5第五章内燃机机内净化技术

第五章内燃机机内净化技术汽油机机内净化技术柴油机机内净化技术1第一节汽油机机内净化技术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。何谓机内净化？2第一节汽油机机内净化技术汽油机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3第一节汽油机机内净化技术1-1汽油喷射电控系统1-2废气再循环1-3燃烧系统优化设计1-6点火系统优化设计汽油机机内净化的主要措施1-5缸内直喷技术1-4可变进气系统41-1汽油喷射电控系统一、电控汽油喷射系统5喷油控制是发动机ECU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。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。1-1汽油喷射电控系统二、喷油系统控制61-1汽油喷射电控系统1.控制策略a.冷启动和冷却水温度较低时；b.部分负荷和怠速运动（最佳经济性，最佳排放）c.节气门全开时2.控制方法a.精确确定质量流量b.测量各传感器信号c.根据标定数据计算喷油时间和定时d.ECU按照发火顺序控制喷油三、空燃比控制71-1汽油喷射电控系统1.点火脉谱图a.动力性b.经济性c.排放特性2.爆震控制a.爆震传感器b.ECU判定振幅c.推迟点火提前角四、点火系统控制81-2废气再循环更低的废气排放控制NOx降低混合气中O2的浓度降低燃烧温度提高混合气的热容量原因目的排气中氧含量很低，主要是由惰性气体N2和CO2构成，与新鲜混合气混合后，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使混合气的比热容提高，造成温度降低，抑制了NOx生成。9一、EGR技术1-2废气再循环100%EGR返回废气量率=进气量+返回废气量二、EGR控制策略•EGR量应随负荷的增加而增加。•怠速和低负荷时，不进行EGR。123•冷机状态不进行EGR。4•大负荷、高速时也不进行EGR或减少EGR率。5•EGR率受空燃比、点火提前角影响。101-2废气再循环废气再循环能有效地降低汽油发动机的NOx排放，但进行EGR时必须要考虑其对发动机动力性、经济性的影响。通常将EGR率控制在20%范围内较合适。冷却EGR技术再循环废气经冷却器冷却后再送入进气端，进一步降低进气温度，更有利于降低NOx排放，同时改善燃油经济性。三、EGR率对汽油机净化与性能的影响：111-2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，即通过不充分排气以增大滞留在缸内的废气量。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排放量增加等，因此在确定配气相位重叠角时必须对动力性、经济性和排放性能进行综合考虑。四、内部废气再循环121-3燃烧系统优化一、紧凑的燃烧室结构1.面容比小，尽可能紧凑2.火花塞布置在中央，缩短火焰传播距离13半球形、蓬形S/V小，紧凑燃烧室1-3燃烧系统优化提高缸内混合气的涡流和湍流程度，有助于加强油气混合，保证快速燃烧和完全燃烧，降低排放。1.采用挤气面设计2.加强进气涡流涡流比HCNOx14二、改善缸内气流，提高进气充量3.多气门4.增压技术1-3燃烧系统优化一般在辛烷值允许情况下，采用尽可能高的压缩比，以获得较好的动力性和经济性。传统汽油机根据爆震工况选择压缩比在电子控制系统中，可以通过控制点火正时来避免爆燃，为高压缩比汽油机在性能与排放取得折中提供了条件。15三、合理提高压缩比1-3燃烧系统优化燃烧室的缝隙区域对HC的生成影响很大，应尽量减少这些缝隙区域。四、减少不参与燃烧的缝隙容积高位活塞环L形活塞环HCCO161-4可变进气系统一定长度的进气管只能在某一转速区域得到最佳充气效率，单一进气系统不能兼顾高低速性能。在低、中速，空气经过较细长的进气岐管，由于进气流速快，且进气脉动惯性增压的结果，使较多的混合气进入气缸，提高转矩输出；一、可变进气道：17在高速，空气经过两个进气岐管，充填效率高，以维持高转矩动力性输出。低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。配合以上变化，对进气门从开启到关闭的进气持续角也应进行调整，以实现最佳的进气定时。1-4可变进气系统18二、可变气门正时及升程：可变气门正时及升程电子控制（VTEC）1-4可变进气系统19二、可变气门正时及升程：正时活塞无油压作用同步活塞处于中间位置1-4可变进气系统1.低转速下VTEC原理20二、可变气门正时及升程：ECM输出控制信号，使VTEC电磁阀打开。来自机油泵的油压作用于正时活塞，使正时活塞和同步活塞右移。1-4可变进气系统212.高转速下VTEC原理二、可变气门正时及升程：一、传统汽油机燃烧系统缺陷：1.汽油机功率采用进气管节流的变量调节，无法达到变质调节的精确性。2.空燃比须在着火界限内，热效率低，若稀混合气工作则热效率可提高。空燃比采用20与27较14.8时热效率将相应提高8%与12%。3.排气污染（CO、HC、NOx）严重。一般汽油机的混合比范围正是排放较高的范围。空燃比达23以上就可以实现低排放。1-5缸内直喷技术221.在火花塞间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气（12~13.4），在燃烧室大部分区域是较稀混合气；2.两者之间为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧。3.汽油缸内直喷技术是实现汽油在气缸内分层燃烧的一种特有技术，而汽油分层燃烧又是实现汽油稀薄燃烧的手段。二、汽油机缸内直喷技术工作原理：1-5缸内直喷技术23Ⅰ梅赛德斯奔驰—CGI技术Ⅱ三菱—GDI技术Ⅲ通用汽车—SIDI技术Ⅳ大众和奥迪—FSI技术Ⅴ大众和奥迪—TSI技术四、常见的缸内直喷技术：1-5缸内直喷技术GDI全称是GasolineDirectInjection。Ⅱ三菱—GDI技术：1-5缸内直喷技术三菱的GDI发动机通过稀薄燃烧技术，让燃料消耗减少20%-35%，让二氧化碳排放减少20%，而输出功率则比普通的同排量发动机高10%。1-5缸内直喷技术Ⅱ三菱—GDI技术：辅喷油阶段：进气行程，发动机进行一次喷油，喷油数量不大，这部分汽油会随着活塞运动跟空气均匀混合，缸内形成浓度很低的均质混合气。主喷油阶段：第二次喷射是主喷油过程。当活塞即将达到发动机压缩行程的上止点时，在火花塞点火之前，喷油器喷出漏斗形状的燃油，这次喷射被成为主喷油。1-5缸内直喷技术Ⅱ三菱—GDI技术：GDI发动机的喷油过程共分两次喷油：1-6点火系统优化火花越弱，出现失火的机会就越多，而失火将会生成大量的未燃HC，考虑采用高能点火。一、火花质量对排放的影响①提高燃烧速率；②减小循环变动；③降低稀燃失火概率发动机可燃用稀混合气从而减小HC排放。高能点火和普通点火对HC排放的影响281-6点火系统优化（1）点火提前角对燃烧过程的影响。火花质量和点火正时对排放产生影响29二、点火正时对排放的影响1-6点火系统优化（2）点火提前角对有害排放物的影响。30二、点火正时对排放的影响1-6点火系统优化（3）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31二、点火正时对排放的影响1-6点火系统优化（1）转速：转速上升——点火提前角增大（非线性）；（2）负荷：负荷增大——点火提前角减小（非线性）；（3）汽油辛烷值：辛烷值高——抗爆性好——点火提前角增大。（4）其他因素：燃烧室形状、空燃比、大气压。。。。32电控点火提前角控制（1）正常运转点火提前角控制：基本和修正点火提前角；（2）启动点火提前角：固定初始点火提前角。三、影响点火提前角的因素第二节柴油机机内净化技术柴油机主要污染物一氧化碳（CO）氮氧化物（NOx）碳氢化合物（HC）微粒（PM）33有害成分汽油机柴油机微粒（g/m3）CO（%）HC（ppm）NOx（ppm）0.0050.15~0.300.05~0.50200~1000700~20000.1~620002000~4000第二节柴油机机内净化技术34第二节柴油机机内净化技术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高压喷射电控高压油泵、共轨系统微粒进排气系统可变进气涡流、多气门微粒增压技术增压、增压中冷微粒废气再循环EGR、中冷EGRNOx351.低排放燃烧室设计；2.低排放燃油喷射系统设计；3.低排放进排气系统设计；2-1低排放燃油喷射系统1.各种工况都有较高的喷油压力，提高雾化程度，改善排放；2.优化喷油规律，实现每循环多次喷射；3.每循环的喷油量能适应各种工况的实际需要；4.各种不同工况有合理的喷油正时，实现柴油机的动力性、经济性和排放性综合最优。一、低排放柴油喷射系统要求：362-1低排放燃油喷射系统1.柴油机结构一定，放热规律取决于喷油规律；2.理想喷油持续角为16～35°CA；3.滞燃期内的初期喷油量控制初期放热率，影响最高燃烧压力和最大压力升高率；4.为了提高热效率，尽量减小喷油持续角并使放热中心接近上止点；5.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。37二、合理喷油规律：2-1低排放燃油喷射系统理想的喷油规律喷油速率低喷油速率喷油时间初期喷射期喷油持续期斜率控制高断油速率最高喷油速率控制曲轴转角初期缓慢，中期急速，后期快断382-1低排放燃油喷射系统39二、合理喷油规律：凹弧凸轮供油规律双弹簧喷油器供油规律2-1低排放燃油喷射系统40三、预喷射和多段喷射2-1低排放燃油喷射系统120MPa3.02.52.01.51.00.51.01.21.41.61.82.02.2160MPa80MPa烟度过量空气系数1.细化喷雾颗粒2.增大燃油空气接触面积3.喷雾索特粒径降低4.容易造成NOx上升41四、提高喷油压力五、小直径、多喷孔加速雾化1.喷注分布更均匀、更充满，混合溶剂加大2.可降低气流要求，改善经济性2-1低排放燃油喷射系统42六、柴油机电控喷油系统2-1低排放燃油喷射系统1.喷油压力柔性可调，针对不同工况改变；2.系统紧凑，刚度大，实现超高压喷油；3.可实现理想的喷油规律，柔性控制速率变化，通过多次喷射，在降低NOx排放量的前提下，获得良好的燃油经济性和动力性；4.采用电磁阀喷油，各缸的喷油量均匀、准确，发动机运转平稳。43六、柴油机电控喷油系统优点2-2低排放燃烧系统燃烧室类型特点直喷式燃烧室无涡流或弱涡流属开式：口径大而浅结构紧凑、散热面积小经济性好、易启动。但是仅靠雾化混合，喷孔必须很小，压力必须很高，喷油系统制造难度大中等涡流燃烧室属闭式：口径小而深压缩涡流（ω型）和进气涡流加强空气运动，促进油、气混合，空气利用率提高，在直喷式中应用最广、品种最多。分隔式燃烧室涡流室式燃烧室涡流室+主燃室，相互产生强烈涡流主燃室压力升高率明显低于直喷式，工作平稳，噪声小，空气利用率高，对喷油系统要求不高。燃烧室散热面积大，热效率低，启动困难。预燃室式燃烧室预燃室+主燃烧室44一、燃烧室分类2-2低排放燃烧系统二、挤流口式燃烧系统1.采用缩口燃烧室2.底宽、口窄的挤流口式燃烧室3.入口部位旋转加强，压缩挤流强烈4.推迟喷油提前角，使排放和噪声下降45三、非回转体型燃烧