第5章车用柴油机机内净化

1、第5章 车用柴油机机内净化概述车用柴油机机内净化概述第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影汽车排放污染物的生成机理和影响因素响因素第第3 3 章章 汽车发动机的排放特性汽车发动机的排放特性第第4 4章章 车用汽油机机内净化车用汽油机机内净化第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化第第6 6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化汽车排放污染及控制汽车排放污染及控制目录目录 第第7 7章章 车用柴油机后处理净化车用柴油机后处理净化第第8 8章章 燃料与排放燃料与排放第第9 9章章 汽车排放污染物净化方案及分析汽车排放污染物净化方案及分析第第1010

2、章章 汽车排放及测试汽车排放及测试第第1111章章 排放标准排放标准曲轴转角曲轴转角气缸压力气缸压力曲轴转角曲轴转角气缸压力气缸压力曲轴转角气缸压力第第阶段缓燃期阶段缓燃期 指从最高指从最高压力点开始到出现最高温度时压力点开始到出现最高温度时的这一段时期。缓燃期开始时，的这一段时期。缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。但仍有大量混合气正在燃烧。但由于是在气缸容积加速增大但由于是在气缸容积加速增大的情况下进行的，因此气缸内的情况下进行的，因此气缸内气体压力迅速下降。气体压力迅速下降。曲轴转角气缸压力第第阶段后燃期阶段后燃期 指指从缓从缓燃期

3、终点到燃油基本烧完的燃期终点到燃油基本烧完的这一段时期。前一阶段燃烧这一段时期。前一阶段燃烧中，燃料由喷注中心向外扩中，燃料由喷注中心向外扩散的过程中受到已燃废气的散的过程中受到已燃废气的包围，使一部分燃料拖到后包围，使一部分燃料拖到后期燃烧，形成后燃期。期燃烧，形成后燃期。柴油机的主要排放污染物柴油机的主要排放污染物 控制柴油机排放物控制柴油机排放物的重点在于降低柴油机的的重点在于降低柴油机的NONOX X和微粒（包括碳烟）和微粒（包括碳烟）的排放。的排放。第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化有害成分有害成分汽油机汽油机柴油机柴油机微粒微粒 （g/mg/m3 3）0.0050

4、.0050.150.150.300.30CO CO （% %）0.10.16 60.050.050.500.50HCHC（ ppmppm）2000200020020010001000NONOX X（ ppmppm） 200020004000400070070020002000 柴油机与汽油机排放比较柴油机与汽油机排放比较柴油机的机内净化技术柴油机的机内净化技术 寻求一种兼顾排放、寻求一种兼顾排放、热效率等各种性能的理想热效率等各种性能的理想放热规律是柴油机排放控放热规律是柴油机排放控制的核心问题。近年来，制的核心问题。近年来，研制出了一些低排放、高研制出了一些低排放、高燃油经济性的柴油机，这燃

5、油经济性的柴油机，这些机型不用任何后处理装些机型不用任何后处理装置即可以达到相关的排放置即可以达到相关的排放法规要求，显示出柴油机法规要求，显示出柴油机机内净化技术的巨大潜力。机内净化技术的巨大潜力。第第5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 降低车用柴油机排放的技术措施降低车用柴油机排放的技术措施第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化技术对策技术对策实施方法实施方法主要控制对象主要控制对象燃烧室设计燃烧室设计设计参数优化、新型设计参数优化、新型燃烧方式燃烧方式NONOX X、微粒、微粒喷油规律改喷油规律改进进预喷射、多段喷射预喷射、多段喷射NONOX X进排气系统进排气系

6、统可变进气涡流、多气可变进气涡流、多气门门微粒微粒增压技术增压技术增压、增压中冷、可增压、增压中冷、可变几何参数增压变几何参数增压微粒微粒废气再循环废气再循环EGREGR、中冷、中冷EGREGRNONOX X高压喷射高压喷射电控高压油泵、共轨电控高压油泵、共轨系统、泵喷嘴系统、泵喷嘴微粒微粒 降低车用柴油机排放的技术措施降低车用柴油机排放的技术措施 每一种技术每一种技术措施在降低某种措施在降低某种排成分时，往往排成分时，往往效果有限，因而效果有限，因而实际中常常是几实际中常常是几种措施同时并用。种措施同时并用。低排放燃烧系统低排放燃烧系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 柴

7、油机燃烧柴油机燃烧室，室，是是进气系统进入的进气系统进入的空气与喷油系统喷空气与喷油系统喷入的燃油入的燃油进行进行混合混合和燃烧的场所，所和燃烧的场所，所以，燃烧室的几何以，燃烧室的几何形状对柴油机的性形状对柴油机的性能和排放具有重要能和排放具有重要的影响。的影响。非直喷式燃烧系统非直喷式燃烧系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 非直喷式燃烧室往往有主、副燃烧室二部分，燃非直喷式燃烧室往往有主、副燃烧室二部分，燃油首先喷入副燃烧室内进行混合燃烧，然后冲入主燃油首先喷入副燃烧室内进行混合燃烧，然后冲入主燃烧室进行二次混合燃烧。烧室进行二次混合燃烧。涡流式室燃烧室涡流式室燃烧室

8、第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 右图为涡流室式右图为涡流室式燃烧室的结构图。燃烧室的结构图。作为副燃烧室的涡作为副燃烧室的涡流室设置在气缸盖流室设置在气缸盖上，主燃烧室由活上，主燃烧室由活塞顶与气缸盖之间塞顶与气缸盖之间的空间构成的空间构成. . 主、主、副燃烧室之间有一副燃烧室之间有一通道通道涡流式室燃烧室涡流式室燃烧室第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 柴油机在压缩过程中，气缸内的空气受活塞挤柴油机在压缩过程中，气缸内的空气受活塞挤压，经连接通道导流并进入涡流室，形成强烈的压，经连接通道导流并进入涡流室，形成强烈的有组织的压缩涡流（一次涡流）。涡流室

9、式燃烧有组织的压缩涡流（一次涡流）。涡流室式燃烧室的燃烧过程采用浓、稀两段混合燃烧方式，前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段的浓混合气抑制了NONOX X的生成和燃烧温度，而后的生成和燃烧温度，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，因而烟的快速氧化，因而NONOX X和微粒排放都比较低，即和微粒排放都比较低，即使大负荷时烟度一般也是使大负荷时烟度一般也是BSU3BSU3。预燃室式燃烧室预燃室式燃烧室第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 预燃室式燃烧室的结构如图所示。燃烧室由位于气缸盖内预

10、燃室式燃烧室的结构如图所示。燃烧室由位于气缸盖内的预燃室和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个（图的预燃室和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个（图（a a）或数个（图（）或数个（图（b b）孔道相连。）孔道相连。 （a a）预燃室倾斜偏置）预燃室倾斜偏置, ,单孔道单孔道 （b b）预燃室中央正置）预燃室中央正置, ,多孔道（多孔道（c c）预燃室侧面正置）预燃室侧面正置, ,单孔道单孔道预燃室式燃烧室预燃室式燃烧室第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 预燃室式燃烧室的工作原理与预燃室式燃烧室的工作原理与涡流室式燃烧室相似，都是采用涡流室式燃烧室相似，都是采用浓、稀两

11、段混合燃烧。由于预燃浓、稀两段混合燃烧。由于预燃式燃烧室的通孔方向不与预燃室式燃烧室的通孔方向不与预燃室相切，所以在压缩行程期间预燃相切，所以在压缩行程期间预燃室内形成的是无组织的紊流运动，室内形成的是无组织的紊流运动，这是与涡流室的主要区别。这是与涡流室的主要区别。直喷式燃烧系统直喷式燃烧系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 直喷式燃烧系统的燃烧室相对集中，只在活塞顶上设置一个单独的直喷式燃烧系统的燃烧室相对集中，只在活塞顶上设置一个单独的凹坑，燃油直接喷入其内，凹坑与气缸盖和活塞顶间的容积共同组成燃烧凹坑，燃油直接喷入其内，凹坑与气缸盖和活塞顶间的容积共同组成燃烧室。常

12、见的有代表性的结构如图所示，分别为浅盆形（室。常见的有代表性的结构如图所示，分别为浅盆形（a a）、深坑形（）、深坑形（b b、c c）和球形（和球形（d d）。）。浅盆形燃烧室浅盆形燃烧室第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化新型航空用喷射型燃烧室新型航空用喷射型燃烧室 浅盆形燃烧室在活塞顶部设有开浅盆形燃烧室在活塞顶部设有开口大、深度浅的燃烧室凹坑。口大、深度浅的燃烧室凹坑。 燃烧燃烧室内燃烧初期压力升高率和最高燃室内燃烧初期压力升高率和最高燃烧压力均较高，工作粗暴，燃烧温烧压力均较高，工作粗暴，燃烧温度高，度高，NONOX X和排气烟度高，这种主要和排气烟度高，这种主要靠喷

13、注的被动混合方式，决定了浅靠喷注的被动混合方式，决定了浅盆形燃烧室的空气利用率低，必须盆形燃烧室的空气利用率低，必须在过量空气系数大于在过量空气系数大于1.61.6以上才能保以上才能保证完全燃烧。证完全燃烧。深坑形燃烧室深坑形燃烧室第第5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 深坑形燃烧室采用燃油和空气相互深坑形燃烧室采用燃油和空气相互运动的混合气形成方式，以满足车用高速运动的混合气形成方式，以满足车用高速柴油机混合气形成和燃烧速度更高的要求柴油机混合气形成和燃烧速度更高的要求。 形燃烧室 形燃烧室在活塞顶部设有比较深的凹坑，其底部呈形，目的是为了帮助形成涡流以及排除气流运动很弱的中心区域

14、的空气。燃烧室内的空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。 挤流口形燃烧室 挤流口形燃烧室采用了缩口形的燃烧室凹坑。其燃烧过程较柔和，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排放较形燃烧室低。球形燃烧室球形燃烧室第第5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 球形燃烧室空间混合方式以油膜蒸发混合方式为主。球形燃烧室空间混合方式以油膜蒸发混合方式为主。蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气。蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气。 随着燃烧的进随着燃烧的进行，热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，燃烧也随之加行，热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，燃烧也随之加速。匹

15、配良好的球形燃烧室工作柔和，速。匹配良好的球形燃烧室工作柔和，NONOX X和炭烟排放都和炭烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。较低，动力性和燃油经济性也较好。 球形燃烧室球形燃烧室低排放柴油喷射系统低排放柴油喷射系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化（1 1）各种工况下都应有较高的喷油压力，以得）各种工况下都应有较高的喷油压力，以得 到到足够高的燃油流出的初速度，使燃油粒度细化以提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。高雾化质量并加快燃烧速度，从而改善排放性能。（2 2）优化喷油规律，实现每循环多次喷射。）优化喷油规律，

16、实现每循环多次喷射。（3 3）每循环的喷油量能适应各种工况的实际需要。）每循环的喷油量能适应各种工况的实际需要。（4 4）各种不同工况有合理的喷油正时，实现柴油）各种不同工况有合理的喷油正时，实现柴油机机 的动力性、经济性和排放性能综合最优。的动力性、经济性和排放性能综合最优。 低排放燃烧系统应该满足以下要求：低排放燃烧系统应该满足以下要求：喷油压力喷油压力第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化喷油压力喷油压力第第5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化高压喷射降低炭烟的效果高压喷射降低炭烟的效果喷油规律喷油规律第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 喷油规律是

17、影响柴油机排放的主要因素，根据对柴油机的喷油规律是影响柴油机排放的主要因素，根据对柴油机的研究和分析，可得出以下结论：研究和分析，可得出以下结论：喷油规律喷油规律第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 为降低柴油机的排放为降低柴油机的排放必须有较理想的燃烧过程，必须有较理想的燃烧过程，而为了实现这种理想的燃而为了实现这种理想的燃烧过程，必须有合理的喷烧过程，必须有合理的喷油规律。油规律。“初期缓慢，中初期缓慢，中期急速，后期快断期急速，后期快断”则是则是一种理想的喷油规律。预一种理想的喷油规律。预喷射也是一种实现柴油机喷射也是一种实现柴油机初期缓慢燃烧的喷油方法，初期缓慢燃烧的喷

18、油方法，见右图左上角的几种模式。见右图左上角的几种模式。 理想的喷油规理想的喷油规律律喷油规律喷油规律第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化喷油时刻对柴油机性能的影响喷油时刻对柴油机性能的影响第5章 车用柴油机机内净化喷油定时是间接地通过滞燃期来影响发动机性能的。喷油定时是间接地通过滞燃期来影响发动机性能的。结论：柴油机对应每一工况都有一个最佳喷油提前角结论：柴油机对应每一工况都有一个最佳喷油提前角喷油定时对柴油机污染物排放的影响喷油定时对柴油机污染物排放的影响第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 喷油定时对柴油机的喷油定时对柴油机的HCHC排放的影响比较排放的影

19、响比较复杂。与燃烧室形状、喷油器结构参数及复杂。与燃烧室形状、喷油器结构参数及运转工况等有关。喷油提前或过迟，都会运转工况等有关。喷油提前或过迟，都会引起引起HCHC排放增加。排放增加。 对对NONOX X，喷油提前，使滞燃期延长，导致，喷油提前，使滞燃期延长，导致NONOX X的增加。推迟喷油，使燃烧室中最高温度降的增加。推迟喷油，使燃烧室中最高温度降低，从而减少低，从而减少NONOX X排放量。但喷油延迟必将使排放量。但喷油延迟必将使功率下降，燃油经济性变坏，并产生后燃现功率下降，燃油经济性变坏，并产生后燃现象，同时排温增高，烟度增加。因此，喷油象，同时排温增高，烟度增加。因此，喷油延迟必

20、须适度。延迟必须适度。所以总有一个最佳喷油提前所以总有一个最佳喷油提前角，就是要在该提前角下柴油机功率大、燃角，就是要在该提前角下柴油机功率大、燃油消耗率低、颗粒浓度也最低。油消耗率低、颗粒浓度也最低。多气门技术多气门技术第第5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化气流组织气流组织第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化多气门多气门第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化多气门技术多气门技术第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 采用多气门的优点采用多气门的优点增压技术增压技术第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 所谓增压，就是利用增压

21、器将空气或可燃混合气进行压缩，再所谓增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。增压后，每循环进入气缸的新鲜空气或混合送入发动机气缸的过程。增压后，每循环进入气缸的新鲜空气或混合气充量密度增大，使实际充气量增加，从而达到提高发动机功率和改气充量密度增大，使实际充气量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济性及排放性能的目的。善经济性及排放性能的目的。增压技术增压技术第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 几种增压方式的工作示意图如下图所示几种增压方式的工作示意图如下图所示（a a）机械增压；）机械增压；（b b）涡轮增压；）涡轮增压；（c c）气波增压；

22、）气波增压；（d d）复合增压）复合增压 E E发动机；发动机； C C压气机；压气机； T T涡轮机涡轮机废气涡轮增压器废气涡轮增压器第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 废气涡轮增压器的工作原理废气涡轮增压器的工作原理 径流式废气涡轮增压器结构图径流式废气涡轮增压器结构图离心式气压机离心式气压机第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 离心式压气机简图离心式压气机简图 1-1-进气道进气道 2-2-工作轮工作轮 3-3-扩压器扩压器 4-4-蜗壳蜗壳径流式涡轮机径流式涡轮机第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 径流式涡轮机工作原理径流式涡轮机工作

23、原理 径流式涡轮的工作简图径流式涡轮的工作简图 1-1-进气蜗壳；进气蜗壳； 2-2-喷嘴环；喷嘴环； 3-3-工作轮工作轮涡轮增压技术涡轮增压技术第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化 涡轮增压系统涡轮增压系统 （a)a)定压系统；定压系统； （b)b)脉冲系统脉冲系统增压对排放的影响增压对排放的影响第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化增压对排放的影响增压对排放的影响第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化废气再循环系统废气再循环系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化柴油机废气再循

24、环系统柴油机废气再循环系统柴油机废气再循环系统a)a)用排气脉冲阀的用排气脉冲阀的EGREGR系统系统 b)b)用进气节流阀的用进气节流阀的EGREGR系统系统c)c)用文丘里管的用文丘里管的EGREGR系统系统 d)d)用用EGREGR泵的泵的EGREGR系统系统1-1-电控器；电控器；2-2-中冷器；中冷器；3-3-柴油机；柴油机； 4-4-涡轮增压器；涡轮增压器；5-EGR5-EGR阀；阀；6-6-排气脉冲阀；排气脉冲阀；7-7-进气节流阀；进气节流阀；8-8-文丘里管；文丘里管；9-9-文丘里管旁通阀；文丘里管旁通阀；10-10-EGREGR冷却器；冷却器；11-EGR11-EGR泵泵

25、图图5-12 5-12 增压中冷柴油机的增压中冷柴油机的EGREGR系统系统a)a)用排气脉冲阀的用排气脉冲阀的EGREGR系统系统 b)b)用进气节用进气节流阀的流阀的EGREGR系统系统c)c)用文丘里管的用文丘里管的EGREGR系统系统 d)d)用用EGREGR泵泵的的EGREGR系统系统 柴油机柴油机EGREGR的控制方法的控制方法第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化柴油机柴油机EGREGR与汽油机与汽油机EGREGR的比较的比较第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化EGREGR率对柴油发动机性能的影响率

26、对柴油发动机性能的影响nEGR率为率为15%时，时，NOX排放可以减少排放可以减少50%以上；以上； EGR率为率为25%时，时， NOX排放排放可减少可减少80%以上。以上。n在最大限度地提高在最大限度地提高EGR率的同时，减少由于率的同时，减少由于EGR对发动机性能带来的负面影响，可在柴对发动机性能带来的负面影响，可在柴油机上同时辅以其它技术措施，比如涡轮增油机上同时辅以其它技术措施，比如涡轮增压中冷技术，电控高压共轨燃油喷射技术等。压中冷技术，电控高压共轨燃油喷射技术等。第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化电控柴油喷射系统电控柴油喷射系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化

27、车用柴油机机内净化位置控制系统位置控制系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化位置控制系统位置控制系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化位置控制系统位置控制系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化时间控制系统时间控制系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化时间控制系统时间控制系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化1-1-高压油泵高压油泵 2-2-滤清器滤清器 3-3-燃油箱燃油箱 4-4-共轨压力传感器共轨压力传感器 5-5-限流器限流器 6-6-共轨管共轨管 7-7-限压阀限压阀 8-8-电控喷油器电控喷油器

28、 9-9-进气质量流量计进气质量流量计 10-10-冷却液温度传器冷却液温度传器 11-11-空气温度传感器空气温度传感器12-12-增压压力传感器增压压力传感器 13-13-油门位置传感器油门位置传感器14-14-曲轴位置传感器曲轴位置传感器 15-15-柴油机转速传感器柴油机转速传感器 16-16-电控单元电控单元电控高压共轨系统电控高压共轨系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化电控高压共轨系统电控高压共轨系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化电控高压共轨系统电控高压共轨系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化电控高压共轨系统电控高压共轨系统第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化电控高压共轨系统电控高压共轨系统作业作业: :n5.1 5.1 柴油机的燃烧过程可分为哪几个阶段？柴油机的燃烧过程可分为哪几个阶段？分别阐述各个阶段特点。分别阐述各个阶段特点。n5.2 5.2 柴油机