第5章 柴油機機內凈化技術

5.1概述5.2低排放燃燒系統(tǒng)5.3低排放燃油噴射系統(tǒng)5.4 增壓技術5.5 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)第5章柴油機機內凈化技術2023/2/1

5.1

柴油機機內凈化概述2023/2/15.1.1柴油機的燃燒過程

由于柴油的蒸發(fā)差，柴油機靠噴油器將柴油在高壓下噴入氣缸，分散成數(shù)以百萬計的細小油滴，這些油滴在氣缸內高溫、高壓的熱空氣中，經加熱、蒸發(fā)、擴散、混合和焰前反應等一系列物理、化學準備，最后著火。由于每次噴射要持續(xù)一定的時間，一般在缸內著火時噴射過程尚未結束，故混合氣形成過程和燃燒是重疊進行的，即：邊噴油邊燃燒。柴油機是靠調節(jié)循環(huán)噴油量的多少來調節(jié)負荷，而循環(huán)進氣量基本不變。因此，每循環(huán)平均的混合氣濃度隨負荷變化而變化，這種負荷調節(jié)方式被稱為“質調節(jié)”。這與汽油機的負荷調節(jié)方式大不相同。柴油機的燃燒過程可劃分為滯燃期、速燃期、緩燃期和后燃期四個階段。

典型的示功圖如圖所示，曲線ABCDE表示氣缸中進行正常燃燒的壓力曲線，ABF表示氣缸內不進行燃燒時的純壓縮膨脹曲線，圖中還畫出了噴油嘴針閥的升程曲線。根據燃燒過程進行的實際特征，一般把燃燒過程劃分為四個階段。著火延遲階段急燃期緩燃期后燃期第I階段為著火延遲階段(AB段)。柴油開始噴入氣缸到著火開始的這一段時期。著火延遲期也稱為滯燃期。

?混合氣準備的物理和化學過程。?溫度或壓力越高，著火延遲期越短。?燃燒室的形式和壁溫，也影響著火延遲期長短。第Ⅱ階段為速燃期(BC段)。從著火開始到出現(xiàn)最高壓力的這一段時期。

著火延遲期內準備好的混合氣幾乎同時開始燃燒。?應控制壓力升高率，防止工作粗暴。?柴油機Δp/Δφ不大于0.4-0.5MPa/(°)的范圍內。

第Ⅲ階段為緩燃期(CD段)。緩燃期從最高壓力點到出現(xiàn)最高溫度時的這一段時期。

燃燒的進行漸趨緩慢。?盡可能地加速混合氣的形成，保證迅速而完全的燃燒。

第IV階段為后燃期(CD段)。

從緩燃期終點到燃油基本燒完的這一段時期。盡量縮短補燃期，減少補燃期內燃燒的燃油量。速燃期的特點：（1）壓力升高率很高，接近等容燃燒，工作粗暴。（2）達到最高壓力（6~9MPa）。（3）繼續(xù)噴油。壓力升高率過大，則柴油機工作粗暴，燃燒噪音大；同時運動零件承受較大的沖擊負荷，影響其工作可靠性和使用壽命；壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機的經濟性和動力性會較好。壓力升高率應限制在一定的范圍之內，柴油機的壓力升高率一般應不大于0.4~0.5MPa／(o)曲軸。與汽油機相比，柴油機的壓力升高率較大?？刂茐毫ι呗实拇胧簻p小在著火延遲期內準備好的可燃混合氣的量

①縮短著火延遲期的時間

②減少著火延遲期內噴入燃油

③減少可能形成可燃混合氣的燃油緩燃期的特點：

（1）噴油過程基本結束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。

（2）壓力開始下降（氣缸容積不斷增大），溫度達到最高。最高溫度可達2000K左右，一般在上止點后20~35oCA處出現(xiàn)。

柴油機的燃燒過程第Ⅰ階段－滯燃期柴油開始噴入氣缸到著火開始的這一段時期。第Ⅱ階段－速燃期從著火開始到出現(xiàn)最高壓力的這一段時期。第Ⅳ階段－后燃期從緩燃期終點到燃油基本燒完的這一段時期。第Ⅲ階段－緩燃期從最高壓力點到出現(xiàn)最高溫度時的這一段時期。5.1.2影響柴油機燃燒過程的因素1.運轉因素對燃燒過程的影響

影響燃燒過程的運轉因素有噴油提前角、轉速和負荷、冷卻強度等。（1）噴油提前角（2）轉速（3）負荷（4）冷卻強度的影響

2.結構因素對燃燒過程的影響在結構方面，影響燃燒過程的主要因素是壓縮比、燃燒室形式、空氣渦流運動、噴油壓力以及噴油規(guī)律等。（1）壓縮比（2）噴油壓力（3）噴油規(guī)律（4）燃燒室形式（5）空氣渦流2023/2/15.1.3柴油機的主要排放污染物

控制柴油機排放物的重點在于降低柴油機的NOX和微粒（包括碳煙）的排放。柴油機主要污染物CONOXHC微粒有害成分汽油機柴油機微粒（g/m3）0.0050.15～0.30CO（%）0.1～60.05～0.50HC（

ppm）2000200～1000NOX（

ppm）700～20002000～4000

柴油機與汽油機排放比較柴油機與汽油機排放比較圖5-2為直噴式柴油機污染物生成機理示意圖。由于柴油機無法形成均質可燃混合氣，總有部分燃料不能完全燃燒，從而生成以碳為主體的微粒。同時，由于混合氣不均勻，在燃燒過程中局部溫度很高，并有過量空氣，導致氮氧化物（NOx）的大量生成。相對于汽油機而言，柴油機由于過量空氣系數(shù)比較大，一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）排放量要相對較低，但普通的燃油供給系統(tǒng)使柴油機的微粒排放量比汽油機大幾十倍甚至更多。5.1.4柴油機機內凈化的主要技術措施

近年來，一些低排放、高燃油經濟性的柴油機不用任何后處理裝置即可以達到相關的排放法規(guī)要求，顯示出柴油機機內凈化技術的巨大潛力。降低車用柴油機排放的技術措施

柴油機與汽油機排放比較

技術對策實施方法主要控制對象燃燒室設計設計參數(shù)優(yōu)化、新型燃燒方式NOX、微粒噴油規(guī)律改進預噴射、多段噴射NOX進排氣系統(tǒng)可變進氣渦流、多氣門微粒增壓技術增壓、增壓中冷、可變幾何參數(shù)增壓微粒廢氣再循環(huán)EGR、中冷EGRNOX高壓噴射電控高壓油泵、共軌系統(tǒng)、泵噴嘴微粒

每一種技術措施在降低某種排氣成分時，往往效果有限，因而實際中常常是幾種措施同時并用。5.2低排放燃燒系統(tǒng)燃燒室的幾何形狀對柴油機的性能和排放具有重要的影響。5.2.1非直噴式燃燒系統(tǒng)非直噴式燃燒室(按燃燒室構造分)渦流室式燃燒室預燃室式燃燒室

非直噴式燃燒室往往有主、副燃燒室二部分，燃油首先噴入副燃燒室內進行混合燃燒，然后沖入主燃燒室進行二次混合燃燒。渦流式室燃燒室

右圖為渦流室式燃燒室的結構圖。作為副燃燒室的渦流室設置在氣缸蓋上，主燃燒室由活塞頂與氣缸蓋之間的空間構成。主、副燃燒室之間有一通道。由于主燃燒室最高溫度相對較低，因此可減少NOx排放量，此外，HC和微粒排放量均比直噴式柴油機低。預燃室式燃燒室

燃燒室由預燃室和活塞上方的主燃燒室所組成，兩者之間由一個（圖（a））或數(shù)個（圖（b））孔道相連。

（a）預燃室傾斜偏置,單孔道（b）預燃室中央正置,多孔道（c）預燃室側面正置,單孔道5.2.2直噴式燃燒系統(tǒng)

直噴式燃燒系統(tǒng)的燃燒室只在活塞頂上設置一個單獨的凹坑，燃油直接噴入其內。凹坑與氣缸蓋和活塞頂間的容積共同組成燃燒室。常見的有代表性的結構如圖所示：（a）淺盆形、（b、c）深坑形、（d）球形淺盆形燃燒室

淺盆形燃燒室在活塞頂部設有開口大、深度淺的燃燒室凹坑。淺盆形燃燒室的空氣利用率低，必須在過量空氣系數(shù)大于1.6以上才能保證完全燃燒。深坑形燃燒室

深坑燃燒室ω形燃燒室擠流口形燃燒室

ω形燃燒室

ω形燃燒室在活塞頂部設有比較深的凹坑，其底部呈ω形，目的是為了幫助形成渦流以及排除氣流運動很弱的中心區(qū)域的空氣。

擠流口形燃燒室擠流口形燃燒室采用了縮口形的燃燒室凹坑。初期燃燒減慢，壓力升高率較低，因此NOX排放較ω形燃燒室低。球形燃燒室

球形燃燒室空間混合方式以油膜蒸發(fā)混合方式為主。隨著燃燒的進行，熱量輻射在油膜上，使油膜加速蒸發(fā)，燃燒也隨之加速。匹配良好的球形燃燒室工作柔和，NOX和炭煙排放都較低，動力性和燃油經濟性也較好。不同燃燒室的比較與選用對于碳煙的排放量，淺盆形燃燒室最低，深坑形燃燒室次之，而分隔式燃燒室最高；分隔式燃燒室主要應控制碳煙的排放量，特別在較低負荷工況下。深坑形燃燒室的HC的排放量最高，特別在較低負荷工況下，其中的液態(tài)成分部分使其微粒的排放量也較高；直噴式燃燒室較分隔式燃燒室NOx的排放量明顯要高，特別在較高負荷工況下。2023/2/15.2.3氣流組織及多氣門技術氣流組織

適當?shù)母變葰饬鬟\動有利于燃燒室中燃油噴霧與空氣的混合，使燃燒更迅速更完全。尤其當噴油系統(tǒng)的壓力不夠高使得噴霧不夠細時，要求較強的渦流運動來促進油氣混合。強烈的進氣渦流一般由螺旋進氣道或切向進氣道產生，它們均以不同程度地增加進氣阻力為代價獲得較強的渦流運動，結果是泵氣損失增大，充量系數(shù)下降。另外，對于小缸徑高速柴油機，其工作轉速范圍很大，進氣系統(tǒng)產生的渦流往往難以同時滿足各種轉速下的要求，渦流轉速過高和過低同樣不利于燃燒。

2023/2/12.多氣門技術Multiplevalve

采用多氣門的優(yōu)點擴大進排氣門的總流通截面積，增大充氣效率解決了二氣門柴油機噴油嘴斜置造成的各噴油孔流動條件不同的問題

可實現(xiàn)關閉部分通道，形成與柴油機轉速相適應的進氣渦流強度，拓寬柴油機的高效工作轉速范圍

氣門增多，則氣門變小變輕，從而允許氣門以更快的速度開啟和關閉，增大了氣門開啟的時間斷面值2023/2/15.3低排放柴油噴射系統(tǒng)電控轉子泵電控單體泵電控泵噴嘴電控泵高壓共軌2023/2/1低排放柴油噴射系統(tǒng)

低排放燃油噴射系統(tǒng)應該滿足以下要求：

各種工況下都應有較高的噴油壓力，以得到足夠高的燃油流出的初速度，使燃油粒度細化以提高霧化質量并加快燃燒速度，從而改善排放性能。優(yōu)化噴油規(guī)律，實現(xiàn)每循環(huán)多次噴射。每循環(huán)的噴油量能適應各種工況的實際需要各種不同工況有合理的噴油正時，實現(xiàn)柴油機的動力性、經濟性和排放性能綜合最優(yōu)。13425.3.1噴油壓力

噴油過程中，噴油壓力是對柴油機性能影響極大的一個因素，特別是直噴式柴油機。

噴油壓力愈大，則噴油能量愈高、噴霧愈細、混合氣形成和燃燒愈完全，因而柴油機的排放性能和動力性、經濟性都得以改善。高壓噴射降低炭煙的效果一般供油系統(tǒng)的燃油噴射壓力，決定于噴油泵的幾何供油速率、噴孔總面積以及噴油系統(tǒng)的結構剛度和泄漏情況等因素。所以工程實踐中常以嘴端峰值壓力作為噴油系統(tǒng)工作能力指標。對于目前仍廣泛采用的噴油泵－油管－噴油嘴（P-L-N）系統(tǒng)，其噴油壓力隨轉速升高而升高，隨柴油機的負荷增大而增大。這種特性對于低轉速、小負荷條件下的柴油機燃油經濟性和煙度不利。并且由于高壓腔容積等因素制約，噴油壓力的提高受限，有時還會因為供油系統(tǒng)參數(shù)匹配不當造成不正常噴射現(xiàn)象。泵噴嘴將柱塞式噴油泵和噴油嘴做成一體，取消了高壓油管，因此可提供更高的噴油壓力，由于有害高壓油腔容積較小，所以即使最高噴油壓力達200MPa，易于控制噴油規(guī)律，也不會由于壓力波動造成不正常噴射現(xiàn)象。此外，噴油持續(xù)期縮短，使怠速和小負荷時噴油特性的穩(wěn)定性得到改善。泵噴嘴安裝在氣缸蓋上，由凸輪軸直接驅動。但由于泵噴嘴的尺寸比一般的噴油器大，布置時有一定的困難。泵噴嘴在高壓噴油時使氣缸蓋受附加載荷，所以應該注意確保氣缸蓋的強度和剛度。泵噴嘴系統(tǒng)的驅動凸輪到曲軸的距離較遠，傳動系統(tǒng)負荷較大。這些都限制了泵噴嘴的廣泛應用，因此泵噴嘴多用于大、中型柴油機。一般情況下，高壓噴射會使NOx增加，但如果合理利用高壓噴射時燃燒持續(xù)期短的特點，同時推遲噴油時刻或廢氣再循環(huán)，有可能使微粒PM和NOx同時降低。5.3.2噴油規(guī)律噴油規(guī)律即單位時間內由噴油嘴進入汽缸內的燃油量，根據對柴油機工作過程的研究和分析，可得出以下結論：（1）滯燃期內的初期噴油量控制了初期放熱率，從而影響最高燃燒壓力和最大壓力升高率。（2）為了提高循環(huán)熱效率，應盡量減小噴油持續(xù)角，并使放熱中心接近上止點。

（3）在噴油后期，噴油率應快速下降以避免燃燒拖延，造成煙度及耗油量的加大。噴油后期也不應該出現(xiàn)二次噴射及滴油等不正常情況。

理想的噴油規(guī)律

為了降低柴油機的排放，實現(xiàn)理想的燃燒過程，必須有合理的噴油規(guī)律?！俺跗诰徛?，中期急速，后期快斷”是一種理想的噴油規(guī)律初期噴油速率不能太高，是為了減少在滯燃期內形成的可燃混合氣量，降低初期燃燒速率，以降低最高燃燒溫度和壓力升高率，從而抑制NOx生成及降低燃燒噪聲。噴油中期采用高噴油壓力和高噴油速率以加速擴散燃燒速度，防止生成大量微粒和降低熱效率。噴油后期要迅速結束噴射，以避免在低的噴油壓力和噴油速率下使燃油霧化變差，導致燃燒不完全而使HC和微粒排放增加。預噴射也是一種實現(xiàn)柴油機初期緩慢燃燒的噴油方法，見圖左上角的幾種噴油模式。在主噴射前，有一少量的預先噴射，會使得在著火延遲期內只能形成有限的可燃混合氣量，這部分混合氣只產生較弱的初期燃燒放熱，并使隨后的主噴射燃油的著火延遲期縮短，避免了一般直噴式柴油機燃燒初期急劇的壓力、溫度升高，因而可明顯降低NOx排放。預噴射對燃燒過程缸內壓力的影響如圖所示。此外，超過一次以上的多段預噴射有助于改善柴油機起動和怠速時的燃燒穩(wěn)定性，從而減少這些工況下柴油機HC的排放量。435.3.3噴油時刻結論：柴油機對應每一工況都有一個最佳噴油提前角噴油提前角過大，則燃料在柴油機的壓縮行程中燃燒的數(shù)量就多，不僅增加壓縮負功，使燃油消耗率上升、功率下降，而且因滯燃期較長，壓力升高率和最高燃燒溫度、壓力迅速升高，使得柴油機工作粗暴、NOx排放量增加。噴油提前角過小，則燃料不能在上止點附近迅速燃燒，導致后燃增加，雖然最高燃燒溫度和壓力降低，但燃油消耗率和排氣溫度增高。噴油定時的延遲是減少氮氧化物排放濃度最快捷有效的措施。但噴油延遲必將使燃燒過程推遲進行，最高燃燒壓力降低，功率下降，燃油經濟性變壞，并產生后燃現(xiàn)象，同時使排溫增高，煙度增加。噴油定時對柴油機的HC排放的影響與燃燒室形狀、噴油器結構參數(shù)及運轉工況等有關。噴油提前，滯燃期增加，使較多的燃油蒸汽和小油粒被旋轉氣流帶走，形成一個較寬的過稀不著火區(qū)，同時燃油與壁面的碰撞增加，這會使HC排放增加。噴油過遲，則使較多的燃油沒有足夠的反應時間，HC排放量也要增加。大負荷時影響顆粒排放濃度的主要是固相碳，噴油延遲，煙度會增加，即顆粒中固相碳的比例增加。而在小負荷、怠速工況下推遲噴油，由于燃燒溫度低，燃燒不完善，從而導致顆粒中可溶性物質比例的增加。因此，將噴油延遲，顆粒的排放量在各種工況下都會增加。但噴油過于提前，會使得燃油在較低溫度下噴入而得不到完全燃燒，也會導致煙度及碳氫排放的增加，更重要的是還會導致氮氧化物的增加。5.3.4低排放噴油雙彈簧噴油器，其基本結構如圖5-16所示。在噴油器體內裝有兩個彈簧，一個彈簧作用在噴油嘴針閥上，該彈簧的預緊力決定了噴油器的開啟壓力。第二個彈簧支撐在限位套筒上，限位套筒決定了針閥的預行程（h1）。為了制造工藝上的方便，直噴式柴油機所用的閉式多孔噴油嘴中針閥尖端與針閥體之間一般有一小空間，成為壓力室，如圖5-18所示。試驗表明，當用小壓力室噴油嘴代替標準壓力室噴油嘴時，HC排放可下降一半左右。2023/2/15.3.5電控柴油機噴射系統(tǒng)傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)的基本原理噴油量噴油定時噴油規(guī)律柱塞螺旋槽、柱塞直徑、行程機械式提前器（線性控制）油泵凸輪幾何形線、柱塞直徑、行程發(fā)動機缺點：1）靠油泵齒條拉桿控制油量，需要專門的拉鎖機構控制；2）噴油定時不能全工況靈活控制；3）噴油規(guī)律受凸輪形線直接決定，不能靈活控制。柱塞偶件驅動機構出油閥偶件油量調節(jié)機構電控燃油噴射系統(tǒng)的基本原理優(yōu)點：1）噴油量通過ECU控制取消機械調速器；2）噴油定時可全工況控制取消機型提前器；3）噴油規(guī)律實現(xiàn)間接或直接可控（共軌系統(tǒng)）；4）實現(xiàn)怠速閉環(huán)控制；5）實現(xiàn)故障自診斷利于維修。電控燃油噴射系統(tǒng)第一代位置式第二代時間式第三代壓力時間式電控直列泵電控分配泵電控直列泵電控分配泵電控泵噴嘴電控單體泵中壓共軌高壓共軌壓電共軌增壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)介紹電控燃油噴射系統(tǒng)第一代位置式第二代時間式第三代壓力時間式電控直列泵電控分配泵電控直列泵電控分配泵電控泵噴嘴電控單體泵中壓共軌高壓共軌壓電共軌增壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)介紹

（1）保留了傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的基本結構，將原有的機械控制機構用電控元件取代。（2）在原機械控制循環(huán)噴油量和供油正時的基礎上，改進了機構功能，實現(xiàn)了循環(huán)噴油量和供油正時的電控，使控制精度和響應速度較機械式控制高。位置控制系統(tǒng)線性電磁鐵對循環(huán)供油量所采取的位置控制根據量調節(jié)齒桿齒桿的實際位置和預定位置之間的偏差量，改變輸入螺線管的電流就能精確控制齒桿的位置。對供油正時的位置控制用各種形式的電控液壓提前器來替代傳統(tǒng)的機械或液壓式自動提前器。對供油速率的位置控制主要用于電控直列噴油泵上，通過改變柱塞預行程來實現(xiàn)對供油速率的控制。位置控制系統(tǒng)位置控制式電控燃油噴射系統(tǒng)的特點：

相對其它電控燃油噴射系統(tǒng)，執(zhí)行響應較慢、控制頻率

較低、控制精度不穩(wěn)定不能改變傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)固有的噴射特性，雖能對噴油速

率起

到一定的調節(jié)作用，但使直列泵機構變得復雜幾乎無須對柴油機本身結構進行改動，即可實現(xiàn)位置控制噴射，故生產繼承性好，便于對現(xiàn)有機型進行升級改造2023/2/159時間控制系統(tǒng)

時間控制系統(tǒng)是第二代柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)，它將原有機械式噴油器改用高速強力電磁閥噴油器，以脈動信號來控制電磁閥的吸合與斷開，以此來控制噴油器的開啟與關閉。2023/2/160

常用的時間控制系統(tǒng)對循環(huán)供油量的控制原理：

通過電磁溢流閥關閉后柱塞開始泵油到電磁溢流閥打開所持續(xù)的時間長短確定循環(huán)供油量。2023/2/161電控高壓共軌系統(tǒng)

原理：低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓共軌管，根據柴油機的運行狀態(tài)，由電控單元從預置的脈譜圖中確定合適的噴油定時、噴油持續(xù)期，由電控噴油器將燃油噴入氣缸。1-高壓油泵2-濾清器3-燃油箱

4-共軌壓力傳感器

5-限流器6-共軌管7-限壓閥8-電控噴油器9-進氣質量流量計10-冷卻液溫度傳器11-空氣溫度傳感器12-增壓壓力傳感器13-油門位置傳感器14-曲軸位置傳感器15-柴油機轉速傳感器16-電控單元2023/2/1電控高壓共軌系統(tǒng)64電控高壓共軌系統(tǒng)共軌管共軌管連接高壓油泵和噴油器。影響共軌管中油壓波動的主要因素有：高壓油泵的供油特性、噴油器和調節(jié)閥的工作特性以及共軌管本身的特性。高壓油管高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道，它必須能夠承受系統(tǒng)中的最大壓力。CA4DC2高壓共軌系統(tǒng)-BOSCH現(xiàn)代CRDi高壓共軌柴油直噴發(fā)動機

2023/2/165電控高壓共軌系統(tǒng)2023/2/166電控高壓共軌系統(tǒng)BOSCH噴油器工作原理噴嘴置位線圈銜鐵球閥釋放控制孔充油控制孔針閥桿噴嘴針閥壓力環(huán)高壓連接管回油噴嘴開啟噴嘴關閉低壓高壓噴孔多層壓電晶體執(zhí)行器的結構拉力非極化區(qū)-OZr+未極化的壓電陶瓷加上電壓之后的壓電晶體，電壓和電流加電后的壓電晶體=噴油器打開-O-OZr+Ti+-OZr+-OTi++-+--OTi+-OZr+-OTi+-O-OZr+Ti+-OZr+-OTi++-I電控高壓共軌系統(tǒng)預噴射主噴射后噴射2023/2/15.4增壓技術2023/2/172

所謂增壓，就是利用增壓器將空氣或可燃混合氣進行壓縮，再送入發(fā)動機氣缸的過程。機械增壓增壓器的轉子，由發(fā)動機曲軸通過齒輪增速箱或其它傳動裝置來驅動，將氣體壓縮并送入發(fā)動機氣缸。廢氣渦輪增壓利用發(fā)動機排出的具有一定能量的廢氣進入渦輪并膨脹作功，廢氣渦輪的全部功率用于驅動與渦輪機同軸旋轉的壓氣機氣波增壓利用高壓廢氣流的脈沖氣波迫使空氣在互相不混合的情況下受到壓縮，從而提高進氣壓力，具有良好的瞬態(tài)響應性。復合增壓由上述各種方式組合而成，如機械增壓與渦輪增壓的結合等。2023/2/173增壓方式增壓方式機械增壓廢氣渦輪氣波增壓復合增壓結構特征壓氣機能量源于發(fā)動機曲軸排氣驅動渦輪，帶動壓氣機壓縮進氣由曲軸驅動的槽輪轉子，排氣壓力波在其中對進氣進行壓縮通過一個機械增壓和渦輪增壓相結合2023/2/174

幾種增壓方式的工作示意圖如下圖所示（a）機械增壓；（b）渦輪增壓；（c）氣波增壓；（d）復合增壓

E－發(fā)動機；

C－壓氣機；

T－渦輪機2023/2/1751.加速響應性好

2.低速可以獲得較好的轉距

3.排氣系統(tǒng)無干擾

4.消耗發(fā)動機的功率，油耗上升增壓度不高，汽油機為主機械增壓2023/2/176渦輪增壓1.充分利用廢氣能量2.高速性能好，低速性能、加速性能不佳3.排氣噪聲低，與排氣后處理裝置油有沖突4.增壓器結構簡單緊湊，可設置中冷器進一步提高增壓效應5.對進/排氣壓力敏感增壓壓力可達到0.4MPa以上，汽油機柴油機都有2023/2/177

1.綜合了機械增壓和排氣渦輪增壓的優(yōu)點，高速時排放渦輪增壓，啟動加速時機械增壓

2.低速、低負荷時仍能保證一定的增壓壓力

3.結構復雜、控制困難

復合增壓2023/2/178廢氣渦輪增壓器的工作原理

廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動機的廢氣作為動力，推動渦輪機旋轉的同時帶動安裝在同一軸上的離心式壓氣機，使發(fā)動機的進氣密度提高，從而提高發(fā)動機的充量。廢氣渦輪增壓器可分為兩大類：徑流式渦輪增壓器和軸流式渦輪增壓器。徑流式廢氣渦輪增壓器結構圖2023/2/12023/2/1

增壓前后工質密度與增壓比和壓氣機絕熱效率直接相關，增壓比高則工質密度增幅大；

增壓比確定之后，降低壓縮過程中空氣的溫升，也同樣可以提高絕熱效率，從而使進氣密度增加，因此可以在增壓后的進氣進行中間冷卻，這就是現(xiàn)今廢氣渦輪增壓發(fā)動機中特別是高增壓時較多采用進氣中冷技術的原因。

增壓中冷2023/2/1812023/2/182渦輪增壓系統(tǒng)

在發(fā)動機的渦輪增壓系統(tǒng)中，按排氣能量利用的方式主要分為定壓渦輪增壓和脈沖渦輪增壓兩種基本形式，如圖所示。（a)定壓系統(tǒng)；（b)脈沖系統(tǒng)2023/2/183問題發(fā)動機在低速時不能產生所期望的高增壓壓力，特別是在轉速和負荷都大幅度變化的增壓車用發(fā)動機上尤為明顯。1.低速轉矩不足；2.低速和部分負荷時經濟性差；3.起動、加速性能差，瞬態(tài)響應性遲緩，冒煙嚴重。2023/2/1改善增壓柴油機低速工況,帶旁通閥，其原理是按增壓壓力要求通過螺旋彈簧預先壓緊橡膠膜片，一旦增壓壓力達到了彈簧的預加負荷，放氣閥門打開，渦輪周圍的廢氣進入排氣系統(tǒng)中。放氣點選在發(fā)動機最大扭矩點處，在高速工況工作時，通過旁通閥放出渦輪前的一部分廢氣,以降低增壓器轉速和壓比來限制最大爆發(fā)壓力。造成了排氣能量損失，犧牲了增壓器的效率且排氣背壓較高，使柴油機在高速工況下的油耗有所增加。高速工況放氣系統(tǒng)2023/2/1可調的兩級渦輪增壓系統(tǒng)為達到更高的發(fā)動機性能，要求增壓器提供更高的增壓壓力，并要求增壓器在達到高增壓比的情況下仍具有良好的效率，但這一要求對在車用發(fā)動機上采用一級增壓器難以實現(xiàn)，因而二級渦輪增壓系統(tǒng)應運而生，二級渦輪增壓即兩個渦輪增壓器串聯(lián)工作的增壓系統(tǒng)，其中的高壓級渦輪尺寸較小，工作流量小，針對低速工況的性能進行設計；低壓級渦輪尺寸較大，工作流量大，針對發(fā)動機高速工況性能進行優(yōu)化。低速或加速工況，排氣調節(jié)閥關閉，全部排氣先流過高壓級渦輪，因高壓級渦輪是根據低工況性能設計的，低工況下排氣能量利用率高，可使渦輪在較高的轉速下工作，然后排氣再經低壓級渦輪膨脹做功，使排氣能量得到充分利用。同時進氣調節(jié)閥關閉，空氣先經低壓級再通過高壓級壓氣機二次加壓，在小流量時就能獲得較高的增壓比，從而使這些工況下的進氣量充足，減少柴油機的碳煙排放，因此顯著增大了發(fā)動機低速時的扭矩。隨著發(fā)動機轉速的升高，排氣能量逐漸增多，排氣調節(jié)閥部分開啟，其開度大小取決于發(fā)動機工況，一部分排氣經高壓級渦輪膨脹做功，另一部分排氣則經調節(jié)閥直接通向低壓級渦輪，因排氣背壓有所降低，改善了發(fā)動機的經濟性能。在排氣能量富足的高速及大負荷工況下，排氣調節(jié)閥完全打開，因低壓級渦輪針對發(fā)動機的高工況性能進行了優(yōu)化，此時渦輪工作效率高，發(fā)動機經濟性好同時進氣調節(jié)閥開啟，空氣經低壓級壓氣機壓縮后直接通往發(fā)動機，高壓級渦輪增壓器不參與工作，從而限制了高速及大負荷工況時的增壓壓力。由于可調二級渦輪增壓系統(tǒng)的低速工況下的增壓比顯著提高，瞬態(tài)特性顯著改善，并且渦輪增壓器工作可靠，因而越來越多地應用在一些高性能的轎車柴油機上。2004年，BMW公司在其頂級3.0L直列6缸柴油機上首次采用了可調的二級渦輪增壓，2023/2/1增壓對排放的影響對CO排放的影響采用渦輪增壓后過量空氣系數(shù)還要增大，燃料的霧化和混合進一步得到改善，發(fā)動機的缸內溫度能保證燃料更充分燃燒，CO排放可進一步降低。對HC排放的影響增壓后進氣密度增加、過量空氣系數(shù)大，可以提高燃油霧化質量，減少沉積于燃燒室壁面上的燃油，HC減少。對CO2排放及燃油經濟性的影響燃油經濟性改善，機械效率提高；增壓柴油機的比質量低，同樣功率的柴油機可以做得更小、更輕，整車質量可以減小，也有利于燃油經濟性的改善。2023/2/1增壓對排放的影響2023/2/1955.5廢氣再循環(huán)系統(tǒng)2023/2/196自然吸氣柴油機所用的EGR系統(tǒng)與汽油機類似，如圖所示。由于進、排氣之間有足夠的壓力差，EGR的控制比較容易。但在EGR的回流氣中的微?？赡芤饸飧谆钊M和進氣門的磨損，為減小這種影響，首先要盡可能降低微粒的排放。2023/2/198

在增壓柴油機中，再循環(huán)的廢氣一般直接引入增壓器后的進氣管中。根據EGR外部回路的不同，EGR系統(tǒng)可分為低壓回路連接法和高壓回路連接法兩種。低壓回路方式直接聯(lián)接壓氣機7入口端和廢氣渦輪5出口端來實現(xiàn)EGR的方法。由于壓氣機7的入口處為負壓，而廢氣渦輪5出口壓力為正，所以通過聯(lián)接適當?shù)腅GR回流管6，就可以很容易地實現(xiàn)EGR。但由于這種方式的廢氣直接流過壓氣機7和中冷器8，所以易造成壓氣機的腐蝕和中冷器的污染等。

2023/2/199高壓回路方式直接聯(lián)接壓氣機后的中冷器8出口端和廢氣渦輪5入口端來實現(xiàn)EGR。由于這種EGR方式的廢氣不流過壓氣機和中冷器，所以不存在對壓氣機和中冷器的腐蝕和污染問題；但可實現(xiàn)的EGR率取決于排氣壓力和進氣壓力之差。特別是在中、大負荷時，由于增壓進氣壓力提高，所以很難實現(xiàn)EGR。2023/2/1100濰柴增壓中冷EGR柴油機（高壓回路方式）2023/2/11012023/2/11022023/2/1103

為了增大EGR實現(xiàn)的范圍，人們采取了各種辦法。如用節(jié)流閥對進氣節(jié)流，使排氣壓力高于進氣壓力，在進氣系統(tǒng)中設置一個文丘里管以保證大負荷時所需要的壓力差，還有采用專門的EGR泵強制進行，如圖所示。a)用排氣脈沖閥的EGR系統(tǒng)

b)用進氣節(jié)流閥的EGR系統(tǒng)c)用文丘里管的EGR系統(tǒng)

d)用EGR泵的EGR系統(tǒng)1-電控器；2-中冷器；3-柴油機；4-渦輪增壓器；5-EGR閥；6-排氣脈沖閥；7-進氣節(jié)流閥；8-文丘里管；9-文丘里管旁通閥；10-EGR冷卻器；11-EGR泵2023/2/1104

通過修改排氣門凸輪的形狀使排氣門在進氣行程中打開，讓部分高壓廢氣回流到氣缸內以實現(xiàn)廢氣再循環(huán)。在進氣管和排氣管中氣流的壓力脈動都很大。在這種壓力脈動的作用下，使某一缸在進氣過程中，其排氣門處出現(xiàn)正壓波。此時，如果能再次開啟排氣門，就可實現(xiàn)EGR。

內部EGR在排氣凸輪中除控制排氣所需凸輪1(主凸輪)以外，又增設內部EGR專用凸輪2(EGR用凸輪)。通過這種機構，在進氣過程中的適當時刻再次開啟排氣門3，使排出的廢氣回流到氣缸內部，以實現(xiàn)EGR。內部EGR系統(tǒng)不需要排氣節(jié)流，所以不影響泵氣損失，因而對經濟性無影響，同時不需要EGR閥以及EGR管路等，所以結構比較簡單。2023/2/12023/2/1它的優(yōu)點是響應速度快，但它很難在不同工況下實現(xiàn)最佳EGR率控制，也無法對EGR氣體進行冷卻，造成缸內進氣終了溫度上升，不利于降低NOx排量的同時，也使得進氣量減少，空燃比降低，對柴油機性能負面影響大，所以現(xiàn)在已經很少使用。內部EGR2023/2/1107柴油機EGR的控制方法柴油機EGR控制方法電控式開環(huán)控制閉環(huán)控制機械式2023/2/1108柴油機EGR與汽油機EGR的比較由于柴油機過氧燃燒，直噴式柴油機的EGR率超過40%，非直噴式可達25%。為防止微粒產生，中、低負荷常采用較大的EGR率，全負荷不采用EGR，以保證發(fā)動機的動力性和燃油經濟性。當轉速提高時降低EGR率，保證較多新鮮空氣的進入，由實驗標定測得最佳的EGR脈譜。2023/2/11092023/2/1EGR率對柴油發(fā)動機性能的影響

EGR系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響通過對混合氣成分的改變來影響發(fā)動機動力性、經濟性和排放性能的。

主要體現(xiàn)在空燃比的改變上，隨著EGR率的提高，空燃比逐漸降低。且隨發(fā)動機工況的不同，它對空燃比的影響也不同。圖為汽油機熱容量和A/F隨EGR率變化的趨勢?？梢钥闯?由于汽油機氣缸中的進氣總量隨著EGR率的增加而增加,因此混合氣的比熱也隨之