第4章-汽油机机内净化技术课件

发动机排放污染及控制主讲人

龚金科等2023年8月3日发动机排放污染及控制主讲人龚金科等2023年7月31课程内容4.1概述汽油机机内净化技术用汽第4章汽油机机内净化技术4.2汽油喷射电控系统4.3

低排放燃烧系统4.5增压技术4.4废气再循环第4章汽油机机内净化技术4.6汽油机均质压燃技术4.7可变气门正时技术4.8多气门技术课程内容4.1概述汽油机机内净化技术用汽第4章概述：主要内容第4章汽油机机内净化技术1汽油喷射电控系统2典型低排放燃烧系统3废气再循环系统4其他机内净化技术概述：主要内容第4章汽油机机内净化技术1汽油喷射电控系统24.1概述4.1机内净化第4章汽油机机内净化技术机内净化：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。

机内净化被公认为是治理车用汽油机排放污染的治本措施。机内净化第4章汽油机机内净化技术机内净化：从有害排放物的生按燃烧过程的物理—化学状态，分为三个阶段：着火延迟期、明显燃烧期、补燃期汽油机的燃烧过程第4章汽油机机内净化技术按燃烧过程的物理—化学状态，分为三个阶段：着火延迟期、明显燃汽油车主要污染物一氧化碳（CO）氮氧化物（NOx）碳氢化合物（HC）汽油车主要排放污染物第4章汽油机机内净化技术汽油车主要污染物一氧化碳（CO）氮氧化物碳氢化合物汽油车主要汽油机机内净化的主要措施大力推广汽油喷射电控系统。改善点火系统。开发分层充气及均质稀燃的新型燃烧系统。改进进气机构和燃烧室结构。采用废气再循环控制。第4章汽油机机内净化技术汽油机机内净化的主要措施大力推广汽油喷射电控系统。改善点火系4.2汽油喷射电控系统4.2汽油喷射电控系统概述利用各种传感器检测发动机各种状态，经微机的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。第4章汽油机机内净化技术汽油喷射电控系统概述利用各种传感器检测发动机各种状态，经微机汽油喷射电控系统概述第4章汽油机机内净化技术与化油器式发动机相比：（1）采用ECU来控制每循环的喷油量和喷油时刻。（2）每缸采用单独喷油器供油，这样，可以提高各缸空燃比的均匀性和喷油量的精确性。（3）燃油雾化特性是由喷油器的特性决定的，与汽油机的转速无关。（4）进气系统中没有化油器喉管的节流作用，减少了进气系统的阻力损失，充气效率高。汽油喷射电控系统概述第4章汽油机机内净化技术与化油器式发动汽油喷射电控系统分类第4章汽油机机内净化技术分类方式主要类别按喷油器数目分单点喷射（SPI）多点喷射（MPI）按喷射区域分进气（管)道喷射缸内喷射按喷射方式分连续喷射间歇喷射按进气量检测方法分空气流量型进气压力型汽油喷射电控系统分类第4章汽油机机内净化技术分类方式主要类

1-电动燃油泵2-燃油滤清器3-压力调节器4-喷油器5-空气流量计6-水温传感器7-怠速旁通空气阀8-节气门位置传感器9-氧传感器10-电子控制单元1）L－Jetronic系统典型汽油喷射电控系统第4章汽油机机内净化技术1）L－Jetronic系统典型汽油喷射电控系统第4章

1-电动燃油泵2-燃油滤清器3a-节气门位置传感器3b-压力调节器3c-喷油器3d-进气温度传感器连

接柱塞3e-节气门怠速控制器4-发动机温度传感器5-氧传感器6-电子控制单元2）Motronic系统典型汽油喷射电控系统第4章汽油机机内净化技术2）Motronic系统典型汽油喷射电控系统第4章汽喷油控制

喷油控制是发动机ECU的主要控制功能，它包括

喷油时刻控制和喷油量控制。1.喷油时刻的控制ECU以曲轴转角传感器的信号为依据进行喷油时刻的控制。喷油时刻控制方式：同时喷射、分组喷射和顺序喷射。喷油的控制2.喷油量的控制使发动机燃烧混合气的空燃比符合各工况的需要。第4章汽油机机内净化技术喷油控制喷油控制是发动机ECU的主要控制功能，它包括1.

起动喷油控制起动时，空气流量计不能精确检测，ECU按预先设定的起动程序来进行喷油控制。

运转喷油控制

发动机运转时，ECU根据进气量和发动机转速计算喷油量。喷油控制第4章汽油机机内净化技术起动时，空气流量计不能精确检测，ECU按预先设定的起动程序来喷油控制超速断油控制——发动机转速超过允许最高转速时，ECU自动中断喷油，减少有害物排放。减速断油控制——控制急减速时有害物的排放，减少燃油消耗量，促使发动机转速尽快下降，有利于汽车减速。

断油控制

第4章汽油机机内净化技术喷油控制超速断油控制——发动机转速超过允许最高转速时，ECU喷油控制反馈控制第4章汽油机机内净化技术排气管上氧传感器氧含量空燃比ECU与设定空燃比值比较修正喷油量喷油量保持设定值附近喷油控制反馈控制第4章汽油机机内净化技术排气管上氧传感器氧喷油控制对排放的影响1）氧传感器及三效催化转化器闭环控制汽油机的空燃比接近理论空燃比时，三效催化器的转化率最高，这需要通过氧传感器闭环控制来实现的第4章汽油机机内净化技术喷油控制对排放的影响1）氧传感器及三效催化转化器闭环控制汽油喷油控制对排放的影响

2）冷起动及暖机阶段排放控制暖机阶段：不要提供太浓的混合气。冷起动阶段：对开环控制的空燃比进行精确标定，保障不过量供油。混合气浓度一般要低于化油器式发动机。第4章汽油机机内净化技术喷油控制对排放的影响2）冷起动及暖机阶段排放控制暖点火系统的控制目的：使发动机在各种工况下都能调整至最佳点火时刻，令发动机在动力性、经济性、加速性和排放均达到最优。微机控制点火系传感器微处理机（ECU）点火线圈点火器第4章汽油机机内净化技术点火系统的控制目的：使发动机在各种工况下都能调整至最佳点火时点火系统的控制第4章汽油机机内净化技术控制策略（1）起动时点火提前角的控制（2）怠速时点火提前角的控制（3）正常行驶时点火提前角的控制点火系统的控制第4章汽油机机内净化技术控制策略（1）起动时点火系统的控制

火花质量和点火正时对排放产生影响：1）火花质量决定点燃混合气的能力。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。

第4章汽油机机内净化技术点火系统的控制

火花质量和点火正时对排放产生影响：第4章点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响推迟点火未燃HC排放下降NOx排放降低影响动力性和经济性第4章汽油机机内净化技术点火系统的控制

2）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推迟点火未燃HC排怠速控制1.怠速自动控制系统怠速转速控制的实质是对怠速时充气量的控制。第4章汽油机机内净化技术发动机怠速运转时，节气门全闭，节气门位置传感器内的怠速开关触点闭合，ECU根据这一信号，开始进行怠速自动控制。怠速控制1.怠速自动控制系统第4章汽油机机内净化技术发动怠速排放控制第4章汽油机机内净化技术2怠速排放控制怠速工况是汽油机HC、CO排放浓度很高的工况。不过，由于燃烧温度很低，怠速时NOx的排放很少。主要原因：燃烧组织不良，燃烧完全程度是影响HC和CO生成的最直接因素。根本措施：在于改善其燃烧过程。怠速排放控制第4章汽油机机内净化技术2怠速排放控制怠速工况怠速转速控制汽油机在怠速工况下降低HC和CO排放的方法：

提高怠速转速提高怠速转速可使混合气形成和燃烧均获得改善，可燃混合气在进气管中的移动速度增加、充气效率提高、残余废气的稀释度减少。第4章汽油机机内净化技术怠速转速控制汽油机在怠速工况下降低HC和CO排放的方法：高能点火对HC排放的作用高能点火和普通点火对HC排放的影响

②

降低了混合气较稀时的失火概率，使发动机可燃用稍稀的混合气，从而减小了HC的排放。第4章汽油机机内净化技术①提高了燃烧速率、减小了循环变动；高能点火对HC排放的作用高能点火和普通点火对HC排放的影响气门重叠角对HC排放的作用增大气门间隙，减小气门重叠角，HC下降。气门重叠角越大，进入气缸的废气量就越多，HC排放就越多。气门间隙越大，HC、CO排放浓度越低。气门间隙对HC和CO排放的影响第4章汽油机机内净化技术气门重叠角对HC排放的作用增大气门间隙，减小气门重叠角，缸内直接喷射与一般汽油发动机的主要区别：第4章汽油机机内净化技术汽油喷射的位置不同，喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷射在燃烧室内。缸内直接喷射与一般汽油发动机的主要区别：第4章汽油机机内净直喷式发动机缸内空气流动－纵向涡流即滚流。弯曲顶面活塞利用活塞顶凸起形状，增强了滚流强度。第4章汽油机机内净化技术虽然混合比达到40:1，但聚集在火花塞周围的混合气却很浓，很容易点火燃烧。直喷式发动机缸内空气流动－纵向涡流即滚流。弯曲顶面活塞利用活缸内直接喷射汽油机存在的问题

第4章汽油机机内净化技术1缸内温度偏低，不利于未燃碳氢后燃2分层燃烧时在火花塞附近混合气局部过浓3较高的压缩比和放热率使NOx增加4微粒排放比传统的进气道喷射汽油机有较多增加缸内直接喷射汽油机存在的问题第4章汽油机机内净化缸内直接喷射式汽油机的排放对策二阶段混合进气冲程开始时第一次喷油，在缸内生成很稀的均质混合气，第二次喷射在压缩上止点前，在气缸滚流和活塞顶形状的帮助下产生分层混合气，然后点火燃烧。1抑制敲缸的发生2促进炭烟烧尽3稀NOx催化系统第4章汽油机机内净化技术缸内直接喷射式汽油机的排放对策二阶段混合进气冲程开始时缸内直接喷射式汽油机的排放对策二阶段燃烧目的：改善冷起动和小负荷运行时的HC和CO的排放。第4章汽油机机内净化技术辅助喷射燃烧首先使催化剂加热，然后使CO燃烧产生较高温度，再使HC燃烧。缸内直接喷射式汽油机的排放对策二阶段燃烧目的：改善冷起动和小二冲程缸内直喷稀燃发动机概念：喷油器用压缩空气辅助喷射的缸内直喷式二冲程发动机。第4章汽油机机内净化技术特点：经曲轴箱扫气进入气缸的是空气，汽油在喷油器中与少量空气混合后，以0.62MPa的压力喷入气缸，喷雾粒度平均达到5μm。二冲程缸内直喷稀燃发动机概念：喷油器用压缩空气辅助喷射的缸内4.3低排放系统4.3稀薄燃烧系统

混合气较稀时，绝热指数K反而增大。从理论上讲，混合气越稀，K值越大，热效率也越大。在发动机不使其失火的前提下，应尽可能进行稀薄燃烧。

第4章汽油机机内净化技术稀薄燃烧就是使过量空气系数从1左右提高到远远超过1.1的水平。稀薄燃烧系统混合气较稀时，绝热指数K反而增大。从理论上稀薄燃烧系统第4章汽油机机内净化技术1稀薄燃烧对排放的影响CO：在过量空气系数>1的某一范围内，CO的含量可以得到有效控制。HC：在实际空燃比稍大于理论空燃比的情况下，尾气中未燃HC的含量较少，但是当空燃比小于或大大超过理论空燃比的时候，未燃HC的排放量就会提高。稀薄燃烧系统第4章汽油机机内净化技术1稀薄燃烧对排放的影稀薄燃烧系统1稀薄燃烧对排放的影响NOX：理论空燃比某处右侧，排放量最多，燃料浓，氧含量少；燃料稀，最高燃烧温度下降稀薄燃烧系统1稀薄燃烧对排放的影响NOX：理论空燃比某处右实现稀燃的具体措施

可变涡流控制系统：部分负荷，较强涡流；全负荷，减小涡流甚至不用涡流紧凑的燃烧室，尽可能高的压缩比电控顺序喷射系统，扩展燃烧失火极限高精度空燃比控制系统分层燃烧技术废气再循环第4章汽油机机内净化技术实现稀燃的具体措施

可变涡流控制系统：部分负荷，较强涡流；全分层燃烧系统分层燃烧的目的

合理地组织气缸内混合气分布，使在火花塞周围有较浓的混合气，而在燃烧室内的大部分区域具有很稀的混合气，以确保正常点火和燃烧，同时也扩展了稀燃失火极限，并可提高经济性，减少排放。第4章汽油机机内净化技术分层燃烧系统分层燃烧的目的合理地组织气缸内混合气分布复合涡流受控燃烧系统该发动机拥有两个化油器或两套进气管喷射装置，所以可以分别提供不同过量空气系数的混合气给主、副室的进气系统。第4章汽油机机内净化技术复合涡流受控燃烧系统该发动机拥有两个化油器或两套进气管喷射装轴向分层燃烧系统1-火花塞；2-气缸；3-活塞；4-导气屏进气门；5-喷油器燃料在涡流作用下，沿气缸轴向产生上浓下稀的分层。第4章汽油机机内净化技术轴向分层燃烧系统1-火花塞；2-气缸；3-活塞；4-导气屏进滚流（纵涡）分层稀燃系统在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线方向旋转的有组织的空气旋流，称为滚流，也称为纵涡或横向涡流。滚流在压缩过程中逐渐被压扁，在上止点附近破碎成许多小尺寸的涡流和湍流，可大大改善混合气燃烧过程。第4章汽油机机内净化技术滚流（纵涡）分层稀燃系统在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线方高压缩比燃烧系统燃料辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比，以获得较好的功率和油耗指标。

一味提高压缩比对排气净化不利。电控点火系统的采用使精确控制点火定时成为可能，为高压缩比点燃机在性能与排放方面得到更好的折中可提供很大的潜力。第4章汽油机机内净化技术高压缩比燃烧系统燃料辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比，4.4废气再循环4.4废气再循环的工作原理废气再循环技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧。第4章汽油机机内净化技术废气再循环的工作原理废气再循环技术是控制氮氧化合物排放的主要废气再循环废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：第4章汽油机机内净化技术废气再循环废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：第4章EGR系统的控制要求1EGR量应随负荷的增加而增加。2怠速和小负荷时，不进行EGR。3冷机时不进行EGR。4大负荷、高速时通常也不进行EGR或减少EGR率。5保证各缸的EGR率一致。第4章汽油机机内净化技术EGR系统的控制要求1EGR量应随负荷的增加而增加。2怠速和内部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。EGR的这种效果也可以通过不充分排气以增大滞留于缸内的废气量来实现，称为内部EGR。第4章汽油机机内净化技术内部废气再循环第4章汽油机机内净化技术EGR率对汽油机净化与性能的影响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10%～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，进一步降低进气温度，更有利于降低NOx排放，同时改善燃油经济性。第4章汽油机机内净化技术EGR率对汽油机净化与性能的影响废气再循环能有效地降低汽油发4.5增压技术4.5增压技术

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。第4章汽油机机内净化技术增压技术所谓增压，就是利用增压器将空气或可燃混合增压技术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－涡轮机第4章汽油机机内净化技术增压技术几种增压方式的工作示意图如下图所示（a）机械增压；废气涡轮增压器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第4章汽油机机内净化技术废气涡轮增压器废气涡轮增压器的工作原理离心式气压机（1）首先，新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进入工作轮，气流略有加速。（2）然后，气流进入工作轮上叶片组成的气流通道。（3）随后，压力增加的气体沿工作轮径向流出，进入扩压器和出气蜗壳。新鲜充量在压气机中完成了一系列的功能转换，并将涡轮机传给压气机工作轮的机械能，尽可能多的转变为进气充量的压力能。离心式压气机简图

1-进气道2-工作轮3-扩压器

4-蜗壳离心式压气机工作原理第4章汽油机机内净化技术离心式气压机（1）首先，新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进入工涡轮增压技术涡轮增压系统

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)脉冲系统第4章汽油机机内净化技术涡轮增压技术涡轮增压系统在发动机的涡轮增压系增压对排放的影响对CO排放的影响增压后过量空气系数增大，燃料的混合进一步得到改善，燃烧温度升高，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，可以提高混合气质量，燃烧温度升高，未然HC减少，HC降低。对CO2排放及燃油经济性的影响功率不变的情况下，可降低发动机尺寸，有助于发动机及整车的小型化、轻量化；进气量增加，发动机的功率、机械效率和热效率提高，可有效降低燃油消耗率。第4章汽油机机内净化技术增压对排放的影响对CO排放的影响增压后过量空气系数增大，燃料增压对排放的影响对NOX及微粒排放的影响高燃烧温度与富氧使NOX排放增加，微粒排放降低，但影响有限。实际应用中，常采用降低压缩比、采用中冷技术和组织废气再循环等措施来减小热负荷、降低最高燃烧温度。第4章汽油机机内净化技术增压对排放的影响对NOX及微粒排放的影响高燃烧温度与富氧使N4.6汽油机均质压燃技术4.6第4章汽油机机内净化技术第4章汽油机机内净化技术HCCI与传统发动机的区别第4章汽油机机内净化技术HCCI与传统发动机的区别第4章汽油机机内净化技术HCCI混合气形成HCCI汽油发动机在均质混合气的形成过程中可以通过两种汽油喷射形式来形成均质混合气。一种是进气管内汽油喷射，包括单点喷射和多点喷射；另一种是缸内直喷。第4章汽油机机内净化技术HCCI混合气形成HCCI汽油发动机在均质混合气的形成过程中均质压燃汽油机的燃烧特性均质压燃多点燃烧无火焰前锋反应迅速燃烧温度低能量释放率高第4章汽油机机内净化技术燃烧特性均质压燃汽油机的燃烧特性均质压燃多点燃烧无火焰前锋反应迅速燃均质压燃汽油机的排放性能对CO排放的影响燃烧过程混合气较稀，但由于采用了废气再循环技术，使得气缸内的燃烧温度较低，从而使CO的排放有所增加。不过可以通过尾气后处理采用氧化催化剂解决这一问题。对HC排放的影响采用均质压燃技术，能够使均质可燃混合气充分的燃烧，然而由于气缸内的燃烧温度较低，燃料氧化不完全，因此使得HC的排放有所增加。对NOX排放及微粒的影响汽油机均质压燃技术的燃烧方式通过采用大空燃比的混合气和利用废气再循环把燃烧温度控制在较低的温度，有效地抑制了NOX与微粒的生成，几乎做到了无烟燃烧。第4章汽油机机内净化技术均质压燃汽油机的排放性能对CO排放的影响燃烧过程混合气较稀，均质压燃汽油机的技术难点冷启动时着火困难冷启动时，燃烧室壁面温度低，不能从进气歧管吸收热量，也无可用的高温废气，要在燃烧室内得到高温均质混合气比较困难，不容易使均质压燃汽油机实现自燃。运行工况范围有限均质压燃汽油机发动机在小负荷工况下由于是稀薄燃烧，容易失火(混合气过稀)。均质压燃技术汽油机燃烧非常迅速，在高负荷工况下，混合气过浓，易发生爆燃。着火时刻和燃烧速率难于控制均质压燃汽油机着火过程主要受化学反应动力学控制，着火时刻决定于混合气的成分、温度和压力，只能间接控制着火时刻和燃烧过程。第4章汽油机机内净化技术均质压燃汽油机的技术难点冷启动时着火困难冷启动时，燃烧室壁面4.7可变气门正时技术4.7可变配气机构分类第4章汽油机机内净化技术可变配气机构基于凸轮轴的VVT机构无凸轮轴的VVT机构可变凸轮相位可变凸轮型线机械式电磁式可变凸轮从动件电气式电液式液压式可变配气机构分类第4章汽油机机内净化技术可变配气机构基于凸可变正时技术工作原理第4章汽油机机内净化技术阿尔法·罗密欧汽车TWINSPANK可变正时技术工作原理第4章汽油机机内净化技术阿尔法·罗密欧可变正时技术工作原理第4章汽油机机内净化技术丰田智能型可变气门正时机构（VVT-i）可变正时技术工作原理第4章汽油机机内净化技术丰田智能型可变可变气门正时对汽油机净化与性能的影响减小缸内残余废气量，使各缸内混合气的燃烧更均匀和稳定，有利于降低CO的排放；直接或间接的控制下一循环的残余废气量，使废气中的CO有了二次燃烧的机会，在一定程度上降低了CO的排放；对搭载了三效催化转化器的汽油机影响较小VVT机构通过调整配气正时，通过提前进气门来增大气门叠开角，由于进气门处节流和进气受到高温废气加热的作用，使缸内各种未燃HC和残余废气参与二次燃烧通过控制进排气门相位，增大气门叠开，使一部分废气残留在气缸内，降低可燃混合气燃烧的最高温度及混合气中氧气的浓度，大幅度减少了