车用柴油机机内净化

1、汽车排放及控制技术第第5 5章章 柴油机机内净化柴油机机内净化20142014年年4 4月月1 1日日概述：主要内容概述：主要内容 介绍了车用柴油机的低排介绍了车用柴油机的低排放燃烧、低排放燃油喷射、放燃烧、低排放燃油喷射、多气门、增压、废气再循环多气门、增压、废气再循环以及电控燃油喷射等柴油机以及电控燃油喷射等柴油机机内净化技术。机内净化技术。课程内容课程内容5.1 概述概述5.2 低排放燃烧系统低排放燃烧系统5.3 低排放柴油喷射系统低排放柴油喷射系统5.4 多气门技术多气门技术5.5 增压技术增压技术5.6 废气再循环系统废气再循环系统5.7 电控柴油机喷射系统电控柴油机喷射系统 第第5

2、章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程n 着火延迟期着火延迟期 n 速燃期速燃期 n 缓燃期缓燃期 着火延迟期也称为着火延迟期也称为滞燃期。滞燃期。 混合气准备的物理混合气准备的物理和化学过程。和化学过程。 温度或压力越高，温度或压力越高，着火延迟期越短。着火延迟期越短。 燃烧室的形式和壁燃烧室的形式和壁温温 ，也影响着火延，也影响着火延迟期长短。迟期长短。 着火延迟期内准备着火延迟期内准备好的混合气几乎同时好的混合气几乎同时开始燃烧。开始燃烧。 应控制压力升高率，应控制压力升高率，防止工作粗暴。防止工作粗暴。 柴油机柴油机p/不大不大于于0.4-0.5MPa/

3、()的的范围内。范围内。 燃烧的进行渐趋缓燃烧的进行渐趋缓慢。慢。 尽可能地加速混合尽可能地加速混合气的形成，保证迅速气的形成，保证迅速而完全的燃烧。而完全的燃烧。n 补燃期补燃期 尽量缩短补燃期，尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的减少补燃期内燃烧的燃油量。燃油量。柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程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。在由于是在气缸容

4、积加速增大在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。第第阶段后燃期阶段后燃期 指指从缓从缓燃期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 控制柴油机排放物的重点在于控制柴油机排放物的重点在于降低柴油机的降低柴油机的NOX和微粒（包括和微粒（包括碳烟）

5、的排放。碳烟）的排放。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/m3）0.0050.150.30CO （%）0.160.050.50HC（ ppm）20002001000NOX（ ppm）200040007002000 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、热效率寻求一种兼顾排放、热效率等各种性能的等各种性能的理想放热规律理想放热规律是是柴油机排放控制的核心问题。柴油机排放控制的核心问题。近年来，研制出了一些低排放、近年来，研制出了一些低排放、高燃油经济性的柴油机，这些

6、高燃油经济性的柴油机，这些机型不用任何后处理装置即可机型不用任何后处理装置即可以达到相关的排放法规要求，以达到相关的排放法规要求，显示出柴油机机内净化技术的显示出柴油机机内净化技术的巨大潜力。巨大潜力。 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 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 柴油机与汽油机排放比较柴油机与汽油机排放比较 技术对策技术对策实施方法实施方法主要控制主要控制对象对象燃烧室设计燃烧室设计设计参数优化、新型燃设计参数优化、新型燃烧方式烧方式NOX、微粒、微粒喷油规律改进喷油规律改进预喷射、多段喷射预喷射、多段喷射NOX进排气系统进排气系统可变进

7、气涡流、多气门可变进气涡流、多气门微粒微粒增压技术增压技术增压、增压中冷、可变增压、增压中冷、可变几何参数增压几何参数增压微粒微粒废气再循环废气再循环EGR、中冷、中冷EGRNOX高压喷射高压喷射电控高压油泵、共轨系电控高压油泵、共轨系统、泵喷嘴统、泵喷嘴微粒微粒 每一种技术措每一种技术措施在降低某种排施在降低某种排放成分时，往往放成分时，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。EGR简介 EGR是英文Exhaust Gas Recirculation三个字的缩写，意思是废气再循环系统。它是针对引擎排气中有害气体之一的氮氧化合物NOx所设置的

8、排气净化装置。 发动机控制电脑即ECU根据发动机的转速、负荷(节气门开度)、温度、进气流量、排气流量,温度控制电磁阀适时地打开，进气管真空度经电磁阀进入EGR阀真空膜室，膜片拉杆将EGR阀门打开，排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度，因NOX是在高温条件下生成的，故抑制了NOX的再次生成，从而降低了废气中的NOX的含量。但是，过度的废气参与再循环，将会影响混合气的着火、性能，从而影响发动机的动力性，特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，再循环的废气会明显地影响发动机性能。 所以，当发动机在怠速

9、、低速、小负荷 及冷机时，ECU控制废气不参与再循环，避免发动机性能受到影响；当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时，ECU控制少部分废气参与再循环，而且，参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同，以达到废气中的NOX最低。SCR简介 选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化剂的作用下，利用还原剂（如NH3、液氨、尿素）来“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。 首先由美国的Engelhard公司发现并于1957年申请专利，后来日本在该国环保政策的驱动下，成功研制出了现今被广泛使

10、用的V2O5/TiO2催化剂，并分别在1977年和1979年在燃油和燃煤锅炉上成功投入商业运用。SCR技术对锅炉烟气NOx控制效果十分显著、技术较为成熟，目前已成为世界上应用最多、最有成效的一种烟气脱硝技术。合理的布置及温度范围下，可达到8090%的脱除率。在我国，利用SCR进行烟气脱硝的工作才刚刚起步。SCR特点SCR技术具有以下特点。NOx脱除效率高据有关文献记载及工程实例监测数据，SCR法一般的NOx脱除效率可维持在70%-90%，一般的NOx出口浓度可降低至100mg/m左右，是一种高效的烟气脱硝技术。二次污染小SCR法的基本原理是用还原剂将NOx还原为无毒无污染的N2和H2O，整个工

11、艺产生的二次污染物质很少。技术较成熟，应用广泛SCR烟气脱硝技术已在发达国家得到较多应用。如德国，火力发电厂的烟气脱硝装置中SCR法大约占95%。在我国已建成或拟建的烟气脱硝工程中采用的也多是SCR法。投资费用高，运行成本高以我国第一家采用SCR脱硝系统的火电厂福建漳州后石电厂为例，该电厂600MW机组采用日立公司的SCR烟气脱硝技术，总投资约为1.5亿人民币。除了一次性投资外，SCR工艺的运行成本也很高，其主要表现在催化剂的更换费用高、还原剂（液氨、氨水、尿素等）消耗费用高等。低排放燃烧系统低排放燃烧系统 柴油机燃烧室，是柴油机燃烧室，是进气系统进入的空气进气系统进入的空气与喷油系统喷入的燃

12、与喷油系统喷入的燃油进行混合和燃烧的油进行混合和燃烧的场所，所以，场所，所以，燃烧室燃烧室的几何形状对柴油机的几何形状对柴油机的性能和排放具有重的性能和排放具有重要的影响要的影响。非直喷式燃烧系统非直喷式燃烧系统 柴油机与汽油机排放比较柴油机与汽油机排放比较 非直喷式燃烧室往往有主、副燃烧室二部分，燃油首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，然后冲入主燃烧室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。进行二次混合燃烧。涡流式室燃烧室涡流式室燃烧室 右图为涡流室式燃右图为涡流室式燃烧室的结构图。烧室的结构图。 作为副燃烧室的涡作为副燃烧室

13、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、副燃烧室之间主、副燃烧室之间有一通道。有一通道。涡流式室燃烧室涡流式室燃烧室 柴油机在压缩过程中，气缸内的空气受活塞挤压，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，形成强烈的有组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（织的压缩涡流（一次涡流一次涡流）。）。涡流室式燃烧室的燃烧过程涡流室式燃烧室的燃烧过程采用浓、稀两段混合采用浓、稀两段混合燃烧方式燃烧方式，前段的浓混合气抑制了，前段的浓混合气抑制了NOX的生成和的生成和燃

14、烧温度，而后段的稀混合气和燃烧温度，而后段的稀混合气和二次涡流二次涡流又加速又加速了燃烧，促使碳烟的快速氧化，因而了燃烧，促使碳烟的快速氧化，因而NOX和微粒和微粒排放都比较低，即使大负荷时烟度一般也是排放都比较低，即使大负荷时烟度一般也是BSU3。预燃室式燃烧室预燃室式燃烧室 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，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（两者之间由一个（图（a）或数个（图（）或数个（图（b）孔道相连。）孔道相连。 （a）预燃室倾斜偏置）预燃室倾斜偏置,单孔道单孔道 （b）预燃室中央正置）预燃室中央正置,多孔道（多孔道（c）

15、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 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，都是涡流室式燃烧室相似，都是采采用浓、稀两段混合燃烧。用浓、稀两段混合燃烧。由于预燃室式燃烧室的通孔方由于预燃室式燃烧室的通孔方向不与预燃室相切，所以在压向不与预燃室相切，所以在压缩行程期间预燃室内形成的是缩行程期间预燃室内形成的是无组织的紊流运动，这是与涡无组织的紊流运动，这是与涡流室的主要区别流室的主要区别。两种分隔式燃烧室的主要区别两种分隔式燃烧室的主要区别涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室 预燃室式燃烧室预燃室式燃烧室 直喷式燃烧系统直喷式燃烧系统

16、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室。常见的有代表性的结构如图所示，分别为积共同组成燃烧室。常见的有代表性的结构如图所示，分别为浅盆形（浅盆形（a）、深坑形（）、深坑形（b、c）和球形（）和球形（d）。）。浅盆形燃烧室浅盆形燃烧室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。 燃燃烧室内燃烧初期压

17、力升高率和最烧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，高燃烧压力均较高，工作粗暴，燃烧温度高，燃烧温度高，NOX和烟度高。和烟度高。喷注混合方式，决定了浅盆形燃喷注混合方式，决定了浅盆形燃烧室的空气利用率低，必须在过烧室的空气利用率低，必须在过量空气系数大于量空气系数大于1.6以上才能保证以上才能保证完全燃烧。完全燃烧。深坑形燃烧室深坑形燃烧室深坑形燃烧室深坑形燃烧室采用燃油和空气相互运动采用燃油和空气相互运动的混合气形成方式的混合气形成方式，以满足车用高速柴油，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。机混合气形成和燃烧速度更高的要求。 形燃烧室形燃烧室 形燃烧室在活

18、塞顶部设有比较形燃烧室在活塞顶部设有比较深的凹坑，底部呈深的凹坑，底部呈形，目的是为形，目的是为了帮助形成涡流以及排除气流运动了帮助形成涡流以及排除气流运动很弱的中心区域的空气。燃烧室内很弱的中心区域的空气。燃烧室内的空气运动以进气涡流为主，挤流的空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。为辅。 挤流口形燃烧室挤流口形燃烧室 挤流口形燃烧室采用了缩口形的燃挤流口形燃烧室采用了缩口形的燃烧室凹坑。燃烧过程较柔和，挤流口烧室凹坑。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，压力升高室凹坑，使初期燃烧减慢，压力升高率较低，因此，率较低，因此，

19、NOX排放较排放较形燃烧形燃烧室低。室低。球形燃烧室球形燃烧室 球形燃烧室球形燃烧室空间混合方式空间混合方式以油膜蒸发混合方式为主以油膜蒸发混合方式为主。蒸发的油蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气。气与空气混合形成均匀混合气。 随着燃烧的进行，热量辐射在油随着燃烧的进行，热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，燃烧也随之加速。膜上，使油膜加速蒸发，燃烧也随之加速。匹配良好的球形燃匹配良好的球形燃烧室工作柔和，烧室工作柔和，NOX和碳烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较和碳烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。好。 球形燃烧室球形燃烧室柴油机混合气的形成基本上有两种形式，即空间雾化混合和油膜蒸发混合

20、。柴油机混合气的形成基本上有两种形式，即空间雾化混合和油膜蒸发混合。1空间雾化混合空间雾化混合是直接将柴油喷射到燃烧室空间，使柴油与空气形成混合气的一种混合方式。在这里柴油和空气的混合，主要是靠柴油的喷散，蒸发以及油束动能对空气的卷吸作用。但是，这种柴油分子的扩散范围是有限的，只能与它附近的空气相混合。 为了充分利用燃烧室内的空气，并使混合迅速而均匀，一般需采用两个措施，其一是必须采用较高的压力喷射和雾化质量较好的多孔式喷油器，并使喷射油束与燃烧室的形状相配合，将雾状柴油尽可能均匀地喷射到整个燃烧室空间去，在燃烧室内适当地组织空气运动，利用气流运动来促进柴油与空气的混合。这对于改善高速柴油机的

21、燃烧过程，提高柴油机的性能是十分重要的。2油膜蒸发混合 油膜蒸发混合是将绝大部分柴油喷射到燃烧室壁面上，形成一层油膜，而只有少量(约5左右)的柴油是直接喷射在燃烧室内的空气中，这一小部分柴油在空间气化，并与空气混合，作为着火源而首先燃烧。随着燃烧过程的进行，燃烧室的温度迅速升高，在强烈的旋转气流作用下，使覆盖在燃烧室壁面上的油膜以越来越快的速度蒸发并与空气形成均匀的混合气，从而保证燃烧过程得以迅速而有效地进行。 应该指出，在小型高速柴油机中，柴油或多或少地会喷到燃烧室壁上，所以两种混合方式都兼而有之，只是多少，主次各有不同。目前多数柴油机仍以空间雾化混合为主，而球型燃烧室则以油膜蒸发混合为主。

22、低排放柴油喷射系统低排放柴油喷射系统 各种工况下都应有较高的喷油压力，各种工况下都应有较高的喷油压力，以得以得 到足够高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。量并加快燃烧速度，从而改善排放性能。 优化喷油规律，优化喷油规律，实现每循环多次喷射。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。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，各种不同工况有合理的喷油正时，实现柴油机的动力实现柴油机的动力性、经济性和排放性能综合最优。性、经济性和排放性能综合最优。

23、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：喷油压力喷油压力喷油压力喷油压力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 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：究和分析，可得出以下结论：喷油规律喷油规律 为降低柴油机的排放必为降低柴油机的排放必须有较理想的燃烧过程，须有较理想的燃烧过程，而为了实现这种理想的而为了实现这种理想的燃烧过程，必须有合理燃烧过程，必须有合理的喷油规律的喷油规律。 “初期缓慢，中期急速，初期缓慢，中期急速，后期快断后期快断”则是一种理则是一种理

24、想的喷油规律。想的喷油规律。 预喷射也是一种实现柴预喷射也是一种实现柴油机初期缓慢燃烧的喷油机初期缓慢燃烧的喷油方法，见右图左上角油方法，见右图左上角的几种模式。的几种模式。 理想的喷油规律理想的喷油规律思考：为什么两条曲线有这种差异？思考：为什么两条曲线有这种差异？喷油规律喷油规律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喷油定时对柴油机

25、喷油定时对柴油机HC排放的影响比较复排放的影响比较复杂。与燃烧室形状、喷油器结构参数及运杂。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，都会引转工况等有关。喷油提前或过迟，都会引起起HC排放增加。排放增加。对对NOx，喷油提前，使滞燃期延长，导致，喷油提前，使滞燃期延长，导致NOx的增加。推迟喷油，使燃烧室中最高的增加。推迟喷油，使燃烧室中最高温度降低，从而减少温度降低，从而减少NOX排放量。但喷油排放量。但喷油延迟必将使功率下降，燃油经济性变坏，延迟必将使功率下降，燃油经济性变坏，并产生后燃现象，同时排温增高，烟度增并产生后燃现象，同时排温增高，烟度增加。因此，喷油延迟必须

26、适度。加。因此，喷油延迟必须适度。总有一个最佳喷油提前角，就是要在该提前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、燃油消耗率低、颗粒浓角下柴油机功率大、燃油消耗率低、颗粒浓度也最低。度也最低。喷油定时对柴油机的喷油定时对柴油机的HCHC排放的影响与燃烧室形排放的影响与燃烧室形状、喷油器结构参数及运转工况等有关。状、喷油器结构参数及运转工况等有关。喷油提前，喷油提前，滞燃期增加，使较多的燃油蒸汽和滞燃期增加，使较多的燃油蒸汽和小油粒被旋转气流带走，形成一个较宽的过稀小油粒被旋转气流带走，形成一个较宽的过稀不着火区，同时燃油与壁面的碰撞增加，这会不着火区，同时燃油与壁面的碰撞增加，这会使使HCHC排放增加。排放增加。喷油过迟，喷油过迟，则使较多的燃油没有足够的反应时则使较多的燃油没有足够的反应时间，间，HCHC排放量也要增加。排放量也要增