第4章 汽油机机内净化技术

2020年5月27日,发动机排放污染及控制,主讲人龚金科等,课程内容,4.1概述,汽油机机内净化技术用汽,第4章汽油机机内净化技术,4.2汽油喷射电控系统,4.3低排放燃烧系统,4.5增压技术,4.4废气再循环,第4章汽油机机内净化技术,4.6汽油机均质压燃技术,4.7可变气门正时技术,4.8多气门技术,概述：主要内容,第4章汽油机机内净化技术,4.1概述,机内净化,第4章汽油机机内净化技术,机内净化：从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。,机内净化被公认为是治理车用汽油机排放污染的治本措施。,按燃烧过程的物理化学状态，分为三个阶段：着火延迟期、明显燃烧期、补燃期,汽油机的燃烧过程,第4章汽油机机内净化技术,汽油车主要排放污染物,第4章汽油机机内净化技术,汽油机机内净化的主要措施,大力推广汽油喷射电控系统。,改善点火系统。,开发分层充气及均质稀燃的新型燃烧系统。,改进进气机构和燃烧室结构。,采用废气再循环控制。,第4章汽油机机内净化技术,4.2汽油喷射电控系统,汽油喷射电控系统概述,利用各种传感器检测发动机各种状态，经微机的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。,第4章汽油机机内净化技术,汽油喷射电控系统概述,第4章汽油机机内净化技术,与化油器式发动机相比：（1）采用ECU来控制每循环的喷油量和喷油时刻。（2）每缸采用单独喷油器供油，这样，可以提高各缸空燃比的均匀性和喷油量的精确性。（3）燃油雾化特性是由喷油器的特性决定的，与汽油机的转速无关。（4）进气系统中没有化油器喉管的节流作用，减少了进气系统的阻力损失，充气效率高。,汽油喷射电控系统分类,第4章汽油机机内净化技术,1-电动燃油泵2-燃油滤清器3-压力调节器4-喷油器5-空气流量计6-水温传感器7-怠速旁通空气阀8-节气门位置传感器9-氧传感器10-电子控制单元,1）LJetronic系统,典型汽油喷射电控系统,第4章汽油机机内净化技术,1-电动燃油泵2-燃油滤清器3a-节气门位置传感器3b-压力调节器3c-喷油器3d-进气温度传感器连接柱塞3e-节气门怠速控制器4-发动机温度传感器5-氧传感器6-电子控制单元,2）Motronic系统,典型汽油喷射电控系统,第4章汽油机机内净化技术,喷油控制,喷油控制是发动机ECU的主要控制功能，它包括喷油时刻控制和喷油量控制。,1.喷油时刻的控制,ECU以曲轴转角传感器的信号为依据进行喷油时刻的控制。喷油时刻控制方式：同时喷射、分组喷射和顺序喷射。,喷油的控制,2.喷油量的控制,使发动机燃烧混合气的空燃比符合各工况的需要。,第4章汽油机机内净化技术,起动喷油控制,起动时，空气流量计不能精确检测，ECU按预先设定的起动程序来进行喷油控制。,运转喷油控制,发动机运转时，ECU根据进气量和发动机转速计算喷油量。,喷油控制,第4章汽油机机内净化技术,喷油控制,超速断油控制发动机转速超过允许最高转速时，ECU自动中断喷油，减少有害物排放。减速断油控制控制急减速时有害物的排放，减少燃油消耗量，促使发动机转速尽快下降，有利于汽车减速。,断油控制,第4章汽油机机内净化技术,喷油控制,反馈控制,第4章汽油机机内净化技术,排气管上氧传感器,氧含量,空燃比,ECU,与设定空燃比值比较,修正喷油量,喷油量保持设定值附近,喷油控制对排放的影响,1）氧传感器及三效催化转化器闭环控制,汽油机的空燃比接近理论空燃比时，三效催化器的转化率最高，这需要通过氧传感器闭环控制来实现的,第4章汽油机机内净化技术,喷油控制对排放的影响,2）冷起动及暖机阶段排放控制,暖机阶段：不要提供太浓的混合气。,冷起动阶段：对开环控制的空燃比进行精确标定，保障不过量供油。混合气浓度一般要低于化油器式发动机。,第4章汽油机机内净化技术,点火系统的控制,目的：使发动机在各种工况下都能调整至最佳点火时刻，令发动机在动力性、经济性、加速性和排放均达到最优。,第4章汽油机机内净化技术,点火系统的控制,第4章汽油机机内净化技术,点火系统的控制,火花质量和点火正时对排放产生影响：1）火花质量决定点燃混合气的能力。火花越弱，出现失火的机会就越多，而失火将会生成大量的未燃HC。,第4章汽油机机内净化技术,点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响,第4章汽油机机内净化技术,点火系统的控制,2）点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响。,怠速控制,1.怠速自动控制系统怠速转速控制的实质是对怠速时充气量的控制。,第4章汽油机机内净化技术,发动机怠速运转时，节气门全闭，节气门位置传感器内的怠速开关触点闭合，ECU根据这一信号，开始进行怠速自动控制。,怠速排放控制,第4章汽油机机内净化技术,2怠速排放控制,怠速工况是汽油机HC、CO排放浓度很高的工况。不过，由于燃烧温度很低，怠速时NOx的排放很少。主要原因：燃烧组织不良，燃烧完全程度是影响HC和CO生成的最直接因素。根本措施：在于改善其燃烧过程。,怠速转速控制,汽油机在怠速工况下降低HC和CO排放的方法：,提高怠速转速提高怠速转速可使混合气形成和燃烧均获得改善，可燃混合气在进气管中的移动速度增加、充气效率提高、残余废气的稀释度减少。,第4章汽油机机内净化技术,高能点火对HC排放的作用,高能点火和普通点火对HC排放的影响,降低了混合气较稀时的失火概率，使发动机可燃用稍稀的混合气，从而减小了HC的排放。,第4章汽油机机内净化技术,提高了燃烧速率、减小了循环变动；,气门重叠角对HC排放的作用,增大气门间隙，减小气门重叠角，HC下降。气门重叠角越大，进入气缸的废气量就越多，HC排放就越多。气门间隙越大，HC、CO排放浓度越低。,气门间隙对HC和CO排放的影响,第4章汽油机机内净化技术,缸内直接喷射,与一般汽油发动机的主要区别：,第4章汽油机机内净化技术,汽油喷射的位置不同，喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷射在燃烧室内。,直喷式发动机,缸内空气流动纵向涡流即滚流。弯曲顶面活塞利用活塞顶凸起形状，增强了滚流强度。,第4章汽油机机内净化技术,虽然混合比达到40:1，但聚集在火花塞周围的混合气却很浓，很容易点火燃烧。,缸内直接喷射汽油机存在的问题,第4章汽油机机内净化技术,缸内直接喷射式汽油机的排放对策,二阶段混合进气冲程开始时第一次喷油，在缸内生成很稀的均质混合气，第二次喷射在压缩上止点前，在气缸滚流和活塞顶形状的帮助下产生分层混合气，然后点火燃烧。,第4章汽油机机内净化技术,缸内直接喷射式汽油机的排放对策,二阶段燃烧,目的：改善冷起动和小负荷运行时的HC和CO的排放。,第4章汽油机机内净化技术,辅助喷射燃烧首先使催化剂加热，然后使CO燃烧产生较高温度，再使HC燃烧。,二冲程缸内直喷稀燃发动机,概念：喷油器用压缩空气辅助喷射的缸内直喷式二冲程发动机。,第4章汽油机机内净化技术,特点：经曲轴箱扫气进入气缸的是空气，汽油在喷油器中与少量空气混合后，以0.62MPa的压力喷入气缸，喷雾粒度平均达到5m。,4.3低排放系统,稀薄燃烧系统,混合气较稀时，绝热指数K反而增大。从理论上讲，混合气越稀，K值越大，热效率也越大。在发动机不使其失火的前提下，应尽可能进行稀薄燃烧。,第4章汽油机机内净化技术,稀薄燃烧就是使过量空气系数从1左右提高到远远超过1.1的水平。,稀薄燃烧系统,第4章汽油机机内净化技术,1稀薄燃烧对排放的影响,CO：在过量空气系数1的某一范围内，CO的含量可以得到有效控制。HC：在实际空燃比稍大于理论空燃比的情况下，尾气中未燃HC的含量较少，但是当空燃比小于或大大超过理论空燃比的时候，未燃HC的排放量就会提高。,稀薄燃烧系统,1稀薄燃烧对排放的影响,NOX：理论空燃比某处右侧，排放量最多，燃料浓，氧含量少；燃料稀，最高燃烧温度下降,实现稀燃的具体措施,第4章汽油机机内净化技术,分层燃烧系统,分层燃烧的目的,合理地组织气缸内混合气分布，使在火花塞周围有较浓的混合气，而在燃烧室内的大部分区域具有很稀的混合气，以确保正常点火和燃烧，同时也扩展了稀燃失火极限，并可提高经济性，减少排放。,第4章汽油机机内净化技术,复合涡流受控燃烧系统,该发动机拥有两个化油器或两套进气管喷射装置，所以可以分别提供不同过量空气系数的混合气给主、副室的进气系统。,第4章汽油机机内净化技术,轴向分层燃烧系统,1-火花塞；2-气缸；3-活塞；4-导气屏进气门；5-喷油器,燃料在涡流作用下，沿气缸轴向产生上浓下稀的分层。,第4章汽油机机内净化技术,滚流（纵涡）分层稀燃系统,在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线方向旋转的有组织的空气旋流，称为滚流，也称为纵涡或横向涡流。滚流在压缩过程中逐渐被压扁，在上止点附近破碎成许多小尺寸的涡流和湍流，可大大改善混合气燃烧过程。,第4章汽油机机内净化技术,高压缩比燃烧系统,燃料辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比，以获得较好的功率和油耗指标。一味提高压缩比对排气净化不利。电控点火系统的采用使精确控制点火定时成为可能，为高压缩比点燃机在性能与排放方面得到更好的折中可提供很大的潜力。,第4章汽油机机内净化技术,4.4废气再循环,废气再循环的工作原理,废气再循环技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧。,第4章汽油机机内净化技术,废气再循环,废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：,第4章汽油机机内净化技术,EGR系统的控制要求,第4章汽油机机内净化技术,内部废气再循环,发动机排气经过EGR阀进入进气歧管，与新鲜混合气混合在一起的方式称为外部EGR。EGR的这种效果也可以通过不充分排气以增大滞留于缸内的废气量来实现，称为内部EGR。,第4章汽油机机内净化技术,EGR率对汽油机净化与性能的影响,废气再循环能有效地降低汽油发动机的NOx排放,但进行EGR时必须要考虑其对发动机动力性、经济性的影响。通常将EGR率控制在10%20%范围内较合适。,冷却EGR技术,再循环废气经冷却器冷却后再送入进气端，进一步降低进气温度，更有利于降低NOx排放，同时改善燃油经济性。,第4章汽油机机内净化技术,4.5增压技术,增压技术,所谓增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。,第4章汽油机机内净化技术,增压技术,几种增压方式的工作示意图如下图所示,（a）机械增压；（b）涡轮增压；（c）气波增压；（d）复合增压E发动机；C压气机；T涡轮机,第4章汽油机机内净化技术,废气涡轮增压器,废气涡轮增压器的工作原理,径流式废气涡轮增压器结构图,第4章汽油机机内净化技术,离心式气压机,离心式压气机简图1-进气道2-工作轮3-扩压器4-蜗壳,离心式压气机工作原理,第4章汽油机机内净化技术,涡轮增压技术,涡轮增压系统,（a)定压系统；（b)脉冲系统,第4章汽油机机内净化技术,增压对排放的影响,第4章汽油机机内净化技术,增压对排放的影响,第4章汽油机机内净化技术,4.6汽油机均质压燃技术,第4章汽油机机内净化技术,HCCI与传统发动机的区别,第4章汽油机机内净化技术,HCCI混合气形成,HCCI汽油发动机在均质混合气的形成过程中可以通过两种汽油喷射形式来形成均质混合气。一种是进气管内汽油喷射，包括单点喷射和多点喷射；另一种是缸内直喷。,第4章汽油机机内净化技术,均质压燃汽油机的燃烧特性,第4章汽油机机内净化技术,燃烧特性,均质压燃汽油机的排放性能,第4章汽油机机内净化技术,均质压燃汽油机的技术难点,第4章汽油机机内净化技术,4.7可变气门正时技术,可变配气机构分类,第4章汽油机机内净化技术,可变配气机构,基于凸轮轴的VVT机构,无凸轮轴的VVT机构,可变凸轮相位,可变凸轮型线,机械式,电磁式,可变凸轮从动件,电气式,电液式,液压式,可变正时技术工作原理,第4章汽油机机内净化技术,阿尔法罗密欧汽车TWINSPANK,可变正时技术工作原理,第4章汽油机机内净化技术,丰田智能型可变气门正时机构（VVT-i）,可变气门正时对汽油机净化与性能的影响,第4章汽油机机内净化技术,对CO排放的影响,对HC排放的影响,对NOX排放的影响,VVT的不同实现方式对排放性能的影响,第4章汽油机机内净化技术,进气凸轮相位连续可变,图4-42进气凸轮连续可变相位调节示意图,VVT的不同实现方式对排放性能的影响,第4章汽油机机内净化技术,排气凸轮相位连续可变,图4-43排气凸轮相位连续可变调节示意图,通过内部EGR来降低排放,VVT的不同实现方式对排放性能的影响,第4章汽油机机内净化技术,进排气等相位调节,图4-44进排气等相位调节示意图,VVT的不同实现方式对排放性能的影响,第4章汽油机机内净化技术,进排气独立相位调节,图4-45进排气等相位独立调节示意图,4.8多气门技术,多气门,三气门,四气门,五气门,由于发动机转速的提升，传统的二气门已经很难在要求的时间内完成换气工作，为此，多气门技术应运而生,第4章汽油机机内净化技术,气流组织,第4章汽油机机内净化技术,多气门：滚流是缸内气流的主要形式,气流发展过程,两气门：涡流