第五章内燃机机内净化技术

1、1,第五章 内燃机机内净化技术,汽油机机内净化技术 柴油机机内净化技术,2,第一节 汽油机机内净化技术,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，即降低污染物生成量的技术。,如改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控喷射、采用废气再循环技术等。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。,何谓机内净化？,3,第一节 汽油机机内净化技术,4,第一节 汽油机机内净化技术,1-1 汽油喷射电控系统,1-2 废气再循环,1-3 燃烧系统优化设计,1-6 点火系统优化设计,汽油机机内净化的主要措施,1

2、-5 缸内直喷技术,1-4 可变进气系统,5,1-1 汽油喷射电控系统,一、电控汽油喷射系统,6,喷油控制是发动机ECU主要控制功能 它包括喷油时刻控制和喷油量控制。,1-1 汽油喷射电控系统,二、喷油系统控制,7,1-1 汽油喷射电控系统,1. 控制策略,冷启动和冷却水温度较低时； 部分负荷和怠速运动（最佳经济性，最佳排放） 节气门全开时,2. 控制方法,精确确定质量流量 测量各传感器信号 根据标定数据计算喷油时间和定时 ECU按照发火顺序控制喷油,三、空燃比控制,8,1-1 汽油喷射电控系统,1. 点火脉谱图,动力性 经济性 排放特性,2. 爆震控制,爆震传感器 ECU判定振幅 推迟点火提

3、前角,四、点火系统控制,9,1-2 废气再循环,更低的废气排放,控制NOx,降低混合气中O2的浓度,降低燃烧温度,提高混合气的热容量,原 因,目的,排气中氧含量很低，主要是由惰性气体N2和CO2构成，与新鲜混合气混合后，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使混合气的比热容提高，造成温度降低，抑制了NOx生成。,一、EGR技术,10,1-2 废气再循环,二、EGR控制策略,11,1-2 废气再循环,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20%范围内较合适。,冷却EGR技术,再循环废气经冷却器冷却后

4、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。,三、EGR率对汽油机净化与性能的影响：,12,1-2 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。与外部EGR相对应的称为内部EGR，即通过不充分排气以增大滞留在缸内的废气量。 滞留在缸内的废气量决定于配气相位重叠角的大小，重叠角大，则内部废气再循环量也大。 过大的重叠角会使发动机燃烧不稳定、失火并使HC排放量增加等，因此在确定配气相位重叠角时必须对动力性、经济性和排放性能进行综合考虑。,四、内部废气再循环,13,1-3 燃烧系统优化,一、紧凑的燃烧室结构,面容比小，

5、尽可能紧凑 火花塞布置在中央，缩短火焰传播距离,半球形、蓬形S/V小，紧凑燃烧室,14,1-3 燃烧系统优化,提高缸内混合气的涡流和湍流程度，有助于加强油气混合，保证快速燃烧和完全燃烧，降低排放。,采用挤气面设计 加强进气涡流,涡流比 HC NOx,二、改善缸内气流，提高进气充量,多气门 增压技术,15,1-3 燃烧系统优化,一般在辛烷值允许情况下，采用尽可能高的压缩比，以获得较好的动力性和经济性。 传统汽油机根据爆震工况选择压缩比 在电子控制系统中，可以通过控制点火正时来避免爆燃，为高压缩比汽油机在性能与排放取得折中提供了条件。,三、合理提高压缩比,16,1-3 燃烧系统优化,燃烧室的缝隙区

6、域对HC的生成影响很大，应尽量减少这些缝隙区域。,四、减少不参与燃烧的缝隙容积,高位活塞环 L形活塞环,HC CO,17,1-4 可变进气系统,一定长度的进气管只能在某一转速区域得到最佳充气效率，单一进气系统不能兼顾高低速性能。 在低、中速，空气经过较细长的进气岐管，由于进气流速快，且进气脉动惯性增压的结果，使较多的混合气进入气缸，提高转矩输出；,一、可变进气道：,在高速，空气经过两个进气岐管，充填效率高，以维持高转矩动力性输出。,18,低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。 高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角

7、，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。 配合以上变化，对进气门从开启到关闭的进气持续角也应进行调整，以实现最佳的进气定时。,1-4 可变进气系统,二、可变气门正时及升程：,19,可变气门正时及升程电子控制（VTEC）,1-4 可变进气系统,二、可变气门正时及升程：,20,正时活塞无油压作用 同步活塞处于中间位置,1-4 可变进气系统,1. 低转速下VTEC原理,二、可变气门正时及升程：,21,ECM输出控制信号，使VTEC电磁阀打开。 来自机油泵的油压作用于正时活塞，使正时活塞和同步活塞右移。,1-4 可变进气系统,2. 高转速下VTEC原理,二、可变气

8、门正时及升程：,22,一、传统汽油机燃烧系统缺陷：,汽油机功率采用进气管节流的变量调节，无法达到变质调节的精确性。 空燃比须在着火界限内，热效率低，若稀混合气工作则热效率可提高。空燃比采用20与27较14.8时热效率将相应提高8%与12%。 排气污染（CO、HC、NOx）严重。一般汽油机的混合比范围正是排放较高的范围。空燃比达23以上就可以实现低排放。,1-5 缸内直喷技术,23,在火花塞间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气（1213.4），在燃烧室大部分区域是较稀混合气； 两者之间为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧。 汽油缸内直喷技术是实

9、现汽油在气缸内分层燃烧的一种特有技术，而汽油分层燃烧又是实现汽油稀薄燃烧的手段。,二、汽油机缸内直喷技术工作原理：,1-5 缸内直喷技术, 梅赛德斯奔驰 CGI技术, 三菱 GDI技术, 通用汽车 SIDI技术,大众和奥迪 FSI技术,大众和奥迪 TSI技术,四、常见的缸内直喷技术：,1-5 缸内直喷技术,GDI全称是Gasoline Direct Injection。, 三菱 GDI技术：,1-5 缸内直喷技术,三菱的GDI发动机通过稀薄燃烧技术，让燃料消耗减少20%-35%，让二氧化碳排放减少20%，而输出功率则比普通的同排量发动机高10%。,1-5 缸内直喷技术, 三菱 GDI技术：,辅

10、喷油阶段：进气行程，发动机进行一次喷油，喷油数量不大，这部分汽油会随着活塞运动跟空气均匀混合，缸内形成浓度很低的均质混合气。 主喷油阶段：第二次喷射是主喷油过程。当活塞即将达到发动机压缩行程的上止点时，在火花塞点火之前，喷油器喷出漏斗形状的燃油，这次喷射被成为主喷油。,1-5 缸内直喷技术, 三菱 GDI技术：,GDI发动机的喷油过程共分两次喷油：,28,1-6 点火系统优化,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，考虑采用高能点火。,一、火花质量对排放的影响,提高燃烧速率； 减小循环变动； 降低稀燃失火概率 发动机可燃用稀混合气从而减小HC排放。,高能点火和普通点火对H

11、C排放的影响,29,1-6 点火系统优化,（1）点火提前角对燃烧过程的影响。,火花质量和点火正时对排放产生影响,二、点火正时对排放的影响,30,1-6 点火系统优化,（2）点火提前角对有害排放物的影响。,二、点火正时对排放的影响,31,1-6 点火系统优化,（3）点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响。,点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响,二、点火正时对排放的影响,32,1-6 点火系统优化,（1）转速：转速 上升点火提前角增大（非线性）； （2）负荷：负荷增大点火提前角减小（非线性）； （3）汽油辛烷值：辛烷值高抗爆性好点火提前角增大。 （4）其他因素：燃烧室形状、空燃比、大气压。,

12、电控点火提前角控制,（1）正常运转点火提前角控制：基本和修正点火提前角； （2）启动点火提前角：固定初始点火提前角。,三、影响点火提前角的因素,33,第二节 柴油机机内净化技术,34,第二节 柴油机机内净化技术,35,第二节 柴油机机内净化技术,低排放燃烧室设计； 低排放燃油喷射系统设计； 低排放进排气系统设计；,36,2-1 低排放燃油喷射系统,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。,一、低排放柴油喷射系统要求：,37,2-1

13、 低排放燃油喷射系统,柴油机结构一定，放热规律取决于喷油规律； 理想喷油持续角为1635CA； 滞燃期内的初期喷油量控制初期放热率， 影响最高燃烧压力和最大压力升高率； 为了提高热效率，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。,二、合理喷油规律：,38,2-1 低排放燃油喷射系统,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,39,2-1 低排放燃油喷射系统,二、合理喷油规律：,凹弧凸轮供油规律,双弹簧喷油器供油规律,

14、40,2-1 低排放燃油喷射系统,三、预喷射和多段喷射,41,2-1 低排放燃油喷射系统,细化喷雾颗粒 增大燃油空气接触面积 喷雾索特粒径降低 容易造成NOx上升,四、提高喷油压力,五、小直径、多喷孔加速雾化,喷注分布更均匀、更充满，混合溶剂加大 可降低气流要求，改善经济性,42,2-1 低排放燃油喷射系统,六、柴油机电控喷油系统,43,2-1 低排放燃油喷射系统,喷油压力柔性可调，针对不同工况改变； 系统紧凑，刚度大，实现超高压喷油； 可实现理想的喷油规律，柔性控制速率变化，通过多次喷射，在降低NOx排放量的前提下，获得良好的燃油经济性和动力性； 采用电磁阀喷油，各缸的喷油量均匀、准确，发动

15、机运转平稳。,六、柴油机电控喷油系统优点,44,2-2 低排放燃烧系统,一、燃烧室分类,45,2-2 低排放燃烧系统,二、挤流口式燃烧系统,采用缩口燃烧室 底宽、口窄的挤流口式燃烧室 入口部位旋转加强，压缩挤流强烈 推迟喷油提前角，使排放和噪声下降,三、非回转体型燃烧系统,46,2-3 低排放进排气系统,一、气流组织和多气阀技术,1. 加强进气涡流、挤压涡流、滚流、湍流等。,小缸径的高速柴油机，一般都要组织一定的缸内涡流或湍流； 大、中型柴油机则向无涡流或弱涡流的方向发展； 涡流比大泵气损失大充气效率低 一般选择中等转速合适涡流比,47,2-3 低排放进排气系统,可增大进气门总的流通截面，增加

16、循环进气量； 可实现喷油嘴正中布置，使喷注分布和混合气形成更加合理；,2. 多气门技术：,四气门的布置,低速时可通过关闭一个进气道来提高缸内涡流速度，并经过特殊设计，充分利用进气惯性来提高低速进气量，从而改善动力性、经济性和排放性能。,一、气流组织和多气阀技术,48,2-4 低排放进排气系统,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。,二、增压技术,压力升高比（压比） 压气机进口压力 压气机出口压力（增压压力）,R1.7：低增压 R1.82.6：中增压 R=2.73.5：高增压 R

17、3.5：超高增压,49,2-4 低排放进排气系统,机械增压,废气涡轮增压,废气气波增压,复合增压,根据增压的方式不同，增压可分为以下四种类型：,二、增压技术,50,1. 机械增压,二、增压技术,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：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,2-4 低排放进排气系统,51,2-4 低排放进排气系统,52,涡轮增压器和内燃机之间依靠气路相通，内燃机排出的燃气经涡轮膨胀作功

18、后排往大气，压气机是靠涡轮发出的功率来驱动的。 一般经过改良的涡轮增压需要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出，存在滞后效应。,2. 废气涡轮增压,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,53,在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下，一般可提高功率2050，而且容易实现高增压； 可以从排气中回收一部分能量，再加上相对地减少了机械损失和散热损失，其经济性有明显提高，油耗率可降低510； 可降低排气噪声、烟度和排气中的有害成分，减少了对环境的污染。,2. 废气涡轮增压优点：,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,54,涡轮增压内燃机的加速性能稍差； 热负荷问题较严重； 对大气温度和排气背压较敏感。,在涡轮增压内燃机工作时，涡轮和压气机二者的功率必须保持平衡，以保证内燃机发出预定功率时所需要的增压压力和空气流量。,2. 废气涡轮增压缺点：,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,55,利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。