进排气系统及排气净化装置.ppt

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1、第六章 进排气系统及净化装置 第一节 进气系统 进气系统的功用 ：尽可能多、尽可能均匀地向各缸供给可燃 混合气或纯空气； 进气系统组成 ：由空气滤清器和进气歧管组成； 化油器及进气道喷射 汽油机 ：空气经空气滤清器过滤后，进 入化油器，在化油器内与汽油形成可燃混和气，进入进气歧 管，然后经进气门进入气缸； 柴油机 ：空气经空气滤清器过滤后，进入进气歧管，经进气 门进入气缸； 直接喷射式汽油机 ：空气经空气滤清器过滤后，流过空气流 量计，由进气道进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合形 成可燃混和气，经进气门进入汽缸； 排气系统的功用 ：尽可能多的把燃烧后的废气排出气缸。 1.空气滤清器 2.排气

2、歧管 3.进气软管 4.进气歧管 5.排气管 6.三元催化转换器 7.中间消声器 8.主消声器 轿车发动机进排气系统的布局 一 )空气滤清器的功用 燃油燃烧需要大量的空气。以普通轿车为例， 每消耗 1L汽油 需要消耗 5000 10000L空气 。大量的空气进入气缸，若不将 其中的杂质或灰尘滤除，必然加速 气缸的磨损 ，缩短发动机 使用寿命。实践证明，发动机不安装空气滤清器，其寿命将 缩短 2/3。 空气滤清器的功用主要是 滤除空气中的杂质或灰尘， 让洁净的空气进入气缸。 另外，空气滤清器也有降 低进气噪声的作用。 一、 空气滤清器 二 )空气滤清器结构 一般由 进气导流管 、 空气滤清器 盖

3、 、 空气滤清器外壳 和 滤芯 等组 成。 1.油浴式 2.纸滤芯 3.离心式及复合式 空气滤清器 空气滤清器 （ 空气格 ） 空气滤清器功用： 滤除空气中的杂质或灰尘，让洁净的空气进入气缸； 降低进气噪声的作用。 在轿车上，为了增强发动机的 谐振进气效果 ，空气滤清器进 气导流管需要有 较大的容积 。 但是导流管 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很长。 三 )空气滤清器进气导流管 较长的进气导流管有利 于实现从车外吸气。因为 车外空气温度一般比发动 机罩下的 温度低 30 左右 ， 所以从车外吸入的 空气密 度可增大近 10%，燃油消 耗率可降低

4、3%。 对于 化油器式或节气门体汽油喷射式发动机 ，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。 它的功用是将空气、燃油混合气由化油器或节气门体分配到 各缸进气道。 二、 进气歧管 1 进气歧管结构 对于 气道燃油喷射式发动机 或 柴油机 ，进气歧管只是将洁净的 空气分配到各缸进气道。 进气歧管必须将空气 -燃油混合气或洁净空气尽可能均匀地分 配到各个气缸，为此进气歧管内气体流道的长度应尽可能相等。 为了减小气体流动阻力，提高进气能力，进气歧管的内壁应该 光滑。 由于 进气 过程具有 间歇性 和 周期 性 ，致使进气歧管内产生一定幅 度的 压力波 。此压力波以当地声 速在

5、进气系统内传播和往复反射。 的压力波，使进气歧管的压力增高，从而 增加进气量 。这种效 应称作 进气波动效应 。 谐振进气系统的优点是 没有运动件，工作可靠，成本低 。但 只能增加 特定转速下 的进气量和发动机转矩。 如果利用一定长度和直径的进气 歧管与 一定容积的谐振室 组成 谐 振进气系统 ，并使其固有频率与 气门的进气周期调谐，那么在特 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 2 谐振进气系统 为了充分 利用进气波动效应 和尽量缩小发动机在 高、低速运 转时进气速度的差别 ，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

6、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 就是为适应这种要求而设计的。可变进气歧管 在所有转速下都可以使发动机 转矩平均提高 5%。 双通道可变进气歧管 可变长度进气歧管 3 可变进气歧管 第二节 排气系统 直列发动机在排气行程期间，气缸中的废气经排气门进入排 气歧管，再由排气歧管进入排气管、催化转换器和消声器，最 后由排气尾管排到大气中。这种排气系统称作 单排气系统 。 一、 单排气系统及双排气系统 V型发动机 有 两个排气歧管 ， 在大多数装配 V型发动机的汽车 上仍采用单排气系统，即通过 一个叉形管将两个排气歧管连 接到一个排气管上。来自

7、两个 排气歧管的废气经同一个排气 管、同一个消声器和同一个排 气尾管排出。 但有些 V型发动机 采用 两个单排气系统 ，即每个排气歧管各自 都连接一个排气管、催化转换器、消声器和排气尾管。这种布 置形式称作 双排气系统 。 双排气系统降低了排气系统内的压力，使发动机排气更为顺 混合气或洁净的空气，发动机的功率和转矩都相应地有所提高。 二、 排气歧管 一般排气歧管由铸铁或球墨铸铁制造，近些年来采用不锈钢 排气歧管的汽车愈来愈多，其原因是不锈钢排气歧管质量轻， 耐久性好，同时内壁光滑，排气阻力小。 排气歧管的形状十分重要。为了 不使各缸排气相互干扰及不 出现排气倒流现象 ，并尽可能地 利用惯性排气

8、 ，应该将排气 歧管做得 尽可能的长 ，而且 各缸支管应该相互独立、长度相 等。 发动机的排气压力为 0.3-0.5MPa， 温度在 500 700 ，这表明 排气有 一定的能量 。同时，由于 排气的间 歇性 ，在排气管内引起 排气压力的 脉动 。 若将发动机排气直接排放到大气中， 将产生强烈的、频谱比较复杂的 噪 声 ，其 频率从几十赫到一万赫以上。 排气消声器的功用是 降低 排气噪声 。 消声器通过 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。 三、 消声器 消声器基本结构形式 随着汽车保有量的与日俱增，汽车排气对 人类健康的危害 及对 环境的污染 也日甚一日； 世界各国

9、都制定了相应的 法规和标准 ，以期把汽车有害排 放物控制在较低的水平； 为了满足排放标准，必须 对发动机排气进行净化 。 第三节 排气净化装置 发动机有害的污染物排放主要有 尾气排放物 、 燃油系统蒸发 物 和 噪声 。 汽油机 排放物主要是：一氧化碳 (CO)、碳氢化合物 (HC)、氮 氧化合物 (NO )； 柴油机 排放物主要是：除一氧化碳 (CO)、碳氢化合物 (HC)、 氮氧化合物 (NO )外，还有微粒（ PM）和烟度。 这些尾气排放物的生成 直接与发动机的燃烧过程有关 。 发动机的有害排放物 发动机排放的污染物主要有： 一氧化碳 (CO)、 碳氢化合物 (HC)、 氮氧化合物 (N

10、O )和 微粒 碳烟对人的呼吸系统有害， 所含多环芳香烃物质 SOF有 致癌作用。 燃烧不完全 排出的浮游碳离子， 有时也含有液态的油雾。主要 指 柴油机 排气中的碳烟。 微粒排放 （ PM） 对人的鼻、眼、口腔、呼吸 道有刺激作用（与水分结合 生成可溶性硝酸）； NO 主要是指 NO和 NO 。 燃烧 室内 高温富氧环境 中的产物。 （要降低氧浓度，降低燃烧温度） 氮氧化合物 (NOx) 在阳光照射下产生臭氧 O3等 强氧化物质，形成光化学污 染。含致癌物。 未燃或 未完全燃烧的燃油和润 滑油 蒸汽（ 油箱、化油器逸出的油 蒸汽，曲轴箱通风气体 ） 碳氢化合物 (HC) 人吸入后将降低血液吸

11、收和 运送氧气的能力，引起中毒 甚至死亡。 燃料的 不完全燃烧 产物及局部 高温的热分解 产物。无色无臭 无气味。 （ 要氧气充足、控制高温 ） 一氧化碳 (CO) 危害 产生原因 污染物 燃烧后产生的 大量 CO2虽然不会对环境造成直接污染，但其大 量积聚会对地球环境造成不良影响，它导致的 温室效应 、 臭氧 层的增加 ，对人类有害。 未燃 HC和 NOx在一定环境下发生十分复杂的化学反应，诱 发新的有害物，生成 二次有害 排放物。如经紫外线作用发生光 化学反应形成 光化学烟雾 ，主要成分： 臭氧、醛 等 烟雾 状物质。 具有强烈氧化性，对人类、环境危害大。 发动机各部位排出 HC的比例：

12、排气管 ： 55%-65%； 曲轴箱通 风口漏出 20%-25%； 化油器和油箱蒸发 15%-20%。 二冲程汽油机 的 HC排放量因有扫气过程，较四冲程汽油机 大 许多。 中国排放法规限值 排放 标准 实施 日期 分类 CO g/kW.h HC g/kW.h NMHC g/kW.h CH4a g/kW.h NOx g/kW.h PM g/kW.h 烟度 m-1 试验循环和 说明 国 2000/2001 85kW 4.5 1.1 8.0 0.612 ECE R-49 85kW 0.36 国 2004/2005 4.0 1.1 7.0 0.15 ECE R-49 国 2007.01.01 (20

13、08) 2.1 0.66 5.0 0.10/ 0.13c 0.8 ESC ELR 5.45 0.78 1.6 5.0 0.16b 0.21b,c ETC 国 2010.01.01 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5 ESC ELR 4.0 0.55 1.1 3.5 0.03b ETC 国 2012.01.01 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5 ESC ELR 4.0 0.55 1.1 2.0 0.03b ETC a-仅适用于天然气发动机； b-不适用于在 2000年和 2005年阶段的气体发动机； c-适用于每缸排量小于 0.75L和标定功率转速高于 3000r/min的发动

14、机。 汽车发动机上应用的主要排放控制技术 1.发动机结构优化技术 ； 2.闭环电控发动机管理技术 ； 3.改进油料 ； 4.恒温进气系统 ； 5.二次空气喷射系统 ； 6.催化转换器 ； 7.曲轴箱强制通风（ PCV）技术 ； 8.汽油蒸发控制系统 ； 9.排气再循环（ EGR）技术 。 1、 恒温进气系统（ 汽油机 ） 空气温度太低，汽油将在进气管内壁上凝结，难以蒸发雾化 。 恒温进气系统 ：控制进气温度，使之保持在 35 40 之间。 当发动机 温度升高 后，恒温进气系统向发动机供给未经加热 的环境空气。 多用于 化油器式汽油机 或 节气门体喷射式汽油机 上。对这类 发动机的进气歧管应进行

15、适当的加热以促进汽油的蒸发。 改善 了发动机 低温运转性能 。 恒温进气系统 的结构：设一套空气加热与控制系统，利用 发 动机排气 或 循环冷却液 进行加热 。空气滤清器两个进气口分别 接热空气管 及 冷空气进气导流管 ，由控制阀控制两个进气管的 开闭。 1.进气导流管 2.真空控制膜盒 3.控制阀 4.进气温度传感器 6.热炉 7.冷空气入口 8.排气歧管 9.热空气出口 10.热空气管 原理： 低于 35 时 加热空气； 超过 53 时 进冷空气； 35 40 时 冷热空气 图中，进气管真空度作用 在真空控制膜盒 7上，控制 控制阀 8开大或关小。 过度加热 将减少进入气缸 的混合气数量使

16、功率下降 进气道燃油喷射式 发动机 的进气歧管 无需加热 。 化油器式汽油机 节气门体喷射式汽油机 空气滤清器 1 催化转换器 2 氧传感器 3 二次空气控制阀 4 二次空气电磁阀 点火开关接通后，蓄电池向二 次空气电磁阀供电， ECU控制 电磁阀搭铁回路。电磁阀不通 电时，关闭通向膜片阀真空室 的真空通道，膜片阀弹簧推动 膜片下移，关闭二次空气供给 通道； ECU给电磁阀通电，进 气管真空度将膜片阀吸起，使 二次空气进入排气管。 2、 二次空气喷射系统（ 汽油机 ） 1.功用：在一定工况下，利用 空气泵 将新鲜空气经 空气喷管 喷入 排气道 或 催化转换器 ， 使排气中的 CO 和 HC 进

17、一步氧化或燃烧 成为二氧化碳 (CO )和水 (H O)。同时加快三元催化转换器的升温。 2.组成及原理 二次空气喷射系统 二次空气喷射系统 ：利用空气泵将新鲜空气经空气喷管喷入 排 气道 或 催化转换器 ，使排气中的 CO和 HC进一步氧化（燃烧）成 为二氧化碳 (CO )和水 (H O)。 3、 催化转化换器（ 主要为 汽油机 ） 氧化催化转换器 只将排气中的 CO和 HC 氧化 （燃烧） 为 CO 和 H O，因此这 种催化转换器也称做 二元催化转换器 。 必须向氧化催化转换器 供给二次空气 作为 氧化剂 ，才能使其有效地工作。 催化转换器是利用 催化剂 的作用将排气中的 CO、 HC和

18、 NOx 转换 为对人体 无害的气体 的一种 排气净化装置 。 金属 铂 、 钯 或 铑 均可作 催化剂 。在化学反应过程中， 催化剂 只促进反应的进行，不是反应物的一部分 。 催化转换器有 氧化催化转换器 和 三元催化转换器 。 1）氧化催化转换器 三元催化转换器 可同时减少 CO、 HC和 NOX的排放，它以排气中 的 CO和 HC作 为 还原剂 ，把 NOX还原 为氮 (N )和氧 (O )，而 CO和 HC在还原反应中被氧化（燃烧）为 CO 和 H O。 排气经过三元催化转换器之后，部分未被氧化的 CO和 HC继续在 氧化催化转换器中与供入的二次空气进行氧化反应。 2）三元催化转换器

19、（ TWC） 一个缩小的废气催化反应罐 （ 1）催化转换器 不能使用含铅汽油 （会使催化剂 失效 ） ； （添加四乙基铅的汽油称为含铅汽油。 1970年开始，为了提高汽油的抗爆 性能而添加四乙基铅。四乙基铅是一种无色油状、易溶于汽油的剧毒物质。 含铅汽油对人类健康产生很大危害。现在汽油中不加含铅的添加剂，而添 加一种称为甲基叔丁基醚（ MTBE）的含氧化合物作为高辛烷值组分，提高 抗爆性能。） （ 2）催化转换器仅在温度 超过 350C才起作用 ，因此， 催化 转换器都 安装在温度较高的排气歧管之后 附近 ； （ 3） 混合气空燃比在 14.7附近效果最佳 。混合气过浓或气缸 缺火，都会使转换

20、器过热。 三元催化转换器 氧传感器孔 影响三元催化转换器 (TWC)转换效率的因素 影响最大的是 混合气的浓 度 和 排气温度 。 如图所示，只有在理论 空 燃比 14.7附近 ，三元催化转 化器的 转化效率最佳 。 一般都装有 氧传感器 检测废 气中的氧的浓度，氧传感器 信号输送给 ECU，用来对空 燃比进行 反馈控制 。 此外，发动机的 排气温度 过高 （ 815 以上）， TWC 转换效率将明显 下降 。 微粒（ PM）是 柴油机排放 的突出 问题。对车用柴油机排气微粒的处 理，主要采用 过滤法 。 4、 微粒过滤器（ 柴油机 ） 过滤器工作一段时间后，需及时 清除 积存在滤芯上的 微粒

21、 ，以 恢复过滤 器的工作 能力 和 减小排气阻力 。 通常，在过滤器入口处设置一个 燃烧器 ，通过喷油器向燃烧器 内 喷入少量燃油 ，并供 入二次空气 ，利用火花塞或电热塞将其点 燃，将滞留在滤芯上的 微粒烧掉 。 微粒过滤器的滤芯由多孔 陶瓷 制造， 它有较高的过滤效率。排气穿过 多 孔陶瓷滤芯 进入排气管，而微粒则 滞留在滤芯上。 排气再循环 (EGR)系统 把发动机排出的 部分废气回送到进气歧管 ， 并与新鲜混合气一起 再次进入气缸 。 由于废气中含有大量的 CO2，而 CO2不能燃烧却吸收大量的热， 使气缸中混合气的 燃烧温度降低 ，从而 减少了 NOx的生成量 。 排气再循环是净化

22、排气中 NOx的主要方法。 5、 排气再循环 (EGR)系统（ 汽油机、柴油机 ） 1真空直接控制 EGR阀 2正背压 EGR阀 3电子控制 EGR阀 EGR阀类型： NOx的生成量随发动机负荷的增大而增多，因此，再循环的废 气量也应随负荷而增加。 在 暖机期间或怠速时 ， NOx生成量不多，为了保持发动机运转 的 稳定性 ， 不进行排气再循环 。 在 全负荷或高转速下 工作时，为了使发动机有足够的 动力性 ， 也不进行排气再循环 。（ 因为再循环的废气使混合气的热值降 低，使有效功率下降 。 ） EGR阀安装在废气再循环通道 中，用以控制废气再循环量。 EGR电磁阀安装在通向 EGR真空通道

23、 中（ 发动机进气道为负 压，而排气道为正压 ）。 ECU根据发动机 冷却液温度 、 节气门开度 、 转速 和 起动 等信 号来控制电磁阀的 通电或断电 。 1. 废气再循环电磁阀 2. 节气门 3. 废气再循环阀 4. 水温传感器 5. 曲轴位置传感器 6. ECU 7. 启动信号 ECU不给 EGR电磁阀通电 时，控制 EGR阀的真空通道 接通， EGR阀开启，进行废 气再循环； ECU给 EGR电磁阀通电时， 控制 EGR阀的真空度通道被 切断， EGR阀关闭，停止废 气在循环。 发动机工作时，会有 部分可燃混 合气和燃烧产物经活塞环由气缸 窜入曲轴箱内 ；发动机在 低温下 运行时，还可

24、能有液态燃油漏入 曲轴箱 。 这些物质如不及时清除，将加速 机油变质并使机件受到 腐蚀或锈 蚀 。又因为窜入曲轴箱内的气体 中含有 HC及其他 污染 物，所以不 允许把这种气体排放到大气中。 6、 强制式曲轴箱通风系统 (PCV)（ 汽油机、柴油机 ） 现代汽车发动机所采用的 强制式曲轴箱通风系统 (PCV)就是防 止曲轴箱气体排放到大气中的净化装置。 PCV阀 控制元件 PCV阀 的作用：根据发动机 工况的变化 自动调节 进入气缸的曲轴 箱 气体的数量 。 不工作时 怠速负荷工况 在负荷工况 大负荷工况 不同工况条件下，进气管真空度大小 不同， PVC阀开度就不一样 若气缸的密封性能良好，

25、PCV系统应该使 曲轴箱内的压力略 低于大气压力 （才能形成强制通风的作用）。 功用 ：收集汽油箱内蒸发的汽油蒸气，并将汽油蒸气导入汽 缸参加燃烧，同时，根据发动机不同工况要求，控制导入汽缸 参加燃烧的汽油蒸气量。 1.油箱盖 2.油箱 3.单向阀 4.排气管 5. 电磁阀 6.节气门 7.进气管 8.真空阀 9.真空控制阀 10.定量排放孔 11.活性炭罐 7、 汽油蒸发控制系统（ 汽油机 ） 组成 ：活性 炭罐、电磁阀、 真空控制阀、 蒸气管路、真 空管路等 。 真空直接控制的汽油蒸发控制系统 活性炭罐结构 电子控制的汽油蒸发控制系统（ EVAP） 当发动机在中、小负荷下工作（水温 75

26、）时， ECU电脑给 EVAP控制电磁阀通电，阀开启，活性碳罐与进气管之间形成通 路， 新鲜空气即从活性碳罐下方的控制量孔进入活性碳罐 ，清 除吸附在碳粒表面上的 汽油蒸气 ，并与其一起通过进气管进入 气缸内燃烧。 思考题 1为什么发动机在大负荷、高转速时应装备粗短的 进气歧管，而在低转速和中、小负荷时应装备细长 的进气歧管 ? 2一台六缸发动机，哪几个气缸的排气歧管汇合在 一起能较好地消除排气干扰现象 ? 3为什么说恒温进气系统是一种排气净化装置 ? 4催化转换器在什么情况下会过热，为什么 ? 5在什么情况下不进行排气再循环，为什么 ? 6 PCV阀堵塞会有什么后果 ? 作 业 P212:

27、6-1； 6-2； 6-3； 6-7 PM2.5是指大气中直径小于或等于 2.5微米的颗粒物，也称为 可入肺颗粒物。虽然 PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组 分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。 PM2.5粒径小， 富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距 离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。 PM： particulate matter(颗粒物） （ 越小的粉尘越难被过滤 ） 可吸入颗粒物又称为 PM10，指直径大于 2.5微米、等于或小 于 10微米，可以进入人的呼吸系统的颗粒物；总悬浮颗粒物也 称为 PM100，即直径小于或等于 100微米的颗粒物。 PM2.5产生的主要来源：日常发电、工业生产、汽车尾气排 放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒 物质。 一般而言，粒径 2.5微米至 10微米的粗颗粒物主要来自道路 扬尘等； 2.5微米以下的细颗粒物（ PM2.5）则主要来自化石燃 料的燃烧（如机动车尾气、燃煤）、挥发性有机物等。