發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制

第4章車用柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化

4.1概述1.柴油機(jī)的燃燒過(guò)程柴油機(jī)的燃燒過(guò)程可劃分為第一階段：滯燃期第二階段：速燃期第三階段：緩燃期第四階段：后燃期第一階段：滯燃期第二階段：速燃期第三階段：緩燃期第Ⅲ階段－緩燃期指從最高壓力點(diǎn)開(kāi)始到出現(xiàn)最高溫度時(shí)的這一段時(shí)期。緩燃期開(kāi)始時(shí)，雖然氣缸內(nèi)已形成燃燒產(chǎn)物，但仍有大量混合氣正在燃燒。在由于是在氣缸容積加速增大的情況下進(jìn)行的，因此氣缸內(nèi)氣體壓力迅速下降。第四階段：后燃期第Ⅳ階段－后燃期指從緩燃期終點(diǎn)到燃油基本燒完的這一段時(shí)期。前一階段燃燒中，燃料由噴注中心向外擴(kuò)散的過(guò)程中受到已燃廢氣的包圍，使一部分燃料拖到后期燃燒，形成后燃期。2.柴油機(jī)的主要排放污染物有害成分汽油機(jī)柴油機(jī)微粒(g/m3)

CO(%)

HC(×10ˉ)

6NOx(×10ˉ)

60.0050.15~0.300.05~0.50200~1000700~20000.1~6200020~4003.柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)技術(shù)對(duì)策實(shí)施方法主要控制對(duì)象燃燒室設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化、新型燃燒方式Nox、微粒噴油規(guī)律改進(jìn)預(yù)噴射、多段噴射NOx進(jìn)排氣系統(tǒng)可變進(jìn)氣渦流、多氣門微粒增壓技術(shù)增壓、增壓中冷微粒廢氣再循環(huán)EGR、中冷、EGRNOx高壓噴射電控高壓油泵、共軌系統(tǒng)微粒4.2低排放燃燒系統(tǒng)柴油機(jī)燃燒室，是進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入的空氣與噴油系統(tǒng)噴入的燃油進(jìn)行混合和燃燒的場(chǎng)所，所以，燃燒室的幾何形狀對(duì)柴油機(jī)的性能和排放具有重要的影響。非直噴式燃燒系統(tǒng)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(nèi)進(jìn)行混合燃燒，然后沖入主燃燒室進(jìn)行二次混合燃燒。1.非直噴式燃燒系統(tǒng)（1）渦流室式燃燒室作為副燃燒室的渦流室設(shè)置在氣缸蓋上，主燃燒室由活塞頂與氣缸蓋之間的空間構(gòu)成.主、副燃燒室之間有一通道 渦流室式燃燒室的特點(diǎn)是：

(1)對(duì)燃油系統(tǒng)要求不高，因?yàn)樗饕揽繌?qiáng)烈的渦流作用形成混合氣，因此不需要很高的噴射壓力。

(2)柴油機(jī)工作平穩(wěn)。由于初期燃燒過(guò)程是在渦流室內(nèi)進(jìn)行，不直接作用在活塞上，使主燃燒室的壓力升高率較小。

(3)對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化不敏感。由于壓縮渦流隨轉(zhuǎn)速升高而增強(qiáng)，所以在較高轉(zhuǎn)速時(shí)仍能保證較好的混合質(zhì)量，因此渦流室式燃燒室適用于高速小型柴油機(jī)。 (4)渦流室式燃燒室的燃燒過(guò)程采用濃、稀兩段混合燃燒方式，前段的濃混合氣抑制了NOX的生成和燃燒溫度，而后段的稀混合氣和二次渦流又加速了燃燒，促使炭煙的快速氧化，因而NOX和微粒排放都比較低， 渦流室式燃燒室的缺點(diǎn)是：

相對(duì)散熱面積大，而渦流室又直接與冷卻水接觸，使散熱損失加大；由于氣體從渦流室向主燃燒室流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的節(jié)流損失較大，因而使柴油機(jī)冷機(jī)起動(dòng)困難，燃油消耗較高。 （2）預(yù)燃式燃燒室

特點(diǎn)：由于預(yù)燃室與主燃室之間通道面積很小，具有強(qiáng)烈的節(jié)流作用，使主燃燒室中壓力升高緩慢，最高燃燒壓力較低，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；對(duì)燃油系統(tǒng)的要求較低，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單孔軸針式噴油器，噴油壓力要求較低。燃油系統(tǒng)工作可靠；對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化、燃油品質(zhì)的敏感性較小。 預(yù)燃室燃燒室的缺點(diǎn)是：燃油消耗率高、起動(dòng)困難。2.直噴式燃燒系統(tǒng)直噴式燃燒系統(tǒng)的燃燒室相對(duì)集中，只在活塞頂上設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的凹坑，燃油直接噴入其內(nèi)，凹坑與氣缸蓋和活塞頂間的容積共同組成燃燒室。1）淺盆型燃燒室

混合氣形成方式以空間混合為主。形成質(zhì)量依靠燃油噴霧的細(xì)微度及油束在燃燒室內(nèi)的均勻分布實(shí)現(xiàn)。進(jìn)氣無(wú)渦流特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，起動(dòng)性好，經(jīng)濟(jì)性好，熱負(fù)荷低；但α大（1.7~2.2)，工作粗暴，對(duì)燃料要求高。

如：大缸徑柴油機(jī)多采用。淺ω型燃燒室2）深坑型燃燒室

混合氣形成方式是空間混合。形成質(zhì)量依靠多油注高壓噴射。一般有較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流，適用于缸徑80～140的柴油機(jī)。

ω型燃燒室（典型）

混合氣形成：空間霧化混合為主。一般采用多孔噴嘴，并組織一定的進(jìn)氣渦流和擠氣渦流，以加速混合氣的形成。ω形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)：主要是依靠多孔噴霧（多為4孔），利用油束和燃燒室的吻合，在空間形成混合氣。噴孔直徑小，多在0.25～0.4mm內(nèi)，噴孔軸線夾角為140°～160°內(nèi)，噴油壓力較高，一般在20Mpa左右。主要特點(diǎn)：面容比小，Q放↓，經(jīng)濟(jì)性好。低溫起動(dòng)性好采用多孔噴嘴，高壓噴射。ΔP/ΔΦ和Pz大，工作粗暴。α大，動(dòng)力性差。形成碳煙多，氮氧化物多,排放差。多用于3000r/min以下的柴油機(jī)（車用柴油機(jī)）。3)球形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)：1）燃油順氣流沿球面切線方向噴入時(shí)，約95%被噴涂均布在室壁上，形成一層薄的油膜，5％散布在燃燒室空間形成火源，點(diǎn)燃混合氣。2）油膜逐層蒸發(fā)、逐層卷走、逐層燃燒，形成燃?xì)鉁u流。3）噴油壓力較高，油耗率較低。能適應(yīng)多種不同著火性能的燃料。4）其進(jìn)氣管上多安裝加熱裝置。

主要特點(diǎn)：面容比小，經(jīng)濟(jì)性好。ΔP/ΔΦ和Pz較小，工作柔和。對(duì)燃油的品質(zhì)及霧化質(zhì)量要求低，可以燃用多種燃料。冷起動(dòng)困難。低速、加速時(shí)冒黑煙。不適于增壓，變工況適應(yīng)性差。各種燃燒室的比較4.3低排放柴油噴射系統(tǒng)滿足以下要求：各種工況都有較高的噴油壓力，提高霧化程度，改善排放；優(yōu)化噴油規(guī)律，實(shí)現(xiàn)每循環(huán)多次噴射；每循環(huán)的噴油量能適應(yīng)各種工況的實(shí)際需要；各種不同工況有合理的噴油正時(shí)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性綜合最優(yōu)120MPa3.02.52.01.51.00.51.01.21.41.61.82.02.2160MPa80MPa煙度過(guò)量空氣系數(shù)1.噴油壓力2.噴油規(guī)律（1）定義：指噴油速率dq/dΦ（每度曲軸轉(zhuǎn)角的噴油量）隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。（2）柴油機(jī)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，放熱規(guī)律取決于噴油規(guī)律。理想的噴油持續(xù)角為16～35°CA，噴油速率的變化要先緩后急。（3）噴油規(guī)律:滯燃期內(nèi)的初期噴油量控制了初期熱放率，從而影響最高燃燒壓力和最大壓力升高率。為了提高熱效率，應(yīng)盡量減小噴油持續(xù)角并使放熱中心接近上止點(diǎn)。在噴油后期，噴油率應(yīng)快速下降以避免燃燒拖延，造成煙度及耗油量的加大。初期緩慢，中期急速，后期快斷理想的噴油規(guī)律噴油速率低噴油速率噴油時(shí)間初期噴射期噴油持續(xù)期斜率控制高斷油速率最高噴油速率控制曲軸轉(zhuǎn)角初期緩慢，中期急速，后期快斷3噴油時(shí)刻

噴油時(shí)刻對(duì)柴油機(jī)性能的影響噴油定時(shí)是間接地通過(guò)滯燃期來(lái)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的。結(jié)論：柴油機(jī)對(duì)應(yīng)每一工況都有一個(gè)最佳噴油提前角噴油定時(shí)對(duì)柴油機(jī)污染物排放的影響對(duì)HC的影響。噴油定時(shí)對(duì)柴油機(jī)的HC排放的影響比較復(fù)雜。與燃燒室形狀、噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)工況等有關(guān)。噴油提前或過(guò)遲，都會(huì)引起HC排放增加。對(duì)NOX，噴油提前，使滯燃期延長(zhǎng)，導(dǎo)致NOX的增加。推遲噴油，使燃燒室中最高溫度降低，從而減少NOX排放量。但噴油延遲必將使功率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性變壞，并產(chǎn)生后燃現(xiàn)象，同時(shí)排溫增高，煙度增加。因此，噴油延遲必須適度。所以總有一個(gè)最佳噴油提前角，就是要在該提前角下柴油機(jī)功率大、燃油消耗率低、顆粒濃度也最低。4.4多氣門技術(shù) 目的：采用多氣門技術(shù)，通過(guò)控制部分氣道的關(guān)閉來(lái)控制進(jìn)氣渦流的強(qiáng)度，形成與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速匹配的渦流。在柴油機(jī)低速時(shí)候，關(guān)閉部分氣道，可以讓進(jìn)氣渦流大大提高，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦流控制，使得柴油機(jī)在低速狀態(tài)混合質(zhì)量提高，改善柴油機(jī)排放質(zhì)量。

優(yōu)點(diǎn)：加大循環(huán)充氣量改善其動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性排放性能4.5增壓技術(shù)柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓技術(shù)后，若再采用增壓并附帶中間冷卻器可同時(shí)降低HC、CO、NOx的排放量。采用渦輪增壓中冷技術(shù)還可提高柴油機(jī)的功率,一臺(tái)裝有渦輪增壓器的柴油機(jī)功率輸出比未裝增壓器可增加20%～30%，而采用增壓中冷技術(shù)甚至可增加50%的功率。新型渦輪增壓器的使用,意味著可以用小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)替代大排量發(fā)動(dòng)機(jī),減輕發(fā)動(dòng)機(jī)和整車質(zhì)量,提高經(jīng)濟(jì)性和排放性。增壓的基本概念和分類基本概念增壓就是將空氣預(yù)先壓縮然后再供入氣缸，以期提高空氣密度、增加進(jìn)氣量。增壓可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率、改善燃油經(jīng)濟(jì)性以及良好的加速性。實(shí)現(xiàn)空氣增壓的裝置稱為增壓器。增壓器的性能指標(biāo)——壓力升高比（壓比） ——壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力——壓氣機(jī)出口壓力（增壓壓力）πR<1.4：低增壓；πR＝1.4~2.0：中增壓；πR>2.0：高增壓分類根據(jù)增壓的方式不同，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓可分成以下四種類型1）機(jī)械增壓2）廢氣渦輪增壓3）氣波增壓4）復(fù)合增壓1）機(jī)械增壓安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上并由皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連接，從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸獲得動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)增壓器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而將空氣增壓吹到進(jìn)氣岐道里。優(yōu)點(diǎn)：是渦輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)相同，因此沒(méi)有滯后現(xiàn)象，動(dòng)力輸出非常流暢。缺點(diǎn)：由于它要消耗部分引擎動(dòng)力，會(huì)導(dǎo)致增壓效率不高。

BENZ車上的COMPRESSOR

2）廢氣渦輪增壓一般經(jīng)過(guò)改良的渦輪增壓至少2秒左右來(lái)增加或者減少發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出。突然加速，瞬間有提不上速度的感覺(jué)。 奧迪A6的1.8T，帕薩特1.8T，寶來(lái)1.8T3）氣波增壓 利用高壓廢氣的脈沖氣波迫使空氣壓縮。這種系統(tǒng)低速增壓性能好、加速性好、工況范圍大；但尺寸大、笨重和噪聲大。

4）復(fù)合增壓 即廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓并用，這種裝置在大功率柴油機(jī)上采用比較多優(yōu)點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲??；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，技術(shù)含量高，維修保養(yǎng)不容易，因此很難普及。

2.增壓對(duì)排放的影響1.增壓對(duì)CO排放的影響生成原因：局部缺氧低溫CO排放降低2增壓對(duì)HC排放的影響生成原因：沉積物吸附與解吸HC排放降低3增壓對(duì)NOx排放的影響生成原因：溫度反應(yīng)持續(xù)期反應(yīng)混合物中氧濃度NOx

排放增加減少措施：壓縮比－減少噴油定時(shí)－推遲廢氣再循環(huán)4.增壓對(duì)顆粒排放物的影響生成原因：高溫缺氧顆粒排放減少5.增壓對(duì)CO2排放及燃油經(jīng)濟(jì)性的影響燃燒效率增加－廢氣能量利用機(jī)械效率增加－換氣損失 減少 CO2排放減少燃油經(jīng)濟(jì)性提高4.6廢氣再循環(huán)系統(tǒng)1.目的降低Nox的排放量在高負(fù)荷時(shí)尤為明顯；但高負(fù)荷時(shí)應(yīng)用EGR系統(tǒng)會(huì)引起動(dòng)力性下降、油耗上升、排氣煙度增大；在發(fā)動(dòng)機(jī)各工況點(diǎn)下選擇最佳的EGR率。2.柴油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)3.柴油機(jī)EGR與汽油機(jī)EGR的比較1）各工作要求的EGR率不同。汽油機(jī)：適用于中等負(fù)荷柴油機(jī)：高速大負(fù)荷、高速小負(fù)荷－限制ERG率；部分負(fù)荷－較小的EGR率；低速小負(fù)荷－大EGR率。2）EGR率不同汽油機(jī)EGR率<20％柴油機(jī)EGR率：直噴式>40％非直噴式>25％3）柴油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜 進(jìn)氣管與排氣管之間的壓差 －渦輪增壓柴油機(jī)4.廢氣再循環(huán)率對(duì)柴油機(jī)性能的影響怠速、小負(fù)荷、常用工況－選擇較大EGR率；大負(fù)荷－選擇較小EGR率（HC、CO、微粒）。4.7電控柴油噴射系統(tǒng)

柔性控制高的噴射壓力－降低廢氣排放獨(dú)立的噴射壓力控制－各種工況下的廢氣排放最低而經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)獨(dú)立的燃油噴射正時(shí)控制－不依賴于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，在燃油消耗率和排放之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡?？勺兊念A(yù)噴射控制能力－降低顆粒和NOX排配氣正時(shí)共軌電控噴射系統(tǒng)—典型系統(tǒng)

高壓共軌系統(tǒng)由五個(gè)部分