)動機采用兩個單排氣系統(tǒng)，即每個排氣歧管各自都連接一個排氣管、催化轉(zhuǎn)換器、消聲器和排氣尾管。這種布置形式稱作雙排氣系統(tǒng)。雙排氣系統(tǒng)降低了排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力，使發(fā)動機排氣更為順暢，氣缸中殘余的廢氣較少，因而可以充入更多的空氣燃油混合氣或潔凈的空氣，發(fā)動機的功率和轉(zhuǎn)矩都相應地有所提高。二、排氣歧管一般排氣歧管由鑄鐵或球墨鑄鐵制造，近些年來采用不銹鋼排氣歧管的汽車愈來愈多，其原因是不銹鋼排氣歧管質(zhì)量輕，耐久性好，同時內(nèi)壁光滑，排氣阻力小。排氣歧管的形狀十分重要。為了不使各缸排氣相互干擾及不出現(xiàn)排氣倒流現(xiàn)象，并盡可能地利用慣性排氣，應該將排氣歧管做得盡可能的長，而且各缸支管應該相互獨立、長度相等。發(fā)動機的排氣壓力為0.3-0.5MPa，溫度在500～700℃，這表明排氣有一定的能量。同時，由于排氣的間歇性，在排氣管內(nèi)引起排氣壓力的脈動。若將發(fā)動機排氣直接排放到大氣中，將產(chǎn)生強烈的、頻譜比較復雜的噪聲，其頻率從幾十赫到一萬赫以上。排氣消聲器的功用是降低排氣噪聲。消聲器通過逐漸降低排氣壓力和衰減排氣壓力的脈動，使排氣能量耗散殆盡。三、消聲器消聲器基本結(jié)構(gòu)形式隨著汽車保有量的與日俱增，汽車排氣對人類健康的危害及對環(huán)境的污染也日甚一日；世界各國都制定了相應的法規(guī)和標準，以期把汽車有害排放物控制在較低的水平；為了滿足排放標準，必須對發(fā)動機排氣進行凈化。第三節(jié)排氣凈化裝置發(fā)動機有害的污染物排放主要有尾氣排放物、燃油系統(tǒng)蒸發(fā)物和噪聲。汽油機排放物主要是：一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOｘ)；柴油機排放物主要是：除一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOｘ)外，還有微粒（PM）和煙度。這些尾氣排放物的生成直接與發(fā)動機的燃燒過程有關。發(fā)動機的有害排放物發(fā)動機排放的污染物主要有：一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOｘ)和微粒碳煙對人的呼吸系統(tǒng)有害，所含多環(huán)芳香烴物質(zhì)SOF有致癌作用。燃燒不完全排出的浮游碳離子，有時也含有液態(tài)的油霧。主要指柴油機排氣中的碳煙。微粒排放（PM）對人的鼻、眼、口腔、呼吸道有刺激作用（與水分結(jié)合生成可溶性硝酸）；NOｘ主要是指NO和NO２。燃燒室內(nèi)高溫富氧環(huán)境中的產(chǎn)物。（要降低氧濃度，降低燃燒溫度）氮氧化合物(NOx)在陽光照射下產(chǎn)生臭氧O3等強氧化物質(zhì)，形成光化學污染。含致癌物。未燃或未完全燃燒的燃油和潤滑油蒸汽（油箱、化油器逸出的油蒸汽，曲軸箱通風氣體）碳氫化合物(HC)人吸入后將降低血液吸收和運送氧氣的能力，引起中毒甚至死亡。燃料的不完全燃燒產(chǎn)物及局部高溫的熱分解產(chǎn)物。無色無臭無氣味。（要氧氣充足、控制高溫）一氧化碳(CO)危害產(chǎn)生原因污染物燃燒后產(chǎn)生的大量CO2雖然不會對環(huán)境造成直接污染，但其大量積聚會對地球環(huán)境造成不良影響，它導致的溫室效應、臭氧層的增加，對人類有害。未燃HC和NOx在一定環(huán)境下發(fā)生十分復雜的化學反應，誘發(fā)新的有害物，生成二次有害排放物。如經(jīng)紫外線作用發(fā)生光化學反應形成光化學煙霧，主要成分：臭氧、醛等煙霧狀物質(zhì)。具有強烈氧化性，對人類、環(huán)境危害大。發(fā)動機各部位排出HC的比例：排氣管：55%-65%；曲軸箱通風口漏出20%-25%；化油器和油箱蒸發(fā)15%-20%。二沖程汽油機的HC排放量因有掃氣過程，較四沖程汽油機大許多。中國排放法規(guī)限值排放標準實施日期分類COg/kW.hHCg/kW.hNMHCg/kW.hCH4ag/kW.hNOxg/kW.hPMg/kW.h煙度m-1試驗循環(huán)和說明國Ⅰ2000/2001＜85kW4.51.18.00.612ECER-49＞85kW0.36國Ⅱ2004/20054.01.17.00.15ECER-49國Ⅲ2007.01.01(2008)2.10.665.00.10/0.13c0.8ESC＆ELR5.450.781.65.00.16b0.21b,cETC國Ⅳ2010.01.011.50.463.50.020.5ESC＆ELR4.00.551.13.50.03bETC國Ⅴ2012.01.011.50.462.00.020.5ESC＆ELR4.00.551.12.00.03bETCa-僅適用于天然氣發(fā)動機；b-不適用于在2000年和2005年階段的氣體發(fā)動機；c-適用于每缸排量小于0.75L和標定功率轉(zhuǎn)速高于3000r/min的發(fā)動機。汽車發(fā)動機上應用的主要排放控制技術1.發(fā)動機結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術；2.閉環(huán)電控發(fā)動機管理技術；3.改進油料；4.恒溫進氣系統(tǒng)；5.二次空氣噴射系統(tǒng)；6.催化轉(zhuǎn)換器；7.曲軸箱強制通風（PCV）技術；8.汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)；9.排氣再循環(huán)（EGR）技術。1、恒溫進氣系統(tǒng)（汽油機）空氣溫度太低，汽油將在進氣管內(nèi)壁上凝結(jié)，難以蒸發(fā)霧化。恒溫進氣系統(tǒng)：控制進氣溫度，使之保持在35℃～40℃之間。當發(fā)動機溫度升高后，恒溫進氣系統(tǒng)向發(fā)動機供給未經(jīng)加熱的環(huán)境空氣。多用于化油器式汽油機或節(jié)氣門體噴射式汽油機上。對這類發(fā)動機的進氣歧管應進行適當?shù)募訜嵋源龠M汽油的蒸發(fā)。改善了發(fā)動機低溫運轉(zhuǎn)性能。恒溫進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：設一套空氣加熱與控制系統(tǒng)，利用發(fā)動機排氣或循環(huán)冷卻液進行加熱?？諝鉃V清器兩個進氣口分別接熱空氣管及冷空氣進氣導流管，由控制閥控制兩個進氣管的開閉。1.進氣導流管2.真空控制膜盒3.控制閥

4.進氣溫度傳感器6.熱爐7.冷空氣入口8.排氣歧管

9.熱空氣出口10.熱空氣管原理：低于35℃時—加熱空氣；超過53℃時—進冷空氣；

35℃～40℃時—冷熱空氣

圖中，進氣管真空度作用在真空控制膜盒7上，控制控制閥8開大或關小。過度加熱將減少進入氣缸的混合氣數(shù)量使功率下降進氣道燃油噴射式發(fā)動機的進氣歧管無需加熱?；推魇狡蜋C節(jié)氣門體噴射式汽油機空氣濾清器1—催化轉(zhuǎn)換器2—氧傳感器3—二次空氣控制閥4—二次空氣電磁閥點火開關接通后，蓄電池向二次空氣電磁閥供電，ECU控制電磁閥搭鐵回路。電磁閥不通電時，關閉通向膜片閥真空室的真空通道，膜片閥彈簧推動膜片下移，關閉二次空氣供給通道；ECU給電磁閥通電，進氣管真空度將膜片閥吸起，使二次空氣進入排氣管。

2、二次空氣噴射系統(tǒng)（汽油機）1.功用：在一定工況下，利用空氣泵將新鮮空氣經(jīng)空氣噴管噴入排氣道或催化轉(zhuǎn)換器，使排氣中的CO和HC進一步氧化或燃燒成為二氧化碳(CO２)和水(H２O)。同時加快三元催化轉(zhuǎn)換器的升溫。2.組成及原理二次空氣噴射系統(tǒng)二次空氣噴射系統(tǒng)：利用空氣泵將新鮮空氣經(jīng)空氣噴管噴入排氣道或催化轉(zhuǎn)換器，使排氣中的CO和HC進一步氧化（燃燒）成為二氧化碳(CO２)和水(H２O)。3、催化轉(zhuǎn)化換器（主要為汽油機）氧化催化轉(zhuǎn)換器只將排氣中的CO和HC氧化（燃燒）為CO２和H２O，因此這種催化轉(zhuǎn)換器也稱做二元催化轉(zhuǎn)換器。必須向氧化催化轉(zhuǎn)換器供給二次空氣作為氧化劑，才能使其有效地工作。催化轉(zhuǎn)換器是利用催化劑的作用將排氣中的CO、HC和NOx轉(zhuǎn)換為對人體無害的氣體的一種排氣凈化裝置。金屬鉑、鈀或銠均可作催化劑。在化學反應過程中，催化劑只促進反應的進行，不是反應物的一部分。催化轉(zhuǎn)換器有氧化催化轉(zhuǎn)換器和三元催化轉(zhuǎn)換器。1）氧化催化轉(zhuǎn)換器三元催化轉(zhuǎn)換器可同時減少CO、HC和NOX的排放，它以排氣中的CO和HC作為還原劑，把NOX還原為氮(N２)和氧(O２)，而CO和HC在還原反應中被氧化（燃燒）為CO２和H２O。排氣經(jīng)過三元催化轉(zhuǎn)換器之后，部分未被氧化的CO和HC繼續(xù)在氧化催化轉(zhuǎn)換器中與供入的二次空氣進行氧化反應。2）三元催化轉(zhuǎn)換器（TWC）一個縮小的廢氣催化反應罐（1）催化轉(zhuǎn)換器不能使用含鉛汽油（會使催化劑失效）；（添加四乙基鉛的汽油稱為含鉛汽油。1970年開始，為了提高汽油的抗爆性能而添加四乙基鉛。四乙基鉛是一種無色油狀、易溶于汽油的劇毒物質(zhì)。含鉛汽油對人類健康產(chǎn)生很大危害?，F(xiàn)在汽油中不加含鉛的添加劑，而添加一種稱為甲基叔丁基醚（MTBE）的含氧化合物作為高辛烷值組分，提高抗爆性能。）（2）催化轉(zhuǎn)換器僅在溫度超過350C才起作用，因此，催化轉(zhuǎn)換器都安裝在溫度較高的排氣歧管之后附近；（3）混合氣空燃比在14.7附近效果最佳?；旌蠚膺^濃或氣缸缺火，都會使轉(zhuǎn)換器過熱。三元催化轉(zhuǎn)換器氧傳感器孔影響三元催化轉(zhuǎn)換器(TWC)轉(zhuǎn)換效率的因素影響最大的是混合氣的濃度和排氣溫度。如圖所示，只有在理論空燃比14.7附近，三元催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率最佳。一般都裝有氧傳感器檢測廢氣中的氧的濃度，氧傳感器信號輸送給ECU，用來對空燃比進行反饋控制。此外，發(fā)動機的排氣溫度過高（815℃以上），TWC轉(zhuǎn)換效率將明顯下降。微粒（PM）是柴油機排放的突出問題。對車用柴油機排氣微粒的處理，主要采用過濾法。4、微粒過濾器（柴油機）過濾器工作一段時間后，需及時清除積存在濾芯上的微粒，以恢復過濾器的工作能力和減小排氣阻力。通常，在過濾器入口處設置一個燃燒器，通過噴油器向燃燒器內(nèi)噴入少量燃油，并供入二次空氣，利用火花塞或電熱塞將其點燃，將滯留在濾芯上的微粒燒掉。微粒過濾器的濾芯由多孔陶瓷制造，它有較高的過濾效率。排氣穿過多孔陶瓷濾芯進入排氣管，而微粒則滯留在濾芯上。排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)把發(fā)動機排出的部分廢氣回送到進氣歧管，并與新鮮混合氣一起再次進入氣缸。由于廢氣中含有大量的CO2，而CO2不能燃燒卻吸收大量的熱，使氣缸中混合氣的燃燒溫度降低，從而減少了NOx的生成量。排氣再循環(huán)是凈化排氣中NOx的主要方法。5、排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)（汽油機、柴油機）1．真空直接控制EGR閥2．正背壓EGR閥3．電子控制EGR閥EGR閥類型：NOx的生成量隨發(fā)動機負荷的增大而增多，因此，再循環(huán)的廢氣量也應隨負荷而增加。在暖機期間或怠速時，NOx生成量不多，為了保持發(fā)動機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，不進行排氣再循環(huán)。在全負荷或高轉(zhuǎn)速下工作時，為了使發(fā)動機有足夠的動力性，也不進行排氣再循環(huán)。（因為再循環(huán)的廢氣使混合氣的熱值降低，使有效功率下降。）EGR閥安裝在廢氣再循環(huán)通道中，用以控制廢氣再循環(huán)量。EGR電磁閥安裝在通向EGR真空通道中（發(fā)動機進氣道為負壓，而排氣道為正壓）。ECU根據(jù)發(fā)動機冷卻液溫度、節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速和起動等信號來控制電磁閥的通電或斷電。1.廢氣再循環(huán)電磁閥2.節(jié)氣門3.廢氣再循環(huán)閥4.水溫傳感器

5.曲軸位置傳感器6.ECU7.啟動信號ECU不給EGR電磁閥通電時，控制EGR閥的真空通道接通，EGR閥開啟，進行廢氣再循環(huán)；

ECU給EGR電磁閥通電時，控制EGR閥的真空度通道被切斷，EGR閥關閉，停止廢氣在循環(huán)。發(fā)動機工作時，會有部分可燃混合氣和燃燒產(chǎn)物經(jīng)活塞環(huán)由氣缸竄入曲軸箱內(nèi)；發(fā)動機在低溫下運行時，還可能有液態(tài)燃油漏入曲軸箱。這些物質(zhì)如不及時清除，將加速機油變質(zhì)并使機件受到腐蝕或銹蝕。又因為竄入曲軸箱內(nèi)的氣體中含有HC及其他污染物，所以不允許把這種氣體排放到大氣中。6、強制式曲軸箱通風系統(tǒng)(PCV)（汽油機、柴油機）現(xiàn)代汽車發(fā)動機所采用的強制式曲軸箱通風系統(tǒng)(PCV)就是防止曲軸箱氣體排放到大氣中的凈化裝置。PCV閥控制元件PCV閥的作用：根據(jù)發(fā)動機工況的變化自動調(diào)節(jié)進入氣缸的曲軸箱氣體的數(shù)量。不工作時怠速負荷工況在負荷工況大負荷工況不同工況條件下，進氣管真空度大小不同，PVC閥開度就不一樣若氣缸的密封性能良好，PCV系統(tǒng)應該使曲軸箱內(nèi)的壓力略低于大氣壓力（才能形成強制通風的作用）。功用：收集汽油箱內(nèi)蒸發(fā)的汽油蒸氣，并將汽油蒸氣導入汽缸參加燃燒，同時，根據(jù)發(fā)動機不同工況要求，控制導入汽缸參加燃燒的汽油蒸氣量。1.油箱蓋2.油箱3.單向閥4.排氣管5.電磁閥6.節(jié)氣門

7.進氣管8.真空閥9.真空控制閥10.定量排放孔11.活性炭罐

7、汽油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（汽油機）組成：活性炭罐、電磁閥、真空控制閥、蒸氣管路、真空管路等。