CH4车用汽油机机内净化

1、发动机排放污染及控制主讲人主讲人 龚金科等龚金科等2021年11月7日课程内容课程内容4.1 概述车用汽油机机内净化用汽车用汽油机机内净化用汽第4章 车用汽油机机内净化车用汽油机机内净化4.2 汽油喷射电控系统4.3 低排放燃烧系统4.5 其他机内净化措施4.4 废气再循环第4章 车用汽油机机内净化概述：主要内容介绍汽油机机内净化技术，包括汽油喷射电控系统及其对排放的影响、典型低排放燃烧系统及其对排放的影响、废气再循环系统的工作原理及其对发动机性能的影响以及其他机内净化技术。 第4章 车用汽油机机内净化机内净化第4章 车用汽油机机内净化所谓机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改

2、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气污染的治本措施。按燃烧过程的物理化学状态，可分为三个阶段：着火延迟期、明显燃烧期和补燃期着火延迟期、明显燃烧期和补燃期。汽油机的燃烧过程第4章 车用汽油机机内净化汽油车主要排放污染物第4章 车用汽油机机内净化汽油机机内净化的主要措施大力推广汽油喷射电控系统。大力推广汽油喷射电控系统。改善点火系统。改善点火系统。开发分层充气及均质稀燃的新型燃烧系统。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。改进进气机构和燃烧室结构。采用废气再循环控制。采用废气再循环控制。第4章 车用汽油机机内

3、净化汽油喷射电控系统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的各种状态，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 车用汽油机机内净化 1-电动燃油泵 2-燃油滤清器 3-压力调节器 4-喷油 5-空器气流量计 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 车用汽油机机内净化 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-

4、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 车用汽油机机内净化喷油控制 喷油控制是发动机ECU的主要控制功能，它包括 喷油时刻控制喷油时刻控制和喷油量控制喷油量控制。1. 喷油时刻的控制喷油时刻的控制对于多点喷射发动机，ECU以曲轴转角传感器的信号为依据进行喷油时刻的控制。喷油时刻控制方式有三种：同时喷射、分组喷射和顺序喷射。喷油的控制2. 喷油量的控制喷油量的控制喷油量的控制，其目的是使发动机燃烧混合气的空燃比符合各工况的需要。第4章 车用汽油机机内净化 起动喷油控制起动喷油控制起动时，空气流量计不能精确检测。因此，起动时，ECU是按预先设定的起动程序来进

5、行喷油控制。 运转喷油控制运转喷油控制 发动机运转时，ECU主要根据进气量和发动机转速来计算喷油量。喷油控制第4章 车用汽油机机内净化喷油控制超速断油控制当发动机转速超过允许的最高转速时，由ECU自动中断喷油，减少有害物排放。减速断油控制减速断油控制的目的是为了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。 断油控制断油控制 第4章 车用汽油机机内净化喷油控制反馈控制在排气管上加装氧传感器，根据排气管中氧的含量，测定进入发动机燃烧室混合气的空燃比值，并输入给ECU。ECU将此信号与设定的目标空燃比值进行比较，不断修正喷油量，使空燃比保持在设定目标值附近。第4

6、章 车用汽油机机内净化喷油控制对排放的影响 冷起动及暖机阶段排放控制冷起动及暖机阶段排放控制第4章 车用汽油机机内净化点火系统的控制 点火提前角由微机控制，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、加速性和排放等方面达到最优。第4章 车用汽油机机内净化点火系统的控制火花质量和点火正时对排放产生影响。1）火花越弱，出现失火的机会就越多，而失将会生成大量的未燃HC。2）点火提前角对燃油消耗 率和有害排放物的影响。 第4章 车用汽油机机内净化点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响 第4章 车用汽油机机内净化怠速转速控制发动机的怠速运转是排放很严重的工况。汽油机在怠速工况

7、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，这是由于可燃混合气在进气管中的移动速度增加和提高充气效率和减少残余废气的稀释度的结果。第4章 车用汽油机机内净化高能点火对HC排放的作用高能点火和普通点火对HC排放的影响 提高燃烧速率和减小循环变动； 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 车用汽油机机内净化气门间隙对HC排放的作用 增大气门间隙，减小气门重叠角。 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 车用汽油机机内净化

8、缸内直接喷射缸内直接喷射汽油机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷射在燃烧室内。第4章 车用汽油机机内净化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。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。第4章 车用汽油机机内净化缸内直接喷射汽油机存在的问题排放问题 1）缸内温度偏低，不利于未燃碳氢后燃等。 2）分层燃烧时在火花塞附近出现混合气局部过浓或浓混合气区域过大的状况，较高的压缩比和放热率使NOx增加。 3）微粒排放在小负荷、过渡工况和冷起动的情况下比传统的进气道喷射汽油机有

9、较多的增加，但仍比柴油机要低一个到几个数量级。 第4章 车用汽油机机内净化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 车用汽油机机内净化缸内直接喷射式汽油机的排放对策二阶段燃烧改善冷起动和小负荷运行时的HC和CO的排放，CO的氧化温度比HC的低，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。第4章 车用汽油机机内净化二冲程缸内直喷稀燃发动机用压缩空气辅助喷射的喷油器的缸内直喷式二冲程发动机。经曲轴箱扫气进入气缸的是空气，汽油

10、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。第4章 车用汽油机机内净化稀薄燃烧系统 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 车用汽油机机内净化实现稀燃的具体措施第4章 车用汽油机机内净化分层燃烧系统分层燃烧的目的分层燃烧就是要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 车用汽油机机内净化复合涡流受控燃烧系统这种发动机拥有

11、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 车用汽油机机内净化轴向分层燃烧系统1-活塞；2-气缸；3-火花塞；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 车用汽油机机内净化滚流（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 车用汽油机机内净化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

12、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 车用汽油机机内净化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 车用汽油机机内净化废气再循环废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：100%EGR返回废气量率= 进气量+返回废气量 第4章 车用汽油机机内净化EGR系统的控制要求第4章 车用汽油机机内净化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

13、。与外部EGR相对应的称为内部EGR。第4章 车用汽油机机内净化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 车用汽油机机内净化增压原理 增压：就是将空气预先压缩后再供入气缸，增压：就是将空气预先压缩后再供入气缸，以提高进气密度、增加进气量的一项技术。以提高进气密度、增加进气量的一项技术。 进气增压的方法有废气涡轮增压、机械增压、气波增压等

14、、进气增压的方法有废气涡轮增压、机械增压、气波增压等、复合增压，其中以废气涡轮增压技术最为成熟，效率也高，复合增压，其中以废气涡轮增压技术最为成熟，效率也高，应用最广。应用最广。一、增压原理一、增压原理 排气涡轮增压排气涡轮增压一级增压、二级增压一级增压、二级增压 径流式增压器径流式增压器轴流式增压器轴流式增压器单级涡轮增压结构及工作原理1）压气机）压气机 离心式：对于小尺度压气机，效率优于轴流式离心式：对于小尺度压气机，效率优于轴流式进气道进气道叶轮叶轮蜗壳蜗壳增压器增压器进气道叶轮蜗壳扩压器1、离心式压气机工作原理、离心式压气机工作原理1、离心式压气机工作原理、离心式压气机工作原理进气道进

15、气道叶轮叶轮扩压扩压蜗壳蜗壳TCP进气道叶轮蜗壳扩压器2. 径流式涡轮机的工作原理径流式涡轮机的工作原理 定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统 工作过程和压气机相反，是把废气能量转化为工作过程和压气机相反，是把废气能量转化为机械功来驱动压气机叶轮。机械功来驱动压气机叶轮。 类型：轴流式、径流向心式、混流式类型：轴流式、径流向心式、混流式进气壳工作叶轮排气壳喷嘴环三、增压对汽油机净化与性能的影响三、增压对汽油机净化与性能的影响 动力性能有较大提高动力性能有较大提高 对高原地区的适应性，对高原地区的适应性，CO HC排放及噪声有较大程排放及噪声有较大程度提高。度提高。

16、 相对柴油机，难度更大相对柴油机，难度更大 更易发生爆震更易发生爆震 增压热负荷大增压热负荷大 汽油机与增压器匹配困难汽油机与增压器匹配困难增压对排放的影响第5章 柴油机机内净化增压对排放的影响第5章 柴油机机内净化4.6 汽油机均质压燃技术汽油机均质压燃技术HCCI利用燃料的自燃能力，采用高的压缩比和利用燃料的自燃能力，采用高的压缩比和稀燃技术，实现空气和燃料均质混合着火稀燃技术，实现空气和燃料均质混合着火一、均质混合气的形成一、均质混合气的形成 进气管内汽油喷射进气管内汽油喷射 缸内直接喷射缸内直接喷射二、燃烧特性二、燃烧特性 采用提高压缩比、进气加温、增压、采用提高压缩比、进气加温、增压

17、、EGR等手段提等手段提高混合气的温度和压力。高混合气的温度和压力。 多点同时自燃，无明显火焰前锋，燃烧迅速，燃烧多点同时自燃，无明显火焰前锋，燃烧迅速，燃烧温度低且分布均匀。温度低且分布均匀。 只生成较少的只生成较少的NOX和和PM。 在小负荷时有很高的热效率。在小负荷时有很高的热效率。 喷油量调节转矩，不需要节气门，避免节气损失。喷油量调节转矩，不需要节气门，避免节气损失。 优点：优点：三、均质压燃汽油机排放性能三、均质压燃汽油机排放性能 对对CO排放的影响排放的影响 对对HC排放的影响排放的影响 对对NOX及及PM排放的影响排放的影响 应用难点：应用难点： 冷起动困难冷起动困难 运行工况

18、范围有限运行工况范围有限 着火时刻及燃烧速率难以控制着火时刻及燃烧速率难以控制4.7 可变气门正时技术可变气门正时技术根据汽油机状态调整配气相位，优化进、排气门开根据汽油机状态调整配气相位，优化进、排气门开启和关闭的时刻，从而获得最佳配气正时，提高进启和关闭的时刻，从而获得最佳配气正时，提高进气充量，在所有速度范围内使汽油机的转矩和功率气充量，在所有速度范围内使汽油机的转矩和功率得到进一步提高，改善燃油经济性和排放。得到进一步提高，改善燃油经济性和排放。一、可变气门正时种类及原理一、可变气门正时种类及原理可变配气机构可变配气机构VVT基于凸轮轴的基于凸轮轴的VVT无凸轮轴的无凸轮轴的VVT可变

19、凸轮可变凸轮相位相位可变凸轮可变凸轮型线型线可变凸轮可变凸轮从动件从动件电气式电气式电磁式电磁式电液式电液式1、可变凸轮相位的、可变凸轮相位的VVT 结构及原理（螺旋齿轮式）结构及原理（螺旋齿轮式）2、可变凸轮相位的、可变凸轮相位的VVT 结构及原理（叶片调节式）结构及原理（叶片调节式）二、可变气门正时对汽油机排放与性能的影响二、可变气门正时对汽油机排放与性能的影响 1、 VVT对对CO的影响的影响 2、 VVT对对HC的影响的影响 3、 VVT对对NOX的影响的影响4、VVT的不同实现方式对排放性能的影响的不同实现方式对排放性能的影响（1）进气凸轮相位连续可变）进气凸轮相位连续可变（2）排气

20、凸轮相位连续可变）排气凸轮相位连续可变（3）进排气等相位调节）进排气等相位调节（4）进排气独立相位调节）进排气独立相位调节二、可变气门正时对汽油机排放与性能的影响二、可变气门正时对汽油机排放与性能的影响5、可变气门正时的控制策略、可变气门正时的控制策略（1）冷起动和怠速工况下）冷起动和怠速工况下（2）小负荷时）小负荷时（3）中低转速大负荷时）中低转速大负荷时（4）高转速大负荷和各转速全负荷工况）高转速大负荷和各转速全负荷工况二、可变气门正时对汽油机排放与性能的影响二、可变气门正时对汽油机排放与性能的影响 根据发动机的运行状况而改变配气相位和根据发动机的运行状况而改变配气相位和气门升程。气门升程

21、。1. 结构：结构： 本田的本田的VTEC系统系统 2VTEC的工作原理的工作原理 （1）工作过程）工作过程 发动机低速时：三个摇臂彼此分离独立，中间摇臂发动机低速时：三个摇臂彼此分离独立，中间摇臂并不参与工作，并不参与工作，VTEC工作和普通发动机相似。工作和普通发动机相似。1-凸轮轴 2-主凸轮 3-中间凸轮 4-辅助凸轮 5-主摇臂 6-中间摇臂 7-辅助摇臂 8-摇臂轴中心油道 9-摇臂轴 10-止推活塞弹簧 11-止推活塞 12-同步活塞B 13-同步活塞A 14-正时活塞l发动机高速运转时：三根摇臂锁成一体。由中间凸轮发动机高速运转时：三根摇臂锁成一体。由中间凸轮升程最高驱动，进气

22、门开启时间延长，升程增加。升程最高驱动，进气门开启时间延长，升程增加。 使使发动机功率和转矩提高。发动机功率和转矩提高。 1-凸轮轴 2-主凸轮 3-中间凸轮 4-辅助凸轮 5-主摇臂 6-中间摇臂 7-辅助摇臂 8-摇臂轴中心油道 9-摇臂轴 10-止推活塞弹簧 11-止推活塞 12-同步活塞B 13-同步活塞A 14-正时板 15-正时活塞 16-摇臂轴油孔 （2）工作过程控制）工作过程控制 VTEC系统的气门工作状态的切换由控制系统控制系统的气门工作状态的切换由控制系统控制 主要由传感器、控制单元和执行器组成。主要由传感器、控制单元和执行器组成。 发动机发动机ECU根据转速传感器、车速传

23、感器、水温传感器、负荷传根据转速传感器、车速传感器、水温传感器、负荷传感器等信号进行判断，输出相应的控制信号，通过电磁阀感器等信号进行判断，输出相应的控制信号，通过电磁阀3调节调节摇臂内活塞液压系统，使发动机在不同的工况下由不同的凸轮控摇臂内活塞液压系统，使发动机在不同的工况下由不同的凸轮控制，从而使进气门的开度和正时处于较佳状态。制，从而使进气门的开度和正时处于较佳状态。 1-液压油道 2-压力开关 3-电磁阀4.8 多气门技术多气门技术多气门技术第5章 柴油机机内净化 帘区越大说明气门开启的空间越大，进气量也就越大。但并不是气门越多“帘区”值就越大。多气门技术第5章 柴油机机内净化 采用多气门的优点 扩大进排气门的总流通截面积，增大汽油机的进扩大进排气门的总流通截面积，增大汽油机的进 、排气量，降低、排气量，降低泵气损失，使汽油机的燃烧更彻底；泵气损失，使汽油机的燃烧更彻底； 多气门改善进气能力，进排气门重叠角可以减小，有效降低了小负多气门改善进气能力，进排气门重叠角可以减小，有效降低了小负荷工况时的排放。多气门排气阻力小，进气量大，扫气效果提升。荷工况时的排放。多气门排气阻力小，进气量大，扫气效果提升。 可实现关闭部分通道，形成与汽油机转速相适应的进气滚流强度，可实现关闭部分通道，形成与汽油机转速相适应的进气滚流强度，拓宽汽油机的高效工作转速范围拓宽汽油机的