第八章 内燃机污染物的生成与控制课件

第1节概述一、内燃机排放的主要污染物COHC（未燃烧和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物，烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃、醛、酮、有机酸等）NOx（大部分为NO，少量NO2）微粒（主要成分为C，粒度小于0.3m，含铅微粒）第八章内燃机污染物生成与控制第1节概述一、内燃机排放的主要污染物第八章内燃机污染物1二、内燃机排放的评价指标排放物浓度物质B的质量浓度B（kg/m3，kg/L），固体物质B的体积分数B，气体质量排放量（g/h，g/test，g/km），轻型车排放量比排放量（g/kW·h），重型车排放量二、内燃机排放的评价指标2第2节污染物生成机理和影响因素2.1CO2.1.1化学反应机理燃料在燃烧过程中的中间产物，控制CO排放量的主要因素是过量空气系数a2.1.2点燃式内燃机部分负荷：a

>1，CO排放不多，但多缸机各缸a不均匀。CO怠速：浓混合气，CO全负荷：a

=0.8-0.9，CO排放量很大加速：短时加浓，出现CO排放高峰第2节污染物生成机理和影响因素2.1CO3第2节污染物生成机理和影响因素第2节污染物生成机理和影响因素4第2节污染物生成机理和影响因素2.1.3压燃式内燃机在稀混合气下运行，a

=1.5-3，CO排放较点燃式内燃机低很多在负荷很大接近冒烟界限（a

=1.2-1.3）时，才急剧增加。在局部缺氧区、温度低区、反应物在燃烧区停留时间不足，不能彻底完成燃烧过程产生CO2，造成CO排放，负荷很小，CO上升。（高速时明显）第2节污染物生成机理和影响因素2.1.3压燃式内燃机5第2节污染物生成机理和影响因素2.2未燃HC2.2.1未燃HC的排放渠道压燃式内燃机：在缸内的燃烧过程中产生，随排气排放。点燃式内燃机：排气排放物曲轴箱排放物蒸发排放物2.2.2THC（未燃总碳氢化合物）组成完全未燃烧更多的燃料不完全燃烧产物第2节污染物生成机理和影响因素2.2未燃HC6第2节污染物生成机理和影响因素2.2.3点燃式内燃机壁面火焰淬熄狭隙效应（占50-70%）润滑油膜的吸附和解吸（占25%）燃烧室中沉积物的影响（10%）体积淬熄（misfire）第2节污染物生成机理和影响因素2.2.3点燃式内燃机7第2节污染物生成机理和影响因素第2节污染物生成机理和影响因素8第2节污染物生成机理和影响因素2.2.4压燃式内燃机过稀混合气（稀燃稀限a=3），柴油不能自燃。产生未燃HC，与滞燃期长短有关。过浓混合气，喷油嘴的压力容积火焰淬熄和缺火，与汽油机一样，火焰碰壁淬熄，生成HC。（球形油膜燃烧室HC排放量很大，基本被淘汰。）第2节污染物生成机理和影响因素2.2.4压燃式内燃机9第2节污染物生成机理和影响因素2.3NOx2.3.1NOx的生成高温、富氧及长的反应时间，增加了NOx的生成。2.3.2点燃式内燃机空燃比的影响

a

=0.9，温度最高，但氧浓度较低。抑制NO生成。a

=1.1附近，出现NOx峰值a进一步增大，温度下降占优势。NO生成量减少第2节污染物生成机理和影响因素2.3NOx10第2节污染物生成机理和影响因素2.3.2点燃式内燃机已燃气成分的影响当可燃混合气中已燃气成分增大时，一方面减小可燃气的发热量，另一方面增大混合气的比热容，两者均使最高燃烧温度下降，合NOx下降。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.2点燃式内燃机11第2节污染物生成机理和影响因素新鲜可燃混合气被EGR过分稀释，可导致燃烧恶化，出现缓慢燃烧、不完全燃烧甚至缺火。为保证发动机高效而低排放运行，应在所允许的最大EGR率下获得尽可能低的NOx排放。第2节污染物生成机理和影响因素新鲜可燃混合气被EGR过分稀12第2节污染物生成机理和影响因素2.3.2点燃式内燃机点火定时的影响增大点火提前角，导致较高最高燃烧温度，已燃气停留高温下的时间长，促进NO生成。推迟点火，提高排温，有利于HC后燃，但有损发动机的燃油消耗率和比功率。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.2点燃式内燃机13第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机喷油定时的影响推迟喷油，最高燃烧温度较低，生成NO较少。但代价是燃油消耗提高。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机14第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机放热规律的影响传统模式，急速燃烧导致大量NOx生成。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机15第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机负荷和转速的影响NOx排放随负荷增大而显著增加。负荷增大，空燃比减小，使燃烧温度和压力提高。但当氧相对缺少导致燃烧恶化时，反而下降。转速影响较负荷小。低转速大排放值。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机16第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机EGR的影响NOx排放随负荷下降而明显下降标定转速NOx小于最大扭矩转速EGR可使NOx下降一半（100%，2100）EGR使HC排放略有增加第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机17第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机增压的影响增压后，燃烧室中燃烧温度提高，NOx排放增加。进行中冷可降低充量温度，缓和这种趋势。NOx增加，一般利用推迟喷油方法加以补偿。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机18第2节污染物生成机理和影响因素2.4微粒（Particulate

Matter，PM）2.4.1点燃式内燃机来源：含铅汽油的铅、硫酸盐、碳烟润滑油消耗，冒蓝烟2.4.2压燃式内燃机组成：Soot（碳烟，烟粒，DS）、SOF（SolubleOrganicFraction，有机可溶成分，烟粒吸附和凝聚的多种有机物）生成机理第2节污染物生成机理和影响因素2.4微粒（Particu19第2节污染物生成机理和影响因素微粒排放的影响因素SOF来自润滑油：降低润滑油消耗（提高活塞组的控油能力）来自燃油，降低未燃HC排放Soot，生成的重要条件：高温下燃料严重缺氧。降低烟粒排放的根本：改善柴油机的油气混合均匀性，使燃烧室内任一单元燃油均能找到足以不生成烟粒的空气。第2节污染物生成机理和影响因素微粒排放的影响因素20第2节污染物生成机理和影响因素1、负荷影响

a

=1.3-1.7，微粒排放急剧增加（冒烟界限）注：BSNOx第2节污染物生成机理和影响因素1、负荷影响21第2节污染物生成机理和影响因素2、喷油压力

提高喷油压力，改善燃油雾化，能促进燃油与空气混合，改善油气的均匀性，从而减少烟粒生成。第2节污染物生成机理和影响因素2、喷油压力22第2节污染物生成机理和影响因素3、涡轮增压柴油机传统意义：提高功率但因空燃比提高，能显著降低烟度和微粒排放。现代低排放柴油机基本上都是增压柴油机。第2节污染物生成机理和影响因素3、涡轮增压柴油机23第3节内燃机的排放控制（机内净化）

1曲轴箱排放物的控制气缸的窜气（blowbygas，占总排气0.5-1.0%）使发动机曲轴箱内产生压力。为防止曲轴箱压力过高，早期内燃机一般都通过机油加油口让曲轴箱与大气相通（开式曲轴箱通风系统）。但点燃式内燃机窜气中含有大量未燃碳氢化合物及其不完全燃烧产物和少量CO、NOx等有害物质，排入大气造成污染。曲轴箱强制通风装置（闭式曲轴箱通风系统，PositiveCrankcaseVentilation，PCV）把曲轴箱排放物吸入进气管，在气缸中烧掉。点燃式内燃机低排放设计

第3节内燃机的排放控制（机内净化）1曲轴箱排放物的控制24点燃式内燃机低排放设计

2蒸发排放物的控制燃油蒸发损失热烤损失昼夜损失加油损失蒸发排放控制系统曲轴箱存储式活性炭罐吸附式点燃式内燃机低排放设计2蒸发排放物的控制25点燃式内燃机低排放设计3冷起动、暖机和怠速排放控制冷起动排放控制浓混合气的HC和CO排放高。发动机进行预热，促进缸内完全燃烧暖机期排放控制发动机温度水平低，HC和CO排放高尽量缩短暖机时间，提高混合气温度进气自动加热系统冷却系和润滑系的设计点燃式内燃机低排放设计3冷起动、暖机和怠速排放控制26点燃式内燃机低排放设计3冷起动、暖机和怠速排放控制怠速排放控制怠速运转要有满意的be，良好的驱动舒适性和合格的排放性。为省油，传统上怠速转速很低（400-500r/min），但降低怠速排放困难。现代高速汽油机怠速转速800-1000r/min，怠速排放大大下降，较高怠速利于瞬态响应。电控汽油喷射怠速排放较化油器式少。（过量空气系数接近1）点燃式内燃机低排放设计3冷起动、暖机和怠速排放控制27点燃式内燃机低排放设计4低排放燃料供给系统进气道顺序低压汽油喷射系统，标准的低排放汽油机方案：汽油顺序喷射空燃比闭环控制点火控制怠速控制爆燃控制燃油蒸发排放物控制EGR控制二次空气喷射控制进气道汽油喷射系统，希望进一步解决问题均质燃烧，对燃料经济性不利冷起动，需适当过量供油，HC排放高冷起动，催化剂未达起燃温度（250-300℃），造成很高HC排放点燃式内燃机低排放设计4低排放燃料供给系统进气道汽油喷射28点燃式内燃机低排放设计

点燃式内燃机低排放设计29点燃式内燃机低排放设计4低排放供给系统缸内直接喷射系统：油气混合主要靠喷雾能量与湍流动能，与温度高低关系不大，不需过量供油。冷起动，HC排放大为降低可燃混合气温度降低，爆燃倾向下降，压缩比可提高1-2。可通过充量分层实现稀薄燃烧点燃式内燃机低排放设计4低排放供给系统30点燃式内燃机低排放设计缸内直接喷射系统：小负荷工况，be下降30%，α＝40，NOx下降60%，结合EGR，NOx降低90%。点燃式内燃机低排放设计缸内直接喷射系统：31点燃式内燃机低排放设计5低排放点火系统点火定时特性推迟点火，使NOx排放下降（最高燃烧温度降低）推迟点火，HC排放下降（排气温度提高，促进HC后期氧化）点燃式内燃机低排放设计5低排放点火系统32点燃式内燃机低排放设计5低排放点火系统点火定时特性传统分电器点火系，转速提高：增大点火提前角（离心调节器）。负荷减小，增大点火提前角（真空调节器）电控点火系，考虑各种情况和具体要求，通过点火标定试验来制定点火提前角的最优脉谱。通过爆燃传感器信号，实现点火定时闭环反馈控制。点火能量特性，保证可靠点火点燃式内燃机低排放设计5低排放点火系统33点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统燃烧室形状燃烧室尽可能紧凑（S/V尽可能小），燃烧速率高，热效率高。燃烧改善，CO排放下降。表面冷激淬熄效应下降，HC排放下降。紧凑燃烧室使最高燃烧温度上升，NOx生成量增加，但可通过EGR和推迟点火等手段降低NOx排放。传统燃烧室：圆盘形、浴盆形、楔形等当前紧凑燃烧室：半球形、帐篷形等。其S/V小、火焰行程短。不惜牺牲气门机构复杂化。点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统34点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统压缩比尽可能高的压缩比，获得好的功率和油耗指标。提高压缩比，对排气净化不利。压缩比提高，燃烧室更扁平，S/V增大，未燃HC增加，高压缩比使最高燃烧温度较高，NOx生成量增加。热分解产生CO也多。传统汽油机，根据爆燃选择压缩比。但在中小负荷汽油抗爆性未得到充分利用。现代汽油机，选择更高一些压缩比。通过爆燃传感器实现推迟点火的闭环控制。点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统35点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统气门布置和火花塞位置采用多气门，不仅减小泵气损失，增加充量系数，改善性能，降低污染物比排放量。还可使火花塞在气缸中央附近布置，加速燃烧过程，带来与紧凑性燃烧室类似的优点，点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统36点燃式内燃机低排放设计活塞组设计活塞、活塞环与气缸壁之间的缝隙对HC排放影响很大。在工作可靠前提下，尽量缩小火力岸与气缸间隙和火力岸高度。点燃式内燃机低排放设计活塞组设计37点燃式内燃机低排放设计7排气再循环关键技术：控制EGR率，使之在各种不同工况下得到各种性能的最佳选择NOx排放随负荷增大而相应增加，排气回流量随负荷增大而相应增加暖机过程中，冷却液和进气温度较低，NOx排放不高。在冷却液低于50℃时，不进行EGR。怠速和小负荷时，NOx排放不高，不进行EGR。接近全负荷时，为保证动力性能，即使NOx很高，也不进行EGR。各缸EGR率一致。点燃式内燃机低排放设计7排气再循环38点燃式内燃机低排放设计8其他低排放技术多气门技术电控涡轮增压电控可变喷嘴涡轮增压器电控可变气门机构VariableCamshaftSystemVariableValveTiming可变进气系统VariableInletSystem电控切缸技术（CylinderDeactivation）电控附属系统点燃式内燃机低排放设计8其他低排放技术39压燃式内燃机低排放设计柴油机的排放重点：NOx、微粒（包括碳烟），其次是HC。降低微粒与降低烟度，都要求改善柴油机的混合气形成和燃烧过程。而柴油机燃烧过程的改善会引起NOx排放增加，此为柴油机排放控制的特殊困难。汽油机NOx可通过三效催化剂有效降低及稀燃来加以减小。而柴油机不均匀燃烧的富氧排气中NOx无高效耐久催化剂成功净化。如何保持柴油机良好性能的同时，减少NOx的生成，为目前面临的重大技术挑战。柴油机造成污染排放的根本原因在于燃油与空气混合不好。防止大量出现易生成NOx的a=1.0-1.2区和易生成碳烟的a<0.6区。同时降低HC排放。压燃式内燃机低排放设计柴油机的排放重点：NOx、微粒（包括碳40压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计燃烧方式（三种柴油机的比较）压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计41压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计非直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点非直喷式柴油机排气污染物主要在副燃烧室内生成，所以改善其排放的重点也在副燃烧室。副燃烧室相对容积增大，碳烟生成减少．但NOx生成量增加。研究表明，涡流室相对容积在50％左右得出碳烟与NOx之间的最佳折衷。预燃室容积过大、会使流动损失增大，降低预燃室中燃气的能量，影响预燃室中不完全燃烧的燃气与主燃烧室中空气的混合，预燃室的相对容积为25-30％涡流室中的气体流动应尽可能加强．因此应避免涡流室中的流动死区，例如安装喷油器的孔端的流功死区应尽可能小。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计42压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点燃烧室有效容积比（燃烧室容积与压缩室容积之比）（k）力求提高k值，以提高柴油机的冒烟界限，降低碳烟和微粒排放。避免采用短行程结构。要尽可能缩小活塞顶面到气缸盖底面的气缸余隙，提高相关零件的加工精度。四气门不如二气门柴油机。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计43压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点柴油机压缩比ε传统观点：压缩比主要根据冷起动可靠要求选择。过低，冷起动困难，过高，导致机械负荷增压，机械效率下降。增压柴油机为控制最高燃烧压力，适当降低压缩比，要付出冷起动性能方面代价。低排放柴油机：要适当提高压缩比，可降低HC和CO排放，而最高燃烧压力由于推迟喷油定时而得到控制。为减少NOx排放，采取推迟喷油定时。提高压缩比结合推迟喷油有利于柴油机性能与排放之间的折衷。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计44压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点燃烧室口径比，dc/hc

，dc/D小口径比的深燃烧室，在室中产生较强涡流，因而采用孔数少、孔径较大的喷嘴而获得满意性能和排放。但涡流造成能量损失，降低充量系数，在中高速时涡流足够，在低速时显得不足。口径小，增加了喷雾碰壁量，造成HC排放增加。趋势：尽量采用口径比比较大的浅平燃烧室（dc/D=0.5-0.8），配合小孔径多孔喷嘴，实施高压喷射。由于不需要空气涡轮辅助混合，燃烧过程对转速敏感性较低。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计45压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点燃烧室形状应用最广的是直边不缩口的ω形燃烧室（图5-3）。其形状与多孔喷嘴的喷雾形状配合良好，能适度增强进气涡流，产生适度的挤压涡流和燃烧湍流，合理利用空气，得出良好的综合性能。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计46压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统为降低压燃式内燃机的排放，燃油喷射系统的改进是关键环节。为了减少燃料燃烧过程中碳烟的生成、降低微粒排放，要改善燃料喷雾在燃烧室中分布的宏观均匀性和微观均匀性。宏观均匀性，可保证燃烧室各个角落的空气都能得到充分利用。微观均匀性，可保证燃油粒子足够细且大小均匀。使其能及时蒸发并与空气均匀混合。在足够均匀的混合气形成条件下，保证足够的空燃比，就不会出现导致碳烟生成的极浓混合气(a<0.6)，也可避开导致NOx大量生成的近化学计量比稀混合气a=1.0-1.2压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统47压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统低排放燃油喷射系统应满足下列要求：每循环供油量要适应柴油机不同工况低排放运行需要。起动时，要供给足够的油量保证起动可靠，又不过多，限制起动时HC排放。优化全工况喷油定时，实现性能与排放的最佳折衷优化喷油规律（喷油速率随时间或曲轴转角的变化），包括实现每循环多次喷射的可能性。燃油喷雾形状与燃烧室形状及燃烧室内气流运动相匹配，保证室内空气充分利用。燃油喷雾粒度均匀且足够细，保证燃油及时蒸发，并与空气均匀混合。压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统48压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统提高喷油压力在燃油物性、喷射背压和喷孔直径参数很难改变下，提高喷油压力是改善喷雾细度的最有效手段。压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统在燃油物性、喷射49压燃式内燃机低排放设计泵管嘴（P－L－N）泵喷嘴电控泵喷嘴上述喷油系统喷油压力随转速和循环喷油量降低而降低。电控共轨喷油系统（Common-RailInjectionSystem）喷油压力可自由控制，在低转速运行时，保证必要的喷油压力。在由传统喷油系统改造为CR时，机体、气缸盖可不作很大改动。压燃式内燃机低排放设计泵管嘴（P－L－N）50第八章内燃机污染物的生成与控制课件51压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统优化喷油规律（靴形喷射）初期缓慢中期急速后期快断压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统初期缓慢52压燃式内燃机低排放设计靴形喷油规律初期喷油速率不要过高，以抑制住滞燃期内形成的可燃混合气量，降低初期燃烧速率，以达到降低最高烧烧温度和压力升高率、抑制NOx的生成及降低燃烧噪声的目的。在喷油中期应急速喷油，即尽快达到较大的最高喷油速率，以加速扩散燃烧，防止生成大量碳烟微粒和热效率的恶化。在喷油后期要迅速结束喷射，以避免低的喷油压力和喷油速率使燃油雾化变差，导致燃烧不完全，使HC和微粒(尤其其中SOF)排放增加。在极端的情况下，构成预喷射和主喷射的二次喷射模式。压燃式内燃机低排放设计靴形喷油规律53压燃式内燃机低排放设计凸轮驱动的机械式喷油泵喷油规律主要决定于凸轮产生的供油规律。凹弧凸轮更符合低排放喷油规律要求。在NOx和PT排放折衷关系上给出较好结果。压燃式内燃机低排放设计凸轮驱动的机械式喷油泵54压燃式内燃机低排放设计双弹簧喷油器实现先缓后急的喷油规律油压上升过程中，先克服较软一级弹簧压力，针阀产生H1预升程（喷油速率较小）油压继续上升，克服较硬二级弹簧压力，针阀升起主升程H2（主喷射，）压燃式内燃机低排放设计双弹簧喷油器实现先缓后急的喷油规律55压燃式内燃机低排放设计低排放喷油器喷油器尺寸越来越小。现常用17mmP型喷油器，最小9mm铅笔型喷油器。2气门柴油机中，喷油器的偏心量和倾斜角应尽可能小。双弹簧喷油器应尽可能减小压力室容积（残存燃油，在燃烧后期受热膨胀有可能滴漏入燃烧室中，雾化较差，成为未燃HC，构成微粒的SOF）。一般认为小压力室喷嘴是较好的选择，与标准压力室相比，HC可下降一半。压燃式内燃机低排放设计低排放喷油器56第八章内燃机污染物的生成与控制课件57压燃式内燃机低排放设计喷油定时和循环供油量的控制控制喷油定时，对柴油机排放有立竿见影的效果。降低NOx排放最简单易行的办法是推迟喷油，当然考虑微粒排放和燃油消耗恶化程度，采取最优方案。机械式喷油泵控制喷油定时受到很大限制，电子控制的应用使喷油定时控制得心应手。压燃式内燃机低排放设计喷油定时和循环供油量的控制58压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧更迅速更完全。当由于喷油系统的压力不够高而喷雾不够细时，一般要求较强的涡流运动来支持油气混合。现代柴油机的发展趋势是采用孔数较多、孔径较小的喷油嘴和平均压力较高的喷油系统，因而进气涡流要求减弱。目前，小型高速直喷柴油机所需的进气涡流比为1.5-2.0，而重型车用的直喷式柴油机需要的进气涡流比一般在1.0以下。这是因为小缸径柴油机燃烧室直径很小，喷孔直径再小，燃油仍不可避免地有相当大的一部分喷到燃烧室壁上，需要较强的气流运动来强化室壁上燃油油膜的蒸发，加速可燃混合气的形成。大缸径柴油机形成油膜可能性较小，不需要强烈的气流运动。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术59压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术强烈的进气涡流一般由螺旋进气道或切向进气道产生，它们均以增加进气阻力为代价获得较强的涡流运动。其后果是泵气损失增大，充量系数下降。在小缸径高速柴油机的情况下，工作转速范围很大，在进气系统产生的涡流比基本恒定的情况下，如果在高转速下气流速度正好的话，在低转速下就显得不足，导致燃烧严重恶化。如果在低转速下气流速度合适，则在高转速下就会过强，同样不利于燃烧，同时又造成进气损失过大。因此，在实践中往住针对中等转速匹配合适的涡流比，容忍在低转速和高转速下的某些损失。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术60压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术高转速下，适当降低SR（SwirlRatio），同时使这PT和NOx下降低转速下，适当提高SR，PT排放下降，但NOx上升（通过别的措施降低）压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术61压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术可变涡流进气系统要求高涡流比，关闭副进气道，仅有螺旋进气道进气要求低涡流比，开启副进气道，两股气流相互干扰，涡流强度降低。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术62压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术四气门技术过去，四气门用于缸径130-150mm高速柴油机，提高充量系数。目前，为高性能，低油耗，低排放，80mm左右的轿车用柴油机也使用。主要优点：扩大气流流通面积，降低进排气流动阻力。喷油器可以在气缸中央垂直布置，使油束均匀分布，改善空气利用率，提供很大潜力。在同样的NOx排放下，四气门的排气烟度、微粒和HC均低于二气门柴油机。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术63第八章内燃机污染物的生成与控制课件64压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术四气门技术采用四气门结构，通过关闭或部分关闭两个气道中的一个来大幅度调节气缸内的涡流强度。新型车用四气门中，采用一个进气道的调节阀连续可调的结构。通过电控系统使进气涡流强度随工况而变。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术65第八章内燃机污染物的生成与控制课件66压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术重型车用柴油机发展趋势尽可能降低涡流强度，直至完全消除有组织的进气涡流。充量系数提高，不存在涡流对转速敏感问题。但要增加喷孔数，增大燃烧室口径（减少油雾着壁量），并提高喷油压力。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术67第八章内燃机污染物的生成与控制课件68压燃式内燃机低排放设计4排气再循环柴油机最佳EGR脉谱柴油机燃烧过程的平均过量空气系数虽然比较大，但因混合气成分不均匀，局部燃烧温度仍很高．所以生成大量NOx，与汽油机不相上下。不过．随着柴油机负荷的降低，NOx的排放迅速减小。（图2-16）与汽油机相似，柴油机也可以通过EGR来降低NOx排放。对轻型车用柴油机，主要在低负荷领域进行EGR。对重型车用柴油机，除全负荷的很小范围外，整个工况领域均进行EGR。柴油机允许较大EGR率来降低NOx排放，最大达0.4-0.5。压燃式内燃机低排放设计4排气再循环69第八章内燃机污染物的生成与控制课件70压燃式内燃机低排放设计4排气再循环增压柴油机EGR的实现再循环排气流回增压器后的进气管（或中冷柴油机的中冷器后），以免沾污增压器的叶轮和中冷器芯子（图5-29a）安装排气脉冲阀，利用排气脉冲加大EGR量（增压压力大于排气压力，防止排气倒流）（图5-29b）进气节流，降低进气压力，但增加泵气损失，有损燃油经济性（图5-29c）安装文丘里管，提高EGR压差（图5-29d）用专门的EGR泵VNT（大负荷时，减小涡轮喷嘴截面积，提高排气压力，加大EGR率）压燃式内燃机低排放设计4排气再循环71第八章内燃机污染物的生成与控制课件72第八章内燃机污染物的生成与控制课件73压燃式内燃机低排放设计4排气再循环冷EGR使新鲜空气损失减少，避免大负荷燃油经济性和排气烟度恶化。可用冷却水冷却，但冷却温度有限，用空气直接冷却，使温度下降50-150℃,NOx下降10%。柴油机EGR的控制根据转速、负荷、温度等信号，按EGR脉谱对EGR阀、节流阀、旁通阀等进行电子控制。压燃式内燃机低排放设计4排气再循环74压燃式内燃机低排放设计5增压与排放增压是提高柴油机功率密度的主要手段。在高功率强化柴油机上应用较早。在车用柴油机上应用相对滞后。小型增压器技术不成熟，可靠性不符合汽车要求，成本过高。过渡工况性能不佳，尤其加速性较差。涡轮增压在车用柴油机上应用，最大推动力来自排放控制形势的发展。增压是发展低排放柴油机的入门技术。压燃式内燃机低排放设计5增压与排放75压燃式内燃机低排放设计5增压与排放增压柴油机的主要特征：进气量大，空燃比大，碳烟和微粒排放下降，但NOx增加。进气温度提高，氧浓度增加。采取推迟喷油定时等办法减少NOx排放。增压中冷降低进气温度，降低柴油机的热负荷，提高进气密度，进一步强化功率密度。降低最高燃烧温度，减少NOx生成。空－空中冷器，置于水散热器之前，使增压空气尽可能冷却。压燃式内燃机低排放设计5增压与排放76压燃式内燃机低排放设计5增压与排放涡轮增压器与柴油机的匹配在最高转速匹配，低速区增压器转速过低，增压压力不足，在低转速区匹配，在高速区增压器超速，增压压力过高。采取由增压压力控制的排气旁通阀办法。压燃式内燃机低排放设计5增压与排放77压燃式内燃机低排放设计5增压与排放采用可变喷嘴增压器（VNT）有叶喷嘴径流式涡轮，通过改变喷嘴叶片安装角度（通过控制链随工况变动），改变喷嘴环出口面积F。低速时，F减小，排气流速提高，增压器转速上升，增压压力增大，供气量加大。高速时，F增大，增压器不会超速，增压不过量压燃式内燃机低排放设计5增压与排放78第八章内燃机污染物的生成与控制课件79第八章内燃机污染物的生成与控制课件80第4节排气后处理通过改进内燃机本身的设计和优化运行参数来降低污染物排放，有一定的局限性。汽油机HC，很大一部分来自各种燃烧室缝隙及润滑油膜和沉积物的吸附和解吸，很难在机内消除。NOx排放，则是燃烧越好越多，通过燃烧过程来减少NOx的生成遇到了原则上的困难。对于柴油机，不均匀的混合气压缩自燃方式很难从根本上解决碳氢脱氢而生成的碳烟微粒。降低NOx排放的措施往往使降低微粒排放与燃油消耗相矛盾。开发排气后处理技术:（1）三效催化转化器（Three-WayCatalyticConverter）（2）氧化催化转化器（OxidationCatalyticConverter）（3）富氧降NOx催化转化器（4）柴油机排气微粒捕集器（DieselParticulateTrap）第4节排气后处理通过改进内燃机本身的设计和优化运行参数来81第4节排气后处理4.1三效催化转化器催化反应机理催化剂是能使化学反应加速，而本身质量和组成在化学反应前后保持不变的物质。在点燃式内燃机中，可以利用催化反应加速排气中CO、HC、NOx等之间的化学反应。显著降低污染物浓度。当空燃比为化学计量比时，可以用一种三效催化剂，同时消除三种污染物。现代汽油机均采用由排气氧传感器反馈控制空燃比的电控汽油喷射系统。第4节排气后处理4.1三效催化转化器82第八章内燃机污染物的生成与控制课件83第4节排气后处理4.1三效催化转化器催化剂的组成载体活性相（催化物质）氧化性催化剂：铂（Pt）和钯（Pd）还原性催化剂：铑（Rh）催化转化器的构造第4节排气后处理4.1三效催化转化器84第4节排气后处理4.1三效催化转化器催化转化器的性能指标和工作特性转化效率：空燃比特性：转化效率随空燃比的变化关系起燃特性：催化剂达到一定的温度才开始工作，称为起燃。起燃温度t50：转化效率达50%的温度起燃时间50：转化效率达50%的所需时间第4节排气后处理4.1三效催化转化器85第4节排气后处理4.2氧化催化转化器点燃式内燃机稀燃汽油机，NOx排放较低，未燃HC较高，使用氧化催化器柴油机的排气催化氧化（DOC）主要降低微粒排放，氧化微粒中SOF的大部分（SOF下降40%-90%），同时CO排放降低30%，HC降低50%。SO2催化氧化后变成SO3，生成硫酸盐，成为微粒一部分。抵消了SOF减小的效果，反而总微粒上升。只有采用低硫柴油才能保证氧化催化效果。柴油机氧化催化器的最佳工作温度：200-350℃。第4节排气后处理4.2氧化催化转化器86第八章内燃机污染物的生成与控制课件87第4节排气后处理4.3富氧降NOx催化转化器稀燃发动机用吸附－还原催化器稀燃汽油机提高了燃料利用率，CO明显减少，HC有所减少。NOx在a=1.1-1.2时达最大值。由于排气中含氧量大，一般三效催化剂还原NOx效率降低。吸附－还原法（Adsorption-ReductionCatalyzator，ARC）（在富氧下应用吸附剂将NOx储存，在贫氧下进行分解和还原）柴油机排放的NOx的处理催化吸附－还原（已用于稀燃汽油机，柴油机中应用障碍：无法实现浓混合气状态）选择性非催化还原（SNCR）非选择性催化还原（NSCR）选择性催化还原（SCR）（以氨为还原剂）第4节排气后处理4.3富氧降NOx催化转化器88第4节排气后处理4.4柴油机排气微粒捕集器捕集方式柴油机排气微粒捕集器（DieselParticulateTrap-Oxidizer，DPT）或称排气微粒过滤器（DieselParticulateFilter，DPF）高温氧化可降低80%微粒排放，但需要800℃高温和4s以上时间，在柴油机实际运行中很难实现。催化氧化可降低微粒中SOF，对碳烟不起作用。第4节排气后处理4.4柴油机排气微粒捕集器89第4节排气后处理4.4柴油机排气微粒捕集器微粒过滤器的再生（Regeneration）DPF的热再生由外界提供附加能源，提高滤芯温度，使沉积在滤芯中的微粒燃烧，恢复滤芯洁净状态。常用能源有：燃油或燃气燃烧器、电阻加热器、微波发生器等。催化再生利用催化剂降低柴油机微粒的着火温度和提高其氧化速度，使之在柴油机实际使用条件下保证较高的DPF再生概率。第4节排气后处理4.4柴油机排气微粒捕集器90第5节排放法规5.1测试规范（P.245）5.2气体污染物测量原理CO和CO2不分光红外线吸收型分析仪（NDIR）NOx化学发光分析仪（CLD，CLA），或加热型化学发光分析仪（HCLD）HC氢火焰离子化分析仪（FID），或加热型氢火焰离子化分析仪（HFID）THC中分出CH4或NMHC（非甲烷碳氢化合物）气相色谱仪（GC）排气氧浓度顺磁分析仪（PMA）第5节排放法规5.1测试规范（P.245）5.2气91第5节排放法规5.2气体污染物测量原理不分光红外线吸收型分析仪（NDIR），CO和CO2

HDIR的工作原理基于待测气体对特定波长红外线辐射能的吸收。自然界中除了单原子气体和相同原子的双原子外，大多数至少由两个不同原子构成的非对称分子（如CO、NO、CO2、NO2，H2O等）对红外波段中的一定波长辐射能具有吸收峰值。第5节排放法规5.2气体污染物测量原理92第5节排放法规5.2气体污染物测量原理化学发光分析仪（CLD，HCLD），NOx

第5节排放法规5.2气体污染物测量原理93第八章内燃机污染物的生成与控制课件94第5节排放法规5.2气体污染物测量原理氢火焰离子化分析仪（FID，HFID），HC

利用HC在氢火焰约2000℃的高温中燃烧时，可离子化成电子和自由离子，离子数与碳原子数成正比。第5节排放法规5.2气体污染物测量原理95第5节排放法规5.3微粒的测量与分析微粒排放质量的测量排放法规只规定微粒排放的质量限值。把微粒收集在取样滤纸上，测定滤纸在收集微粒前后的质量差。微粒分析粒度分析柴油机排气粒度在0.01-0.5m，对人体肺部造成危害粒度在0.05m以下，质量分数不到5%，但粒数却占60%以上。成分分析第5节排放法规5.3微粒的测量与分析96第5节排放法规5.4排气可见污染物测量柴油机排气微粒以碳烟粒子为核心，在中等以上负荷碳烟占比例大，SOF比例小。表征碳烟浓度的排气烟度测量受到广泛应用。烟度测量设备简单、操作方便，在柴油机研究和开发工作中作为排放对比手段较为有用。烟度以“可见污染物”术语取代。常用的可见污染物测量方法：滤纸式烟度计，消光式烟度计第5节排放法规5.4排气可见污染物测量97第5节排放法规5.4排气可见污染物测量滤纸式烟度计Bosch烟度计，取样泵从柴油机排气管中抽出一定体积的排气，使之通过一张白色滤纸，排气微粒存留在滤纸上使其变黑，然后用检测仪测定滤纸的黑度，即代表柴油机的排气烟度。结果用博世烟度值（BoschSmokeUnit，BSU）或滤纸烟度值（FilterSmokeUnit，FSU）表示，由0（全白）到10（全黑）不能测定油雾造成的蓝烟和白烟，不能对瞬态工况进行连续测量。第5节排放法规5.4排气可见污染物测量98第八章内燃机污染物的生成与控制课件99第5节排放法规5.4排气可见污染物测量消光式烟度计消光式烟度计的工作原理：是让部分或全部排气流过由光源和接收器构成的光通道，接收器所接收的光强度的减弱（消光量）就代表排气的烟度。第5节排放法规5.4排气可见污染物测量100第1节概述一、内燃机排放的主要污染物COHC（未燃烧和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物，烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃、醛、酮、有机酸等）NOx（大部分为NO，少量NO2）微粒（主要成分为C，粒度小于0.3m，含铅微粒）第八章内燃机污染物生成与控制第1节概述一、内燃机排放的主要污染物第八章内燃机污染物101二、内燃机排放的评价指标排放物浓度物质B的质量浓度B（kg/m3，kg/L），固体物质B的体积分数B，气体质量排放量（g/h，g/test，g/km），轻型车排放量比排放量（g/kW·h），重型车排放量二、内燃机排放的评价指标102第2节污染物生成机理和影响因素2.1CO2.1.1化学反应机理燃料在燃烧过程中的中间产物，控制CO排放量的主要因素是过量空气系数a2.1.2点燃式内燃机部分负荷：a

>1，CO排放不多，但多缸机各缸a不均匀。CO怠速：浓混合气，CO全负荷：a

=0.8-0.9，CO排放量很大加速：短时加浓，出现CO排放高峰第2节污染物生成机理和影响因素2.1CO103第2节污染物生成机理和影响因素第2节污染物生成机理和影响因素104第2节污染物生成机理和影响因素2.1.3压燃式内燃机在稀混合气下运行，a

=1.5-3，CO排放较点燃式内燃机低很多在负荷很大接近冒烟界限（a

=1.2-1.3）时，才急剧增加。在局部缺氧区、温度低区、反应物在燃烧区停留时间不足，不能彻底完成燃烧过程产生CO2，造成CO排放，负荷很小，CO上升。（高速时明显）第2节污染物生成机理和影响因素2.1.3压燃式内燃机105第2节污染物生成机理和影响因素2.2未燃HC2.2.1未燃HC的排放渠道压燃式内燃机：在缸内的燃烧过程中产生，随排气排放。点燃式内燃机：排气排放物曲轴箱排放物蒸发排放物2.2.2THC（未燃总碳氢化合物）组成完全未燃烧更多的燃料不完全燃烧产物第2节污染物生成机理和影响因素2.2未燃HC106第2节污染物生成机理和影响因素2.2.3点燃式内燃机壁面火焰淬熄狭隙效应（占50-70%）润滑油膜的吸附和解吸（占25%）燃烧室中沉积物的影响（10%）体积淬熄（misfire）第2节污染物生成机理和影响因素2.2.3点燃式内燃机107第2节污染物生成机理和影响因素第2节污染物生成机理和影响因素108第2节污染物生成机理和影响因素2.2.4压燃式内燃机过稀混合气（稀燃稀限a=3），柴油不能自燃。产生未燃HC，与滞燃期长短有关。过浓混合气，喷油嘴的压力容积火焰淬熄和缺火，与汽油机一样，火焰碰壁淬熄，生成HC。（球形油膜燃烧室HC排放量很大，基本被淘汰。）第2节污染物生成机理和影响因素2.2.4压燃式内燃机109第2节污染物生成机理和影响因素2.3NOx2.3.1NOx的生成高温、富氧及长的反应时间，增加了NOx的生成。2.3.2点燃式内燃机空燃比的影响

a

=0.9，温度最高，但氧浓度较低。抑制NO生成。a

=1.1附近，出现NOx峰值a进一步增大，温度下降占优势。NO生成量减少第2节污染物生成机理和影响因素2.3NOx110第2节污染物生成机理和影响因素2.3.2点燃式内燃机已燃气成分的影响当可燃混合气中已燃气成分增大时，一方面减小可燃气的发热量，另一方面增大混合气的比热容，两者均使最高燃烧温度下降，合NOx下降。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.2点燃式内燃机111第2节污染物生成机理和影响因素新鲜可燃混合气被EGR过分稀释，可导致燃烧恶化，出现缓慢燃烧、不完全燃烧甚至缺火。为保证发动机高效而低排放运行，应在所允许的最大EGR率下获得尽可能低的NOx排放。第2节污染物生成机理和影响因素新鲜可燃混合气被EGR过分稀112第2节污染物生成机理和影响因素2.3.2点燃式内燃机点火定时的影响增大点火提前角，导致较高最高燃烧温度，已燃气停留高温下的时间长，促进NO生成。推迟点火，提高排温，有利于HC后燃，但有损发动机的燃油消耗率和比功率。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.2点燃式内燃机113第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机喷油定时的影响推迟喷油，最高燃烧温度较低，生成NO较少。但代价是燃油消耗提高。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机114第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机放热规律的影响传统模式，急速燃烧导致大量NOx生成。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机115第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机负荷和转速的影响NOx排放随负荷增大而显著增加。负荷增大，空燃比减小，使燃烧温度和压力提高。但当氧相对缺少导致燃烧恶化时，反而下降。转速影响较负荷小。低转速大排放值。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机116第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机EGR的影响NOx排放随负荷下降而明显下降标定转速NOx小于最大扭矩转速EGR可使NOx下降一半（100%，2100）EGR使HC排放略有增加第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机117第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机增压的影响增压后，燃烧室中燃烧温度提高，NOx排放增加。进行中冷可降低充量温度，缓和这种趋势。NOx增加，一般利用推迟喷油方法加以补偿。第2节污染物生成机理和影响因素2.3.3压燃式内燃机118第2节污染物生成机理和影响因素2.4微粒（Particulate

Matter，PM）2.4.1点燃式内燃机来源：含铅汽油的铅、硫酸盐、碳烟润滑油消耗，冒蓝烟2.4.2压燃式内燃机组成：Soot（碳烟，烟粒，DS）、SOF（SolubleOrganicFraction，有机可溶成分，烟粒吸附和凝聚的多种有机物）生成机理第2节污染物生成机理和影响因素2.4微粒（Particu119第2节污染物生成机理和影响因素微粒排放的影响因素SOF来自润滑油：降低润滑油消耗（提高活塞组的控油能力）来自燃油，降低未燃HC排放Soot，生成的重要条件：高温下燃料严重缺氧。降低烟粒排放的根本：改善柴油机的油气混合均匀性，使燃烧室内任一单元燃油均能找到足以不生成烟粒的空气。第2节污染物生成机理和影响因素微粒排放的影响因素120第2节污染物生成机理和影响因素1、负荷影响

a

=1.3-1.7，微粒排放急剧增加（冒烟界限）注：BSNOx第2节污染物生成机理和影响因素1、负荷影响121第2节污染物生成机理和影响因素2、喷油压力

提高喷油压力，改善燃油雾化，能促进燃油与空气混合，改善油气的均匀性，从而减少烟粒生成。第2节污染物生成机理和影响因素2、喷油压力122第2节污染物生成机理和影响因素3、涡轮增压柴油机传统意义：提高功率但因空燃比提高，能显著降低烟度和微粒排放。现代低排放柴油机基本上都是增压柴油机。第2节污染物生成机理和影响因素3、涡轮增压柴油机123第3节内燃机的排放控制（机内净化）

1曲轴箱排放物的控制气缸的窜气（blowbygas，占总排气0.5-1.0%）使发动机曲轴箱内产生压力。为防止曲轴箱压力过高，早期内燃机一般都通过机油加油口让曲轴箱与大气相通（开式曲轴箱通风系统）。但点燃式内燃机窜气中含有大量未燃碳氢化合物及其不完全燃烧产物和少量CO、NOx等有害物质，排入大气造成污染。曲轴箱强制通风装置（闭式曲轴箱通风系统，PositiveCrankcaseVentilation，PCV）把曲轴箱排放物吸入进气管，在气缸中烧掉。点燃式内燃机低排放设计

第3节内燃机的排放控制（机内净化）1曲轴箱排放物的控制124点燃式内燃机低排放设计

2蒸发排放物的控制燃油蒸发损失热烤损失昼夜损失加油损失蒸发排放控制系统曲轴箱存储式活性炭罐吸附式点燃式内燃机低排放设计2蒸发排放物的控制125点燃式内燃机低排放设计3冷起动、暖机和怠速排放控制冷起动排放控制浓混合气的HC和CO排放高。发动机进行预热，促进缸内完全燃烧暖机期排放控制发动机温度水平低，HC和CO排放高尽量缩短暖机时间，提高混合气温度进气自动加热系统冷却系和润滑系的设计点燃式内燃机低排放设计3冷起动、暖机和怠速排放控制126点燃式内燃机低排放设计3冷起动、暖机和怠速排放控制怠速排放控制怠速运转要有满意的be，良好的驱动舒适性和合格的排放性。为省油，传统上怠速转速很低（400-500r/min），但降低怠速排放困难。现代高速汽油机怠速转速800-1000r/min，怠速排放大大下降，较高怠速利于瞬态响应。电控汽油喷射怠速排放较化油器式少。（过量空气系数接近1）点燃式内燃机低排放设计3冷起动、暖机和怠速排放控制127点燃式内燃机低排放设计4低排放燃料供给系统进气道顺序低压汽油喷射系统，标准的低排放汽油机方案：汽油顺序喷射空燃比闭环控制点火控制怠速控制爆燃控制燃油蒸发排放物控制EGR控制二次空气喷射控制进气道汽油喷射系统，希望进一步解决问题均质燃烧，对燃料经济性不利冷起动，需适当过量供油，HC排放高冷起动，催化剂未达起燃温度（250-300℃），造成很高HC排放点燃式内燃机低排放设计4低排放燃料供给系统进气道汽油喷射128点燃式内燃机低排放设计

点燃式内燃机低排放设计129点燃式内燃机低排放设计4低排放供给系统缸内直接喷射系统：油气混合主要靠喷雾能量与湍流动能，与温度高低关系不大，不需过量供油。冷起动，HC排放大为降低可燃混合气温度降低，爆燃倾向下降，压缩比可提高1-2。可通过充量分层实现稀薄燃烧点燃式内燃机低排放设计4低排放供给系统130点燃式内燃机低排放设计缸内直接喷射系统：小负荷工况，be下降30%，α＝40，NOx下降60%，结合EGR，NOx降低90%。点燃式内燃机低排放设计缸内直接喷射系统：131点燃式内燃机低排放设计5低排放点火系统点火定时特性推迟点火，使NOx排放下降（最高燃烧温度降低）推迟点火，HC排放下降（排气温度提高，促进HC后期氧化）点燃式内燃机低排放设计5低排放点火系统132点燃式内燃机低排放设计5低排放点火系统点火定时特性传统分电器点火系，转速提高：增大点火提前角（离心调节器）。负荷减小，增大点火提前角（真空调节器）电控点火系，考虑各种情况和具体要求，通过点火标定试验来制定点火提前角的最优脉谱。通过爆燃传感器信号，实现点火定时闭环反馈控制。点火能量特性，保证可靠点火点燃式内燃机低排放设计5低排放点火系统133点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统燃烧室形状燃烧室尽可能紧凑（S/V尽可能小），燃烧速率高，热效率高。燃烧改善，CO排放下降。表面冷激淬熄效应下降，HC排放下降。紧凑燃烧室使最高燃烧温度上升，NOx生成量增加，但可通过EGR和推迟点火等手段降低NOx排放。传统燃烧室：圆盘形、浴盆形、楔形等当前紧凑燃烧室：半球形、帐篷形等。其S/V小、火焰行程短。不惜牺牲气门机构复杂化。点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统134点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统压缩比尽可能高的压缩比，获得好的功率和油耗指标。提高压缩比，对排气净化不利。压缩比提高，燃烧室更扁平，S/V增大，未燃HC增加，高压缩比使最高燃烧温度较高，NOx生成量增加。热分解产生CO也多。传统汽油机，根据爆燃选择压缩比。但在中小负荷汽油抗爆性未得到充分利用。现代汽油机，选择更高一些压缩比。通过爆燃传感器实现推迟点火的闭环控制。点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统135点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统气门布置和火花塞位置采用多气门，不仅减小泵气损失，增加充量系数，改善性能，降低污染物比排放量。还可使火花塞在气缸中央附近布置，加速燃烧过程，带来与紧凑性燃烧室类似的优点，点燃式内燃机低排放设计6低排放燃烧系统136点燃式内燃机低排放设计活塞组设计活塞、活塞环与气缸壁之间的缝隙对HC排放影响很大。在工作可靠前提下，尽量缩小火力岸与气缸间隙和火力岸高度。点燃式内燃机低排放设计活塞组设计137点燃式内燃机低排放设计7排气再循环关键技术：控制EGR率，使之在各种不同工况下得到各种性能的最佳选择NOx排放随负荷增大而相应增加，排气回流量随负荷增大而相应增加暖机过程中，冷却液和进气温度较低，NOx排放不高。在冷却液低于50℃时，不进行EGR。怠速和小负荷时，NOx排放不高，不进行EGR。接近全负荷时，为保证动力性能，即使NOx很高，也不进行EGR。各缸EGR率一致。点燃式内燃机低排放设计7排气再循环138点燃式内燃机低排放设计8其他低排放技术多气门技术电控涡轮增压电控可变喷嘴涡轮增压器电控可变气门机构VariableCamshaftSystemVariableValveTiming可变进气系统VariableInletSystem电控切缸技术（CylinderDeactivation）电控附属系统点燃式内燃机低排放设计8其他低排放技术139压燃式内燃机低排放设计柴油机的排放重点：NOx、微粒（包括碳烟），其次是HC。降低微粒与降低烟度，都要求改善柴油机的混合气形成和燃烧过程。而柴油机燃烧过程的改善会引起NOx排放增加，此为柴油机排放控制的特殊困难。汽油机NOx可通过三效催化剂有效降低及稀燃来加以减小。而柴油机不均匀燃烧的富氧排气中NOx无高效耐久催化剂成功净化。如何保持柴油机良好性能的同时，减少NOx的生成，为目前面临的重大技术挑战。柴油机造成污染排放的根本原因在于燃油与空气混合不好。防止大量出现易生成NOx的a=1.0-1.2区和易生成碳烟的a<0.6区。同时降低HC排放。压燃式内燃机低排放设计柴油机的排放重点：NOx、微粒（包括碳140压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计燃烧方式（三种柴油机的比较）压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计141压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计非直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点非直喷式柴油机排气污染物主要在副燃烧室内生成，所以改善其排放的重点也在副燃烧室。副燃烧室相对容积增大，碳烟生成减少．但NOx生成量增加。研究表明，涡流室相对容积在50％左右得出碳烟与NOx之间的最佳折衷。预燃室容积过大、会使流动损失增大，降低预燃室中燃气的能量，影响预燃室中不完全燃烧的燃气与主燃烧室中空气的混合，预燃室的相对容积为25-30％涡流室中的气体流动应尽可能加强．因此应避免涡流室中的流动死区，例如安装喷油器的孔端的流功死区应尽可能小。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计142压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点燃烧室有效容积比（燃烧室容积与压缩室容积之比）（k）力求提高k值，以提高柴油机的冒烟界限，降低碳烟和微粒排放。避免采用短行程结构。要尽可能缩小活塞顶面到气缸盖底面的气缸余隙，提高相关零件的加工精度。四气门不如二气门柴油机。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计143压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点柴油机压缩比ε传统观点：压缩比主要根据冷起动可靠要求选择。过低，冷起动困难，过高，导致机械负荷增压，机械效率下降。增压柴油机为控制最高燃烧压力，适当降低压缩比，要付出冷起动性能方面代价。低排放柴油机：要适当提高压缩比，可降低HC和CO排放，而最高燃烧压力由于推迟喷油定时而得到控制。为减少NOx排放，采取推迟喷油定时。提高压缩比结合推迟喷油有利于柴油机性能与排放之间的折衷。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计144压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点燃烧室口径比，dc/hc

，dc/D小口径比的深燃烧室，在室中产生较强涡流，因而采用孔数少、孔径较大的喷嘴而获得满意性能和排放。但涡流造成能量损失，降低充量系数，在中高速时涡流足够，在低速时显得不足。口径小，增加了喷雾碰壁量，造成HC排放增加。趋势：尽量采用口径比比较大的浅平燃烧室（dc/D=0.5-0.8），配合小孔径多孔喷嘴，实施高压喷射。由于不需要空气涡轮辅助混合，燃烧过程对转速敏感性较低。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计145压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点燃烧室形状应用最广的是直边不缩口的ω形燃烧室（图5-3）。其形状与多孔喷嘴的喷雾形状配合良好，能适度增强进气涡流，产生适度的挤压涡流和燃烧湍流，合理利用空气，得出良好的综合性能。压燃式内燃机低排放设计1低排放燃烧室设计146压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统为降低压燃式内燃机的排放，燃油喷射系统的改进是关键环节。为了减少燃料燃烧过程中碳烟的生成、降低微粒排放，要改善燃料喷雾在燃烧室中分布的宏观均匀性和微观均匀性。宏观均匀性，可保证燃烧室各个角落的空气都能得到充分利用。微观均匀性，可保证燃油粒子足够细且大小均匀。使其能及时蒸发并与空气均匀混合。在足够均匀的混合气形成条件下，保证足够的空燃比，就不会出现导致碳烟生成的极浓混合气(a<0.6)，也可避开导致NOx大量生成的近化学计量比稀混合气a=1.0-1.2压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统147压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统低排放燃油喷射系统应满足下列要求：每循环供油量要适应柴油机不同工况低排放运行需要。起动时，要供给足够的油量保证起动可靠，又不过多，限制起动时HC排放。优化全工况喷油定时，实现性能与排放的最佳折衷优化喷油规律（喷油速率随时间或曲轴转角的变化），包括实现每循环多次喷射的可能性。燃油喷雾形状与燃烧室形状及燃烧室内气流运动相匹配，保证室内空气充分利用。燃油喷雾粒度均匀且足够细，保证燃油及时蒸发，并与空气均匀混合。压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统148压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统提高喷油压力在燃油物性、喷射背压和喷孔直径参数很难改变下，提高喷油压力是改善喷雾细度的最有效手段。压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统在燃油物性、喷射149压燃式内燃机低排放设计泵管嘴（P－L－N）泵喷嘴电控泵喷嘴上述喷油系统喷油压力随转速和循环喷油量降低而降低。电控共轨喷油系统（Common-RailInjectionSystem）喷油压力可自由控制，在低转速运行时，保证必要的喷油压力。在由传统喷油系统改造为CR时，机体、气缸盖可不作很大改动。压燃式内燃机低排放设计泵管嘴（P－L－N）150第八章内燃机污染物的生成与控制课件151压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统优化喷油规律（靴形喷射）初期缓慢中期急速后期快断压燃式内燃机低排放设计2低排放燃油喷射系统初期缓慢152压燃式内燃机低排放设计靴形喷油规律初期喷油速率不要过高，以抑制住滞燃期内形成的可燃混合气量，降低初期燃烧速率，以达到降低最高烧烧温度和压力升高率、抑制NOx的生成及降低燃烧噪声的目的。在喷油中期应急速喷油，即尽快达到较大的最高喷油速率，以加速扩散燃烧，防止生成大量碳烟微粒和热效率的恶化。在喷油后期要迅速结束喷射，以避免低的喷油压力和喷油速率使燃油雾化变差，导致燃烧不完全，使HC和微粒(尤其其中SOF)排放增加。在极端的情况下，构成预喷射和主喷射的二次喷射模式。压燃式内燃机低排放设计靴形喷油规律153压燃式内燃机低排放设计凸轮驱动的机械式喷油泵喷油规律主要决定于凸轮产生的供油规律。凹弧凸轮更符合低排放喷油规律要求。在NOx和PT排放折衷关系上给出较好结果。压燃式内燃机低排放设计凸轮驱动的机械式喷油泵154压燃式内燃机低排放设计双弹簧喷油器实现先缓后急的喷油规律油压上升过程中，先克服较软一级弹簧压力，针阀产生H1预升程（喷油速率较小）油压继续上升，克服较硬二级弹簧压力，针阀升起主升程H2（主喷射，）压燃式内燃机低排放设计双弹簧喷油器实现先缓后急的喷油规律155压燃式内燃机低排放设计低排放喷油器喷油器尺寸越来越小。现常用17mmP型喷油器，最小9mm铅笔型喷油器。2气门柴油机中，喷油器的偏心量和倾斜角应尽可能小。双弹簧喷油器应尽可能减小压力室容积（残存燃油，在燃烧后期受热膨胀有可能滴漏入燃烧室中，雾化较差，成为未燃HC，构成微粒的SOF）。一般认为小压力室喷嘴是较好的选择，与标准压力室相比，HC可下降一半。压燃式内燃机低排放设计低排放喷油器156第八章内燃机污染物的生成与控制课件157压燃式内燃机低排放设计喷油定时和循环供油量的控制控制喷油定时，对柴油机排放有立竿见影的效果。降低NOx排放最简单易行的办法是推迟喷油，当然考虑微粒排放和燃油消耗恶化程度，采取最优方案。机械式喷油泵控制喷油定时受到很大限制，电子控制的应用使喷油定时控制得心应手。压燃式内燃机低排放设计喷油定时和循环供油量的控制158压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧更迅速更完全。当由于喷油系统的压力不够高而喷雾不够细时，一般要求较强的涡流运动来支持油气混合。现代柴油机的发展趋势是采用孔数较多、孔径较小的喷油嘴和平均压力较高的喷油系统，因而进气涡流要求减弱。目前，小型高速直喷柴油机所需的进气涡流比为1.5-2.0，而重型车用的直喷式柴油机需要的进气涡流比一般在1.0以下。这是因为小缸径柴油机燃烧室直径很小，喷孔直径再小，燃油仍不可避免地有相当大的一部分喷到燃烧室壁上，需要较强的气流运动来强化室壁上燃油油膜的蒸发，加速可燃混合气的形成。大缸径柴油机形成油膜可能性较小，不需要强烈的气流运动。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术159压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术强烈的进气涡流一般由螺旋进气道或切向进气道产生，它们均以增加进气阻力为代价获得较强的涡流运动。其后果是泵气损失增大，充量系数下降。在小缸径高速柴油机的情况下，工作转速范围很大，在进气系统产生的涡流比基本恒定的情况下，如果在高转速下气流速度正好的话，在低转速下就显得不足，导致燃烧严重恶化。如果在低转速下气流速度合适，则在高转速下就会过强，同样不利于燃烧，同时又造成进气损失过大。因此，在实践中往住针对中等转速匹配合适的涡流比，容忍在低转速和高转速下的某些损失。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术160压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术高转速下，适当降低SR（SwirlRatio），同时使这PT和NOx下降低转速下，适当提高SR，PT排放下降，但NOx上升（通过别的措施降低）压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术161压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术可变涡流进气系统要求高涡流比，关闭副进气道，仅有螺旋进气道进气要求低涡流比，开启副进气道，两股气流相互干扰，涡流强度降低。压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气门技术162压燃式内燃机低排放设计3气流组织与多气