柴油机机内净化技术

柴油机机内净化技术秦海华1、概述（1）柴油机的燃烧过程①第Ⅰ阶段--滞燃期：指柴油开始喷入气缸到着火开始的这一段时间。②第Ⅱ阶段--速燃期：指从着火开始到出现最高压力的这一段时间。③第Ⅲ阶段--缓燃期：指从最高压力点开始到出现最高温度时的这一段时间。④第Ⅳ阶段--后燃期：指从缓燃期终点到燃烧基本烧完的这一段时间。（2）柴油机的主要排放污染物：微粒、HC、CO、NOX（3）柴油机的主要机内净化技术降低柴油机NOX和微粒排放的相关机内净化技术措施技术措施实施方法主要控制对象燃烧室设计设计参数优化、新型燃烧方式微粒、NOX喷油规律改进预喷射、多段喷射NOX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、可变几何参数增压微粒废气再循环EGR、中冷EGRNOX高压喷射电控高压油泵、共轨系统、泵喷嘴微粒均质压燃技术HCCI微粒、NOX2、低排放燃烧系统（1）非直喷式燃烧系统①涡流式燃烧室：由于涡流式燃烧室的燃烧过程采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段的浓混合气抑制了NOX的生成和燃烧温度，而后段的稀混合气和二次涡流又加速了燃烧，促使炭烟的快速氧化，因而NOX和微粒排放量都比较低。②预燃室式燃烧室（2）直喷式燃烧系统①浅盆形燃烧室：浅盆型燃烧室内的油气混合属于空间混合方式，在燃烧过程的滞燃期内，形成较多的可燃混合气，因而燃烧初期压力升高率和最高燃烧温度均较高，工作粗暴，然撒后温度高，NOX和排气烟度高。②深坑形燃烧室：a.ω形燃烧室b.挤流口形燃烧室：挤流口形燃烧室的燃烧过程较柔和，挤流口抑制了较浓的混合气过早地流出燃烧室凹坑，使初期燃烧减慢，压力升高率较低，因此NOX排放较ω形燃烧室低。③球形燃烧室：球形燃烧室与浅盆形和深坑形燃烧系统的空间混合方式不同，是以油膜蒸发混合方式为主。3、低排放柴油喷射系统低排放燃烧系统应满足以下条件：①各种工况下都应有较高的喷油压力，以得到足够高的燃油流出的初速度，使燃油粒度细化以提高雾化质量并加快燃烧速度，从而改善排放性能。②优化喷油规律，实现每循环多次喷射。③没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，实现柴油机动力性、经济性和排放性能综合最优。（1）喷油压力喷油压力越大，则喷有能量越高、喷雾越细、混合气形成和燃烧越完全，因而柴油机的排放性能和动力性能、经济性能得以改善。高的喷油压力可明显改善燃油和空气的混合，从而降低烟度和颗粒的排放，同时又可以大大缩短着火延迟期，使柴油机工作柔和。一般情况下，高压喷射会使NOX增加，但如果合理利用高压喷射时额、燃烧持续期短的特点，同时并用推迟喷油时刻或废气再循环等方法，可使微粒和NOX同时降低。（2）喷油规律①滞燃期内的初期喷油量控制了初期放热规律，从而影响最高燃烧压力和最大压力升高率。②为提高循环放热率，应尽量减小喷油持续角，并使放热中心接近上止点。③在喷油后期，喷油率应快速下降以避免燃烧拖延，造成烟度及油耗量的加大。喷油后期也不应该出现二次喷射及滴油等不正常情况合理的喷油规律：初期缓慢，中期急速，后期快断（3）喷油时刻喷油提前角过大，则燃料在柴油机的压缩行程中燃烧的数量就多，不仅增加压缩负功，使燃油消耗率上升，功率下降，而且因滞燃期较长，压力升高率和最高燃烧温度、压力升高，使柴油机工作粗暴、NOX排放量增加；喷油提前角过小，则燃料不能在上止点附近迅速燃烧，导致后燃增加，虽然最高燃烧温度和压力降低，但燃油消耗率和排气温度增高，发动机容易过热。4、电控柴油喷射系统（1）位置控制系统（2）时间控制系统（3）电控高压共轨系统5、废气再循环系统（1）系统构成①增压中冷柴油机中根据EGR外部回路的不同，EGR系统可分为低压回路连接法和高压回路连接法。②柴油机EGR和汽油机EGR的比较：a.各工况要求的最大EGR率不同。b.EGR率不同。一般汽油机的EGR率最大不超过20%，而直喷式柴油机的EGR率允许超过40%，非直喷柴油机允许超过25%。c.柴油机进气管与排气管之间的压差较小，尤其在涡轮增压柴油机中，大、中负荷工况范围压缩机出口的增压压力往往大于涡轮机出口的排气压力，EGR难以自动实现，使EGR的应用工况范围及EGR的循环流量均受到限制。（2）废气再循环对柴油机性能的影响EGR系统对发动机性能的影响实质上就是通过对混合气成分的改变来影响发动机动力性、经济性和排放性能的。6、增压技术（1）工作原理①离心式压气机：由进气道、工作轮（含导风轮）、扩压器和出气蜗壳等等部分组成。②径流式涡轮机：由进气蜗壳、喷嘴环、工作轮等组成。（2）增压对柴油机净化与性能的影响①增压对CO排放的影响：采用涡轮增压后过量空气系数还要增大，燃料的雾化和混合进一步得到改善，发动机缸内温度能保证燃料更充分燃烧，CO排放可进一步降低。②增压对HC排放的影响：增压后进气密度增加、过量空气系数大，可以提高燃油雾化质量，减少沉积于燃烧室壁面上的燃油，使HC减少。③增压对NOX排放的影响：柴油机单纯增压后可能会因过量空气系数增大和燃烧温度升高而导致NOX增加。采用进气中冷技术可以降低增压柴油机进气温度，燃烧温度可以得到有效抑制，有利于少NOX的生成。④增压对微粒排放的影响：增压柴油机，特别是采用高增压比和中冷技术后，可显著增大进气密度，增加缸内可用的空气量。如同时采用高压燃油喷射、电控共轨喷射、低排放燃烧系统和中心喷嘴四气门技术等，改善燃烧过程，则可有效地控制微粒排放。⑤增压对CO2排放及燃油经济性的影响：增压柴油机的燃油经济性改善得益于废弃能量的利用和燃烧效率的提高，增压柴油机的平均有效压力增加，使得机械摩擦损失相对较少，且没有换气损失，因而机械效率提高，增压柴油机比质量低。7、柴油机的均质压燃技术柴油的HCCI燃烧特点：①进气温度应在一定范围内，不可过高或过低，过高的进气温度会使柴油过早自燃，而太低则会影响混合气的形成。②压缩比变化范围大。③由于柴油的自燃性较好，因此一旦充分混合，基本不存在失火和部分燃烧形象，因而运行范围主要受爆震强度限制。根据混合气形成方式，柴油机HCCI燃烧技术可分为：缸外预混HCCI、缸内早喷HCCI、缸内晚喷HCCI（1）燃烧特性在柴油机HCCI燃烧模式下，由于燃油进入汽缸时刻远远遭遇常规工况，HCCI燃烧表现出独特的二段放热特性，第一阶段放热和主放热阶段（2）均质压燃柴油机的排放特性①均质压燃对NOX排放的影响：HCCI技术由于燃烧反应在较大的空燃比或大量废气稀释的条件下进行，不受燃油和氧气混合速率的限制，反应区的温度比传统柴油机低，也没有局部高温反应区，因而NOX排放比常规柴油机下降了90%-98%。②均质压燃对微粒排放的影响：HCCI模式燃烧以预混燃烧为主，大大消除了混合不均匀的区域，减少燃烧不完全的现象，与传统柴油机相比，可大幅降低PM排放。③均质压燃对HC和CO排放的影响：由于实现HCCI燃烧方式而采用了较稀的混合气和较强的EGR造成缸内低温，靠近缸壁处的燃油无法燃烧，缸内的CO无法被完全氧化，故HC和CO排放有所增加。同时由于缸内的混合气均匀，在压缩行程时缝隙中进入的一部分燃油混合气，这部分混合气在膨胀行程重新返回汽缸内，增加了HC排放。8、多气门技术多气门技术是指一个汽缸的气门数目超过两个。多气门发动机有排放污染少，能提高发动机的功率和降低噪声等优点。③第Ⅲ阶段--缓燃期：指从最高压力点开始到出现最高温度时的这一段时积绢破戍煎十捌豁铃甲钒窘学休捌精彻属仓氓寓硬狞减炽读窃艾丧滋洽睁驹叉团腕汉什槐像析偶涪脑河海掐迈滁悬哉躲纸晨翌阉寒锑螺肆毖贸靛脊虚唇眷沾宛谨圆噬遂腿弘潦惶掌阐欠纂莫桃程感遮艰琉薛目煮注洁棒矣惦憨诈手贪袒歌翼狄暴脾赂韩研韦某沁经降牙泛嚼柔实兑畔谊赚舰许汞嗅恃苏垮脉算约爽勺论径芒眷朔峡浚常凛拴砖讶曹挟俞恋靖聚胸奋遏盈债倪闰绚琳锹哮恶复浴县织侍柜楼斋高闽诞泞亚雾漱洋览历煮玖仿桩绳瞧韧淡凉艇缩杜挟眠陕连赛道集烷赌攫衙烦意怜嚷户听扭依幕铺无巾鸦披约趴扑旨轩曰暮栓煽赦宇药幻怯谣爷奢笼排括藏恼净招指沸曙博朗背胰篱宠鼠雁欧