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1、,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,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-
2、5 缸内直喷技术,1-4 可变进气系统,4,1-1 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。,1-1 汽油喷射电控系统,二、喷油系统控制,6,1-1 汽油喷射电控系统,1. 控制策略,冷启动和冷却水温度较低时；部分负荷和怠速运动（最佳经济性，最佳排放）节气门全开时,2. 控制方法,精确确定质量流量测量各传感器信号根据标定数据计算喷油时间和定时ECU按照发火顺序控制喷油,三、空燃比控制,7,1-1 汽油喷射电控系统,1. 点火脉谱图,动力性经济性排放特性,2. 爆震控制,爆震传感器ECU判定振幅推迟点火提前角,四、点火系统控制
3、,8,1-2 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,二、EGR控制策略,10,1-2 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
4、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：,11,1-2 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,12,1-3 燃烧系统优化,一、紧凑的燃烧室结构,面容比小，尽可能紧凑火花塞布置在中央，
5、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。,采用挤气面设计加强进气涡流,涡流比 HC NOx,14,二、改善缸内气流，提高进气充量,多气门增压技术,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
6、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,HC CO,16,1-4 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
7、，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,21,2. 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：
8、,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。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%。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,22,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（1213.4），在燃烧室大部分区域是较稀混合气；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。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
9、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,23, 梅赛德斯奔驰 CGI技术, 三菱 GDI技术, 通用汽车 SIDI技术,大众和奥迪 FSI技术,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Gasoline Direct Injection。, 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, 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
10、，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, 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,提高燃烧速率；减小循环变动；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,28,1-6 点火系统优化,（1）点火提前角对燃烧
11、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。,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
12、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,33,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,35,低排放燃烧室设计；低排放燃油喷射系统设计；低排放进排气系统设计；,2-1 低排放燃油喷射系统,各种工况都有较高的喷油压力，提高雾化程度，改善排放；优化喷油规律，实现每循环多次喷射；每循环的喷油量能适应各种工况的实际需要；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：,36,2-1 低排放燃油喷射系统,柴油机结构一定，放热规律取决于喷油规律；理想喷油持续角为16
13、35CA；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；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；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,38,2-1 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,细
14、化喷雾颗粒增大燃油空气接触面积喷雾索特粒径降低容易造成NOx上升,41,四、提高喷油压力,五、小直径、多喷孔加速雾化,喷注分布更均匀、更充满，混合溶剂加大可降低气流要求，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,喷油压力柔性可调，针对不同工况改变；系统紧凑，刚度大，实现超高压喷油；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；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,44,一、燃烧室分类,2-2 低排
15、放燃烧系统,二、挤流口式燃烧系统,采用缩口燃烧室底宽、口窄的挤流口式燃烧室入口部位旋转加强，压缩挤流强烈推迟喷油提前角，使排放和噪声下降,45,三、非回转体型燃烧系统,2-3 低排放进排气系统,一、气流组织和多气阀技术,1. 加强进气涡流、挤压涡流、滚流、湍流等。,小缸径的高速柴油机，一般都要组织一定的缸内涡流或湍流；大、中型柴油机则向无涡流或弱涡流的方向发展；涡流比大泵气损失大充气效率低一般选择中等转速合适涡流比,46,2-3 低排放进排气系统,可增大进气门总的流通截面，增加循环进气量；可实现喷油嘴正中布置，使喷注分布和混合气形成更加合理；,2. 多气门技术：,四气门的布置,低速时可通过关闭
16、一个进气道来提高缸内涡流速度，并经过特殊设计，充分利用进气惯性来提高低速进气量，从而改善动力性、经济性和排放性能。,47,一、气流组织和多气阀技术,2-4 低排放进排气系统,增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以期提高空气密度、增加进气量。增压可以增加发动机功率、改善燃油经济性以及良好的加速性。 实现空气增压的装置称为增压器。,二、增压技术,压力升高比（压比）压气机进口压力压气机出口压力（增压压力）,R1.7：低增压R1.82.6：中增压R=2.73.5：高增压R3.5：超高增压,48,2-4 低排放进排气系统,机械增压,废气涡轮增压,废气气波增压,复合增压,根据增压的方式不同，增压可分为以
17、下四种类型：,49,二、增压技术,1. 机械增压,50,二、增压技术,安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。优点：涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。缺点：由于它要消耗部分引擎动力，会导致增压效率不高。 BENZ车上的COMPRESSOR,2-4 低排放进排气系统,51,2-4 低排放进排气系统,涡轮增压器和内燃机之间依靠气路相通，内燃机排出的燃气经涡轮膨胀作功后排往大气，压气机是靠涡轮发出的功率来驱动的。一般经过改良的涡轮增压需要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出，存在滞后效应。,52
18、,2. 废气涡轮增压,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下，一般可提高功率2050，而且容易实现高增压；可以从排气中回收一部分能量，再加上相对地减少了机械损失和散热损失，其经济性有明显提高，油耗率可降低510；可降低排气噪声、烟度和排气中的有害成分，减少了对环境的污染。,53,2. 废气涡轮增压优点：,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,涡轮增压内燃机的加速性能稍差；热负荷问题较严重；对大气温度和排气背压较敏感。,在涡轮增压内燃机工作时，涡轮和压气机二者的功率必须保持平衡，以保证内燃机发出预定功率时所需要的增压压力和空气流量。,54,2.
19、废气涡轮增压缺点：,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统低速增压性能好、加速性好、工况范围大。但尺寸和噪声较大、比较笨重。,55,3. 废气气波增压,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,机械增压和涡轮增压适当组合可以构成串连复合增压/并联复合增压。,即废气涡轮增压和机械增压并用，这种装置在大功率柴油机上采用比较多,56,4. 复合增压：,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,串联复合增压是进入气缸的空气连续经过两级压缩。注意：用于高增压柴油机上，可以改善低速转矩特性和加速性。,57,4. 复合增压：,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,
20、并联复合增压是机械增压和涡轮增压并行向柴油机气缸供给增压空气。注意：这种复合增压系统结构复杂，多用于实现纯涡轮增压有较多困难的二冲程柴油机。,58,4.复合增压：,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,增压对排放的影响,59,二、增压技术,2-4 低排放进排气系统,2-5 低排放进排气系统,在高负荷时尤为明显；但高负荷时应用EGR系统会引起动力性下降、油耗上升、排气烟度增大；在发动机各工况点下选择最佳的EGR率。,60,三、废气再循环,2-5 低排放进排气系统,1）各工作要求的EGR率不同汽油机：适用于中等负荷 柴油机：高速大负荷、高速小负荷限制ERG率；部分负荷较小的EGR率；低速小负荷大EGR率。,2）EGR率不同汽油机EGR率40非直喷式25,61,三、废气再循环,2.柴油机和汽油机的不同,
