绿盾尾气治理汽油机的排气再循环系统

第五节车用汽油机的排气再循环系统、排气再循环的原理及排气再循环系统的基本构成燃烧温度越高， N<产生越多，在最适合于燃烧的点火时期点火及使用最经济的空燃比时，都将产生更多的NO，。从减少NO, 排放的角度看，内燃机应该使用不利于经济性的空燃比及燃烧的点火时期，但其后果是容易发生不完全燃烧，增加 HC及 CO排放，还使 发动机的功率下降。可以较好地解决这一矛盾的技术为排气再循环（Exhaust Gas Recir- culati0n，EGR)技术。 EGR 可将车辆发动机排放有害物氮氧化合物控制在极低程度。EGR 的原理是使发动机排出气体的一部分重新进人进气系统,引人不活性气体（主要是0)22、 110 和 1)到燃烧室 ,增加燃烧室内气体的热容量,使最高燃烧温度下降，从而抑制了 NO 的生成。NO 排放的传统控制方法有推迟点火提前等推迟点火时刻可以降低最高燃烧温度,因而控制点火时刻的点火控制装置过去一直被用来减少NO 的排放量。但由于点火时刻的过晚，使发动机偏离了最佳点火时间，因而牺牲了发动机的动力性及经济性。虽然这个办法至今仍有应用，但并不是理想的方法。相比之下，EGR 是降低 NO 排放量较为理想的方法 ,因而近年来最新的低排放车都安装有EGR 系统。排气再循环装置基本组成为EGR 阀、 EGR 温度传感器、 EGR 真空控制模块、真空开关阀和连接管等（图 5 -38 及图 5 -39) 。 EGR 阀是排气再循环装置中的关键部件，它通常安装在进排气系统之间,有一通向排气歧管的短金属管与它连接, 对进入进气歧管的排气董进行控制： EGR 阀上有一真空管连在进气系统的真空口上，用来控制 EGR 阀的开 . 闭时刻及开度大小。温度传感器安装在靠近节温器的冷却液通道上，它将发动机工作温度信号传送到 EGR 真空控制模块二、排气再循环对发动机性能的影响采用 EGR 时 .由于燃烧温度下降,故冷却损失减少。比热容增大还可使进气温度降低、压力上升 ,泵气损失减少,故采用合适的点火时间可改善热效率。但是EGR 量过大时，将使燃烧速度变缓 . 燃烧变动增大采用EGR 的发动机可使用较小空燃比，适当提前点火 ,增强缸内的气体流动。三、排气再循环系统的种类及排气再循环阀的结构1.按结构特点分类根据节气门与再循环排气入口的相互位置,EGR 系统可分为节气门前EGR 系统和节气门后 EGR 系统。前者的再循环排气的入口设在节气门前方，后者的再循环排气的入口设在节气门后方。根据再循环排气量的确定方式,EGR系统可分为空气比例式EGR系统和负荷比例式EGR 系统。前者使发动机吸人的空气量与排气作再循环的EGR 量之比固定不变，后者根据发动机的负荷大小按一定百分比确定再循环排气量。2. 按控制方式分类根据控制方式的不同，EGR 系统可分为如下6 类：1(1)孔口真空控制式EGR 系统 : 由节气门处真空口的真空度直接作用在EGR 阀上，以控制再循环排气量的EGR 系统。(2)喉管真空控制式EGR 系统 : 以化油器喉管处的真空度作为控制信号来控制再循环排气量的EGR 系统。(3)排气压力控制式EGR 系统：以排气压力作为控制信号来控制再循环排气量的EGR系统。(4) 节气门控制式 EGR 系统 :以与节气门机构联动的EGR 阀来控制再循环排气量的EGR 系统。(5)声速控制式EGR 系统 :以声速喷嘴控制再循环排气量的EGR 系统。(6)电子控制式EGR 系统 :根据发动机的运转工况，利用电子控制系统来控制再循环排气量的EGR 系统。3. 排气压力控制式 EGR 阀（机械控制式 EGR 阀 >EGR 阀的工作原理可以看出，发动机在停止状态时，由于没有真空信号,EGR 阀不能 T 作 ;发动机在怠速状态时，由于排气压力（背压）很低，EGR 阀同样不能工作。由此还可看出，当排气装置中的消声器、排气管、催化转换器等受到破坏后，排气系统原来调好的压力将产生变化，这将使来自排气歧管的排气的背压与设计值不一致,使背压 EGR 阀式排气再循环装置不能正常工作,这一点应给予注意。4. 电控 EGR 阀电控EGK 阀通常用于电控发动机车辆。电控单元通过空气温度传感器、冷却液温度传感器、 EGR 阀位置传感器和氧传感器等精确地检测发动机进气温度、冷却液温度、 EGR 阀的位置和空气燃油混合比等数据。根据这些参数，电控单元通过计算确定实时最佳控制位置。同时，向排气再循环系统的执行元件EGR 线圈发出指令。电控EGR 阀的执行元件可以采用图 5 和图 5 -44 所示的直线式和步进电机式。EGR 阀位置传感器一般安装在EGR 阀的顶部，能准确地检测EGR 阀阀门开启或关闭的程度，并把这个位置信号传送给计算机。EGR 执行元件接收到控制计算机指令后，对EGR 阀的开启、关闭及EGR 率的大小进行控制。通过控制EGR 阀门开度的变化实现最佳排气循环量,使发动机的 NO, 产生最少 ,动力性能和经济性能改善。2第六节排气污染物的催化净化技术一、催化剂及其载体的种类1.催化剂及其载体的种类催化剂也叫做触媒,其定义是指本身不发生反应，但能控制化学反E! 支路径的一种物质。催化剂虽然本身不发生反应,但实际上在化学反应中反复不看Z字笔的重组与排列。催化剂是能够用于有效地进行物质变换的关键物质：7 筇指标 主要有活性、选择性、寿命等。活性是最基本的功能,是加快化学反应速赛对于那些不使用催化剂就不能发生化学反应的场合，便需要使用催化剂引s 化学对其反应速度进行控制。活性越高，反应器体积就越小,其效率也越高：S5 指奄化剂对不同的化学反应的不同活性。寿命即耐久性。在原理上不进行化学龟化刘，但经过一段时间使用后，却会失去活性，故必须更换新的催化剂。汽车排气催化净化器中的催化剂的作用是促使HC 、 CO 的氧化或Nu ? ： ? ； :气油 车尾气净化用的催化剂可以分为三效催化剂（Three Way Cataly. Ci剂(Oxidation Catalyst,OC)、还原（包括选择还原）催化剂和助催化剂四类对汽车尾气净化效果最好的催化剂是铀（Pt) 、钯（ Pd) M' Rh 芩贵全篱龟 *七 > :由 于这些催化剂价格比较昂贵，故催化剂一般都涂抹在称为载体KiT 上 .支唱剂成为具有保持催化作用的催化剂层。催化剂在载体上涂抹及分布如囝5-45 $5.'崔化剂的分布越均匀越好。助催化剂本身不具活性或活性很小，但能改变催化剂5苦 Z 学组成、离子价态、酸碱性、表面结构、晶粒大小等，从而使催化剂的活性S 泠 1 厂毒性或稳定性得以改善。汽车催化净化器中常见的助催化剂有CeO: 、 Ba . La芩 .主要弔于提高催化剂耐热性、储氧和吸附 N0 2等。3.载体的种类现在使用的催化剂载体大部分是陶瓷载体和金属载体,可用作汽车催化净化器金属载体材料主要有 Fe - Cr - A1 、Ni - Cr、Fe - Mo - W 等。其中， Fe - Cr - A1 的加工性能和经 济价值较好，其应用前景最好。载体的形状是整体式或蜂巢状的，载体上开有气体流动的通孔，陶瓷载体的孔多为正方形，也有圆形、六角形的, 但就有效涂层的面积而言，六角形的最大（图5 -46);金属载体的孔多为波纹状的。金属载体（Fe -Cr- A1)与陶瓷载体（堇青石）的热特性、物理特性、机械特性和热冲击特性的比较如表5 - 8所列。金属载体与陶瓷载体相比有三个优点 : 与排出气体接触的几何表面积大，催化剂的涂抹面积大。如对单位面积孔数同为62 个/cm 2 的金属载体和陶瓷载体而言,金属载体和陶瓷载体的几何表面积（GSA) 分别为38.8cmVcm 3 和 26.8cm 2 /cm 3 ,因而金属载体有利于催化反应进行。金属载体的流通阻力小。 其原因是金属载体开口率大于陶瓷载体，如62 孔 /cm 2 金属载体的开口率为90.3% , 而相同孔数的陶瓷载体的开口率仅为75.0% 。金属载体的热传导性能好，易于将高温条件下的热量散发出去，可延缓催化剂的热老化。金属载体的主要不足是抗高温氧化性能差 （如在800T 以上高温条件下，Fe -Cr - A1合金材料容易与氧结合生成氧化铁、氧化铬、氧化镜等氧化物）、催化剂起燃性能差、成形工艺过于复杂、成本过高及在剧烈温度变化下金属载体与担载有催化剂的活性涂层的附3着性差等问题。高温氧化锈蚀作用是金属蜂窝载体催化器丧失催化功能的原因之一,金属载体虽然在摩托车上有一定应用，但在新车上的应用仅有百分之几。相比之下，陶瓷载体原材料易于获得、成本低、制造工艺简单，因此在汽车催化器上得到了广泛应用。1. 转 换 率转换率指催化器将污染物转换为无害成分的体积分数或体积百分比，用7? 表示。假定催化器人口、出口处某污染物的体积分数依次为，则有7? = ( 1 -(t>ou/4>in ) X 100%转换率通常是对某一种有害气体如HC 、CO 、NO 而言的 ，一般来说，不同污染物的转换率不同。转换率的高低随着催化器的温度、发动机的运转条件而变化。在高温时 ,稳定 状态下，新氧化催化剂的转换率对 CO 为 98% -99% ，对 HC 高于 95% 。然而， 在温度低 于 250T3001 时，催化剂效果很差。转换率的测定,一般在发动机试验台上或装车试验中进行。2. 活化开始温度通常把催化器的转换率等于50% 时的温度称为活化开始温度或点燃温度，由于此时位于仪表板上的显示灯熄灭，故该温度也称为熄灯温度：显然,熄灯温度越低,汽车冷启动后催化器起作用的时间越早，对降低冷启动排放越有利:3.表面速度（ Area Velocity， AV)AV 是描述催化器的表面活性的参数。当转换效率和催化器的排出气体流量相同时，AV越大，表明催化器的表面活性越强，或者说表面活性强的催化器容许的表面速度高。AV 的计算公式如下：AV(m/h)=催化器的排出气体流量（m3 /h)/ 催化器有效活性表面的几何面积（m 2)4.空间时间S,空间时间简称空时，其定义为S,(h)=催化器的反应器体积h(dm3 )/ 催化器的排出气体流量(? R(dm 3 /h)它是度量连续流动催化反应器生产强度的一个参数。例如，空时为Is, 表明每秒可以处理与反应器体积相等的物料量。显然，S, 越大 ,催化反应器生产强度越小。5.空间速度空间速度简称空速,空速是空时的倒数,其物理意义是单位时间单位催化反应器体积所能处理进口气体的体积。其定义为S t (h-')=催化器的排出气体流量（dm 3/h)/ 催化器的体积(dm 3 )它主要用于评价催化器的安装占用空间的程度；由于汽车的排气流量是变化的，故汽车的空速是随汽车的运转条件变化的。由S v 的定义可知，在同样的排气流量下,排气催化净化器所容许的空速S v 越大，催化器的体积就可以越小。或者说，S 、 .越小 ,在同样的排气流量下，反应气体在催化剂中的停留时间越长，转换效率越高。如某催化器的 =10 3 h-',则由S v 的定义可知，该催化器每小时能处理进口气体的体积为反应器体积的10 3 倍。一般而言，在 S Y =10 5 IT 1 时，仍具有很高的转换效率的催化器被认为是性能良好的催化器。6. 流动阻力由于汽车催化器安装在汽车排气系统,故其流动阻力直接影响发动机排气背压，排气背压太大， 则发动机性能下降。催化转化器产生的压力损失应控制在整个排气系统压力损失的430% 40% 。在大负荷高速运转时，排气经过催化器的压力损失可达几千帕。一般而言，金属载体的催化器的流动阻力比陶瓷载体的小。净化器流动阻力主要是由载体的细小孔道造成的， A/> 主要决定于气体流速Km/s)、载体长度L( mm) 、孔的水力直径dh (tnm) 和开口率OFA(OFA=(d-b) 2 / d 2 ) 等。 下式为压力损失A P ( mmHg) 的一 个经验公式:可见 ,增大孔的水力直径心和开口率OFA. 均可减小流动阻力。由水力直径< 和开口率0FA 的定义可知，增大 <和 0FA. 意味着增大孔径和减少壁厚,但这将使几何表面积(GSA)减少 ,净化效率降低。 因此 ,进行催化器结构设计时，需要兼顾考虑流动阻力与净化效率，一般要求净化器的压力损失不超过5kPa 。7. 寿命（耐久性）耐久性指催化器经过一段时间使用后,其催化剂保持活性的特性，常把催化器的耐久性里程称为寿命，把催化剂活性下降的现象称为催化剂中毒或失效。对于汽车催化器而言，催化器寿命一般应在8 万 km 以上。5