汽车环境工程04

SDJTUNIVERSITY主讲人：衣丰艳SDJTUNIVERSITY第1章绪论第2章汽车排放污染物的生成机理和影响因素第3章汽车发动机的排放特性第4章车用汽油机机内净化第5章车用柴油机机内净化第6章车用汽油机后处理净化《汽车排放污染及控制》目录SDJTUNIVERSITY第7章车用柴油机后处理净化第8章燃料与排放第9章汽车排放污染物净化方案及分析第10章汽车排放及测试第11章排放标准《汽车排放污染及控制》目录SDJTUNIVERSITY4.1概述第4章车用汽油机机内净化4.2汽油喷射电控系统4.3低排放燃烧系统4.5其他机内净化措施4.4废气再循环第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY概述：主要内容介绍汽油机机内净化技术，包括汽油喷射电控系统及其对排放的影响、典型低排放燃烧系统及其对排放的影响、废气再循环系统的工作原理及其对发动机性能的影响以及其他机内净化技术。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITYSDJTUNIVERSITY机内净化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、采用电控汽油喷射、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。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY按燃烧过程的物理—化学状态，可分为三个阶段：着火延迟期、明显燃烧期和补燃期。汽油机的燃烧过程第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY汽油车主要污染物一氧化碳（CO）氮氧化物（NOx）碳氢化合物（HC）铅化物以及二氧化硫等汽油车主要排放污染物第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY汽油机机内净化的主要措施大力推广汽油喷射电控系统。改善点火系统。开发分层充气及均质稀燃的新型燃烧系统。改进进气机构和燃烧室结构。采用废气再循环控制。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITYSDJTUNIVERSITY汽油喷射电控系统概述利用各种传感器检测发动机的各种状态，经微机的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY典型汽油喷射电控系统第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY喷油控制喷油控制是发动机ECU的主要控制功能，它包括喷油时刻控制和喷油量控制。1.喷油时刻的控制对于多点喷射发动机，ECU以曲轴转角传感器的信号为依据进行喷油时刻的控制，使各缸喷油器能在设定的时刻喷油。喷油时刻控制方式有三种：同时喷射、分组喷射和顺序喷射。2.喷油量的控制喷油量的控制，其目的是使发动机燃烧混合气的空燃比符合各工况的需要。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY起动喷油控制起动时，空气流量计不能精确检测。因此，起动时，ECU不以空气流量计的信号作为喷油量的计算依据，而是按预先设定的起动程序来进行喷油控制。运转喷油控制发动机运转时，ECU主要根据进气量和发动机转速来计算喷油量。喷油控制第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY喷油控制超速断油控制——当发动机转速超过允许的最高转速时，由ECU自动中断喷油，减少有害物排放。减速断油控制——当汽车在高速运转时突然减速，发动机仍在汽车惯性的带动下高速旋转。此时节气门已关闭，进入气缸的空气量很少，若继续正常喷油，则会造成燃烧不完全与废气中HC和CO排放物增多。减速断油控制的目的是为了控制急减速时有害物的排放，减少燃油消耗量，促使发动机转速尽快下降，有利于汽车减速。断油控制第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY喷油控制反馈控制在排气管上加装氧传感器，根据排气管中氧的含量，测定进入发动机燃烧室混合气的空燃比值，并输入给ECU。ECU将此信号与设定的目标空燃比值进行比较，不断修正喷油量，使空燃比保持在设定目标值附近。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY喷油控制对排放的影响第4章车用汽油机机内净化冷起动及暖机阶段排放控制冷起动阶段：混合气浓度一般要低于化油器式发动机。暖机阶段：不要提供太浓的混合气。为了减小汽油喷射发动机冷起动和暖机阶段排放，要对开环控制的空燃比进行精确的标定，不要过量供给燃油。SDJTUNIVERSITY点火系统的控制点火提前角由微机控制，使发动机在各种工况下都能调整至最佳点火时刻，令发动机在动力性、经济性、加速性和排放等方面达到最优。微机控制点火系传感器微处理机（ECU）点火线圈点火器起动期间，点火提前角设为固定值。怠速时，微机根据发动机转速、冷却水温来控制点火提前角的大小。正常行驶时，微机根据发动机转速和负荷信号，进行点火提前角的控制。部分负荷时，要根据冷却液温度、进气温度和节气门位置等信号进行修正。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY点火系统的控制火花质量和点火正时对排放产生影响。1）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。2）点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响。推迟点火未燃HC排放下降NOx排放降低影响动力性和经济性点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY怠速转速控制发动机的怠速运转是排放很严重的工况。汽油机在怠速工况下降低HC和CO排放的方法提高怠速转速怠速转速越低，节气门开度越小，残余废气的稀释度严重，就需要更浓的混合气，增加了怠速时CO与HC的排放。提高怠速转速可使混合气形成和燃烧均获得改善，这不仅是由于可燃混合气在进气管中的移动速度增加所致，而且是由于提高充气效率和减少残余废气的稀释度的结果。SDJTUNIVERSITY高能点火对HC排放的作用①提高燃烧速率和减小循环变动；②降低了混合气较稀时的失火概率，使发动机可燃用稍稀的混合气，从而减小了HC的排放。高能点火和普通点火对HC排放的影响在怠速工况时，高能点火使HC最低排放量的空燃比增大到了13左右，HC排放也有了明显的下降。SDJTUNIVERSITY气门间隙对HC排放的作用增大气门间隙，减小气门重叠角。气门重叠角越大，进入气缸的废气量就越多，HC排放就越多。发动机进排气门间隙影响气门重叠角，从而影响气缸内残余废气的比率。气门间隙越大，HC、CO排放浓度越低。气门间隙对HC和CO排放的影响SDJTUNIVERSITY缸内直接喷射缸内直接喷射汽油机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷射在燃烧室内。关键在于产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，使喷入气缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流。因此缸内直喷采用了立式进气道、弯曲顶面活塞、高压旋转喷射器等三种技术手段。SDJTUNIVERSITY直喷式发动机缸内空气流动－纵向涡流即滚流。弯曲顶面活塞利用活塞顶凸起形状，增强了滚流强度。虽然混合比达到40:1，但聚集在火花塞周围的混合气却很浓，很容易点火燃烧。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY缸内直接喷射汽油机存在的问题排放问题1）缸内温度偏低，不利于未燃碳氢后燃等。2）分层燃烧时在火花塞附近出现混合气局部过浓或浓混合气区域过大的状况，使NOx生成增加，较高的压缩比和放热率也将导致大负荷工况NOX增多。3）微粒排放在小负荷、过渡工况和冷起动的情况下比传统的进气道喷射汽油机有较多的增加，但仍比柴油机要低一个到几个数量级。成因：局部区域混合气过浓，缸内温度低。SDJTUNIVERSITY缸内直接喷射式汽油机的排放对策二阶段混合进气冲程开始时第一次喷油，在缸内生成很稀的均质混合气，第二次喷射在压缩上止点前，在气缸滚流和活塞顶形状的帮助下产生分层混合气，然后点火燃烧。1•抑制敲缸的发生2•促进炭烟烧尽3•稀NOx催化系统SDJTUNIVERSITY缸内直接喷射式汽油机的排放对策二阶段燃烧改善冷起动和小负荷运行时的HC和CO的排放，CO的氧化温度比HC的低，辅助喷射燃烧首先使催化剂加热，然后使CO燃烧产生较高温度，再使HC燃烧。SDJTUNIVERSITY二冲程缸内直喷稀燃发动机用压缩空气辅助喷射的喷油器的缸内直喷式二冲程发动机。经曲轴箱扫气进入气缸的是空气，汽油在喷油器中与少量空气混合后，以0.62MPa的压力喷入气缸，喷雾粒度平均达到5μm。通过喷雾特性、燃烧室形状、气流运动的优化配合，可在空然比为20～50的宽广范围内稳定运转。SDJTUNIVERSITYSDJTUNIVERSITY稀薄燃烧系统混合气较稀时，绝热指数K反而增大。从理论上讲，混合气越稀，K值越大，热效率也越大。在发动机不使其失火的前提下，应尽可能进行稀薄燃烧。在φa1的某一范围内，CO的含量可以得到有效控制。当空燃比超过18以上时，HC的排放量就因为熄火和部分燃烧而大大增加。所以进行恰当的稀薄燃烧才可以改善HC的排放。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY实现稀燃的具体措施可变涡流控制系统：部分负荷，较强涡流；全负荷，减小涡流甚至不用涡流紧凑的燃烧室，尽可能高的压缩比电控顺序喷射系统，扩展燃烧失火极限高精度空燃比控制系统分层燃烧技术废气再循环第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY分层燃烧系统分层燃烧的目的分层燃烧就是要合理地组织气缸内混合气分布，使在火花塞周围有较浓的混合气，而在燃烧室内的大部分区域具有很稀的混合气，以确保正常点火和燃烧，同时也扩展了稀燃失火极限，并可提高经济性，减少排放。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY复合涡流受控燃烧系统这种发动机拥有两个化油器或两套进气管喷射装置，所以可以分别提供不同过量空气系数的混合气给主、副室的进气系统。传统的点燃式发动机只能在φa＝0.95～1.15之间运行，CVCC发动机采用了这种燃烧方式，首先燃烧的那部分混和气（在副室）具有小的过量空气系数，虽然出现较高的HC和CO浓度，但混合气所占容积很小，而后燃烧的混合气（在主室）具有较高的过量空气系数。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY轴向分层燃烧系统1-活塞；2-气缸；3-火花塞；4-导气屏进气门；5-喷油器燃料在涡流作用下，沿气缸轴向产生上浓下稀的分层。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY滚流（纵涡）分层稀燃系统在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线方向旋转的有组织的空气旋流，称为滚流，也称为纵涡或横向涡流。滚流在压缩过程中逐渐被压扁，在上止点附近破碎成许多小尺寸的涡流和湍流，可大大改善混合气燃烧过程。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY高压缩比燃烧系统燃料辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比，以获得较好的功率和油耗指标。一味提高压缩比对排气净化不利。电控点火系统的采用使精确控制点火定时成为可能，为高压缩比点燃机在性能与排放方面得到更好的折衷可提供很大的潜力。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITYSDJTUNIVERSITY废气再循环的工作原理废气再循环技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY废气再循环废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：100%EGR返回废气量率=进气量+返回废气量第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITYEGR系统的控制要求1•EGR量应随负荷的增加而增加。2•怠速和小负荷时，不进行EGR。3•冷机时不进行EGR。4•大负荷、高速时通常也不进行EGR或减少EGR率。5•冷机时不进行EGR。第4章车用汽油机机内净化SDJTUNIVERSITY内部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。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