現(xiàn)代汽車排放與控制技術(shù)課件：車用柴油機排放控制技術(shù) -

汽車排放與控制車用柴油機排放控制技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過分析柴油機與汽油機控制技術(shù)的異同，理解柴油機排放控制的主要途徑。車用柴油技術(shù)排放控制技術(shù)主要包括：燃燒室的改進(jìn)、新型燃燒方式（HCCI）、高壓噴射技術(shù)、噴油正時技術(shù)、多氣門技術(shù)、增壓與可變截面渦輪增壓、廢氣再循環(huán)技術(shù)和柴油機電控管理技術(shù)。6.1概述6.1.1柴油機與汽油機排放控制技術(shù)的異同(1)柴油機的燃燒方式與汽油機不同。(2)柴油機和汽油機的排放污染物不同。(3)降低排放的后處理技術(shù)措施不同。圖6-1不同轎車的NOx排放量和燃油經(jīng)濟(jì)性同時，柴油機由于熱效率高，因而在燃油經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯的優(yōu)勢。圖6-1給出了采用不同發(fā)動機轎車的NOX比排放量和燃油經(jīng)濟(jì)性的對比。

為了削減溫室效應(yīng)氣體CO2的排放量，以及節(jié)約使用有限的石油資源，要求柴油機在保持高的熱效率的同時，努力降低PM和NOx的排放污染。6.1.2柴油機排氣污染控制的主要途徑

首先，為使NOX和微粒同時降低并保證高的熱效率，柴油機應(yīng)采用如圖6-2所示的燃燒過程控制思路，即由實線所示理論燃燒過程，虛線所示實際燃燒過程，可以概括為兩點：（1）抑制預(yù)混合燃燒以降低NOX；（2）促進(jìn)擴散燃燒以降低微粒。

下圖為推遲噴油提前角會使NOx排放降低，但微粒排放卻增大，這時應(yīng)同時采用加快燃燒速度的其他措施以抑制微粒排放的惡化。

圖6-2低排放柴油機燃燒過程控制思路6.1.3柴油機排放控制的對策技術(shù)表6-1給出了降低柴油機NOx和PM排放的技術(shù)措施。在這些方法中，有6種方法是已經(jīng)實用化的技術(shù)。原理方法降低PM改善混合氣的質(zhì)量多氣門、增壓、增壓中冷、可變渦流截面改善噴射高壓噴射（共軌系統(tǒng)、泵噴嘴）、噴油規(guī)律改善燃燒新型燃燒方式、、改進(jìn)燃燒室燃料改進(jìn)降低S含量、降低芳香烴含量、醇類燃料降低機油消耗改進(jìn)油環(huán)結(jié)構(gòu)，減少間隙排氣后處理微粒捕集器（DPF）、氧化催化器（DOC）等降低NOx降低燃燒溫度推遲噴油提前角、EGR、預(yù)噴射、多段噴射、新型燃燒方式、改進(jìn)燃燒室燃料改進(jìn)增加十六烷值排氣后處理NOx催化器柴油機排放控制的對策技術(shù)：1高壓共軌噴射系統(tǒng)2廢氣再循環(huán)系統(tǒng)3增壓中冷技術(shù)4微粒捕集器5催化凈化裝置6燃料改進(jìn)a)Cummins的柴油機排放技術(shù)對策（2003）b）ISUZU的歐III柴油機排放技術(shù)對策（1999）下圖是國內(nèi)外著名公司滿足法規(guī)的柴油機技術(shù)策略。c)Siemens的柴油機排放技術(shù)對策（2003）d)DENSO的歐IV柴油機排放技術(shù)對策（2002）標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)對策歐III高壓噴射＋電子控制＋增壓中冷歐IV高壓噴射以降低微粒＋EGR以控制NOx＋VNT以控制瞬態(tài)AF（控制微粒）高壓噴射以降低微粒＋優(yōu)化燃燒進(jìn)一步降低微粒＋NOx后處理以降低NOx冷卻式EGR以降低NOx＋優(yōu)化燃燒進(jìn)一步降低NOx＋微粒捕集DPFe)Bosch公司（2003）

從以上可以分析為滿足歐III、歐IV的標(biāo)準(zhǔn)，采取的柴油機排放控制關(guān)鍵技術(shù)如表所示6.2柴油燃燒系統(tǒng)技術(shù)6.2.1燃燒室的改進(jìn)混合氣的形成和燃燒與燃燒室有密切關(guān)系。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。根據(jù)混合氣形成和燃燒室的結(jié)構(gòu)特點，柴油機基本分為兩大類：直噴式柴油機和分隔式柴油機。重型車用柴油機和其他大型柴油機大多采用直接噴射燃燒方式，而轎車和輕型車要求轉(zhuǎn)速高以及小型農(nóng)用機械使用方便多采用分隔式燃燒室。

1．?dāng)D流口式燃燒系統(tǒng)傳統(tǒng)的半開式燃燒系統(tǒng)，大都應(yīng)用敞口、中凸的ω形燃燒室，如圖6-4所示。這種燃燒室NOx排放較高，噪聲也很大。英國潑金斯(Perkings)公司和奧地利AVL公司推出了底寬、口窄的擠流口式燃燒室(見圖6-4)，獲得良好效果。

圖6-4三種燃燒系統(tǒng)的放熱效率曲線—標(biāo)準(zhǔn)型燃燒系統(tǒng)；--間接噴射式系統(tǒng)；—擠流口式燃燒系統(tǒng)

擠流口式燃燒室采用了縮口形的燃燒室凹坑，這就使得擠流和逆擠流運動更強烈，渦流和湍流能保持較長的時間，這就加速了燃油與空氣的混合。擠流口式燃燒室的燃燒過程較柔和，擠流口抑制了較濃的混合氣過早地流出燃燒室凹坑，使初期燃燒減慢，壓力升高率較低，因此NOx排放較低。如圖6-5所示。圖6-5擠流口型與標(biāo)準(zhǔn)型燃燒室的排放特性圖6-6三種非回轉(zhuǎn)體燃燒室

a)四角形燃燒室；b)側(cè)面有4個小圓弧凹坑的Quardram燃燒室；c)上方下圓的微渦流燃燒室這些非圓形或方、圓形狀及凹坑的設(shè)計，其目的有如下兩點：(1)使氣流在不規(guī)范的角落或聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生微渦流或紊流，大大加速油、氣混合；(2)由于微渦流及紊流的能量消耗隨速度的平方而增加，使得高速時，中央主旋流有很大的衰減，高轉(zhuǎn)速渦流比下降，起到兼顧高、低速性能的效果。2．非回轉(zhuǎn)體型燃燒系統(tǒng)6.2.2新型燃燒方式一一HCCI

1HCCI的概念圖6-8柴油機HCCI工作過程a燃料和空氣混合b燃料和空氣開始著火c燃燒d排氣

均質(zhì)充量壓縮著火(HCCl)是指在氣缸內(nèi)形成均勻分布的稀混合氣，活塞壓縮到上止點時，在整個氣缸內(nèi)同時著火。這種燃燒方式在混合氣形成方面采用常規(guī)汽油機的預(yù)混合方式；在著火方式上，采用柴油機的壓縮自燃著火。因而，它是一種既不同于傳統(tǒng)汽油機，又不同于傳統(tǒng)柴油機的新型燃燒方式。它綜合了常規(guī)汽油機和柴油機兩種燃燒方式的優(yōu)點。由于其混合氣是預(yù)混合好的，燃油分布比較均勻，這樣就可以減少甚至達(dá)到無PM排放；又由于其混合氣充量是壓縮著火而且沒有節(jié)氣門的節(jié)流損失，因而使得其有較高的熱效率。HCCI發(fā)動機在整個氣缸內(nèi)同時著火，沒有沿火焰前鋒面?zhèn)鞑ィ沟萌紵梢栽谳^低的溫度下進(jìn)行，大大減少了發(fā)動機的NOx排放。

目前國際上，以柴油為燃料的HCCI發(fā)動機的開發(fā)逐漸受到重視，這主要有以下幾方面原因：①柴油機可靠性更高，維護(hù)成本低。②燃料的繼承性好。③經(jīng)濟(jì)性好。

目前，美國、日本等國的大汽車公司及核心研究機構(gòu)都在開展HCCI燃燒的研究。國際上現(xiàn)有的柴油機HCCI燃燒技術(shù)，按照混合氣形成方式可以分成以下3類：1）缸外預(yù)混HCCI，即在進(jìn)氣沖程柴油被噴入進(jìn)氣管，與空氣混合形成預(yù)混合氣。2）缸內(nèi)早噴HCCI，即在壓縮沖程早期，柴油被噴入氣缸，隨活塞上行逐漸與空氣混合，直至發(fā)生自燃著火。3）缸內(nèi)晚噴HCCI，即在壓縮上止點后開始噴油，并結(jié)合提高噴射壓力和進(jìn)氣渦流以及高EGR率，提高燃油與空氣的混合速率，保證在燃燒開始前完成噴射，形成混合氣。6.3柴油噴射系統(tǒng)技術(shù)

低排放燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)滿足下列要求：

1)每循環(huán)噴油量要適應(yīng)柴油機不同工況低排放運行的需要。特別如起動工況，要供給足夠的循環(huán)供油量，保證柴油機起動可靠；又不過多以限制起動時的HC排放。

2)優(yōu)化全工況的噴油定時，實現(xiàn)柴油機的性能與排放的最佳折衷。

3)優(yōu)化噴油規(guī)律(噴油速率隨時間或曲軸轉(zhuǎn)角的變化)，包括實現(xiàn)每循環(huán)多次噴射的可能性。

4)燃油噴霧宏觀形狀與燃燒室形狀及燃燒室內(nèi)氣流運動相匹配，保證燃燒室內(nèi)空氣的充分利用。

5)燃油噴霧油粒粒度均勻且足夠細(xì)，以保證燃油及時蒸發(fā)，并與空氣均勻混合。高壓共軌噴射技術(shù)

圖6-13高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)

所謂“共軌”，是指柴油機各缸的噴油器共用一根高壓油管，如圖6-13所示。柴油機的電控系統(tǒng)根據(jù)工況和環(huán)境條件，通過一個和發(fā)動機轉(zhuǎn)速無關(guān)的高壓油泵，將高壓油管中的燃油壓力控制在所需要的水平上。6.3.2合理的噴油規(guī)律預(yù)噴射PI(PilotIjection)（引導(dǎo)噴射）圖6-20預(yù)噴射對燃燒過程的影響

預(yù)噴射的示意圖見圖6-20。在主噴射前，有一少量的燃油預(yù)先噴射(見圖中針閥升程)到氣缸內(nèi)，這樣在著火滯燃期內(nèi)只能產(chǎn)生有限的可燃混合氣量。這部分混合氣形成較弱的初期燃燒放熱，并使隨后的主噴射燃油的著火滯燃期縮短，避免了一般直噴式柴油機初期急劇的壓力和溫度升高，可明顯降低NOx排放。預(yù)噴射控制PM和NOx的原理圖如圖所示。預(yù)噴射的區(qū)域圖預(yù)噴射控制PM和NOx的原理圖如圖所示。從圖中可以看出，一般柴油機的燃燒區(qū)跨越碳粒生成區(qū)和NOx生成區(qū)，也就是說不可避免地要產(chǎn)生碳粒和大量生成NOx，要設(shè)法把燃燒區(qū)域移到低NOx和低PM區(qū)，即要使所有的燃燒均在稀混合氣和低燃燒溫度下進(jìn)行。采用預(yù)噴射可以快速燃燒，推遲著火，降低初期放熱峰值，縮短主噴射的著火滯燃期，

加速主燃期的燃燒，縮短燃燒持續(xù)期，從而有效地降低最高燃燒壓力和溫度，降低了NOx的排放。

多段噴射（SplitInjection）

多段噴射是在主噴射前有預(yù)噴射，在主噴射之后有少部分燃油在燃燒后期噴入。圖6-22a)給出了多段噴射的示意圖。圖6-22b)給出了多段噴射(7：3)對發(fā)動機燃燒特性的影響。圖6-22多段噴射示意圖a)多段噴射示意圖；b)多段噴射對發(fā)動機燃燒特性的影響

與常規(guī)噴射相比，后期噴射的燃油實際上對正在進(jìn)行的燃燒起到一種擾動作用，促進(jìn)燃燒后期的混合氣形成及燃燒加速，因而燃燒壓力提高，燃燒持續(xù)期縮短，使炭煙排放降低。采用多段噴射可以改善冷起動特性。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，采用多段噴射后，-30℃時的冷起動時間縮短了20％，這就意味著白煙和冷HC等排放會明顯減少。6.3.4噴油正時控制噴油正時，對柴油機的NOx排放有明顯的效果。可以說，降低柴油機NOx排放的最簡單易行的辦法就是推遲噴油時刻，但同時也會帶來微粒排放的增加和燃油消耗的惡化。是否采取推遲噴油時刻的方法，需要在PM和NOx之間進(jìn)行折衷。柴油機噴油時間延遲使NOx排放量下降的主要原因有兩個：一是使燃燒過程避開上止點進(jìn)行，燃燒等容度下降，因而溫度下降。二是越接近上止點噴油，缸內(nèi)空氣溫度越高，燃油一旦噴入缸內(nèi)便很快蒸發(fā)混合并著火，即著火后期時間可以縮短，燃燒初期的放熱速率降低，導(dǎo)致燃燒溫度降低。這兩種原因都起到了抑制NOx生成的作用。但過分推遲噴油提前角，NOx排放反而上升。這主要是由于著火落后期的過分延長，使燃燒初期的放熱速率反而大幅度上升的原因。6.4柴油機進(jìn)排氣系統(tǒng)技術(shù)6.4.2增壓與可變截面渦輪增壓（VNT）增壓是提高發(fā)動機進(jìn)氣充量的有效措施，目前，在國外的車用柴油機上得到了廣泛的應(yīng)用是廢氣渦輪增壓技術(shù)，如圖6-27所示。發(fā)動機排出的具有一定能量的高溫廢氣帶動渦輪2高速旋轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動與渦輪同軸的壓氣機3旋轉(zhuǎn)，新鮮空氣由進(jìn)氣口4進(jìn)入氣機，被壓縮后送入氣缸。圖6-27廢氣渦輪增壓系統(tǒng)1-排氣口；2－渦輪；3－壓氣機；4—進(jìn)氣口

增壓可以大幅度提高進(jìn)氣的密度；同時由于過量空氣系數(shù)足夠大，燃燒完全，以及泵氣過程作正功，因而燃油經(jīng)濟(jì)性也好于非增壓柴油機。也正是由于增壓柴油機的過量空氣系數(shù)較大，因而炭煙和微粒的產(chǎn)生很容易被抑制住，CO和HC排放也會進(jìn)一步降低。圖6-28增壓柴油機的排放特性和燃油消耗率如圖6-28所示，在NOx排放量不變的條件下，通過提高增壓度使過量空氣系數(shù)增大，結(jié)果使排氣煙度和燃油耗率都得到了明顯降低。6.5廢氣再循環(huán)（EGR）柴油機通過廢氣再循環(huán)來降低NOx排放量的基本原理和汽油機大致相同。對于自然吸氣柴油機所用的EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與汽油機類似，由于進(jìn)、排氣之間有足夠的壓力差，EGR的控制比較容易。對于增壓柴油機，經(jīng)常會出現(xiàn)增壓壓力大于排氣壓力的現(xiàn)象。為了確保廢氣再循環(huán)，廢氣再循環(huán)閥前應(yīng)再加上一個單向閥如圖所示，以便利用廢氣脈沖進(jìn)行廢氣再循環(huán)。對于增壓中冷柴油機，通常有以下兩種方式：從渦輪前取氣回流到壓氣機后的EGR系統(tǒng)；從渦輪后取氣回流到壓氣機前的EGR系統(tǒng)。渦輪增壓柴油機的冷卻再循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計適宜采用前一種方式，如圖所示，可避免出現(xiàn)再循環(huán)廢氣污染壓氣機和中冷器，減少淤塞和腐蝕問題，同時避免EGR隨工況變化響應(yīng)滯后。

圖6-31增壓中冷柴油機EGR系統(tǒng)A：空氣濾清器B：中冷器C：進(jìn)氣歧管D：EGR冷卻器E：單向閥F：EGR控制閥6.5.1EGR對排放和發(fā)動機性能的影響