发动机排放控制

第4章车用柴油机机内净化

4.1概述1.柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程可划分为第一阶段：滞燃期第二阶段：速燃期第三阶段：缓燃期第四阶段：后燃期第一阶段：滞燃期第二阶段：速燃期第三阶段：缓燃期第Ⅲ阶段－缓燃期指从最高压力点开始到出现最高温度时的这一段时期。缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。在由于是在气缸容积加速增大的情况下进行的，因此气缸内气体压力迅速下降。第四阶段：后燃期第Ⅳ阶段－后燃期指从缓燃期终点到燃油基本烧完的这一段时期。前一阶段燃烧中，燃料由喷注中心向外扩散的过程中受到已燃废气的包围，使一部分燃料拖到后期燃烧，形成后燃期。2.柴油机的主要排放污染物有害成分汽油机柴油机微粒(g/m3)

CO(%)

HC(×10¯)

6NOx(×10¯)

60.0050.15~0.300.05~0.50200~1000700~20000.1~6200020~4003.柴油机的机内净化技术技术对策实施方法主要控制对象燃烧室设计设计参数优化、新型燃烧方式Nox、微粒喷油规律改进预喷射、多段喷射NOx进排气系统可变进气涡流、多气门微粒增压技术增压、增压中冷微粒废气再循环EGR、中冷、EGRNOx高压喷射电控高压油泵、共轨系统微粒4.2低排放燃烧系统柴油机燃烧室，是进气系统进入的空气与喷油系统喷入的燃油进行混合和燃烧的场所，所以，燃烧室的几何形状对柴油机的性能和排放具有重要的影响。非直喷式燃烧系统非直喷式燃烧室往往有主、副燃烧室二部分，燃油首先喷入副燃烧室内进行混合燃烧，然后冲入主燃烧室进行二次混合燃烧。1.非直喷式燃烧系统（1）涡流室式燃烧室作为副燃烧室的涡流室设置在气缸盖上，主燃烧室由活塞顶与气缸盖之间的空间构成.主、副燃烧室之间有一通道 涡流室式燃烧室的特点是：

(1)对燃油系统要求不高，因为它主要依靠强烈的涡流作用形成混合气，因此不需要很高的喷射压力。

(2)柴油机工作平稳。由于初期燃烧过程是在涡流室内进行，不直接作用在活塞上，使主燃烧室的压力升高率较小。

(3)对柴油机转速变化不敏感。由于压缩涡流随转速升高而增强，所以在较高转速时仍能保证较好的混合质量，因此涡流室式燃烧室适用于高速小型柴油机。 (4)涡流室式燃烧室的燃烧过程采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段的浓混合气抑制了NOX的生成和燃烧温度，而后段的稀混合气和二次涡流又加速了燃烧，促使炭烟的快速氧化，因而NOX和微粒排放都比较低， 涡流室式燃烧室的缺点是：

相对散热面积大，而涡流室又直接与冷却水接触，使散热损失加大；由于气体从涡流室向主燃烧室流动时，产生的节流损失较大，因而使柴油机冷机起动困难，燃油消耗较高。 （2）预燃式燃烧室

特点：由于预燃室与主燃室之间通道面积很小，具有强烈的节流作用，使主燃烧室中压力升高缓慢，最高燃烧压力较低，柴油机运转平稳；对燃油系统的要求较低，可采用结构简单的单孔轴针式喷油器，喷油压力要求较低。燃油系统工作可靠；对柴油机转速变化、燃油品质的敏感性较小。 预燃室燃烧室的缺点是：燃油消耗率高、起动困难。2.直喷式燃烧系统直喷式燃烧系统的燃烧室相对集中，只在活塞顶上设置一个单独的凹坑，燃油直接喷入其内，凹坑与气缸盖和活塞顶间的容积共同组成燃烧室。1）浅盆型燃烧室

混合气形成方式以空间混合为主。形成质量依靠燃油喷雾的细微度及油束在燃烧室内的均匀分布实现。进气无涡流特点：结构简单，起动性好，经济性好，热负荷低；但α大（1.7~2.2)，工作粗暴，对燃料要求高。

如：大缸径柴油机多采用。浅ω型燃烧室2）深坑型燃烧室

混合气形成方式是空间混合。形成质量依靠多油注高压喷射。一般有较强的进气涡流，适用于缸径80～140的柴油机。

ω型燃烧室（典型）

混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和挤气涡流，以加速混合气的形成。ω形燃烧室混合气形成特点：主要是依靠多孔喷雾（多为4孔），利用油束和燃烧室的吻合，在空间形成混合气。喷孔直径小，多在0.25～0.4mm内，喷孔轴线夹角为140°～160°内，喷油压力较高，一般在20Mpa左右。主要特点：面容比小，Q放↓，经济性好。低温起动性好采用多孔喷嘴，高压喷射。ΔP/ΔΦ和Pz大，工作粗暴。α大，动力性差。形成碳烟多，氮氧化物多,排放差。多用于3000r/min以下的柴油机（车用柴油机）。3)球形燃烧室混合气形成特点：1）燃油顺气流沿球面切线方向喷入时，约95%被喷涂均布在室壁上，形成一层薄的油膜，5％散布在燃烧室空间形成火源，点燃混合气。2）油膜逐层蒸发、逐层卷走、逐层燃烧，形成燃气涡流。3）喷油压力较高，油耗率较低。能适应多种不同着火性能的燃料。4）其进气管上多安装加热装置。

主要特点：面容比小，经济性好。ΔP/ΔΦ和Pz较小，工作柔和。对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多种燃料。冷起动困难。低速、加速时冒黑烟。不适于增压，变工况适应性差。各种燃烧室的比较4.3低排放柴油喷射系统满足以下要求：各种工况都有较高的喷油压力，提高雾化程度，改善排放；优化喷油规律，实现每循环多次喷射；每循环的喷油量能适应各种工况的实际需要；各种不同工况有合理的喷油正时，实现柴油机的动力性、经济性和排放性综合最优120MPa3.02.52.01.51.00.51.01.21.41.61.82.02.2160MPa80MPa烟度过量空气系数1.喷油压力2.喷油规律（1）定义：指喷油速率dq/dΦ（每度曲轴转角的喷油量）随曲轴转角的变化关系。（2）柴油机结构一定时，放热规律取决于喷油规律。理想的喷油持续角为16～35°CA，喷油速率的变化要先缓后急。（3）喷油规律:滞燃期内的初期喷油量控制了初期热放率，从而影响最高燃烧压力和最大压力升高率。为了提高热效率，应尽量减小喷油持续角并使放热中心接近上止点。在喷油后期，喷油率应快速下降以避免燃烧拖延，造成烟度及耗油量的加大。初期缓慢，中期急速，后期快断理想的喷油规律喷油速率低喷油速率喷油时间初期喷射期喷油持续期斜率控制高断油速率最高喷油速率控制曲轴转角初期缓慢，中期急速，后期快断3喷油时刻

喷油时刻对柴油机性能的影响喷油定时是间接地通过滞燃期来影响发动机性能的。结论：柴油机对应每一工况都有一个最佳喷油提前角喷油定时对柴油机污染物排放的影响对HC的影响。喷油定时对柴油机的HC排放的影响比较复杂。与燃烧室形状、喷油器结构参数及运转工况等有关。喷油提前或过迟，都会引起HC排放增加。对NOX，喷油提前，使滞燃期延长，导致NOX的增加。推迟喷油，使燃烧室中最高温度降低，从而减少NOX排放量。但喷油延迟必将使功率下降，燃油经济性变坏，并产生后燃现象，同时排温增高，烟度增加。因此，喷油延迟必须适度。所以总有一个最佳喷油提前角，就是要在该提前角下柴油机功率大、燃油消耗率低、颗粒浓度也最低。4.4多气门技术 目的：采用多气门技术，通过控制部分气道的关闭来控制进气涡流的强度，形成与柴油机转速匹配的涡流。在柴油机低速时候，关闭部分气道，可以让进气涡流大大提高，实现对涡流控制，使得柴油机在低速状态混合质量提高，改善柴油机排放质量。

优点：加大循环充气量改善其动力性经济性排放性能4.5增压技术柴油机采用废气涡轮增压技术后，若再采用增压并附带中间冷却器可同时降低HC、CO、NOx的排放量。采用涡轮增压中冷技术还可提高柴油机的功率,一台装有涡轮增压器的柴油机功率输出比未装增压器可增加20%～30%，而采用增压中冷技术甚至可增加50%的功率。新型涡轮增压器的使用,意味着可以用小排量的发动机替代大排量发动机,减轻发动机和整车质量,提高经济性和排放性。增压的基本概念和分类基本概念增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以期提高空气密度、增加进气量。增压可以增加发动机功率、改善燃油经济性以及良好的加速性。实现空气增压的装置称为增压器。增压器的性能指标——压力升高比（压比） ——压气机进气压力——压气机出口压力（增压压力）πR<1.4：低增压；πR＝1.4~2.0：中增压；πR>2.0：高增压分类根据增压的方式不同，发动机增压可分成以下四种类型1）机械增压2）废气涡轮增压3）气波增压4）复合增压1）机械增压安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。优点：是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。缺点：由于它要消耗部分引擎动力，会导致增压效率不高。

BENZ车上的COMPRESSOR

2）废气涡轮增压一般经过改良的涡轮增压至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出。突然加速，瞬间有提不上速度的感觉。 奥迪A6的1.8T，帕萨特1.8T，宝来1.8T3）气波增压 利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统低速增压性能好、加速性好、工况范围大；但尺寸大、笨重和噪声大。

4）复合增压 即废气涡轮增压和机械增压并用，这种装置在大功率柴油机上采用比较多优点：发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小；缺点：结构太复杂，技术含量高，维修保养不容易，因此很难普及。

2.增压对排放的影响1.增压对CO排放的影响生成原因：局部缺氧低温CO排放降低2增压对HC排放的影响生成原因：沉积物吸附与解吸HC排放降低3增压对NOx排放的影响生成原因：温度反应持续期反应混合物中氧浓度NOx

排放增加减少措施：压缩比－减少喷油定时－推迟废气再循环4.增压对颗粒排放物的影响生成原因：高温缺氧颗粒排放减少5.增压对CO2排放及燃油经济性的影响燃烧效率增加－废气能量利用机械效率增加－换气损失 减少 CO2排放减少燃油经济性提高4.6废气再循环系统1.目的降低Nox的排放量在高负荷时尤为明显；但高负荷时应用EGR系统会引起动力性下降、油耗上升、排气烟度增大；在发动机各工况点下选择最佳的EGR率。2.柴油机废气再循环系统3.柴油机EGR与汽油机EGR的比较1）各工作要求的EGR率不同。汽油机：适用于中等负荷柴油机：高速大负荷、高速小负荷－限制ERG率；部分负荷－较小的EGR率；低速小负荷－大EGR率。2）EGR率不同汽油机EGR率<20％柴油机EGR率：直喷式>40％非直喷式>25％3）柴油机废气再循环系统复杂 进气管与排气管之间的压差 －涡轮增压柴油机4.废气再循环率对柴油机性能的影响怠速、小负荷、常用工况－选择较大EGR率；大负荷－选择较小EGR率（HC、CO、微粒）。4.7电控柴油喷射系统

柔性控制高的喷射压力－降低废气排放独立的喷射压力控制－各种工况下的废气排放最低而经济性最优独立的燃油喷射正时控制－不依赖于转速和负荷，在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡。可变的预喷射控制能力－降低颗粒和NOX排配气正时共轨电控喷射系统—典型系统

高压共轨系统由五个部分