第5章 柴油机机内净化技术

5.1概述5.2低排放燃烧系统5.3低排放燃油喷射系统5.4 增压技术5.5 废气再循环系统第5章柴油机机内净化技术2023/2/1

5.1

柴油机机内净化概述2023/2/15.1.1柴油机的燃烧过程

由于柴油的蒸发差，柴油机靠喷油器将柴油在高压下喷入气缸，分散成数以百万计的细小油滴，这些油滴在气缸内高温、高压的热空气中，经加热、蒸发、扩散、混合和焰前反应等一系列物理、化学准备，最后着火。由于每次喷射要持续一定的时间，一般在缸内着火时喷射过程尚未结束，故混合气形成过程和燃烧是重叠进行的，即：边喷油边燃烧。柴油机是靠调节循环喷油量的多少来调节负荷，而循环进气量基本不变。因此，每循环平均的混合气浓度随负荷变化而变化，这种负荷调节方式被称为“质调节”。这与汽油机的负荷调节方式大不相同。柴油机的燃烧过程可划分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。

典型的示功图如图所示，曲线ABCDE表示气缸中进行正常燃烧的压力曲线，ABF表示气缸内不进行燃烧时的纯压缩膨胀曲线，图中还画出了喷油嘴针阀的升程曲线。根据燃烧过程进行的实际特征，一般把燃烧过程划分为四个阶段。着火延迟阶段急燃期缓燃期后燃期第I阶段为着火延迟阶段(AB段)。柴油开始喷入气缸到着火开始的这一段时期。着火延迟期也称为滞燃期。

•混合气准备的物理和化学过程。•温度或压力越高，着火延迟期越短。•燃烧室的形式和壁温，也影响着火延迟期长短。第Ⅱ阶段为速燃期(BC段)。从着火开始到出现最高压力的这一段时期。

着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧。•应控制压力升高率，防止工作粗暴。•柴油机Δp/Δφ不大于0.4-0.5MPa/(°)的范围内。

第Ⅲ阶段为缓燃期(CD段)。缓燃期从最高压力点到出现最高温度时的这一段时期。

燃烧的进行渐趋缓慢。•尽可能地加速混合气的形成，保证迅速而完全的燃烧。

第IV阶段为后燃期(CD段)。

从缓燃期终点到燃油基本烧完的这一段时期。尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。速燃期的特点：（1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。（2）达到最高压力（6~9MPa）。（3）继续喷油。压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命；压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.4~0.5MPa／(º)曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。控制压力升高率的措施：减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量

①缩短着火延迟期的时间

②减少着火延迟期内喷入燃油

③减少可能形成可燃混合气的燃油缓燃期的特点：

（1）喷油过程基本结束，燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。

（2）压力开始下降（气缸容积不断增大），温度达到最高。最高温度可达2000K左右，一般在上止点后20~35ºCA处出现。

柴油机的燃烧过程第Ⅰ阶段－滞燃期柴油开始喷入气缸到着火开始的这一段时期。第Ⅱ阶段－速燃期从着火开始到出现最高压力的这一段时期。第Ⅳ阶段－后燃期从缓燃期终点到燃油基本烧完的这一段时期。第Ⅲ阶段－缓燃期从最高压力点到出现最高温度时的这一段时期。5.1.2影响柴油机燃烧过程的因素1.运转因素对燃烧过程的影响

影响燃烧过程的运转因素有喷油提前角、转速和负荷、冷却强度等。（1）喷油提前角（2）转速（3）负荷（4）冷却强度的影响

2.结构因素对燃烧过程的影响在结构方面，影响燃烧过程的主要因素是压缩比、燃烧室形式、空气涡流运动、喷油压力以及喷油规律等。（1）压缩比（2）喷油压力（3）喷油规律（4）燃烧室形式（5）空气涡流2023/2/15.1.3柴油机的主要排放污染物

控制柴油机排放物的重点在于降低柴油机的NOX和微粒（包括碳烟）的排放。柴油机主要污染物CONOXHC微粒有害成分汽油机柴油机微粒（g/m3）0.0050.15～0.30CO（%）0.1～60.05～0.50HC（

ppm）2000200～1000NOX（

ppm）700～20002000～4000

柴油机与汽油机排放比较柴油机与汽油机排放比较图5-2为直喷式柴油机污染物生成机理示意图。由于柴油机无法形成均质可燃混合气，总有部分燃料不能完全燃烧，从而生成以碳为主体的微粒。同时，由于混合气不均匀，在燃烧过程中局部温度很高，并有过量空气，导致氮氧化物（NOx）的大量生成。相对于汽油机而言，柴油机由于过量空气系数比较大，一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放量要相对较低，但普通的燃油供给系统使柴油机的微粒排放量比汽油机大几十倍甚至更多。5.1.4柴油机机内净化的主要技术措施

近年来，一些低排放、高燃油经济性的柴油机不用任何后处理装置即可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巨大潜力。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

技术对策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NOX、微粒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

每一种技术措施在降低某种排气成分时，往往效果有限，因而实际中常常是几种措施同时并用。5.2低排放燃烧系统燃烧室的几何形状对柴油机的性能和排放具有重要的影响。5.2.1非直喷式燃烧系统非直喷式燃烧室(按燃烧室构造分)涡流室式燃烧室预燃室式燃烧室

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，然后冲入主燃烧室进行二次混合燃烧。涡流式室燃烧室

右图为涡流室式燃烧室的结构图。作为副燃烧室的涡流室设置在气缸盖上，主燃烧室由活塞顶与气缸盖之间的空间构成。主、副燃烧室之间有一通道。由于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减少NOx排放量，此外，HC和微粒排放量均比直喷式柴油机低。预燃室式燃烧室

燃烧室由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））或数个（图（b））孔道相连。

（a）预燃室倾斜偏置,单孔道（b）预燃室中央正置,多孔道（c）预燃室侧面正置,单孔道5.2.2直喷式燃烧系统

直喷式燃烧系统的燃烧室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室。常见的有代表性的结构如图所示：（a）浅盆形、（b、c）深坑形、（d）球形浅盆形燃烧室

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。浅盆形燃烧室的空气利用率低，必须在过量空气系数大于1.6以上才能保证完全燃烧。深坑形燃烧室

深坑燃烧室ω形燃烧室挤流口形燃烧室

ω形燃烧室

ω形燃烧室在活塞顶部设有比较深的凹坑，其底部呈ω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的空气。

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。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。球形燃烧室

球形燃烧室空间混合方式以油膜蒸发混合方式为主。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。匹配良好的球形燃烧室工作柔和，NOX和炭烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。不同燃烧室的比较与选用对于碳烟的排放量，浅盆形燃烧室最低，深坑形燃烧室次之，而分隔式燃烧室最高；分隔式燃烧室主要应控制碳烟的排放量，特别在较低负荷工况下。深坑形燃烧室的HC的排放量最高，特别在较低负荷工况下，其中的液态成分部分使其微粒的排放量也较高；直喷式燃烧室较分隔式燃烧室NOx的排放量明显要高，特别在较高负荷工况下。2023/2/15.2.3气流组织及多气门技术气流组织

适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧更迅速更完全。尤其当喷油系统的压力不够高使得喷雾不够细时，要求较强的涡流运动来促进油气混合。强烈的进气涡流一般由螺旋进气道或切向进气道产生，它们均以不同程度地增加进气阻力为代价获得较强的涡流运动，结果是泵气损失增大，充量系数下降。另外，对于小缸径高速柴油机，其工作转速范围很大，进气系统产生的涡流往往难以同时满足各种转速下的要求，涡流转速过高和过低同样不利于燃烧。

2023/2/12.多气门技术Multiplevalve

采用多气门的优点扩大进排气门的总流通截面积，增大充气效率解决了二气门柴油机喷油嘴斜置造成的各喷油孔流动条件不同的问题

可实现关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度，拓宽柴油机的高效工作转速范围

气门增多，则气门变小变轻，从而允许气门以更快的速度开启和关闭，增大了气门开启的时间断面值2023/2/15.3低排放柴油喷射系统电控转子泵电控单体泵电控泵喷嘴电控泵高压共轨2023/2/1低排放柴油喷射系统

低排放燃油喷射系统应该满足以下要求：

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。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、经济性和排放性能综合最优。13425.3.1喷油压力

喷油过程中，喷油压力是对柴油机性能影响极大的一个因素，特别是直喷式柴油机。

喷油压力愈大，则喷油能量愈高、喷雾愈细、混合气形成和燃烧愈完全，因而柴油机的排放性能和动力性、经济性都得以改善。高压喷射降低炭烟的效果一般供油系统的燃油喷射压力，决定于喷油泵的几何供油速率、喷孔总面积以及喷油系统的结构刚度和泄漏情况等因素。所以工程实践中常以嘴端峰值压力作为喷油系统工作能力指标。对于目前仍广泛采用的喷油泵－油管－喷油嘴（P-L-N）系统，其喷油压力随转速升高而升高，随柴油机的负荷增大而增大。这种特性对于低转速、小负荷条件下的柴油机燃油经济性和烟度不利。并且由于高压腔容积等因素制约，喷油压力的提高受限，有时还会因为供油系统参数匹配不当造成不正常喷射现象。泵喷嘴将柱塞式喷油泵和喷油嘴做成一体，取消了高压油管，因此可提供更高的喷油压力，由于有害高压油腔容积较小，所以即使最高喷油压力达200MPa，易于控制喷油规律，也不会由于压力波动造成不正常喷射现象。此外，喷油持续期缩短，使怠速和小负荷时喷油特性的稳定性得到改善。泵喷嘴安装在气缸盖上，由凸轮轴直接驱动。但由于泵喷嘴的尺寸比一般的喷油器大，布置时有一定的困难。泵喷嘴在高压喷油时使气缸盖受附加载荷，所以应该注意确保气缸盖的强度和刚度。泵喷嘴系统的驱动凸轮到曲轴的距离较远，传动系统负荷较大。这些都限制了泵喷嘴的广泛应用，因此泵喷嘴多用于大、中型柴油机。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燃烧持续期短的特点，同时推迟喷油时刻或废气再循环，有可能使微粒PM和NOx同时降低。5.3.2喷油规律喷油规律即单位时间内由喷油嘴进入汽缸内的燃油量，根据对柴油机工作过程的研究和分析，可得出以下结论：（1）滞燃期内的初期喷油量控制了初期放热率，从而影响最高燃烧压力和最大压力升高率。（2）为了提高循环热效率，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，造成烟度及耗油量的加大。喷油后期也不应该出现二次喷射及滴油等不正常情况。

理想的喷油规律

为了降低柴油机的排放，实现理想的燃烧过程，必须有合理的喷油规律。“初期缓慢，中期急速，后期快断”是一种理想的喷油规律初期喷油速率不能太高，是为了减少在滞燃期内形成的可燃混合气量，降低初期燃烧速率，以降低最高燃烧温度和压力升高率，从而抑制NOx生成及降低燃烧噪声。喷油中期采用高喷油压力和高喷油速率以加速扩散燃烧速度，防止生成大量微粒和降低热效率。喷油后期要迅速结束喷射，以避免在低的喷油压力和喷油速率下使燃油雾化变差，导致燃烧不完全而使HC和微粒排放增加。预喷射也是一种实现柴油机初期缓慢燃烧的喷油方法，见图左上角的几种喷油模式。在主喷射前，有一少量的预先喷射，会使得在着火延迟期内只能形成有限的可燃混合气量，这部分混合气只产生较弱的初期燃烧放热，并使随后的主喷射燃油的着火延迟期缩短，避免了一般直喷式柴油机燃烧初期急剧的压力、温度升高，因而可明显降低NOx排放。预喷射对燃烧过程缸内压力的影响如图所示。此外，超过一次以上的多段预喷射有助于改善柴油机起动和怠速时的燃烧稳定性，从而减少这些工况下柴油机HC的排放量。435.3.3喷油时刻结论：柴油机对应每一工况都有一个最佳喷油提前角喷油提前角过大，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、压力迅速升高，使得柴油机工作粗暴、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。喷油定时的延迟是减少氮氧化物排放浓度最快捷有效的措施。但喷油延迟必将使燃烧过程推迟进行，最高燃烧压力降低，功率下降，燃油经济性变坏，并产生后燃现象，同时使排温增高，烟度增加。喷油定时对柴油机的HC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。喷油提前，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不着火区，同时燃油与壁面的碰撞增加，这会使HC排放增加。喷油过迟，则使较多的燃油没有足够的反应时间，HC排放量也要增加。大负荷时影响颗粒排放浓度的主要是固相碳，喷油延迟，烟度会增加，即颗粒中固相碳的比例增加。而在小负荷、怠速工况下推迟喷油，由于燃烧温度低，燃烧不完善，从而导致颗粒中可溶性物质比例的增加。因此，将喷油延迟，颗粒的排放量在各种工况下都会增加。但喷油过于提前，会使得燃油在较低温度下喷入而得不到完全燃烧，也会导致烟度及碳氢排放的增加，更重要的是还会导致氮氧化物的增加。5.3.4低排放喷油双弹簧喷油器，其基本结构如图5-16所示。在喷油器体内装有两个弹簧，一个弹簧作用在喷油嘴针阀上，该弹簧的预紧力决定了喷油器的开启压力。第二个弹簧支撑在限位套筒上，限位套筒决定了针阀的预行程（h1）。为了制造工艺上的方便，直喷式柴油机所用的闭式多孔喷油嘴中针阀尖端与针阀体之间一般有一小空间，成为压力室，如图5-18所示。试验表明，当用小压力室喷油嘴代替标准压力室喷油嘴时，HC排放可下降一半左右。2023/2/15.3.5电控柴油机喷射系统传统的燃油喷射系统的基本原理喷油量喷油定时喷油规律柱塞螺旋槽、柱塞直径、行程机械式提前器（线性控制）油泵凸轮几何形线、柱塞直径、行程发动机缺点：1）靠油泵齿条拉杆控制油量，需要专门的拉锁机构控制；2）喷油定时不能全工况灵活控制；3）喷油规律受凸轮形线直接决定，不能灵活控制。柱塞偶件驱动机构出油阀偶件油量调节机构电控燃油喷射系统的基本原理优点：1）喷油量通过ECU控制取消机械调速器；2）喷油定时可全工况控制取消机型提前器；3）喷油规律实现间接或直接可控（共轨系统）；4）实现怠速闭环控制；5）实现故障自诊断利于维修。电控燃油喷射系统第一代位置式第二代时间式第三代压力时间式电控直列泵电控分配泵电控直列泵电控分配泵电控泵喷嘴电控单体泵中压共轨高压共轨压电共轨增压共轨电控燃油喷射系统介绍电控燃油喷射系统第一代位置式第二代时间式第三代压力时间式电控直列泵电控分配泵电控直列泵电控分配泵电控泵喷嘴电控单体泵中压共轨高压共轨压电共轨增压共轨电控燃油喷射系统介绍

（1）保留了传统喷射系统的基本结构，将原有的机械控制机构用电控元件取代。（2）在原机械控制循环喷油量和供油正时的基础上，改进了机构功能，实现了循环喷油量和供油正时的电控，使控制精度和响应速度较机械式控制高。位置控制系统线性电磁铁对循环供油量所采取的位置控制根据量调节齿杆齿杆的实际位置和预定位置之间的偏差量，改变输入螺线管的电流就能精确控制齿杆的位置。对供油正时的位置控制用各种形式的电控液压提前器来替代传统的机械或液压式自动提前器。对供油速率的位置控制主要用于电控直列喷油泵上，通过改变柱塞预行程来实现对供油速率的控制。位置控制系统位置控制式电控燃油喷射系统的特点：

相对其它电控燃油喷射系统，执行响应较慢、控制频率

较低、控制精度不稳定不能改变传统喷射系统固有的喷射特性，虽能对喷油速

率起

到一定的调节作用，但使直列泵机构变得复杂几乎无须对柴油机本身结构进行改动，即可实现位置控制喷射，故生产继承性好，便于对现有机型进行升级改造2023/2/159时间控制系统

时间控制系统是第二代柴油机电控燃油喷射系统，它将原有机械式喷油器改用高速强力电磁阀喷油器，以脉动信号来控制电磁阀的吸合与断开，以此来控制喷油器的开启与关闭。2023/2/160

常用的时间控制系统对循环供油量的控制原理：

通过电磁溢流阀关闭后柱塞开始泵油到电磁溢流阀打开所持续的时间长短确定循环供油量。2023/2/161电控高压共轨系统

原理：低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压共轨管，根据柴油机的运行状态，由电控单元从预置的脉谱图中确定合适的喷油定时、喷油持续期，由电控喷油器将燃油喷入气缸。1-高压油泵2-滤清器3-燃油箱

4-共轨压力传感器

5-限流器6-共轨管7-限压阀8-电控喷油器9-进气质量流量计10-冷却液温度传器11-空气温度传感器12-增压压力传感器13-油门位置传感器14-曲轴位置传感器15-柴油机转速传感器16-电控单元2023/2/1电控高压共轨系统64电控高压共轨系统共轨管共轨管连接高压油泵和喷油器。影响共轨管中油压波动的主要因素有：高压油泵的供油特性、喷油器和调节阀的工作特性以及共轨管本身的特性。高压油管高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它必须能够承受系统中的最大压力。CA4DC2高压共轨系统-BOSCH现代CRDi高压共轨柴油直喷发动机

2023/2/165电控高压共轨系统2023/2/166电控高压共轨系统BOSCH喷油器工作原理喷嘴置位线圈衔铁球阀释放控制孔充油控制孔针阀杆喷嘴针阀压力环高压连接管回油喷嘴开启喷嘴关闭低压高压喷孔多层压电晶体执行器的结构拉力非极化区-OZr+未极化的压电陶瓷加上电压之后的压电晶体，电压和电流加电后的压电晶体=喷油器打开-O-OZr+Ti+-OZr+-OTi++-+--OTi+-OZr+-OTi+-O-OZr+Ti+-OZr+-OTi++-I电控高压共轨系统预喷射主喷射后喷射2023/2/15.4增压技术2023/2/172

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。机械增压增压器的转子，由发动机曲轴通过齿轮增速箱或其它传动装置来驱动，将气体压缩并送入发动机气缸。废气涡轮增压利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀作功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机气波增压利用高压废气流的脉冲气波迫使空气在互相不混合的情况下受到压缩，从而提高进气压力，具有良好的瞬态响应性。复合增压由上述各种方式组合而成，如机械增压与涡轮增压的结合等。2023/2/173增压方式增压方式机械增压废气涡轮气波增压复合增压结构特征压气机能量源于发动机曲轴排气驱动涡轮，带动压气机压缩进气由曲轴驱动的槽轮转子，排气压力波在其中对进气进行压缩通过一个机械增压和涡轮增压相结合2023/2/174

几种增压方式的工作示意图如下图所示（a）机械增压；（b）涡轮增压；（c）气波增压；（d）复合增压

E－发动机；

C－压气机；

T－涡轮机2023/2/1751.加速响应性好

2.低速可以获得较好的转距

3.排气系统无干扰

4.消耗发动机的功率，油耗上升增压度不高，汽油机为主机械增压2023/2/176涡轮增压1.充分利用废气能量2.高速性能好，低速性能、加速性能不佳3.排气噪声低，与排气后处理装置油有冲突4.增压器结构简单紧凑，可设置中冷器进一步提高增压效应5.对进/排气压力敏感增压压力可达到0.4MPa以上，汽油机柴油机都有2023/2/177

1.综合了机械增压和排气涡轮增压的优点，高速时排放涡轮增压，启动加速时机械增压

2.低速、低负荷时仍能保证一定的增压压力

3.结构复杂、控制困难

复合增压2023/2/178废气涡轮增压器的工作原理

废气涡轮增压器是利用发动机的废气作为动力，推动涡轮机旋转的同时带动安装在同一轴上的离心式压气机，使发动机的进气密度提高，从而提高发动机的充量。废气涡轮增压器可分为两大类：径流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器。径流式废气涡轮增压器结构图2023/2/12023/2/1

增压前后工质密度与增压比和压气机绝热效率直接相关，增压比高则工质密度增幅大；

增压比确定之后，降低压缩过程中空气的温升，也同样可以提高绝热效率，从而使进气密度增加，因此可以在增压后的进气进行中间冷却，这就是现今废气涡轮增压发动机中特别是高增压时较多采用进气中冷技术的原因。

增压中冷2023/2/1812023/2/182涡轮增压系统

在发动机的涡轮增压系统中，按排气能量利用的方式主要分为定压涡轮增压和脉冲涡轮增压两种基本形式，如图所示。（a)定压系统；（b)脉冲系统2023/2/183问题发动机在低速时不能产生所期望的高增压压力，特别是在转速和负荷都大幅度变化的增压车用发动机上尤为明显。1.低速转矩不足；2.低速和部分负荷时经济性差；3.起动、加速性能差，瞬态响应性迟缓，冒烟严重。2023/2/1改善增压柴油机低速工况,带旁通阀，其原理是按增压压力要求通过螺旋弹簧预先压紧橡胶膜片，一旦增压压力达到了弹簧的预加负荷，放气阀门打开，涡轮周围的废气进入排气系统中。放气点选在发动机最大扭矩点处，在高速工况工作时，通过旁通阀放出涡轮前的一部分废气,以降低增压器转速和压比来限制最大爆发压力。造成了排气能量损失，牺牲了增压器的效率且排气背压较高，使柴油机在高速工况下的油耗有所增加。高速工况放气系统2023/2/1可调的两级涡轮增压系统为达到更高的发动机性能，要求增压器提供更高的增压压力，并要求增压器在达到高增压比的情况下仍具有良好的效率，但这一要求对在车用发动机上采用一级增压器难以实现，因而二级涡轮增压系统应运而生，二级涡轮增压即两个涡轮增压器串联工作的增压系统，其中的高压级涡轮尺寸较小，工作流量小，针对低速工况的性能进行设计；低压级涡轮尺寸较大，工作流量大，针对发动机高速工况性能进行优化。低速或加速工况，排气调节阀关闭，全部排气先流过高压级涡轮，因高压级涡轮是根据低工况性能设计的，低工况下排气能量利用率高，可使涡轮在较高的转速下工作，然后排气再经低压级涡轮膨胀做功，使排气能量得到充分利用。同时进气调节阀关闭，空气先经低压级再通过高压级压气机二次加压，在小流量时就能获得较高的增压比，从而使这些工况下的进气量充足，减少柴油机的碳烟排放，因此显著增大了发动机低速时的扭矩。随着发动机转速的升高，排气能量逐渐增多，排气调节阀部分开启，其开度大小取决于发动机工况，一部分排气经高压级涡轮膨胀做功，另一部分排气则经调节阀直接通向低压级涡轮，因排气背压有所降低，改善了发动机的经济性能。在排气能量富足的高速及大负荷工况下，排气调节阀完全打开，因低压级涡轮针对发动机的高工况性能进行了优化，此时涡轮工作效率高，发动机经济性好同时进气调节阀开启，空气经低压级压气机压缩后直接通往发动机，高压级涡轮增压器不参与工作，从而限制了高速及大负荷工况时的增压压力。由于可调二级涡轮增压系统的低速工况下的增压比显著提高，瞬态特性显著改善，并且涡轮增压器工作可靠，因而越来越多地应用在一些高性能的轿车柴油机上。2004年，BMW公司在其顶级3.0L直列6缸柴油机上首次采用了可调的二级涡轮增压，2023/2/1增压对排放的影响对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，发动机的缸内温度能保证燃料更充分燃烧，CO排放可进一步降低。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，HC减少。对CO2排放及燃油经济性的影响燃油经济性改善，机械效率提高；增压柴油机的比质量低，同样功率的柴油机可以做得更小、更轻，整车质量可以减小，也有利于燃油经济性的改善。2023/2/1增压对排放的影响2023/2/1955.5废气再循环系统2023/2/196自然吸气柴油机所用的EGR系统与汽油机类似，如图所示。由于进、排气之间有足够的压力差，EGR的控制比较容易。但在EGR的回流气中的微粒可能引起气缸活塞组和进气门的磨损，为减小这种影响，首先要尽可能降低微粒的排放。2023/2/198

在增压柴油机中，再循环的废气一般直接引入增压器后的进气管中。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两种。低压回路方式直接联接压气机7入口端和废气涡轮5出口端来实现EGR的方法。由于压气机7的入口处为负压，而废气涡轮5出口压力为正，所以通过联接适当的EGR回流管6，就可以很容易地实现EGR。但由于这种方式的废气直接流过压气机7和中冷器8，所以易造成压气机的腐蚀和中冷器的污染等。

2023/2/199高压回路方式直接联接压气机后的中冷器8出口端和废气涡轮5入口端来实现EGR。由于这种EGR方式的废气不流过压气机和中冷器，所以不存在对压气机和中冷器的腐蚀和污染问题；但可实现的EGR率取决于排气压力和进气压力之差。特别是在中、大负荷时，由于增压进气压力提高，所以很难实现EGR。2023/2/1100潍柴增压中冷EGR柴油机（高压回路方式）2023/2/11012023/2/11022023/2/1103

为了增大EGR实现的范围，人们采取了各种办法。如用节流阀对进气节流，使排气压力高于进气压力，在进气系统中设置一个文丘里管以保证大负荷时所需要的压力差，还有采用专门的EGR泵强制进行，如图所示。a)用排气脉冲阀的EGR系统

b)用进气节流阀的EGR系统c)用文丘里管的EGR系统

d)用EGR泵的EGR系统1-电控器；2-中冷器；3-柴油机；4-涡轮增压器；5-EGR阀；6-排气脉冲阀；7-进气节流阀；8-文丘里管；9-文丘里管旁通阀；10-EGR冷却器；11-EGR泵2023/2/1104

通过修改排气门凸轮的形状使排气门在进气行程中打开，让部分高压废气回流到气缸内以实现废气再循环。在进气管和排气管中气流的压力脉动都很大。在这种压力脉动的作用下，使某一缸在进气过程中，其排气门处出现正压波。此时，如果能再次开启排气门，就可实现EGR。

内部EGR在排气凸轮中除控制排气所需凸轮1(主凸轮)以外，又增设内部EGR专用凸轮2(EGR用凸轮)。通过这种机构，在进气过程中的适当时刻再次开启排气门3，使排出的废气回流到气缸内部，以实现EGR。内部EGR系统不需要排气节流，所以不影响泵气损失，因而对经济性无影响，同时不需要EGR阀以及EGR管路等，所以结构比较简单。2023/2/12023/2/1它的优点是响应速度快，但它很难在不同工况下实现最佳EGR率控制，也无法对EGR气体进行冷却，造成缸内进气终了温度上升，不利于降低NOx排量的同时，也使得进气量减少，空燃比降低，对柴油机性能负面影响大，所以现在已经很少使用。内部EGR2023/2/1107柴油机EGR的控制方法柴油机EGR控制方法电控式开环控制闭环控制机械式2023/2/1108柴油机EGR与汽油机EGR的比较由于柴油机过氧燃烧，直喷式柴油机的EGR率超过40%，非直喷式可达25%。为防止微粒产生，中、低负荷常采用较大的EGR率，全负荷不采用EGR，以保证发动机的动力性和燃油经济性。当转速提高时降低EGR率，保证较多新鲜空气的进入，由实验标定测得最佳的EGR脉谱。2023/2/11092023/2/1EGR率对柴油发动机性能的影响

EGR系统对发动机性能的影响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。

主要体现在空燃比的改变上，随着EGR率的提高，空燃比逐渐降低。且随发动机工况的不同，它对空燃比的影响也不同。图为汽油机热容量和A/F随EGR率变化的趋势。可以看出,由于汽油机气缸中的进气总量随着EGR率的增加而增加,因此混合气的比热也随之