毕业论文：浅析汽车减排系统——从发动机角度分析
毕业设计（论文）题目浅析汽车减排系统——从发动机角度分析
系（分院）汽车工程系
学生姓名
学号0 8 1 8 3 1 1 0
专业名称汽车电子技术
指导教师
年月日
学院汽车工程系（分院）毕业设计（论文）任务书
浅析汽车减排系统——从发动机角度分析
廉伟
摘要：进入二十一世纪后，人们更加注重自己赖以生存的地球环境，因此，汽车的排放污染作为工业污染之一也被人们日益关注。本文章以节约能源和环境保护为最终目的，列举了从汽车发动机的供给方面和排放控制系统来减少和降低汽车尾气对大气的污染，文章最后又浅谈了汽车排放新技术。
关键词：节能环保发动机减排方法新技术
一、节能环保的必要性
（一）、能源消耗方面
能源已经成为现代经济发展的血脉。受经济发展和人口增长的影响，随着世界经济消费量持续增加，世界一次能源消耗量持续增加。自19世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长。根据统计，1973年世界一次能源消费量仅为57.3亿吨油当量，而2007年已达到111.0亿吨油当量。在30多年内能源消费总量翻了一番，年均增长率为1.8%左右。
2007年，在世界一次能源消费总量中石油占35.6%、煤炭占28.6%、天燃气占25.6%，非化石能源和可再生资源虽然增长很快，但仍保持较低的比例，只占为12.0%。总体来说，世界能源消耗速度在迅速增加，地球的不可再生资源逐渐减少，因此，能源和资源是人类必须要面对和解决的最重要的问题之一。
（二）、环境保护方面
人类在创造物质文明和精神文明的同时，也出现了“副产品”——环境污染。大气污染是环境污染的一种，它会在大气的正常成分中增加对人类和动植物有害的物质，严重时甚至引起地球生态环境的变化，直接影响和威胁人们的正常生活和生存。大气污染中的主要有害物质是一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO x）、二氧化硫（SO2）和烟尘微粒等，他们主要来自火力发电厂、钢铁冶炼厂、大规模制造修理厂、石油化工企业和各种车辆。汽车是大气中的流动污染源，特别是汽车工业的高速发展，汽车保有量的急剧增加，汽车的排放已是大气污染的主要来源，占整个大气污染的50%以上，成为损害人体健康、破坏自然界生态平衡的又一大公害。
如今，人们正对包括大气污染在内的各种污染进行综合治理，积极采取各种技术
措施限制污染排放，利用科学的方法消除或转化污染物。汽车排放控制系统就是采用各种技术来降低汽车有害排放物质的装置，从而达到净化空气的目的。汽车的有害排放物主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、二氧化碳和微粒物质（铅粒、碳粒和油滴与脏物的混合粒等）。例如，汽车的有害排放物碳氢化合物从车上不同的地方排出，汽车排放的碳化氢占全部的60%，曲轴箱占20%，油箱和供油系统占20%，其他的有害排放物绝大部分从排气管排出。
二、减排方法及工作原理
（一）、供给系统的控制
1、电子喷油反馈控制
在该系统中，发动机排气管上加装了氧传感器，根据排气中含氧量的变化，判断实际进入汽缸的混合气空燃比，再通过电脑与设定的目标空燃比值进行比较，并根据误差修正喷油器喷油量，使空燃比保持在设定的目标值附近。闭环控制系统可达到较高的空燃比控制精确，并可消除因产品差异和磨损等引起的性能变化，工作稳定性好，抗干扰能力强。为了使排气净化达到最佳效果，只能运行在理论空燃比14.7附近。
2、电子节气门控制
节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性和平稳性及经济性，并减少排放污染，世界各大汽车制造商推出了各种控制良好的电子节气门及其相应的电子控制系统，组成电子节气门控制系统（ETCS）。采用电子节气门控制系统，使节气门开度得到精确控制，不但可以提高燃油经济性，同时，系统响应迅速，可获得满意的操控性能、巡航控制和车辆稳定控制等的集成，简化了控制系统结构。
（二）、辅助减排系统
1、废气再循环系统
（1）结构和工作原理
废气再循环装置基本有EGR阀、温度控制开关、接真空信号的软管和通废气的金属管的组成。EGR阀是废气再循环装置中非常重要的关键部件，它通常被安装进气歧管上，有一通向排气歧管的短金属管道与它连接，对进入进气歧管的废气量进行控制。EGR阀上有一真空管连接在进气歧管的真空管口上，用来控制EGR阀的开与闭。温度控制开关常常安装在靠近节温器的冷却剂通道上，它可根据发动机工作温度接通或断开通向EGR阀的真空信号。
废气再循环装置的基本工作原理如图1所示。当发动机处于怠速时，节气门关闭，无真空压力作用在EGR阀的隔膜上，因此，弹簧保持阀门关闭，没有废气进入进气歧管。随着发动机负荷的增大，节气门打开，真空信号到达EGR阀，隔膜上移，阀门开启，废气进入进气歧管开始循环。一般当真空高度超过10kPa时，工作隔膜开始上升，真空度升到25kPa时，隔膜升高到最高位置。当节气门大开时，真空口处的真空度很小，EGR阀关闭，汽车发动机可保持足够的动力性能。在暖车过程中，冷却剂和发动机进气温度都较低，氮氧化物的排量也很低，废气再循环破坏燃烧的稳定性，会出现怠速不稳或发动机熄火，此时温度控制开关关闭真空回路，EGR阀停止工作，禁止废气循环。一般发动机冷却剂温度低于40℃时，温度开关保持关闭，否则被打开。
图1 发动机废气再循环控制系统
（2）作用
废气再循环装置(EGR)可将汽车发动机排放的有害物质氮氧化物控制在最低程度。发动机内部高燃烧温度是产生氮氧化物的原因。在发动机处于怠速或较低温度时，氮氧化物的排放量可在规定的范围内，因为此时发动机的温度不高。当汽车由怠速加速到正常行驶速度期间，或车速在50—120km/h的时候，往往氮氧化物的排放量较高，必须对氮氧化物的排放量进行控制。
过去点火装置用来减少氮氧化物的排量。例如，车从怠速、加速到巡航速度期间，点火装置限制点火时刻的提前，减低发动机燃烧的温度，以减少氮氧化物的排量。尽管这个办法至今仍在使用，但并不是最好的办法，目前，减低氮氧化物排量较有效的装置是废气再循环系统。
废气再循环装置把少量的废气与空气燃油混合气混合在一起（循环废气占全部废
气的10%左右），由于废气呈“惰性”，即不参加化学反应，使进入每个汽缸的混合气相对“稀少”，从而降低发动机内部燃烧的瞬间高温，起到减少氮氧化物生成的作用。所谓废气的“惰性”是指废气中几乎不含氧，是不可燃烧的气体，这些气体与空气燃油混合气混合后使可燃烧的成分下降，减少了发动机燃烧升温的能力。另外，从排气歧管进入进气歧管参加循环的废气有一定的温度，使进气歧管中的空气燃油混合气受热扩张，被吸入发动机每个汽缸的有效燃烧物减少，形成相对较弱的可燃混合气和一定量的废气进入发动机燃烧室，以致点火时不能产生很高的温度，减低氮氧化物的排量。
现代汽车发动机采用了反馈控制电子燃油喷射系统，或安装氧传感器、三元催化装置，在计算机的统一管理下形成发动机闭环控制系统，有效地控制了汽车污染的排放。尽管如此，废气再循环装置作为有效减低燃烧过程中过量氮氧化物的系统仍继续存在着。
（3）计算机控制的EGR装置
现代汽车上带有计算机控制的发动机管理系统，废气再循环装置在计算机的控制下进行工作。计算机控制的废气再循环装置以计算机为中心，带有空气温度传感器、冷却剂温度传感器、EGR阀位置传感器和氧传感器等，执行部件是EGR线圈（或称EGR电磁阀）和由它控制的EGR阀（如图2）。计算机通过这些传感器分别精确地检测发动机进气温度、冷却温度、EGR阀的位置和空气燃油混合的比例等数据。根据这些参数，计算机通过算法程序计算出实时最佳控制位置，同时向EGR线圈发出调宽式脉冲指令，使EGR阀的阀门处于最优的位置，让发动机燃烧室生成的氮氧氧化物降到最低而不影响汽车的正常工作和动力性能。
EGR阀位置传感器（EVP）一般安装在EGR的顶部，能准确地检测EGR阀阀门开启或关闭的程度，并把这个位置信号送给计算机。计算机根据这一必要参数，再综合其他数据算出最佳废气循环量，使汽车发动机的氮氧化物产生最少，动力性能最好。
EGR阀位置传感器实质是一线性分压（电位）器，与电子燃油喷射式发动机节气门位置传感器类似。当EGR阀工作时，传感器中电阻的变化与EGR阀杆的运动成正比。EGR阀关闭时传感器电阻值最大，随着EGR阀的开启电阻逐渐减小，当EGR 阀全部打开时，传感器的电阻值达到最小。
由于计算机对EGR阀进行控制需要通过EGR线圈（它位于EGR阀到真空源的真空管路中），计算机给EGR线圈加的脉冲电流使其不断打开、关断通向EGR阀的
真空信号，以控制EGR阀的工作，因此，EGR线圈很重要，EGR线圈一般位于靠近EGR阀的地方，或安装在防火墙上。
图2 EGR阀工作原理图
2、活性炭罐系统
（1）结构与工作原理
活性炭罐系统又称燃油蒸发排放控制系统（如图3所示），一般由燃油箱、活性炭罐、一些控制阀和相互连接的软管与专用管路组成。
油箱是封闭的，以免汽油这种易挥发液体排入大气。油箱内有一定的剩余空间，这里的燃油蒸汽可以流向活性炭罐。油箱的盖叫压力真空释压盖，当从油箱中抽出燃油时，油箱产生轻度真空，压力真空释压盖中的真空阀开启，补充空气。通常情况下油箱内的压力不会过高，因为蒸发排放控制装置降低压力。
液体蒸发分离阀的作用是防止液体燃油通过蒸汽管路从燃油箱逆流到活性炭罐。其中一种液体蒸气分离阀是用过滤材料填充内部的，只允许蒸气通过而液体燃油不能通过，这样可以防止燃油逆流；还有一种液体蒸气分离阀，当蒸气流过它时，浮子保持在下方，一旦液体燃油进入分离阀，阀中的浮子将上升，堵住通向活性炭间的节流孔，使液体燃油不能流出。
在发动机不工作时，燃油蒸发排放控制装置将燃油蒸气收集到活性炭罐中，防止它到达一定气体压力和浓度而引发爆炸；发动机启动后，在燃油蒸发排放装置的控制
下，燃油蒸气从活性炭罐中排出并进入进气歧管或空气滤清器，最后到达发动机燃烧室燃烧。存储燃油蒸气的活性炭罐，一般为黑色圆柱形，位于发动机室的右前角或左前角，打开发动机舱盖后很容易发现和识别，有些车型具有两个活性炭罐。
图3 燃油蒸发控制系统
1—发动机电脑 2—电磁阀 3—活性炭罐
（2）作用
燃油蒸发排放控制装置的缩写形式有EV AP、EEC、和ECS几种，它们都表示同一系统。燃油蒸气一般可从油箱接口和进气歧管等处泄出进入大气，如果不进行控制，就会造成污染。实验表明，燃油蒸发造成的污染可达整车潜在的全部污染的20%，而这些蒸发气体基本全是碳氢化合物，而它们又是产生“烟雾”的直接根源。燃油蒸发排放控制装置就是将汽油蒸汽引进发动机燃烧室进行燃烧，既可以防止燃油进入大气造成污染，又可减少蒸发造成的汽油损耗，提高了燃油的经济性。
3、三元催化系统
（1）结构与工作原理
催化转换装置（如图4所示）是一个较大、具有不锈钢外壳的罐状物，由于它工作后温度较高（300℃以上），因此，外面还有热保护壳，以保护汽车的底部。当代汽车上三元催化转换装置的催化元素是钯（P d）、铂（P t）和铑（R h），把它们涂敷在催化转换装置内部交叉片状或蜂窝状的陶瓷上，这样当废气通过时，转换装置可提供较大的反应面积，使碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物充分氧化和还原。
废气进入催化转换装置后，首先进过氧化和还原区域，然后穿过空气室，再通过
氧化区域，最后排放到大气中。在氧化和还原区域中有钯、铂和铑三种催化元素，废气通过时既有氧化反应也有还原反应，使氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳三种有害气体量下降，空气室存储的空气（含有大量的氧气）来自空气泵的泵入，以供氧化反应之用；在氧化区域中之用铂这种催化元素，可以进一步将剩余的碳氢化合物和一氧化碳进行氧化，但没有还原反应。
氧化反应用钯和铂两种催化元素，更易将碳氢混合物和一氧化碳氧化生成水蒸汽和二氧化碳，而催化元素部分发生任何化学反应。氧化反应中的氧气来自空气室。
还原反应用铑和铂两种催化元素，主要将氮氧化物还原成氮气。三元催化转换装置的氧化和还原反应可有效地抑制氮氧化物、氮氢化合物和一氧化碳的排量，但转换效率与发动机的空气燃油混合气比有关。当空气燃油混合气比接近理想值14.7：1时，转换效率最高。空气燃油混合比由发动机计算控制，喷油量的大小取决于传感器送给计算机废气之中氧含量的多少。发动机计算机根据氧传感器的信号调节喷油量，这就是所谓的发动机闭环控制。计算机将发动机空气燃油混合比尽可能地控制在理想值附近，此时发动机燃烧完全，工作效率最高，催化转换装置转换效率也最高，即发动机工作时最省油，动力性最佳，污染排放量最少。
当发动机在逐渐升温时，转向阀将来自空气泵的空气导入排气歧管，帮助燃烧有害气体碳氢化合物和一氧化碳；而发动机达到正常工作的温度后，三元催化装置装置的正常温度达300℃以上，此时转向阀将空气导向催化转换装置的空气室，使其中的氧化和还原反应更好地进行，有效地减少碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化合物的排放。
图4 三元催化装置结构图
（2）作用
催化转化装置是一个可以减少碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的重要排放控制设备。催化转化装置通常位于排气歧管与消声器之间的管路上，它与消声器的外形有些相似。这个转换装置既有氧化的功能，也有还原的功能。由于采用三种物质作催化剂，因此，这种转换装置也称为三元催化转换装置或混合催化转换装置。
三元催化转换装置是一个有效降低排放污染的装置。当废气通过时，其中的主要污染物碳氢化合物、一氧化碳和氮氢化物会大量降低，而它本身带的催化剂不会发生变化。在一定的条件下，催化转换装置不仅转换效率很高，降低了排放污染，而且发动机还会具有最佳的燃油经济性和最佳的动力性能。
4、二次空气系统
（1）结构和工作原理
二次空气系统也称空气喷射系统，可分为主动式和被动式两种。主动式空气喷射装置（如图5所示）带空气泵，主要用在化油器式的发动机上；而被动式空气喷射装置（不带空气泵）用在计算机控制的发动机上。一般情况下，理解了主动式空气喷射装置的工作过程，被动式空气喷射装置的工作原理就很容易理解。
图5 二次空气喷射装置
主动式空气喷射装置由专门的一系列部件组成，它们是空气泵、空气喷射管（带喷射头）、软管和各种控制阀等。
空气泵吸入空气并将其泵出，空气再通过空气开关阀、检查阀和空气喷嘴进入位于发动机汽缸头上的空气歧管装置。随着热废气离开发动机燃烧室，遇到位于排气口空气喷嘴喷出的新鲜空气。空气中的氧立刻与燃烧后残余的碳氢化合物和一氧化碳反
应，生成无害的水（蒸气状）和二氧化碳。
空气泵是空气喷射的动力源，它是由发动机曲轴通过驱动带驱动的。当发动机工作后，空气泵旋转，离心式空气滤清器扇轮把比空气重的灰尘粒子抛出，只有新鲜空气通过空气滤清器吸入空气泵，最后又由出气口输出，并通过管路由空气喷嘴喷出。空气泵常常固定在一个支架上，并且可以调整位置使带轮上的驱动带松紧适度，就像空调压缩机、发电机和其他动力驱动泵一样。
空气开关阀在发动机负荷较大时，即节气门接近大开的状态，进气真空降到一定的程度，阀门会翻转，使空气泵压出的空气导入大气，从而起到防止催化转换器过热的目的。
检查阀是一个单向阀，可防止由于驱动带损坏空气泵暂停工作时废气倒流。正常工作状态时，来自空气泵的空气通过阀门进入排气装置，一旦空气泵停止工作，废气压力使阀门紧紧压在阀座上，防止废气通过检查阀而到空气泵。
混合阀的作用是防止发动机回火。当发动机突然减速时，节气门接近关闭，可能去进入化油器的量减少。但由于燃油惯性运动，会在进气歧管中形成暂时的过浓空气燃油混合气，它们在发动机中较难燃烧。这些较浓混合气进入排气歧管后，遇到空气就会回火（放炮）。混合阀“接受”到高真空信号后，就将来自空气滤清器的空气导入进气歧管，稀释空气燃油混合气，以达到防止发动机回火的目的。
被动式空气喷射装置与主动式空气喷射装置的区别在于没有空气泵，结构更简单，20世纪70年代中期以后开始装车使用。被动式空气喷射装置也称为脉冲式吸气装置，它基本由吸气阀、连接空气滤清器与吸气阀的长软管和空气喷嘴等组成。
吸气阀安装在空气滤清器与排气歧管之间的管路中，它实际是一个单向阀。当发动机工作时，每一个循环关闭必然出现脉冲式的相对低压，在这一低压的作用下，空气滤清器中的空气通过吸气阀被吸进排气歧管。吸气阀和检查阀的作用一样，它使用弹性瓷片或有回位弹簧的隔膜，只允许空气进入排气歧管，而不允许热废气倒流。
（2）作用
空气喷射装置可在发动机工作时向热的排放气体中喷入新鲜空气，使废气中未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳氧化燃烧，从而减少碳氢化合物和一氧化碳的排量。当喷射的新鲜空气与废气结合时，空气中的氧气和碳氢化合物反应生成水，并成蒸气状，而氧气和一氧化碳反应生成二氧化碳。为了区别于发动机的正常进气，这种把新鲜空气喷入排气管装置的过程也称为空气二次喷射。
在一些车上，空气喷射装置将空气喷入排气歧管的底部，让氧化过程在此区域中发生；有些车的空气喷射装置使空气通过废气排放口一侧的发动机汽缸头部，使氧化过程在这一区域发生，提高氧化效率；在装备三元催化转换器的车上，空气喷射装置将空气直接喷入转换器。无论是怎样的喷射过程，空气喷射装置的作用都是一样，就是减少碳氢化合物和一氧化碳的排量。
三、减排新技术
汽车节能减排主要在动力系统和新技术。新技术分为两类，一类是传统内燃机的改进，一类是时下热门的新能源汽车技术。
传统内燃机，包括汽油机和柴油机，其能量利用率只有30%左右，还有很大的潜力可挖。汽油机技术包括，缸内直喷、分层燃烧、贫燃技术、增压技术、可变进气歧管等都可以节能减排，催化剂等的利用可以减排。柴油机目前的新技术是高压共轨。
新能源技术主要包括相对洁净的天燃气发动机，以及加上电机的混合动力技术，还有就是电驱动汽车。除了动力系统之外，新材料的应用，使得车辆的小型化与轻量化成为可能，也是节能减排的一条有效路径。
四、结束语
汽车排放控制系统是现代汽车上重要的、不可缺少的组成部分，它将汽车的有害物控制在最低程度，以减少对大气的污染。人们面临的环境和能源问题仍是影响人类社会坚持可持续发展的重要因素，因此，节能减排的道路漫长而且任务艰巨，需要全社会的共同努力。
参考文献：
①韩玉敏：《排放控制系统》，化学工业出版社2005年版。
②蔡凤田：《汽车排放污染物控制实用技术》，人民交通出版社2009年版。
③张豫南：《车辆排放控制系统》，北京理工大学出版社2007年版。
④迟日、吴浪帆：《上海别克轿车使用与维修手册》，机械工业出版社2005年版。
⑤王凯明：《汽车排放治理技术指导》，机械工业出版社2008年版。