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1、哈尔滨剑桥学院 毕 业 论 文论文题目： 汽车尾气排放及净化措施的现状研究 学 生： 指导教师： 专 业： 交 通 工 程 班 级： 2009级高级轿车诊断与维修3班 2013年5月哈尔滨剑桥学院毕 业 论 文 任 务 书题目名称：汽车尾气排放及净化措施的现状研究立题意义：在汽车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，汽车也带来了大气污染，特别是汽车尾气对人类生存环境更是造成了严重污染，机动车尾气污染已上升为主要的大气污染。给人体健康造的危害更加严重，治理汽车排放污染刻不容缓。技术条件与要求：技术条件：查阅参考各种相关文献资料，总结现在汽车尾气排放对环境的危害及净化的技术和手段。要 求：
2、 1、论点正确，论据充分，格式规范；2、层次清晰，文字简练，专业术语规范。任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求） 一、内容：通过分析了日益严格的汽车排放法规的动向，介绍汽车排放污染物种类及其对人体的危害，分析汽车排放物的形成原因，阐述现有汽车排放控制的技术措施；分析代用燃料汽车、电动汽车和混合动力汽车的排放特性，指出为了环境保护和汽车工业的可持续发展，代用燃料汽车技术、电动汽车技术和混合动力汽车技术是解决汽车排放、噪声和能源结构问题的有效手段。混合动力汽车具有低油耗、低排放、长行驶里程、技术成熟等优点，是近期较理想的汽车发展模式;燃料电池汽车是未来零排放的理想汽车二、计
3、划、时间安排1、2012年12月15日2012年1月30日 毕业论文准备，摸底、选题 2、2013年2月1日3月10日 搜集文献资料，学习相关理论，撰写开题报告 3、2013年3月11日4月30日 分析调研、收集的资料、撰写毕业论文4、2013年4月16日5月17日 完成论文初稿、修改。5、2012年5月15日5月25日 定稿、打印、评阅、修改、答辩三、完成工作量与水平具体要求：按计划进度、按指导教师的要求完成预定的工作量，论文10000字以上，其中中文参考文献15篇以上，外文参考文献2篇专业负责人意见签名：年 月 日哈尔滨剑桥学院毕 业 论 文 审 阅 评 语一、指导教师评语 建议成绩： 是
4、否同意答辩： 同意答辩 不同意答辩 指导教师（签名） 职 称 年 月 日 二、评阅人评语 建议成绩： 是否同意答辩： 同意答辩 不同意答辩 评阅教师（签名） 职 称 年 月 日 哈尔滨剑桥学院毕 业 论 文 答 辩 评 语 及 成 绩三、答辩委员会评语答 辩 成 绩: 四、毕业设计成绩综合以上指导教师成绩： 评阅人成绩： 答辩成绩： 总成绩评定为： 签 字（盖章）： 年 月 日五、答辩委员会主任单位： 答辩委员会主任职称： 答辩委员会主任签字： 年 月 日I汽车尾气排放及净化措施的现状研究摘 要汽车尾气污染是由汽车排放的废气造成的环境污染。可以说，汽车是一个流动的污染源。在世界各国，汽车尾气排
5、放和净化措施早已不是新话题。各国不断出台政策法规对汽车尾气污染物进行控制，欧洲早在上世纪90年代就制定了欧标，我国也制定了适合我国国情的国标，进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多，使用范围越来越广，它对世界环境的负面效应也越来越大，我国截止到2012年末我国汽车保有量已达到12089万辆（包括三轮汽车和低速货车1145万辆）汽车尾气危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表空气臭氧含量过高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化。本文主要分析汽车尾气排放污染物CO 、HC、 NOx的生成机理及造成的危害，控制汽车尾气排放污染的技术废气再循环系统、电子燃油喷射系统和稀薄燃烧
6、技术，采取了一系列措施使汽车的尾气排放得到了有效的控制。随着近年来空气污染越来越严重，石油资源的日益紧张，发展新能源汽车以势在必行，本文详细阐述了电动汽车、混合动力汽车技术。同时给出了新能源汽车的优势与不足和解决方案。关键词：汽车尾气；环境污染；净化处理Research status of vehicle exhaust emission and purification measuresAbstractAutomobile exhaust pollution is the environmental pollution caused by the exhaust gas from cars。
7、 Can say， the car is a mobile pollution sources。 In the world， automobile exhaust emission and purification measures already not a new topic。 Countries continue to policies and regulations to control automobile exhaust pollutant， Europe in the early 90s of last century on the development of the Euro
8、pean standard， China has also developed a suitable for Chinas national standard， to enter in twenty-first Century， the automobile pollution has become a global problem。 With the increasing number of vehicles， more and more widely used， its negative effect on the world environment is more and more se
9、rious in China by the end of 2012， Chinas car ownership has reached 120890000 units (including vehicles and low-speed trucks 11450000) automobile exhaust city environmental harm， cause respiratory system disease， causing high ozone content of the surface air， urban heat island effect is aggravating，
10、 the deterioration of environment to the city。 This paper mainly analyzes the formation mechanism of emission pollutants in automobile exhaust CO， HC， NOx and harm， electronic fuel injection technology of exhaust gas recirculation system， control system of automotive exhaust emissions and combustion
11、 technology， took a series of measures to make the automobile exhaust has been effectively controlled。In recent years with the air pollution is more serious， oil resources become increasingly strained， the development of new energy vehicle to be imperative， this paper describes in detail the electri
12、c vehicle， hybrid vehicle technology。 At the same time， the new energy vehicles， advantages and disadvantages and solutions。Key words: Automobile exhaust; pollution; purification;II目录摘要 Abstract .1 绪论11.1 选题背景及意义11.2 国内外现状研究11.2.1 欧洲排放标准11.2.2 我国排放标准21.2.3 我国现行排放标准与欧洲标准总述21.3 本课题研究的内容42 汽车尾气污染物生成机理及
13、对人类的危害52.1 一氧化碳52.2 碳氢化合物52.3 氮氧化合物52.4 其他污染物63现代汽车污染控制技术73.1 废气再循环原理与净化任务73.1.1 废气再循环系统ERG的工作原理73.1.2 本田轿车的废气再循环系统73.1.2 EGR系统的任务93.2 稀薄燃烧技术的净化作用103.3 机外燃烧控制143.3.1 三元催化转化器在汽车尾气净化中应用143.3.2 汽车中三元催化转化的净化作用154 新能源汽车对空气净化的作用184.1 混合动力电动汽车的基本型式及其特点184.1.1 混合动力电动汽车的基本型式184.1.2 混合动力汽车的关键技术204.1.3 混合动力电动汽
14、车对空气净化的作用及其特点。214.2 电动汽车发展现状224.2.1 电动汽车充电模式、设施的建设及对电网的影响234.2.2 充电设施的布建244.2.3 电动汽车充电对电网的影响与对策254.2.4 电动汽车对空气净化的作用及其特点26结论27致 谢28参考文献29哈尔滨剑桥学院毕业论文汽车尾气排放及净化措施的现状研究1 绪论1.1 选题背景及意义据统计截止到我国2012年末全国民用汽车保有量达到12089万辆（包括三轮汽车和低速货车1145万辆），比上年末增长14.3%。国家统计局1月22日公布的2012年统计公报显示，在全国12089万辆民用汽车中，私人汽车保有量9309万辆，增长1
15、8.3%。民用轿车保有量5989万辆，增长20.7%，其中私人轿车5308万辆，增长22.8%。汽车尾气污染问题日益严重。我国已严格规定了汽车尾气排放标准，相关执法部门也加强了检查力度。新闻机构还定期报告空气质量状况或发布空气质量日报，使人们能清楚了解生活环境的状况增强环保意识随着我国政治经济体制的改革、开放的不断深入发展和世界贸易经济组织的加入，城市用地、活动空间、城市道路与客、货车的运输量成倍增长， 给城市密集性城区带来产业升值， 也给生活环境造成直接污染。 20 世纪90 年代以来， 全国机动车保有量以年平均约12%的速度快速增长，我国城市的大气污染正在由第一代燃煤型污染向第二代燃油型污
16、染转变，根据专家预测，到2015年中国城市小汽车拥有量将会达到每千人100230辆，到2020年还要增加一倍。研究表明，汽车尾气成分非常复杂，有一百种以上。其主要污染物包括：一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、铅（Pb）、苯并芘（BaP）等。这些污染物不仅污染环境，对人体也有巨大危害。为此，控制汽车尾气排放的污染已成为改善城市环境、提高大气质量的头等大事，是问题解决的重中之重。当今，国内外控制汽车尾气污染的举措有：建立严格的机动车排放标准；降低新车尾气排放；开发代用燃料和电动汽车；开发先进的尾气净化技术1。1.2 国内外现状研究1.2.1 欧洲排放标准欧洲标准是由欧洲经济
17、委员会（ECE）的排放法规和欧共体（EEC）的排放指令共同加以实现的，欧共体（EEC）即是现在的欧盟（EU）。排放法规由ECE参与国自愿认可，排放指令是EEC或EU参与国强制实施的。汽车排放的欧洲法规（指令）标准1992年前巳实施若干阶段，欧洲从1992年起开始实施欧（欧型式认证排放限值）、1996年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）、2000年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）、2005年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）。1.2.2 我国排放标准所谓国、国、国和国标准，是我们国家制定的汽车尾气排放阶段性限制标准，其准确定义为机动车尾气排放达到轻型汽车污染
18、物排放限值及测量方法（中国、阶段）（GB18352.325）和车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国、V 阶段）（GB1769125）中的第三阶段排放控制要求。与国外先进国家相比，我国汽车尾气排放法规起步较晚、水平较低，根据我国的实际情况，从八十年代初期开始采取了先易后难分阶段实施的具体方案，其具体实施至今主要分为四个阶段，也就是我们常说的国I、国II、国III、国IV表1-1 欧洲排放标准与我国排放标准的对比发展历程排放标准中国实施日期欧洲实施时间相差年份国一（欧 I）GB18352.1-20012001.4.1619929国二（欧 II）GB18352.2
19、-20012004.7.119968 国三（欧 III）GB18352.3-20052007.7.120007 国四（欧 IV）GB18352.3-20052010.7.1200551.2.3 我国现行排放标准与欧洲标准总述汽车尾气排放的控制标准，即国、国、国和国，同时还有欧、欧、欧和欧。那么，他们之间关联和区别如下：1)二者的关联：我国的汽车尾气排放限制标准源于欧洲标准，我国制定的轻型汽车污染物排放限值及测量方法()等效于“欧”标准；轻型汽车污染物排放限值及测量方法()等效于“欧”标准。而欧则比欧标准上了个台阶。做一个形象的比喻：7辆执行欧标准的汽车，相当于1辆化油器车的污染物排放量；14
20、辆执行欧标准的汽车，才相当于1辆化油器车的污染物排放量。按照轻型汽车号标准，家庭轿车和轻型汽车的一氧化碳排放量将在原有基础上减少30，碳氢和氮氧化合物则分别减少40。国引用的是欧，大部分都完全引用。2)二者的差异：国标许多内容根据国内情况进行了更改。轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国III、IV阶段）油品质量对于汽车尾气排放效果的影响相当明显。目前在我国新车常用的欧和欧标准等术语，是指当年 EEC 颁发的排放指令。例如适用于重型柴油车（质量大于3.5吨）的指令“EEC88/77”分为两个阶段实施，阶段A（即欧）适用于1993年10月以后注册的车辆；阶段B（即欧）适用于1995年10月以后注
21、册的车辆。国家第、阶段排放标准的主要技术内容与欧、欧排放标准相同，即各项试验的试验方法和限值都与欧、欧排放标准相同。中国号标准的尾气污染物排放限值比我国目前执行的中国号标准尾气污染物排放限值降低了3%，而中国号标准将进一步降低6%。为保证车辆使用过程中稳定达到排放限值要求，根据中国车用燃料的特点，规定了适合国情的燃油规格，保证车辆排放控制性能的耐久性，增加了对车载诊断系统(简称OBD)和在用车符合性的要求，这个OBD系统的实行体现出了很大的中国特色。该系统特点在于，检测点增多、检测系统增多，在三元催化转化器的进出口上都有氧传感器。完全通过实时监控车辆排放来控制达标，可以更加保证欧排放标准的执行
22、。应该注意到的一个重要问题是路况和油品将影响OBD的准确率，为保证车辆在使用过程中稳定达到排放限值要求，在实施新标准时，一个名叫车载诊断系统(OBD)要被加装到汽车上，OBD 系统将根据发动机的工作状况随时监测汽车排放的尾气是否超标，超标时即发出警示。目前能够达到欧排放标准的发动机，只是排放方面相比欧有所改进。对于国标号，由于这些车辆出厂之前没有安装 OBD 系统，因此尚不能称在完全意义上达到欧排放标准。车辆在使用过程中，如果车油不相配，会造成因油损车的情况。如果汽油中的硫、锰、铁等杂质含量过高，可能损害三元催化器和氧传感器，降低对污染物的催化效果；若汽油饱和蒸气压较高，也会带来挥发性污染。新
23、油品标准的制定体现了车厂和油厂的利益之争。值得注意的是OBD系统不能在车辆出厂之后经过改造加上，因此即使现在购买那些已经具备达到欧排放标准条件的车辆，今后也不会视同已经符合我国新排放标准。关键所在是油品的问题，如果使用相应的低品质燃油或油品质量不断反复，必然会导致排放标准不合要求，排放同样达不到新标准要求。要使汽车达到更严格的尾气排放标准，不仅要求汽车生产厂家提高整车生产技术，还需油品供应商提高相应的燃油质量。欧与欧相比，欧排放标准中最大的变化在于车辆出厂前必须装配核心组件 OBD，即车载自诊断系统，在全国市场提供质量稳定的燃油产品是实施更高排放标准的先决条件，加装 OBD 自动诊断系统才是当
24、务之急。1.3本课题研究的内容通过近年来我国汽车保有量得不断增多，尾气排放的污染之严重，本文介绍汽车排放污染物种类和生成机理及其对人体的危害，分析汽车排放物的形成原因，阐述现有汽车排放控制的技术措施，主要包括机内控制和机外控制，本文介绍了两种机内控制废气再循环系统、稀薄燃烧技术，本文详细分析代用燃料汽车、电动汽车和混合动力汽车的排放特性，指出为了环境保护和汽车工业的可持续发展，代用燃料汽车技术、电动汽车技术和混合动力汽车技术是解决汽车排放、噪声和能源结构问题的有效手段。混合动力汽车具有低油耗、低排放、长行驶里程、技术成熟等优点，是近期较理想的汽车发展模式;燃料电池汽车是未来零排放的理想汽车。
25、2 汽车尾气污染物生成机理及对人类的危害2.1一氧化碳 CO是汽油燃烧不完全的产物，其数量占尾气成分的首位。化石燃料的不完全燃烧和高温下存在的2CO+O22CO2的平衡，使得CO存在于所有实际燃烧器的尾气之中。CO 是一种无色、无味、无刺激性的有害气体， 主要从排气管排出， 也有少量由曲轴箱排出。人吸入 CO 后， 血中结合氧的血红蛋白将失去携带氧的能力， 人就会出现中毒现象， 如反应能力、视敏度下降等。CO 中毒的早期症状是流泪、咳嗽、头晕、恶心、呕吐、胸痛、呼吸困难， 严重时会发生虚脱。2.2碳氢化合物大气的烃类污染物的定义并不严格，它是指各种烃类及其衍生物，品种极多，一般以HC表示（此处
26、HC主要是指油箱及化油器的逸散和滴漏的燃料油和部分因燃烧不完全而生成的烃类及其各种衍生物）。汽车尾气排放的未经燃烧的汽油和燃烧不完全成产生的烃类衍生物成分极其复杂，其中有饱和烃、不饱和烃、芳香烃以及这些烃类的含氧衍生物（如醛、酮等），不仅成分种类多，且组成变化也大。烃类污染物对自然界的危害，主要是破坏了生态系统的正常循环，还诱发产生光化学烟雾有时简称未燃烃。人体内吸入较多的未燃烃，会破坏造成血机能，造成贫血，神经衰弱，并会降低肺的抵抗力。2.3氮氧化合物氮的氧化物种类很多，但在大气中有危害作用的，主要是NO 和NO2，习惯上将这两种化合物以NOx表示，称为氮氧化物。NOx主要是在气缸点火的高温
27、瞬间由空气中的氮与氧化物合成成的。 NOx对人体有危害，它进入人体后，开始是刺激呼吸器官，然后逐渐侵入肺部，与细胞液中水分结合成亚硝酸和硝酸后产生强烈的刺激与腐蚀作用，引起肺水肿。NO2的毒性高于NO，NO2气体呈红棕色，有特殊刺激臭味。NOx既有害于人体健康，还会腐蚀建筑物，并能导致形成酸雨和光化学烟雾，被列为大气中的重要污染物。2.4 其他污染物可吸入颗粒物直径大于10m的颗粒，能依靠其自身重力作用降落到地面，称为降尘。它们在空气中停留时间短，不易被人吸入，故危害不大。直径小于10m的颗粒，在空气中可较长时间飘游，称为飘尘。对人体健康危险性最大的是0.5m-5m的颗粒，这种飘尘可直接到达肺
28、细胞而沉积在肺中，并可进入血液，导致呼吸道疾病，它们还可能和SO2，NO2等产生协同作用，损害粘膜、肺细胞，引起支气管和肺部炎症，部分病人最后会导致肺心病。 汽车尾气中的颗粒物包括铅化合物、碳颗粒和油雾等。铅化合物是大气的重金属污染中毒性较大的一种，它来自于汽油的抗爆添加剂，这是一种含铅的有机化合物四乙基铅（C2H5）4Pb。其毒性比无机铅化合物约大百倍，并且随行车和风力扩散。它是引起急性精神病症的剧毒物质，它可以在人体中不断积累，当血液铅含量超过0.1mg时，可造成贫血等中毒症状。所以现在逐步推广使用无铅汽油。碳颗粒是燃料不完全燃烧的产物，而油雾通常是由于油箱及化油器的逸漏而造成的。 3现代
29、汽车污染控制技术汽车尾气的控制有机内控制与机外净化两种形式。机内控制是通过改变发动机设计、制造工艺等手段来减少有害物质的生成。本文主要介绍了，废气再循环系统汽油电喷系统及稀薄燃烧技术2。3.1废气再循环原理与净化任务3.1.1废气再循环系统ERG的工作原理废气再循环系统，简称EGR，其作用是将柴油机产生的一小部分废气再送回气缸。再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程，这就是氮氧化合物会减少的主要原因。EGR率是用来反映EGR控制量的，即废气混入的多少EGR=返回废气量进气量+返回废气量100%。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量减少，因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。废气再循环系
30、统示意图（见图3-1）。图3-1废气再循环系统示意图3.1.2本田轿车的废气再循环系统废气再循环装置主要用于减少NOx的生成量、减少废气污染。因为NOx是在高温富氧的条件下生成，引入废气再燃烧，可降低混合气的燃烧温度，可以抑制NOx的生成量。废气再循环装置，通过EGR阀把少量的废气引入进气歧管与混合气混合，进入气缸燃烧。废气中几乎不含氧，是不可燃气体。这些气体与混合气混合使可燃成份下降，减少了发动机燃烧时的温度，从而减少了NOX的生成量。另外，从排气歧管进入进气歧管的废气有一定温度，使进气歧管中的混合气受热膨胀、使吸入发动机汽缸中的有效燃烧物质减少，形成较弱的可燃混合气和一定数量的废气进入发动
31、机燃烧室，也降低了混合气的燃烧温度，使NOX生成量减本田轿车的电脑控制废气再循环系统主要由ECM电脑、EGR阀、EGR阀位置传感器、EGR真空控制阀和EGR电磁阀等组成。电脑控制EGR系统由进气歧管绝对压力传感器、进气温度、冷却液温度、EGR阀的位置和A/F等检测到的信号输入E C M，E C M根据这些参数计算出EGR阀的开启位置，同时向EGR电磁阀发出指令、使EGR阀的阀门处在优先位置，让发动机燃烧生成的NOX降低到最低限度而又不影响发动机的动力性。在EGR系统管路中排气歧管与进气歧管相通，中间依靠EGR阀等执行元件控制开启。在EGR阀的上方安装有EGR阀位置传感器，EGR真空控制阀、EG
32、R电磁阀通过控制EGR阀的开度控制废气再循环量。EGR阀的开启受真空度控制，真空度又由EGR真空控制阀控制，EGR真空控制阀的作用是保持进入E G R电磁阀的真空度恒定3。EGR阀位置传感器安装在EGR阀的上部，它能准确地检测EGR阀，阀门开启或关闭的大小，并把准确位置输入E C M,E C M根据这个位置和其他数据计算出最佳废气再循环量，进而控制EGR电磁阀阀门变化达到最佳废气循环量，使NOX生成量减到最少。EGR阀位置传感器（如图3-2）所示。EGR阀位置传感器与节气门位置传感器类似。当EGR阀工作时，传感器中电阻的变化与EGR阀阀杆的运动成正比，EGR阀关闭时传感器的电阻值最大，随着EG
33、R的开启电阻逐渐减少，当E G R阀全部打开时，传感器中的电阻值达到最小。(图3-3)为本田轿车accord本田雅阁轿车废气再循环系统。图3-2EGR阀位置传感器图3-3本田轿车accord废气再循环系统本田雅阁轿车废气再循环系统由EGR阀、EGR真空控制阀、EGR控制电磁阀、控制器(ECMPCM)CORD废气再循环系统。和EGR阀提升传感器等组成（如图4所示）。废气再循环系统和三元催化剂配合，能使排放污染气体中的NOx含量得到有效地降低。由于NOx产生的条件有两个，一是高温，二是多氧，所以EGR不是所有工况都工作，而是在低速、水温低于50时废气不循环，防止失速现象的产生；在高速、中负荷时一般
34、具备了产生NOx的条件，废气阀投入工作，控制NOx排放的污染值3。3.1.2 EGR系统的任务EGR系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成份最低。尽管提高废气再循环率对减少氮氧化物（NOx）的排放有积极的影响，但同时这也会对颗粒物和其他污染成份的减少产生消极的影响。废气再循环EGR系统是目前用于降低发动机NOx排放的一种有效措施，它将一部分排气引入进气管与新混合气混合后进入气缸燃烧，从而实现再循环，并对进入进气系统的排气进行最佳控制4。3.2 稀薄燃烧技术的净化作用随着能源供给的日益紧张，人们对车用发动机的燃油经
35、济性更加重视，采取了许多有效措施，其中的汽油机稀薄燃烧技术，就是改进汽油机燃油经济性的重要手段。稀薄燃烧指的是发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧，它可以使燃料的燃烧更加完全，同时，辅以相应的排放控制措施，汽油机的有害排放物一氧化碳， 碳氢化合物 氮氧化合物将大大地减少，且稀燃时燃烧室内的主要成分氧气和氮气的比热较小，多变指数K较高，因而发动机的热效率高，燃油经济性好5。汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀燃系统（PFI）、直接喷射稀燃系统（GDI）和均质混合气压燃系统（HCCI）。 1）进气道喷射稀燃系统（PFI）普通汽油机工作时保证可靠点火所对应的空燃比为10:1-20:1。与此相比，
36、稀燃汽油机的空燃比要大得多。为了保证可靠点火，点燃式稀燃汽油机在点火瞬间火花塞周围必须形成易于点燃的空燃比为12.0:1-13.5:1 的混合气。这就要求混合气在气缸内非均质分布。而要实现混合气的非均质分布，必须使混合气在气缸内分层。混合气分层主要依靠气流的运动结合适时的喷油实现。进气道喷射稀燃系统根据进气流在气缸内的流动形式不同，可分为涡流分层和滚流分层两种。涡流分层稀燃系统这种燃烧方式一般是通过对进气系统的合理配置，使缸内产生强烈的涡流运动。该涡流的轴线与气缸中心线大体一致，形成沿气缸轴线的涡流运动。在进气冲程初期，随着活塞向下运动，缸内形成较强的涡流。通过控制喷油时刻使喷油器在进气后期喷
37、油，进入气缸的燃油大部分就保持在气缸的上部，气缸内的强涡流起到维持混合气分层的作用，气缸内将形成上浓下稀的分层效果，火花塞周围有较浓的混合气。这样形成的涡流在压缩后期虽然随着活塞的上行逐渐衰减，但涡流的分层效果仍可大体一直保持到压缩上止点，有利于点火燃烧。不难看出，在这种燃烧系统中影响稀燃效果的主要因素是缸内涡流的强度和喷油定时。一般说来，涡流越强，缸内混合气上下混合的趋势就越弱，分层效果保持得就越好。喷油定时和喷油速率决定了缸内混合气在流场中的空间分布以及浓度梯度。稀燃极限与喷油定时关系很大，只有在进气行程的某一区间内结束喷油，才能得到理想的混合气分层。滚流分层稀燃系统滚流是指气流的旋转中心
38、线与气缸的轴线垂直。滚流分层多用于进气道对称布置的多气门发动机，尤其是蓬顶形燃烧室、对称进气的4气门发动机。通过合理配置进气系统，可以促使滚流运动的形成。当进气门升程较小时，进气流在缸内的流动紊乱，有规律的流动不明显。此时存在两个旋转轴相互平行而垂直于气缸轴线的涡团，一个在进气门下方靠近进气道一侧，另一个在进气道对侧，大致位于排气门下方，此为非滚流期。当气门升程加大时，位于进气道对侧的涡团突然加强，进而占据整个燃烧室，与此同时另一个涡团逐渐消失，此为滚流产生期。随着气门升程的加大和活塞下移，滚流不断加强。在进气行程下止点附近滚流达到最强，此为滚流发展期。压缩行程属滚流的持续期。在压缩行程后期，
39、由于燃烧室空间扁平，不适于滚流发展而遭破坏。在上止点附近，滚流几乎被压碎而成为小尺度的湍流，此为破碎期。滚流的生命周期短，点火后将很快在燃烧过程中消失。正是由于滚流在上止点附近破碎为湍流，将进气流动的动能转化为湍动能，才有利于发动机性能的提高。2） 直接喷射稀燃系统（GDI）进气道喷射汽油机在不采用助燃方法组织稀燃时，其空燃比超过27:1非常困难。但直接喷射稀燃系统超过这一界限却非常容易。与缸外进气道喷射稀燃汽油机相比，缸内喷射稀燃汽油机具有泵气损失小、传热损失小、充气效率高、抗爆性好及动态响应快等特点。日本三菱汽车公司开发的GDI发动机，是利用缸内滚流实现稀燃的典型直喷发动机。与原PFI方
40、式 的 4G93 原 型 机 相 比 ，4G93GDI的空燃比由10.5:1提高到12.0:1，燃油喷射压力提高到5.0MPa，大约是进气道多点喷射方式的15倍。为了控制进入气缸的空气运动，采用了近似直立的进气道使缸内形成强烈的逆向滚流，利用弯曲顶面的活塞进一步加强逆向滚流。喷油器布置在进气道一侧，火花塞布置在中间，活塞顶面形状与喷油时刻配合，可以形成两种不同的稀燃模式。当发动机在小负荷时，燃油在压缩冲程后期喷向活塞曲顶，碰撞到曲顶壁面后反弹向火花塞，只在火花塞附近形成较浓的混合气，实现了气缸内由浓到稀的滚流分层，形成了滚流分层稀燃模式。当发动机大负荷时，燃油在压缩冲程初期喷入缸内，形成了均质
41、稀燃模式。日本丰田汽车公司开发的D4直喷式汽油机，空燃比为10.0:1，喷油压力为13.0MPa，能够实现空燃比为14.7的超稀薄燃烧。它利用缸内涡流实现稀燃，进气道由一个单边螺旋气道和一个具有涡流控制阀（SCV）的直气道组成。活塞顶部有一渐开线型的燃烧室凹坑，高压旋流喷嘴位于气道下方，采用可变气门定时VVT-i系统、电控节气门和吸藏还原型NOx 催化器。通过直气道内SCV阀的关闭和开启并配合不同时刻喷油，实现在不同的工况下有不同的燃烧模式。小负荷时，在压缩冲程后期喷油，实现分层稀燃；中等负荷时，在进气和压缩冲程分两次喷油，实现弱分层燃烧；大负荷时，在进气冲程喷油，实现均质混合燃烧。发动机超稀
42、薄空燃比的利用和工作方式的改变有不少优点，如绝热指数增加和传热损失较少，取消节流降低了泵吸损失，燃油蒸发引起缸内温度降低，提高了汽油机可工作的压缩比，燃油在进气冲程中对进气的冷却提高了充气效率，使得它的燃油经济性一般可以提高25%左右，动力输出也比进气道喷射的汽油机增加了将近10%。另外，它提高的瞬态响应能力、精确的空燃比控制、快速的冷起动和减速快速断油能力及潜在的系统进一步优化能力，都显示了它比进气道喷射汽油机优越。GDI采用分层稀薄燃烧技术虽然较大幅度地提高了部分负荷下发动机的燃油经济性，但还存在着排放较高、设计复杂、开发成本昂贵等缺点。3）均质混合气压燃系统（HCCI）均质混合气压燃燃烧
43、方式的出现，有效地解决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点，是有别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和GDI发动机分层稀薄燃烧方式的第四种燃烧方式。HCCI发动机利用的是均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式。它通过提高压缩比，采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气进行压缩自燃，在气缸内形成多点火核，有效维持了着火燃烧的稳定性，并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。它与柴油机燃烧方式的不同在于：柴油机在着火时刻燃油还没有完全蒸发混合，进行的是扩散燃烧方式，燃烧速率主要受燃油蒸发以及与空气混合速率的影响；而进行HCCI燃烧的混合气在着火
44、以前已经均匀混合，进行的是预混燃烧模式。它的燃烧速率只与本身的化学反应动力学有关。HCCI发动机有以下优点HCCI燃烧方式有较高的动力性和燃油经济性。一方面，由于采用均质燃烧混合气，保持了原汽油机功率高的特点；另一方面，由于取消了节流损失，设计的压缩比高，采用多点同时着火的燃烧方式使得能量释放率较高，接近于理想的等容燃烧，热效率较高，保持了柴油机部分负荷下燃油经济性好的特性。HCCI燃烧方式可以同时降低NOx和碳烟。通过设计较稀的混合气空燃比或利用废气再循环把燃烧温度控制在1800K以下，并且由于它以均质稀燃混合气方式工作，有效地抑制了NOx的生成，几乎做到了无烟燃烧。如1998 年 Magn
45、s做的异辛烷（代替汽油）、乙醇和天然气三种燃料在自然吸气、进气增压下的50%燃烧模式的研究表明，HCCI燃烧的指示效率可以超过50%，NOx在所研究的条件下均达到了较低的水平（降低90-98%），甚至低于进气道喷射汽油机三元催化器转化后的水平。但试验中也发现CO和HC 排放有所升高，不过这两种排放可以通过氧化催化剂解决。HCCI燃烧方式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。由于HCCI燃烧只与本身的物理化学性质有关，它的着火和燃烧速率只受燃油氧化反应的化学反应动力学控制，受缸内流场影响较小，同时均质预混的混合气组织也比较简单，因此，在发动机上实施HCCI 燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。HCCI发动机设计的难点在于对HCCI燃烧速率和着火时刻的控制。由于车用发动机的工况多变，要想在各工况点都获得较好的燃烧和排放
