内燃机排放.ppt

第一章当代世界环境问题 一 生态环境问题二 人口与环境问题三 能源 资源与环境问题四 水资源五 海洋环境问题六 大气环境问题七 噪声与辐射八 固体废物 第二章大气污染第一节大气污染的形成与危害 三 大气污染的危害大气污染是联合国公布的首要公害1 恶化空气质量2 危害动植物和人体健康3 影响工农业生产并造成经济财产损失四 主要的大气污染物一次污染物 PM CO HC NOx SOx CO2 氟氯烃和卤化物二次污染物 O3 酸性气溶胶 光化学烟雾1 微粒 PM particulatematter 成份 粉尘 碳烟 金属氧化物和无机盐 以及液态VOCs来源 工业燃烧 作业粉尘 汽车排放和少量生活排放 沙尘暴危害 降低可见度 影响气候 损害动植物和人体健康 第二章大气污染第一节大气污染的形成与危害 2 CO来源 主要是不完全燃烧危害 占城市大气污染物总量的1 3 对动物和人体有毒害3 HC来源 不完全燃烧和有机物蒸发危害 易产生光化学烟雾4 NOx来源 汽车和工厂排放危害 损害植物和设备 引起呼吸道疾病并产生光化学烟雾5 SOx来源 煤的燃烧危害 腐蚀性大 导致人体疾病和环境酸化6 CO2来源 燃料燃烧危害 全球变暖和温室效应 第二章大气污染第一节大气污染的形成与危害 7 酸性气溶胶 H2SO4 m H2O n HNO3 m H2O n形成 SOx与水分在阳光作用下反应并凝聚危害 酸性极强 严重破坏环境 并威胁动植物和人体健康导致的空气污染事故 伦敦烟雾事件 1892 8 光化学烟雾形成 HC与NOx在阳光作用下反应生成刺激性产物 主要是臭氧和醛类危害 引起各种人体疾病导致的空气污染事故 洛杉矶光化学烟雾 1946 第二章大气污染第二节全球性大气环境问题 一 全球变暖及对策6 控制全球变暖的对策1 调整能源战略 减少CO2排放提高能源效率 降低对化石燃料的依赖2 提高绿化率3 控制人口 限制毁林4 加强环境意识教育5 促进全球合作温室气体排放量占世界前10名的国家 1989 第二章大气污染第二节全球性大气环境问题 二 臭氧层破坏及对策6 拯救臭氧层1 使用CFCs等的替代品2 加强全球协作1985年3月22日 维也纳保护臭氧层公约 1987年9月16日加拿大蒙特利尔保护臭氧层国际大会1989年5月赫尔辛基宣言 2000年前废除CFCs世界上CFCs的使用情况 1985年估计1000吨 第二章大气污染第二节全球性大气环境问题 三 酸沉降及对策3 酸雨的危害1 对水生生态系统的影响 直接导致生物死亡或释放出环境中潜在的有害物质2 对陆生生态系统的影响 使土壤酸化贫瘠 激活重金属物质 加剧病虫害扩散3 对各种材料的影响 腐蚀建筑及设备4 对人体健康的影响4 酸雨的防治1 使用低硫燃料和改进燃烧装置2 烟道气脱硫脱硝3 控制汽车尾气排放4 经济投入 法规的建立与贯彻 全球性的合作 第二章大气污染总结 大气污染是全球面临的首要公害大气污染物主要来自人为的排放目前存在三个全球性大气环境问题全球变暖与温室效应臭氧层破坏酸沉降解决大气环境问题必须从两个方面入手具体的技术措施国际合作 第三章内燃机的排气污染物第二节汽车及内燃机排放标准 一 排放标准体系美国 欧洲和日本 各体系包括测试方法和排放限值 并且针对轻型汽车 含轿车 和重型发动机实行相应的测试方法和排放限值 二 排放污染物的计量单位1 浓度单位 ppm 10 6 ppb 10 9 mg m3 mg L2 质量单位1 按时间计量 g h2 按行驶里程 g km或g mile3 按试验规范计量 g 次4 按比排放量计量 g kw h g hp h3 微粒计量单位1 按质量或浓度计量2 烟度单位 波许烟度单位 RB或FSN 不透光度仪的光吸收系数m 1 第三章内燃机的排气污染物第二节汽车及内燃机排放标准 四 美国轻型汽车及重型车用发动机排放标准1 联邦轻型汽车排放标准测试循环 FTP FederalTestProcedure 高速公路标准测试循环 SFTP 追加联邦测试循环 另外提出CFV CleanFuelVehicle 标准美国联邦轻型汽车排放标准限值汽油车柴油车 NMHC 无甲烷碳氢化合物 NonMethaneHydroCarbon 第三章内燃机的排气污染物第二节汽车及内燃机排放标准 五 欧洲汽车及重型车用发动机排放标准1 轻型汽车排放标准测试循环 欧洲标准测试循环 郊外公路运转循环 EUDC 欧洲轻型汽车排放限值 g km 第三章内燃机的排气污染物第二节汽车及内燃机排放标准 五 欧洲汽车及重型车用发动机排放标准2 重型车用发动机排放标准测试循环 13工况标准测试循环 ECER49 欧洲稳态标准测试循环 ESC 瞬态测试循环 ETC 欧洲重型车用发动机排放限值 g kW h 1 适用于额定功率小于等于85kW的柴油机2 适用于单缸排量小于0 7升 额定转速大于3000r min的柴油机 第三章内燃机的排气污染物第二节汽车及内燃机排放标准 六 我国汽车排放标准 GB14761 1999 我国汽车排放标准沿用欧洲标准体系 目前实施EUROII标准 车辆设计乘员 含驾驶员 不超过6人 且车辆最大总质量不超过2500kg车辆设计乘员 含驾驶员 超过6人 或车辆最大总质量超过2500kg但不超过3500kg的M类车辆 第三章内燃机的排气污染物第二节汽车及内燃机排放标准 六 我国汽车排放标准 GB14761 1999 我国汽车排放标准沿用欧洲标准体系 目前实施EUROII标准 车辆设计乘员 含驾驶员 不超过6人 且车辆最大总质量不超过2500kg车辆设计乘员 含驾驶员 超过6人 或车辆最大总质量超过2500kg但不超过3500kg的M类车辆 第三章内燃机的排气污染物第二节汽车及内燃机排放标准 七 排放法规的完整内容排放试验规范车辆工况试验法美国LA 4CH冷热工况试验法 FTP 75 欧洲ECE15 EUDC工况试验法日本工况试验法发动机台架工况试验法汽油机9工况稳态试验法13工况稳态试验法美国重型车用柴油机瞬态工况试验法欧洲ESC稳态标准测试循环 ETC瞬态循环密闭室 SHED 蒸发物测定法柴油机烟度测试法稳态非稳态 自由加速法和控制加速法 怠速法 第三章内燃机的排气污染物第二节汽车及内燃机排放标准 七 排放法规的完整内容排放限值轻型车排放标准美国轻型车排放标准欧洲轻型车排放标准日本轻型车排放标准我国轻型车排放标准重型车用发动机排放标准美国重型车用发动机排放标准欧洲重型车用发动机排放标准日本重型车用发动机排放标准我国重型车用发动机排放标准 第三章内燃机的排气污染物第三节内燃机排放成分测试 常规内燃机排气测量的气样制备系统有两种 1 带冷凝脱水的气样制备系统2 加热的气样制备系统气样制备系统的主要部件 1 取样探头2 过滤器 去除不必要成分3 冷凝液分离器 分离影响测量结果的冷凝液4 取样泵 提供充足的气样输送量3 定容取样系统 CVS CVS取样测量 测量成分浓度 根据排气流量计算总排放量CVS取样测量由于以下原因无法准确测量非稳定工况 1 排气管的压力波动造成流量测量误差2 测量仪器的响应滞后3 气样输送过程中 各工况气样的部分混合造成的测量误差 CVS 3取样系统 第三章内燃机的排气污染物第三节内燃机排放成分测试 欧洲早期的取样方法将所有排气稀释后用气袋收集目前大多排气测量采用定容取样 CVS constantvolumesampling 定容取样 将内燃机的全部排气排入稀释通道中 和空气混合成流量恒定的稀释排气 并将其中的一定比例收集在气袋中 这样尽管排气流量不断变化 但稀释排气流量保持不变 在测试循环结束后 将测量气袋中各污染物成分的浓度 再乘上取样系统中流过的稀释排气总量 即得各成分的总排放量4 定容取样系统的分类 1 容积式泵 PDP PositiveDisplacementPump 2 临界流文丘里管 CFV CriticalFlowVenturi 在PDP系统抽气泵前加文丘里管 减小温度的对流量的影响 保持稀释排气的流量稳定 在许多场合可以免去换热器 容积式泵定容取样 第三章内燃机的排气污染物第三节内燃机排放成分测试 5 排气成分的分析方法物理分析方法 a 不分光红外分析仪法 CO CO2b 化学发光分析仪法 NOxc 氢火焰离子化分析仪法 HCd 顺磁分析仪法 O2e 气相色谱仪法f 质谱仪法化学分析方法 a 化学溶液法 将气样与试剂反应 通过测量溶液颜色 反应消耗量或进行称重间接测量气样 SO2 甲醛b 测试管测量法 便携易操作6 取样系统与分析仪的定期标定 不分光红外分析仪 化学发光分析仪 氢火焰离子化分析仪 原理 火焰是导电的 且导电的强弱和燃料种类有关 在分析仪中 待测气样与助燃气体氢混合燃烧 在缺氧的火焰中 HC分解出离子 这些离子在喷嘴和电极之间 两者之间有90 200V的电压 形成离子流 其强度与碳原子数量成正比 通过对离子流的测量可得碳原子浓度 顺磁分析仪 第三章内燃机的排气污染物第三节内燃机排放成分测试 三 排气微粒的测量与分析1 排气微粒的定义和特性美国环境保护局关于柴油机排气微粒的定义 稀释到51 7oC以下的柴油机排气流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时 被滤纸所过滤下来的所有物质 柴油机排气微粒的大小通常为0 01 0 3 m2 排气微粒的质量测量质量测量 将柴油机排气微粒收集在滤纸上 用高精度天平称得滤纸在收集微粒前后的质量差 可以得到微粒的质量 为准确再现微粒的排放特性 如质量和成分组成 柴油机排气必须经过稀释风道1 全流稀释通道测量系统2 分流稀释通道测量系统 重点在于等压取样头 第四章降低汽油机污染物排放的措施 主要内容 汽油机排气污染物的形成 CO HC NOx汽油机运转状态对排放的影响汽油机低排放设计的几个方面曲轴箱强制通风与燃油蒸发物控制混合气制备改善 化油器 PFI GDI点火系统的优化 双火花塞 结构参数优化 紧凑燃烧室设计 多气门技术 高压缩比 活塞组设计现代高效率和低排放汽油机技术措施可变气门技术稀燃与直喷EGR可变进气增压与可变压缩比 第四章降低汽油机污染物排放的措施第一节汽油机排气污染物的形成和影响因素 二 汽油机排气污染物的形成1 CO在缺氧区 1 易产生CO 燃烧时产生的部分CO在膨胀过程中发生水煤气反应氧化成CO2 在理论空燃比 1 和富氧区 1 少量CO来自CO2的分解 第四章降低汽油机污染物排放的措施第一节汽油机排气污染物的形成和影响因素 汽油机排气污染物的形成2 HC1 壁面冷激效应和缝隙效应导致火焰传播到壁面附近区域熄灭 形成HC2 膨胀过程中 气缸壁面上的油膜蒸发产生HC3 HC的再次氧化需要高温和氧气 因此过量空气系数 要适中 第四章降低汽油机污染物排放的措施第一节汽油机排气污染物的形成和影响因素 汽油机排气污染物的形成3 NOxNOx的形成需要三个条件 高温 富氧和较长的滞留时间 汽油机的NO2 NO只有2 5 柴油机的NO2 NO可达10 30 1 高温有利于N2的氧化反应形成NOx 但NOx的峰值不在温度最高的 0 95 而在微富氧区 1 1 2 高的氧浓度有利于NOx的氧化形成 但 太大 则温度较低3 NOx主要产生于高温的火焰锋面 尽管缸内的高温 NOx的形成反应还是慢的达不到化学平衡 因此NOx的浓度取决于反应速率 也即反应时间 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 降低汽油机排气污染物的排放 机内部分 要求以下几个主要方面的改进 1 曲轴箱排放物及蒸发排放物的控制2 精确的混合气制备3 气缸几何参数的优化4 工作过程的完善在实践中 各方面措施需结合起来运用曲轴箱排放物及蒸发排放物的控制1 曲轴箱排放物的控制1 曲轴箱排放物的形成2 曲轴箱强制通风装置原理窜气通过7进入进气管4 同时空气通过1和6进入曲轴箱保证真空度不致过大2 燃油蒸发排放物的控制活性炭罐及控制系统 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 二 汽油机混合气制备系统混合气制备系统分 1 化油器2 进气道汽油喷射3 缸内汽油喷射1 化油器1 利用喉口的负压将浮子室的燃油吸入进气道2 化油器难以对 实现精确控制以满足三效催化器的要求 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 3 化油器过量空气系数调节系统G KATG KAT与进气道喷射相比 没有价格优势 但可以解决化油器汽车排放问题 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 2 进气道汽油喷射 电喷 1 单点喷射或集中喷射2 多点喷射a 同步喷射b 分组喷射c 单独喷射3 缸内喷射 GDI 均质稀燃 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 三 汽油机的点火系统点火能量和点火定时对火焰传播有决定性影响 对燃油消耗和排放有很大的影响1 提高点火能量1 扩大混合气的点火界限 提高稀混合气条件下的运转能力2 可以提高汽油机的排气再循环 EGR 量 降低NOx排放3 提高部分负荷时的发动机效率2 点火定时的精确调节1 转速提高 为保证足够的燃烧时间 点火定时应适当提前2 低负荷时 过量空气系数较大 EGR量也较多 火焰传播较慢 点火定时也需要适当提前3 点火定时的提前导致循环最高温度的升高和NOx排放增加 并且使排气温度降低 不利于HC的后氧化 增加HC排放量4 爆震控制5 电子点火定时调节器能综合考虑各种因素 比机械式定时调节更容易实现点火定时的优化 点火定时的影响 点火提前 排气温度降低 HC的后氧化不足 排放增加 火花塞位置的影响 多气门中置两气门偏置 火花塞中置 缩短了火焰传播距离 降低爆震的危险 使得压缩比可以设计的较高 降低油耗 另多气门设计使得燃烧室比较紧凑 减小导致火焰熄灭的冷激表面 降低HC排放 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 四 汽油机结构参数燃烧室形状 压缩比 气门布置和火花塞位置 活塞组设计1 燃烧室形状燃烧室的设计通常是经验性的 或者利用计算机进行一定的模拟以验证构思 但有一般性的原则可遵循1 结构紧凑 尽可能小的燃烧室表面 热散失和冷激效应减小2 尽可能短的火焰传播距离燃烧快速 效率高 但由于最高燃烧温度上升 不利于降低NOx排放 快速燃烧 推迟点火和EGR结合仍然能保证较低的NOx排放3 避免高温部件处于火焰传播的终点 火花塞尽量安置在排气门附近 缩短火焰传播的距离4 燃烧室内应具有强烈的气流运动 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 四 汽油机结构参数燃烧室形状 压缩比 气门布置和火花塞位置 活塞组设计2 压缩比1 压缩比提高有利于提高油耗和功率指标2 压缩比提高对排放不利高压缩比要求较扁平的燃烧室 S V增大 HC排放增加 另高压缩比提高了最高燃烧温度 导致NOx排放的增加传统汽油机根据发生爆震的工况选择压缩比 不利于对压缩比进行优化 现代汽油机则选择高压缩比 通过电控点火对高压缩比汽油机在性能和排放方面进行最佳优化 3 长行程有利于降低燃油消耗和HC排放 但NOx排放的增加4 大缸径的面容比小 相对散热面积小 燃油消耗和HC排放较低 但NOx排放的增加 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 四 汽油机结构参数3 多气门1 多气门有利于减小泵气损失 增加充气系数 提高效率和降低排放2 火花塞中置 缩短火焰传播路径 加速燃烧过程3 低速运行时 关闭进气门之一 加强进气涡流 改善燃烧4 活塞组设计减小活塞 活塞环与缸壁之间的间隙 使火焰不致进入间隙而熄灭 从而大为减少HC排放 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 气流组织与多气门技术柴油机混合气的形成主要通过两个方面来实现 1 燃油喷射2 气流组织柴油机气流组织存在下列两者之间的矛盾1 保证合适的涡流强度2 增加进气量多气门和可变气门 VVT 技术解决了两者矛盾 多气门技术具有以下的优点 1 扩大了进气门的截面 提高功率2 喷油嘴中心布置 有利于燃油的均匀分布3 通过关闭部分通道以形成和柴油机转速相适应的进气涡流强度 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 五 现代汽油机新技术现代汽油机技术要求 1 提高效率2 低排放3 高性能 动力性 安全可靠性和舒适性 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 五 现代汽油机新技术与柴油机相比 汽油机在部分负荷时的效率有较大的差距 这主要是由于节气们的作用 负压进气造成较大的换气损失 车用汽油机在实际工作中 大多运行在部分负荷状态 排放指标的测试循环也主要在部分负荷 因此现代汽油机必须提高部分负荷时的各项性能在降低排放的前提下 提高汽油机的效率目前有两大途径 1 减少换气损失2 将汽油机的工况点移向高负荷区1 减少换气损失1 改善换气控制 可变气门机构传统的汽油机只有一个固定的气门定时和升程规律 只有在一定的运转范围内性能良好 在其它运转状态 汽油机的性能没有得到最佳发挥 气门定时与升程规律 即进排气的启闭与开启大小 汽油机的换气过程 充气量 EGR以及进气涡流强度 汽油机的油耗 扭矩和功率 排气污染物以及驱动性能 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 可变气门机构的作用 a 优化配气正时和升程规律 保证汽油机全工况的最优性能b 通过进排气门的重叠开启 实现内部EGR 降低NOx排放c 与多气门技术结合 改善充气效果和进气旋流d 结合电喷技术 容易实现关闭部分气缸和工况点转移e 对于配气正时和升程规律可自由改变的全可变气门机构 可取消节气门 减小换气损失 也易于与涡轮增压器配合可变气门的实现 1 凸轮驱动 多维凸轮 双凸轮 可变凸轮相位 可变摇臂及挺杆 实例 本田 高转速时启用高速凸轮 低速时用地速凸轮 特点 简单但控制自由度小2 无凸轮驱动 电磁 电液 电气 实例 德国FEV 特点 对性能的改善效果更好 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 德国FEV发动机技术公司的全可变气门电磁控制机构 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 2 稀燃汽油机和直喷式汽油机 GDI 化油器 PFI portfuelinjection GDI gasolinedirectinjection PFI存在的问题 1 冷启动油气混合不足 HC排放高2 中低负荷时仍然用理论空燃比 不利于经济性的改善3 进气管中节气门存在仍然导致泵气损失 即使使用可变气门机构 由于燃油从壁面吸热 混合气温度较高 充量系数相对较低GDI可以在这几个方面弥补PFI的不足 而且由于混合气温度较低 爆燃可能性降低 压缩比可以设计比PFI提高1 2 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 2 稀燃汽油机和直喷式汽油机 GDI 稀燃汽油机和直喷式汽油机的概念和提出 具有相似内容的两个概念后者是前者的理想形式 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 2 稀燃汽油机和直喷式汽油机 GDI GDI混合气生成特点 a 部分负荷时 在压缩冲程后期喷油 生成分层混合气 A F在25 40或更大b 高负荷时 在进气冲程早期喷油 生成均质混合气 A F在20 25或更小GDI的优点 a 发动机的燃油经济性有很大提高 部分负荷时的经济性高达30 35 一般为20 b 瞬态工况改善 可降低对加速加浓的要求c 能快速启动 1 2循环即可 并可改善冷启动时的油气混和不足状况 无需过量供油 降低HC排放d 某些排放指标改善 冷启动HC排放 CO2排放GDI的实现 部分负荷时的过稀混合气容易导致点火困难和燃烧不良 通常通过混合气的分层 stratified 混合来实现 将混合气分成浓区和稀区 总体上为稀混合气 浓混合气在火花塞附近形成和流动 保证正常点火 点火后利用气流运动将浓混合气与稀混合气混合燃烧 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 2 稀燃汽油机和直喷式汽油机 GDI 混合气分层的方式 a 油束直射 浓混合气的输送主要利用油束的喷射优点 点火稳定 稀燃能力强缺点 火花塞寿命降低 气门的安置困难b 室壁引流 混和气的输送依靠燃烧室壁的形状和气流运动优点 有利于缸盖的设计缺点 对燃油喷射 气流运动和活塞顶形状的配合要求高 燃烧室面容比较大 HC排放较多c 气流引流优点 燃烧室紧凑 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 2 稀燃汽油机和直喷式汽油机 GDI GDI目前面临的问题 a 在所要求的运行范围内控制燃烧室内混合气实现理想的分层十分困难 分层燃烧对汽油蒸气在缸内的分布要求很高 通常喷油时刻 点火时刻 空气流动 喷雾特性和燃烧室形状必须控制得十分严格 否则很容易发生燃烧不稳定和失火b 因为喷油器在缸内 且喷油压力比柴油机低 喷孔没有自洁作用 很容易结垢影响喷雾特性和喷油量c 低负荷时HC排放较高 高负荷时NOx排放高 三效催化器不能应用GDI的排放 a HC排放冷启动排放降低 但低负荷和部分负荷时的排放较高 这是因为火焰从浓区向稀区传播中易熄灭 较高压缩比条件下 狭缝中混合气增加 EGR应用 较低的排气温度 HC后氧化不足 这是GDI存在的一个问题 通常应用氧化催化后处理器解决 b NOx排放虽然较多的工作在稀混条件下 但由于局部浓区存在 放热率峰值高 NOx排放与PFI大致相当 三效催化器在稀燃条件下对NOx失效稀燃条件下 EGR量提高 达40 NOx排放下降高达90 但仍然不能在运行范围内满足北美排放法规的要求 要依靠DENOx后处理系统的应用 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 2 稀燃汽油机和直喷式汽油机 GDI 均质混合气GDI的提出 针对分层混合气GDI的问题 a 理想分层难以实现b NOx排放仍高 且后处理困难Ford提出直喷均匀燃烧汽油机 DISI 为满足ULEV DISI分两步 第一步 实现化学当量空燃比的均质混合燃烧以保证三效催化器仍可应用第二步 等DENOx技术成熟 实现完全的均质稀燃 并配合可变气门技术 VVT 汽油机的工作过程柴油机化 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 3 排气再循环 EGR EGR将部分排气引入进气以提高混合气的废气成分 降低NOx排放 EGR量为总进气量的5 20 NOx排放降低50 70 EGR量过大会造成HC和CO排放增加EGR控制要点 NOx排放量随负荷增加而增加 EGR量也应随负荷增加而增加暖机过程中 冷却液与进气温度均较低 NOx排放量不大 为保证燃烧的稳定性 一般冷却液温度低于50oC时不进行EGR怠速与小负荷运行时 NOx排放量不大 也不进行EGR接近全负荷时 为保证足够的动力性能 即使NOx排放量很高 也不进行EGR为实现EGR的最佳效果 要保证再循环的排气在各缸的之间的均匀分配 EGR降低NOx排放的原理 a 提高混合气的热容量 废气的热容量较高 如CO2的热容量是O2的1 5倍b 降低混合气中的氧浓度c 降低燃烧速率EGR的分类 a 内部EGR 利用进排气门的重叠开启 使部分排气流回气缸b 外部EGR 将部分冷却的废气引入进气道与进气混合 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 柴油机的排气再循环 EGR 冷EGR 减少进气损失 降低EGR所导致的碳烟排放的恶化 柴油机EGR的特点 柴油机排气含氧量较高 EGR量也较大 汽油机最大达20 柴油机可达60 为提高EGR量 柴油机的进气管上加上节气门 以便低负荷时通过进气节流 增大排气管对进气管的压力差对增压柴油机 会出现增压压力大于排气压力 须在EGR阀前加单向阀 以便于利用排气脉冲实现EGR 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 排气再循环 EGR 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 2 转移汽油机工况点1 改善外特性 减小排量减小排量在一定程度上减少排放 但减小排量必须改善外特性以保证动力性2 关闭部分气缸减小换气损失 提高效率 并保证三效催化器对 的要求以减小排放改善外特性的有效方法为增加进气量 这方面的努力有 可变进气增压和可变压缩比 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 可变进气系统a 波动充气 利用气体压力波的特性 在进气过程的末期 使缸内气体压力升高 增加进气量良好的充气效率与进气管长度的选择及转速有关 一般地 高转速时要求较短的进气道 低转速时要求较长的进气道 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 可变进气系统a 波动充气 利用气体压力波的特性 在进气过程的末期 使缸内气体压力升高 增加进气量良好的充气效率与进气管长度的选择及转速有关 一般地 高转速时要求较短的进气道 低转速时要求较长的进气道 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 可变进气系统b 谐振充气 通过使进气波动频率与进气系统的自振频率相等 以取得较好的充气效率PorscheCarrera3 6LV6Porsche928S4BWMM5Peugeot6054V谐振充气和波动充气可以结合 第四章降低汽油机污染物排放的措施第二节汽油机低排放设计和工作过程的改善 增压和可变压缩比1 增压是减小发动机排量 降低部分负荷时油耗的有效方法 汽油机的转速变化范围大 1000 7000rpm 增压器匹配困难 需采用电控可变喷嘴涡轮增压器 2 压缩比越高 热效率越高 但压缩比高爆震的发生可能性越高 一般的 部分负荷时提高压缩比以提高效率 高负荷时相应地降低压缩比以避免爆震 第五章降低柴油机污染物排放的措施 主要内容 柴油机排气污染物的形成 CO HC NOx PM 后两者是重点 柴油机运转状态对排放的影响柴油机低排放技术燃烧方式的影响 间喷与直喷 后者应用将更广泛 高压电控喷射 喷油定时 喷油量及喷油率的精确控制分配泵直列泵泵喷嘴单体泵共轨多气门与气流组织小孔径多孔喷嘴 双弹簧 无压力室 EGRHCCI增压 第五章降低柴油机污染物排放的措施第一节柴油排气污染物的形成和影响因素 柴油机排气污染物的形成COCO的排气浓度一般很低 尽管存在局部的缺氧区 但 的平均值大于1 有足够的氧对已形成的CO进行后期的氧化 只有在接近冒烟的界限时 才有较多的CO排出HCHC主要产生于过稀的混合气 高负荷时 1 3 HC形成很少 部分负荷时 扩散燃烧的区域里 空燃比接近理论空燃比 HC形成仍然很少 壁面冷激效应产生的HC 也可以及时与空气混合氧化掉 总的来说 柴油机排气中HC浓度较低 只是在冷启动阶段排放较高 第五章降低柴油机污染物排放的措施第一节柴油排气污染物的形成和影响因素 柴油机排气污染物的形成NOx通常认为柴油机的NOx大多在扩散火焰的锋面形成 火焰区域的高温和 有利于NOx的形成 另外提前喷油也有利于NOx产生 因为燃烧更充分 温度较高 间喷比直喷NOx浓度低一半PM 碳烟 sootCx 高温和缺氧对碳烟的形成十分有利 压力仅对碳烟形成的数量影响很大 压力增加 碳烟的数量浓度也增加 尽管柴油机总体上是富氧燃烧 但由于混合气的不均匀 仍然存在局部的缺氧区 柴油机的主要排放污染物为PM和NOx 两者在机内控制方面存在一定的矛盾 第五章降低柴油机污染物排放的措施第一节柴油排气污染物的形成和影响因素 三 柴油机燃烧过程对排放的影响滞燃期 喷油始 燃烧始 越长 以及本期内喷入的油量越多会导致速燃期内的预混合燃烧过强 压力升高率过大 燃烧噪声大速燃期 燃烧始 近最大压力 为预混合燃烧 本期内压力升高率较大 受滞燃期影响很大 NOx在预混燃烧火焰锋面形成缓燃期 压力剧升终点 最高温度 为扩散燃烧 NOx在扩散燃烧火焰锋面形成 温度高容易生成NOx后燃期对排放影响很大 容易生成不完全燃烧产物 所以应尽量缩短 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 2 直喷式柴油机燃油喷射系统优化对于小型高速直喷式柴油机 其混合气形成和燃烧有如下要求 1 在滞燃期内 喷入气缸的燃油量尽可能少 以免过多的燃油同时燃烧 引起过高的压力升高和燃烧噪声2 在燃烧前期 喷入气缸的燃油量要适当 以控制碳烟和NOx的形成以及过高的燃烧噪声3 在燃烧后期 喷入气缸的燃油要能很好地与空气混合 这要求很高的喷射压力或良好的气流运动 使得在很短的时间内实现良好的混合 4 在喷射结束后 剩余的空气和燃气仍能强烈混合 促使碳烟的氧化基于这些要求 直喷式燃油喷射系统的发展有如下趋势 1 喷射压力提高 尤其在低速时2 喷油嘴喷孔数增多 孔径减小3 可变的燃油喷射率 如预喷射等4 根据工况优化供油定时 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 柴油机的燃油喷射系统柴油机的燃油喷射系统的分类 转子分配泵高转速轿车和轻型汽车用柴油机 机械或电子调节直列柱塞泵转速较低的重型车用柴油机 机械或电子调节高压油管的物理特性限制了喷射压力的提高 并且油管内的压力波影响喷油特性单体泵重型车用柴油机 电子调节每个气缸配一个高压泵 高压油管长度介于直列柱塞泵和泵喷嘴之间刚度要求不像泵喷嘴那么高 缸盖空间的占用与传统机构相当泵喷嘴轻型和重型车用柴油机 电子调节无油管 喷射压力可以设计很高 并缩短喷射时间对机械机构刚度要求高 对电磁阀要求高 喷油压力难以进一步提高缸盖占用空间大 气门布置困难共轨系统轻型和重型车用柴油机 电子调节 同轴可变喷嘴与增压 共用高压油腔 喷油压力不受转速影响 参数控制自由 对缸盖和机体更改不大提高低速扭矩 降低燃烧噪声 高压泵结构简单 系统安装自由应用潜力巨大 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 柴油机的燃油喷射系统提高喷油压力提高喷油压力有助于油气的混合 对小型高速柴油机 配以一定强度的进气涡流可加强油膜的蒸发和混合 碳烟形成大为降低 而且提高喷油压力有助于提高燃烧速率 使得NOx没有明显地增加优化燃油喷射率喷油嘴小孔径多孔喷嘴 合适的偏心量和倾斜角以配合燃烧室无压力室VCO valveclosedorifice 喷嘴双弹簧喷嘴可以实现先缓后急的 靴形喷油率喷油定时采用电子精确调节 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 柴油机的燃油喷射系统柴油机的电控燃油喷射系统的三代历史 凸轮压油 位置控制机械调速器与提前器换成电子控制喷油量控制 由齿杆或溢油环的位置进行控制喷油时间控制 由发动机驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制代表产品 电控分配泵和电控直列泵凸轮压油 电磁阀时间控制喷油量 喷油时间以及喷油率由高速电磁阀进行时间控制代表产品 电控单体泵和泵喷嘴燃油蓄压 电磁阀时间控制燃油升压机构独立可调喷油压力 喷油量 喷油时间以及喷油率由高速电磁阀进行时间控制 控制自由度更大 代表产品 共轨系统 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 柴油机的燃油喷射系统提高喷油压力提高喷油压力有助于油气的混合 对小型高速柴油机 配以一定强度的进气涡流可加强油膜的蒸发和混合 碳烟形成大为降低 而且提高喷油压力有助于提高燃烧速率 使得NOx没有明显地增加优化燃油喷射率喷油嘴小孔径多孔喷嘴 合适的偏心量和倾斜角以配合燃烧室无压力室VCO valveclosedorifice 喷嘴双弹簧喷嘴可以实现先缓后急的 靴形喷油率喷油定时采用电子精确调节 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 六 柴油机的新燃烧方式均质充量压缩燃烧 HCCI homogeneouschargecompressionignition 的提出通过预混稀薄燃烧使得PM和NOx大为降低 日本ACE研究所的PREDIC NISSAN的MK Mitsubishi的PCI 丰田UNIBUS 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 六 柴油机的新燃烧方式2 HCCI目标 均一混合气 避免形成局部高温 避免形成局部浓混 多点点火 稀薄燃烧 降低NOx 降低Soot 降低油耗 1 2 3 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 六 柴油机的新燃烧方式3 HCCI的排放特性预混燃烧避免NOx在扩散火焰锋面形成 另外稀薄混合气大大降低燃烧温度 使NOx的排放大为降低 降幅达98 同时由于不存在局部的浓混合区 碳烟微粒排放也有较大幅度的降低 可比普通柴油机降低27 但由于壁面冷激和狭缝效应 HC排放较高 第五章降低柴油机污染物排放的措施第二节柴油机低排放设计和工作过程的改善 六 柴油机的新燃烧方式目前HCCI存在的问题1 空燃比的选择范围受到失火 过稀混合气 和敲缸 过浓混合气 的限制 发动机运转范围有限 2 为了限制早燃和敲缸 10 11 热效率不高 另外高进气温度也导致油耗的增加 3 较高的HC排放 虽然可以通过氧化催化转化器降低排放 但也意味着效率的降低 第六章内燃机排气后处理技术 主要内容 汽油机的排气后处理排气热反应器氧化催化转化器缺氧双床催化转化器富氧双床催化转化器三元催化转化器NOx吸附催化转化器冷启动时转化器的效率提高柴油机的排气后处理微粒捕集器氧化催化转化器还原催化转化器车载排放诊断系统 第六章内燃机排气后处理技术第一节汽油机的排气后处理技术 排气催化转化器氧化催化转化器在稀混合气条件下 将排气中CO和HC快速氧化成H2O和CO2在浓混合气条件下 需要输入二次空气对NOx不起作用三效催化转化器 TWC threewaycatalyst TWC可以同时降低CO HC NOx1 CO和HC的氧化反应 第六章内燃机排气后处理技术第一节汽油机的排气后处理技术 排气催化转化器三效催化转化器 TWC threewaycatalyst TWC可以同时降低CO HC NOx2 NO的还原反应 3 其他反应 第六章内燃机排气后处理技术第一节汽油机的排气后处理技术 排气催化转化器三效催化转化器 TWC threewaycatalyst 3 中NH3的形成应通过催化材料的选择加以避免CO和HC在总的反应作为还原剂 NOx作为氧化剂所有反应只能在 1时才能同步进行 空气过量时 CO和HC先和氧反应 NOx的还原反应将不能进行 空气不足时 CO和HC不能被完全氧化TWC效率与温度也有较大关系 TWC的效率与温度 第六章内燃机排气后处理技术第一节汽油