【2017年整理】汽油机排放控制系统的分析

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1、汽 油 机 排 放 控 制 系 统 的 分 析一 、 装 备 OBD的车辆排放系统车载诊断系统（On Board Diagnosis,OBD) 1982年起源于美国。当时美国加利福尼 亚州大气资源局制定了一项法规,要求自 1988年开始所有在加利福尼亚州出售的车辆必 须装备（OBD I ),用以控制排放系统的失效。OBD I比较简单，仅监测氧传感器、EGR 系统、燃油供给系统和发动机控制模块。1991 年欧洲新车要求安装OBD II ,1994年美国 要求汽油车安装 OBD 0 ,1996年以后美国全部汽油车要求安装OBD II。1996 年以后美 国要求柴油车安装 OBD。当车辆排放的 HC

2、、CO 和 NO,或燃油蒸发污染物排放量超 过设定值时，OBD II的故障指示灯（MIL)点亮，提醒驾驶者车辆排放系统存在故障。OBD n可诊断的汽车排放系统的主要故障有:汽车发动机随机缺火时引起的 HC排放量的整 体上升;催化转换器的净化效率下降到设定值之下;燃油系统空气泄漏;EGR 系统故障引 起排放量上升;关键传感器或其他排放控制装置失效等情况。图 5-87为装备 OBD的汽车发动机排放系统，其复杂程度是显而易见的。为了监 控催化器的效率，在位于催化器下游处安装了第二个氧传感器，为确保炭罐的功能，系统 装配了一个罐体开关阀和一个附加的油箱压力传感器,使从油箱的任何泄漏都受到监视。 该系统

3、还对二次空气装置，排气再循环装置 .点火系统等系统进行监测，以确保汽车尾气 始终满足法规。二、本田公司 NZLEV的排放控制技术图 5 -88为典型的排放控制系统之一。该系统由本田公司于 1997年推出，装备该系统 的车辆称为极低排放车辆（Near Zero Low Emissions Vehicle,NZLEV)。系统采取了对污染物 三步控制与净化的排放控制系统。该系统由低温燃烧改善系统、复合式催化器、催化剂早期 激活系统、高效率电加热催化器、超高精度空燃比控制系统等组成。低温燃烧改善主要通过 采用单进气道的高涡流技术和雾化性能优良的喷油器等实现;复合式催化器由吸附型催化 器和三效催化器两部

4、分组成;催化剂的早期激活主要通过紧接排气口的 1200 ?L/in2的紧凑 型 Pd催化器和采用焊接技术的低热容量排气歧管实现;超高精度空燃比控制主要通过 32 位的 ECU和 A/f传感器等实现。NZLEV 极低排放效果的获得主要靠对催化器、发动机燃 烧过程和喷油控制系统三者之间的精密控制和良好匹配，其主要污染物控制措施可以归纳 为:(D#气总管采用了有绝热层的低热惯量金属板冲压而成的排气管和紧接其后安装的 1200 ?L/in2的 Pd型紧凑型催化器;采用了具有 HC吸附功能和三效催化功能的复合式主 催化净化催化器以及电加热催化器（Electridly Heated Catalyst,EH

5、C);采用了高精度的 EFI系统以及空燃比分缸控制技术;采用了电控可变气门相位和升程装置(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System,VTEC)及可以改善冷启动时燃烧过程的燃烧系统。NZLEV 系统从冷启动开始到正常运转，对污染物分成三个 阶段进行控制和净化（图 5-89):第一阶段,用于汽车刚冷启动之后，通过 VTEC 机构关闭两个进气道中的一个，单 进气道进气，在缸内形成强涡流，以改善低温时的燃烧,减少 NM0G 的生成。由于这时排 气温度很低，紧凑型催化器尚未达到启燃温度，未燃 HC 的降低主要靠复合型催化器的吸 附控

6、制。第二阶段，即暖车过程，此时排气温度逐渐升高,复合型催化器吸附的 HC 开始 脱附，最后一级的电加热催化器 EHC 已达到启燃温度, 脱附的 HC 在 EHC 上被催化净 化;由于采取了一些相应的改进措施，紧凑型催化器也很快起燃。第三阶图 5-87 装备 OBD II 的汽车发动机排放系统 1_炭羅；2截止阀；3 空气流量计；4 一节气门开度控制器：5诊断接口 ； 6故瘅显示灯；7净化阀；8空气温度传感器；9 一怠速控制器；10进气歧管传感器：11 一播气再循环阀；12压差传感器；13燃油压力调节器；14 一喷油器；15燃油滤滑器：丨 6油泵；17压力控制器；18点火线圈；19敲缸传感器；2

7、0转速传感器；21相位传感器；22水温传感器；23二次空气泵；24二次空气阀；25_氧传感器；26催化净化器：27车身和底盘修理提示传感器。(b)图 5 -88 本田公司 NZLEV 的发动机及排放控制系统 37(a)MZLEV 的发动机；（b)排放控制系统。低于其他发动机; 另外，由于高效率、启燃快的多级催化器系统的使用，使排放得到了最有 效的净 化。段，即正常运转 阶段,此时，采用空燃比精确控制技术改善缸内燃烧过程,使燃烧过程生成的有害排放物缸内直喷汽油机是近 10 多年来降低汽车污染物排放的主要技 术方向,缸内直喷汽油 机低油耗的优势使其在降低二氧化碳排放方面的效果非常明显。缸内直喷汽油

8、机技术的 发明可以追溯到 1925 年, 但作为产品上市是 19%年之后的事情, 市场最早出现 的产品是 三菱公司 1996 年推出的 1. 8L 直列四缸 4G93 GDI发动机。之后，丰田公司 1998 年 D -4 上市。近年来，各大汽车公司几乎都推出了缸内直喷汽油机。下面将以三菱公司 GD 丨汽 油机为例说明这类汽油机的排放控制技术。1. 三菱缸内直喷汽油机的排气净化系统图 5 -90 为三菱公司 GDI 汽油机采用的排放控制技术示意图。其排气净化技术主 要是两类: 一类是 污染物产生的源头 燃 烧过程相关的控制技术,主要有提前激活催化 剂的二段燃 烧法和高 EGR 率的 EGR 技术

9、; 另一类是后处理技术，主要有热反应器式排气 管、稀混合气条件下的 NOv催化净化器以及三效催化净化器等。2. 燃烧过程污染物的控制技术GDI 汽油机的采用燃 烧过程污染物的控制技术有分层燃烧、二段燃烧和EGR 技 术等。表 5 -12 列出了本田公司对 NZLF.V 的排放试验结果（LA-4 测试循环），NZLEV 的 试验结果表明,汽车在城市行驶时, 排出气体中的 HC 比大气中的含量还低。故单从这个 参数而言，可以 说该汽车不是“ 排出有害物”的交通工具，相反是“空气 净化器” 。另外， 该 车在 10 万 mile 运行后其排放也小于美国ULEV( Ultra Low Emission

10、 Vehicle)限值的 1/10。表 5-12 NZLEV 的排放试验结 果（LA-4 测试循环） 单位:g/mile气 体 ULEV 限 值 ZLEV 测 萤 值CO 1.7 0. 17 以 下NMOG(HC) 0.04 0.004 以 下NO, 0.2 0. 02 以 下三、三菱公司 GDI 汽油机的排放控制技术分层燃烧技术主要用于小负荷时，目的是实现超稀薄燃烧模式。分层燃烧的原理如 35-91 所示。在压缩上止点附近将燃油喷入活塞顶部的曲面上，随着活塞的上行，燃油 兰气混合气形成易于点燃的浓混合气被气流带到火花塞附近着火燃烧，混合气的形成依 靠滚流、燃油喷雾以及壁面蒸发。该系统的主要优

11、点是可以精确控制火花点火时火花塞 澍近空燃比，提高发动机点火的可靠性。二段燃烧的目的是提高怠速时的排气温度，缩短催化剂的起燃时间，以降低冷机时的 HC 排放量。这种燃烧方式在发动机怠速运转时两次喷射燃油，在压缩行程后期和膨胀 行程的后期各喷射一次燃油。第一次喷射的燃油被火花塞点火燃烧，在缸内产生高温气 沐并加 热剩余的大量空气;膨胀行程喷入到燃烧氧化反应还没完全结束的高温气体中后， 在气缸中发生再次燃烧，即二次燃烧。于是,气体温度上升, 排气温度相 应升高。图 5- 92为二段燃烧和常规燃烧方式的排气温度变化过程的比较。通常启动后的排气温度为 2001 左右, 使用二段燃烧技术后可使排气温度上

12、升到 8001 左右，这样便可提前激活催 化剂 ，大大降低冷启动的污 染物排放。图 5_9 丨喷雾变化过程示意图 39 图 5_92 二段燃烧和常规燃烧方式的排气温度的变化过程EGR 技术是 GDI 汽油机降低 N0t 的排放的重要技 术措施。在常规发动机上,EER 率 R过大时,发动机的燃烧恶化, 发动 机的稳定性变差。因此,尺受到限制。由于 GDI 汽油机采用了分层燃烧技术, 局部区域混合气浓度较髙，故可在极高的 R下稳定工作。高 R 对降低 NO，排放的效果非常显著,GDI汽油机对 NO,排放的降低效果如图 5 -93 所示， 与常规汽油机相比.NO,降低幅度非常显著。3.污染物排放的后

13、处理技 术GDI 汽油机的采用 污染物排放的后处理技术有 NO,还原催化器、三效催化器和热反 应器等。前几节对三效催化器和热反应器已进行了详细介绍，故此处仅对 NO,还原催化 器做一简要说明。NO,还原催化器用于稀薄条件下 NC的机外净化。GDI 汽油机的还原催化器 有选择还原型和吸附还原型两种。选择还原型和吸附还原型对燃料中硫含量的敏感性不 同。选择还原型易受汽油中硫的影响。长时间使用后，其净化性能会急速下降，最终会完 全失效。图 5 -94为选择还原型和吸附还原型催化器净化率随车速的变化及其安装位 置。使用硫含量质量分数为 10_4 的汽油行驶 8000km 后的测试结果表明，对使用高含硫

14、 量汽油的地区，宜选用选择还原型催化器; 对使用含硫量 较低汽油的地区 ,则宜使用吸附还原型催化器。翠镗2vi衮：ArcN四、丰田公司 D-4 汽油机的排放控制技术1.丰田 D - 4 汽油机的排放控制装置图 5 -95为丰田公司 D -4汽油机的排放控制系统示意图。丰田公司 D -4汽油机 采用的排放控制技术也可分为源头与后处 理两类。在污染物产生的源头一燃烧过程采 用的控制技 术主要有先进的高 压喷油器、电控 EGR技术、进气涡流控制和结构优化的燃 烧室。后处理技术 主要有吸附还原型催化器以及三效催化净化技术等。2.丰田 D-4 汽油机的技术特点D-4 汽油机的主要结构参数与进气道喷射汽油

15、机的比较见表 5 - 14，进气道和燃 烧 室等的构成如图 5 -96 所示。 D-4汽油机的技术特点可归纳为如下五个方面。图 5 -95 D-4 汽油机排放控制系统示意图 项目 D-4SI(3S-FSE) 进气道喷射型(3S-FE)排量 1998 1998气缸直径 X 冲程 86mm x 86mm 86mm x 86mm气缸数 直列 4 缸 直列 4 缸气门机构 DOHC( Double Overhead Camshaft) D0HC压缩比 10.0 9.5燃烧室 屋顶型+活塞顶深碟型 屋顶型进气道 带有独立的涡流控制阀（SCV)的弯曲气道直气道使用燃料 标准燃料 标准燃料供给燃油压力/MP

16、a 12.0 0. 33燃料供给方式 缸内直喷 进气道喷射(1) 气缸内的涡流强度采用涡流控制阀控制。气道由涡流控制阀、直进气道和用于 产生涡流弯曲 进气道组成，以配合改善燃烧所需的气流要求。(2) 第一代 D-4汽油机采用了渐开线形燃烧室（位于活塞顶部），用以控制混合气 的形成和燃烧 41:。第二代的燃烧室形状 进行了改进，其形状与贝壳相似（图 5 -96)。(3) 第一代 D-4汽油机采用高压旋流喷油器将高压燃料直接喷入燃烧室使燃料易 于充分 雾化。第二代对旋流喷油器进行了改 进，采用具有高压扁平喷雾特性的喷油器, 其 喷雾 形状如图 5-97所示 421。(4) 采用可根据发动机转速和负荷灵活控制气门正时的可变气门正时控制系统。(5) 采用吸附型还原催化器和三效催化器净化排气中的NO、HC 和 C0。3. D-4 汽油机的燃烧模式D-4汽油机的燃烧控制方式随运转条件的变化如表 5-15所列。根据汽油机工况 的不同，汽油机的燃烧在分层燃烧、均质 燃烧