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发动机排放污染及控制主讲人龚金科等2020年7月9日概述：主要内容介绍了车用柴油机的低排放燃烧、低排放燃油喷射、多气门、增压、废气再循环以及电控燃油喷射等柴油机机内净化技术。第5章柴油机机内净化5.1概述5.2低排放燃烧系统5.3低排放柴油喷射系统5.4多气门技术5.5增压技术5.6废气再循环系统5.7电控柴油机喷射系统第5章车用柴油机机内净化第5章柴油机机内净化柴油机的燃烧过程第5章柴油机机内净化1342第Ⅰ阶段－滞燃期柴油开始喷入气缸到着火开始的这一段时期。第Ⅱ阶段－速燃期从着火开始到出现最高压力的这一段时期。第Ⅳ阶段－后燃期从缓燃期终点到燃油基本烧完的这一段时期。第Ⅲ阶段－缓燃期从最高压力点到出现最高温度时的这一段时期。柴油机的主要排放污染物控制柴油机排放物的重点在于降低柴油机的NOX和微粒（包括碳烟）的排放。第5章柴油机机内净化柴油机主要污染物CONOXHC微粒有害成分汽油机柴油机微粒（g/m3）0.0050.15～0.30CO（%）0.1～60.05～0.50HC（ppm）2000200～1000NOX（ppm）2000～4000700～2000柴油机与汽油机排放比较柴油机与汽油机排放比较柴油机的机内净化技术第5章柴油机机内净化近年来，一些低排放、高燃油经济性的柴油机不用任何后处理装置即可以达到相关的排放法规要求，显示出柴油机机内净化技术的巨大潜力。降低车用柴油机排放的技术措施柴油机与汽油机排放比较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、可变几何参数增压微粒废气再循环EGR、中冷EGRNOX高压喷射电控高压油泵、共轨系统、泵喷嘴微粒降低车用柴油机排放的技术措施每一种技术措施在降低某种排气成分时，往往效果有限，因而实际中常常是几种措施同时并用。第5章柴油机机内净化低排放燃烧系统第5章柴油机机内净化柴油机与汽油机排放比较柴油机(按燃烧室设计形式分)非直喷式柴油机直喷式柴油机这两类燃烧系统在燃烧组织、混合气形成和适应性方面都各有特点，因而在有害排放物的生成量方面也有所不同。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。直喷式柴油机非直喷式燃烧系统第5章柴油机机内净化柴油机与汽油机排放比较非直喷式燃烧室(按燃烧室构造分)涡流室式燃烧室预燃室式燃烧室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。涡流式室燃烧室第5章柴油机机内净化柴油机与汽油机排放比较右图为涡流室式燃烧室的结构图。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。预燃室式燃烧室第5章柴油机机内净化柴油机与汽油机排放比较燃烧室由预燃室和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个（图（a））或数个（图（b））孔道相连。（a）预燃室倾斜偏置,单孔道（b）预燃室中央正置,多孔道（c）预燃室侧面正置,单孔道直喷式燃烧系统第5章柴油机机内净化直喷式燃烧系统的燃烧室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。常见的有代表性的结构如图所示：（a）浅盆形、（b、c）深坑形、（d）球形浅盆形燃烧室第5章柴油机机内净化新型航空用喷射型燃烧室浅盆形燃烧室在活塞顶部设有开口大、深度浅的燃烧室凹坑。浅盆形燃烧室的空气利用率低，必须在过量空气系数大于1.6以上才能保证完全燃烧。深坑形燃烧室第5章柴油机机内净化深坑燃烧室ω形燃烧室挤流口形燃烧室ω形燃烧室ω形燃烧室在活塞顶部设有比较深的凹坑，其底部呈ω形，目的是为了帮助形成涡流以及排除气流运动很弱的中心区域的空气。挤流口形燃烧室挤流口形燃烧室采用了缩口形的燃烧室凹坑。初期燃烧减慢，压力升高率较低，因此NOX排放较ω形燃烧室低。球形燃烧室第5章柴油机机内净化球形燃烧室空间混合方式以油膜蒸发混合方式为主。随着燃烧的进行，热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，燃烧也随之加速。匹配良好的球形燃烧室工作柔和，NOX和炭烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。球形燃烧室低排放柴油喷射系统第5章柴油机机内净化低排放燃烧系统应该满足以下要求：各种工况下都应有较高的喷油压力，以得到足够高的燃油流出的初速度，使燃油粒度细化以提高雾化质量并加快燃烧速度，从而改善排放性能。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、经济性和排放性能综合最优。1342喷油压力第5章柴油机机内净化喷油过程中，喷油压力是对柴油机性能影响极大的一个因素，特别是直喷式柴油机。喷油压力愈大，则喷油能量愈高、喷雾愈细、混合气形成和燃烧愈完全，因而柴油机的排放性能和动力性、经济性都得以改善。喷油压力第5章柴油机机内净化一般供油系统的燃油喷射压力，决定于喷油泵的几何供油速率、喷油器的喷孔总面积以及喷油系统的结构刚度和泄漏情况等一系列因素。所以工程实践中常以嘴端峰值压力作为喷油系统工作能力的指标。高压喷射降低炭烟的效果喷油规律第5章柴油机机内净化结论：（1）滞燃期内的初期喷油量控制了初期放热率，从而影响最高燃烧压力和最大压力升高率。（2）为了提高循环热效率，应尽量减小喷油持续角，并使放热中心接近上止点。（3）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。喷油后期也不应该出现二次喷射及滴油等不正常情况。喷油规律第5章柴油机机内净化理想的喷油规律为了降低柴油机的排放，实现理想的燃烧过程，必须有合理的喷油规律。“初期缓慢，中期急速，后期快断”是一种理想的喷油规律。喷油时刻对柴油机性能的影响第5章柴油机机内净化喷油提前角喷油提前角过大燃料在柴油机的压缩行程中燃烧的数量多，增加压缩负功，使燃油消耗率上升、功率下降。柴油机工作粗暴、NOX排放量增加喷油提前角过小燃料不能在上止点附近迅速燃烧，导致后燃增加，油消耗率和排气温度增高，发动机容易过热结论：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第5章柴油机机内净化喷油定时对柴油机的HC排放的影响与燃烧室形状、喷油器结构参数及运转工况等有关。喷油提前使滞燃期延长，导致NOX的增加。推迟喷油减少了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。多气门技术第5章柴油机机内净化帘区：气门的圆周乘以气门的升程，即气门开启的空间。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，增大柴油机的进、排气量，降低泵气损失，使柴油机的燃烧更彻底；改善了喷油器的冷却和活塞的热应力，解决了由于二气门柴油机喷油嘴斜置造成的各喷油孔流动条件不同的问题可实现关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气滚流强度，拓宽柴油机的高效工作转速范围气门增多，则气门变小变轻，从而允许气门以更快的速度开启和关闭，增大了气门开启的时间断面值增压技术第5章柴油机机内净化所谓增压，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。•增压器的转子，由发动机曲轴通过齿轮增速箱或其它传动装置来驱动，将气体压缩并送入发动机气缸。机械增压•利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀作功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机废气涡轮增压•利用高压废气流的脉冲气波迫使空气在互相不混合的情况下受到压缩，从而提高进气压力，具有良好的瞬态响应性。气波增压•由上述各种方式组合而成，如机械增压与涡轮增压的结合等。复合增压增压技术第5章柴油机机内净化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－涡轮机废气涡轮增压器第5章柴油机机内净化废气涡轮增压器的工作原理废气涡轮增压器是利用发动机的废气作为动力，推动涡轮机旋转的同时带动安装在同一轴上的离心式压气机，使发动机的进气密度提高，从而提高发动机的充量。废气涡轮增压器可分为两大类：径流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器。径流式废气涡轮增压器结构图离心式气压机第5章柴油机机内净化（1）首先，新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进入工作轮，气流略有加速。（2）然后，气流进入工作轮上叶片组成的气流通道。（3）随后，压力提高了的气体沿工作轮径向流出，进入扩压器和出气蜗壳。新鲜充量在压气机中完成了一系列的功能转换，并将涡轮机传给压气机工作轮的机械能，尽可能多的转变为进气充量的压力能。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涡轮增压技术第5章柴油机机内净化涡轮增压系统在发动机的涡轮增压系统中，按排气能量利用的方式主要分为定压涡轮增压和脉冲涡轮增压两种基本形式，如图所示。（a)定压系统；（b)脉冲系统增压对排放的影响第5章柴油机机内净化•采用涡轮增压后过量空气系数还要增大，燃料的雾化和混合进一步得到改善，发动机的缸内温度能保证燃料更充分燃烧，CO排放可进一步降低。对CO排放的影响•增压后进气密度增加、过量空气系数大，可以提高燃油雾化质量，减少沉积于燃烧室壁面上的燃油，HC减少。对HC排放的影响•燃油经济性改善，机械效率提高；增压柴油机的比质量低，同样功率的柴油机可以做得更小、更轻，整车质量可以减小，也有利于燃油经济性的改善。对CO2排放及燃油经济性的影响增压对排放的影响第5章柴油机机内净化•实际应用中，在柴油机增压的同时，常采用减小压缩比、推迟喷油定时和组织废气再循环等措施来减小热负荷、降低最高燃烧温度。对NOX排放的影响•影响柴油机微粒物生成的主要因素是过量空气系数、燃油雾化质量等。一般柴油机中降低NOX的机内净化措施通常会导致颗粒排放物的增加。对颗粒排放物的影响废气再循环系统第5章柴油机机内净化柴油机燃烧时温度高、持续时间长、燃烧时的富氧状态是生成NOX的三个要素。前二个要素随转速和负荷的增加而迅速增加，而富氧状态则与空燃比直接相关。第5章柴油机机内净化在增压柴油机中，再循环的废气一般直接引入增压器后的进气管中。根据EGR外部回路的不同，EGR系统可分为低压回路连接法和高压回路连接法两种。柴油机废气再循环系统柴油机废气再循环系统第5章柴油机机内净化为了增大EGR实现的范围，人们采取了各种办法。如用节流阀对进气节流，使排气压力高于进气压力，在进气系统中设置一个文丘里管以保证大负荷时所需要的压力差，还有采用专门的EGR泵强制进行，如图所示。a)用排气脉冲阀的EGR系统b)用进气节流阀的EGR系统c)用文丘里管的EGR系统d)用EGR泵的EGR系统1-电控器；2-中冷器；3-柴油机；4-涡轮增压器；5-EGR阀；6-排气脉冲阀；7-进气节流阀；8-文丘里管；9-文丘里管旁通阀；10-EGR冷却器；11-EGR泵柴油机EGR的控制方法第5章柴油机机内净化柴油机EGR控制方法电控式开环控制闭环控制机械式柴油机EGR率的精确控制对于NOX的净化效果极其重要。机械式控制的EGR率小（5%～15%），结构复杂，因而应用不广。电控式系统不仅结构简单，还能进行较大的EGR率（15%～20%）控制。柴油机EGR与汽油机EGR的比较第5章柴油机机内净化柴油机EGR与汽机EGR的差别主要有：（1）各工况要求的EGR率不同。（2）EGR率不同。（3）柴油机的废气再循环系统要比汽油机复杂。第5章柴油机机内净化EGR系统对发动机性能的影响通过对混合气成分的改变来影响发动机动力性、经济性和排放性能的。主要体现在空燃比的改变上，随着EGR率的提高，空燃比逐渐降低。且随发动机工况的不同，它对空燃比的影响也不同。EGR率对柴油发动机性能的影响第5章柴油机机内净化对柴油机采用电控燃油喷射技术，能够获得更高的燃烧效率，同时降低燃烧峰值温度，从而减少柴油机的各种有害排放。电控柴油喷射系统在传统的柴油喷射系统基础上，首先发展起来的位置控制系