汽车发动机排气净化装置

以活塞式内燃机为动力的汽车是城市大气的主要污染源之一。汽车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（NO_x）和微粒。CO是燃油的不完全燃烧产物，是一种无色、无味的气体。它与血液中血红素的亲和力是氧气的300倍，因此当人吸入CO后，血液吸收和运送氧的能力降低，导致头晕、头痛等中毒症状。当吸入含容积浓度为0.3%的CO气体时，可致人于死亡。NO_x主要是指NO和NO₂，产生于燃烧室内高温富氧的环境中。空气中NO_x体积分数在10～20×10^-6时可刺激口腔及鼻粘膜、眼角膜等。当NO_x超过500×10^-16时，几分钟可使人出现肺气肿而死亡。因此，大部分汽车发动机都采用排气净化装置。

常用的排气净化装置主要有恒温进气系统、二次空气喷射系统、废气再循环系统、曲轴箱强制通风系统、汽油蒸气排放（EVAP）控制系统及催化转化器等。

1.恒温进气系统

恒温进气系统也称进气温度自动调节系统。它是由空气加热装置（又称热炉）和安装在空气滤清器进气导流管上的控制装置构成的恒温进气系统多用于化油器式或节气门体喷射式发动机上。当发动机冷起动之后，在怠速或小节气门开度下工作时，由于温度低，须供给发动机浓混合气以保持其稳定运转。但浓混合气燃烧不完全，排气中CO和HC较多。若供给稀混合气，虽然可以减少有害气体的排放，但在低温下发动机不能稳定运转。恒温进气系统的功用就是在发动机冷起动之后，向发动机供给热空气，这时即使供给的是稀混合气，热空气也能促使汽油充分汽化和燃烧，从而减少了CO和HC的排放，又改善了发动机低温运转性能。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。

图4-46所示的是神龙富康K2D型发动机的恒温进气系统，它主要由双金属片温度传感器5、真空阀3、真空管7、热空气进口1、冷空气进口2等组成。温度传感器感应进气温度，控制真空阀取自排气歧管上方的热空气或取自汽车前部的冷空气，真空管与化油器主腔节气门下方孔相通。

图4-46 恒温进气系统

1—热空气进口 2—冷空气进口 3—真空阀 4—空气滤清器 5—温度传感器 6—化油器进气口 7—真空管

2.二次空气喷射系统

（1）二次空气喷射系统的作用 二次空气喷射系统的作用是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进一步氧化或燃烧成为CO₂和H₂O。

（2）二次空气喷射系统的工作原理 图4-47所示为二次空气喷射系统构成及原理图。当发动机起动之后，电脑不使旁通线圈和分流线圈通电，于是这两个线圈同时把通向旁通阀和分流阀的真空隔断，这时空气泵送出的空气经旁通阀进入大气。这种状态称为起动工作状态，其持续时间的长短决定于发动机的温度。如果发动机温度很低，起动工作状态将持续较长时间。

图4-47 二次空气喷射系统

发动机在预热期间，电脑同时使旁通线圈和分流线圈通电。这时进气管真空度分别经旁通线圈和分流线圈传送到旁通阀和分流阀。空气泵送出的空气此时经旁通阀流入分流阀，再由分流阀流入空气分配管，最后由空气喷管喷入排气道。

当发动机在正常的冷却液温度下工作时，电脑只使旁通线圈通电而不使分流线圈通电，通向分流阀的真空度被分流线圈隔断。这时，空气泵送出的空气经旁通阀进入分流阀，再经分流阀进入氧化催化转换器。

3.废气再循环系统（EGR）

废气再循环是指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参加燃烧，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NO_x的生成量。排气再循环是净化排气中NO_x的主要方法。在新鲜的混合气中掺入废气之后，混合气的热值降低，致使发动机的有效功率下降。为了做到既能减少NO_x的排放，又能保持发动机的动力性，必须根据发动机运转的工况对再循环的废气量加以控制。NO_x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，NO_x生成量不多，为了保持发动机运转的稳定性，不进行废气再循环。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，也不进行废气再循环。

废气再循环程度用EGR率来表示：

EGR率=[EGR量/（进气量+EGR量）]×100%

根据控制形式不一样，常用的废气再循环系统可以分为开环控制的废气再循环控制系统和闭环控制的废气再循环控制系统。

（1）开环控制的废气再循环系统（图4-48）开环控制的废气再循环系统的EGR率只受ECU预先设置好的程序控制，ECR不检测发动机各工况下的EGR率，无反馈信号。其结构如图4-48所示，主要由EGR阀和EGR电磁阀等组成。

其工作原理如下：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真空通道中，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。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阀的真空通道被切断，EGR阀关闭，停止废气再循环。

（2）闭环控制的废气再循环系统（图4-49）闭环控制的废气再循环系统中，ECU以EGR率及EGR阀开度传感器作为反馈信号实现闭环控制，其控制精度更高。其机构如图4-49所示，与开环控制EGR相比，它在EGR阀的基础上设置了一个EGR阀开度传感器。

其工作原理如下：EGR率传感器安装在进气总管中的稳压箱上，新鲜空气经节气门进入稳压箱，参与再循环的废气经EGR电磁阀进入稳压箱，传感器检测稳压箱内气体中的氧浓度，并转换成电信号送给ECU，ECU根据此反馈信号修正EGR电磁阀的开度，使EGR率保持在最佳值。

图4-48 开环控制的废气再循环系统(www.xing528.com)

图4-49 闭环控制的废气再循环系统

4.曲轴箱强制通风装置（PCV）

曲轴箱强制通风装置的作用是防止曲轴箱气体排放到大气中。如图4-50所示，当发动机工作时，进气管真空度作用到PCV阀，此真空度还吸引新鲜空气经空气滤清器、滤网、空气软管进入气缸盖罩内，再由气缸盖和机体上的孔道进入曲轴箱。在曲轴箱内，新鲜空气与曲轴箱气体混合并经气-液分离器、PCV阀和曲轴箱气体软管进入进气管，最后经进气门进入燃烧室烧掉。被气-液分离器分离出来的液体返回曲轴箱。

图4-50 曲轴箱强制通风装置工作原理

5.汽油蒸气排放（EVAP）控制系统

（1）EVAP控制系统功能 收集汽油箱和浮子室内的汽油蒸气，并将汽油蒸气导入气缸参加燃烧，从而防止汽油蒸气直接排出而防止造成污染。同时，根据发动机工况，控制导入气缸参加燃烧的汽油蒸气量。

（2）EVAP控制系统的组成与工作原理 图4-51所示为EVAP控制系统结构及原理图。油箱的燃油蒸气通过单向阀进入活性炭罐上部，空气从炭罐下部进入清洁活性炭，在炭罐右上方有一定量排放小孔及受真空控制的排放控制阀，排放控制阀内部的真空度由炭罐控制电磁阀控制。

图4-51 EVAP控制系统

发动机工作时，ECU根据发动机转速、温度、空气流量等信号，控制炭罐电磁阀的开闭来控制排放控制阀上部的真空度，从而控制排放控制阀的开度。当排放控制阀打开时，燃油蒸气通过排放控制阀被吸入进气歧管。

在部分电控EVAP控制系统中，活性炭罐上不设真空控制阀，而将受ECU控制的电磁阀直接装在活性炭罐与进气管之间的吸气管中。图4-52所示为韩国现代轿车装用的电控EVAP控制系统。

图4-52 韩国现代轿车EVAP系统

6.催化转换器

在汽车上使用最广泛的催化转换器主要是三元催化转换器。在氧传感器功能良好的情况下，三元催化转换器可同时去除90%以上的三种主要污染物（HC、CO和NO_x）。其机构如图4-53所示，主要由金属外壳和涂有少量铂和铬（催化剂）的陶瓷栅组成，大多数转化器只有几克催化剂。

三元催化转换器的工作原理如图4-54所示，当含有CO和HC的废气通过三元催化转换器时，催化剂便触发氧化（燃烧）过程，HC和CO与转换器中的氧结合生成水蒸气和二氧化碳，氧化过程对NO_x排放没有影响。

图4-53 三元催化转换器的结构

图4-54 三元催化转换器的工作原理

1—预热式三元催化转换器（整体式） 2—前排气管 3—三元催化转换器

为了减少NO_x的含量，需要进行“还原”反应。还原反应是去掉物质中的氧原子。在三元催化转换器中，铑被用作催化剂，将NO_x分解为氮和氧，当温度为250℃左右时，污染物便会发生有效的转化。