现代汽车排放与控制技术课件：车用柴油机排放控制技术 -

汽车排放与控制车用柴油机排放控制技术学习目标

通过分析柴油机与汽油机控制技术的异同，理解柴油机排放控制的主要途径。车用柴油技术排放控制技术主要包括：燃烧室的改进、新型燃烧方式（HCCI）、高压喷射技术、喷油正时技术、多气门技术、增压与可变截面涡轮增压、废气再循环技术和柴油机电控管理技术。6.1概述6.1.1柴油机与汽油机排放控制技术的异同(1)柴油机的燃烧方式与汽油机不同。(2)柴油机和汽油机的排放污染物不同。(3)降低排放的后处理技术措施不同。图6-1不同轿车的NOx排放量和燃油经济性同时，柴油机由于热效率高，因而在燃油经济性方面具有明显的优势。图6-1给出了采用不同发动机轿车的NOX比排放量和燃油经济性的对比。

为了削减温室效应气体CO2的排放量，以及节约使用有限的石油资源，要求柴油机在保持高的热效率的同时，努力降低PM和NOx的排放污染。6.1.2柴油机排气污染控制的主要途径

首先，为使NOX和微粒同时降低并保证高的热效率，柴油机应采用如图6-2所示的燃烧过程控制思路，即由实线所示理论燃烧过程，虚线所示实际燃烧过程，可以概括为两点：（1）抑制预混合燃烧以降低NOX；（2）促进扩散燃烧以降低微粒。

下图为推迟喷油提前角会使NOx排放降低，但微粒排放却增大，这时应同时采用加快燃烧速度的其他措施以抑制微粒排放的恶化。

图6-2低排放柴油机燃烧过程控制思路6.1.3柴油机排放控制的对策技术表6-1给出了降低柴油机NOx和PM排放的技术措施。在这些方法中，有6种方法是已经实用化的技术。原理方法降低PM改善混合气的质量多气门、增压、增压中冷、可变涡流截面改善喷射高压喷射（共轨系统、泵喷嘴）、喷油规律改善燃烧新型燃烧方式、、改进燃烧室燃料改进降低S含量、降低芳香烃含量、醇类燃料降低机油消耗改进油环结构，减少间隙排气后处理微粒捕集器（DPF）、氧化催化器（DOC）等降低NOx降低燃烧温度推迟喷油提前角、EGR、预喷射、多段喷射、新型燃烧方式、改进燃烧室燃料改进增加十六烷值排气后处理NOx催化器柴油机排放控制的对策技术：1高压共轨喷射系统2废气再循环系统3增压中冷技术4微粒捕集器5催化净化装置6燃料改进a)Cummins的柴油机排放技术对策（2003）b）ISUZU的欧III柴油机排放技术对策（1999）下图是国内外著名公司满足法规的柴油机技术策略。c)Siemens的柴油机排放技术对策（2003）d)DENSO的欧IV柴油机排放技术对策（2002）标准技术对策欧III高压喷射＋电子控制＋增压中冷欧IV高压喷射以降低微粒＋EGR以控制NOx＋VNT以控制瞬态AF（控制微粒）高压喷射以降低微粒＋优化燃烧进一步降低微粒＋NOx后处理以降低NOx冷却式EGR以降低NOx＋优化燃烧进一步降低NOx＋微粒捕集DPFe)Bosch公司（2003）

从以上可以分析为满足欧III、欧IV的标准，采取的柴油机排放控制关键技术如表所示6.2柴油燃烧系统技术6.2.1燃烧室的改进混合气的形成和燃烧与燃烧室有密切关系。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。根据混合气形成和燃烧室的结构特点，柴油机基本分为两大类：直喷式柴油机和分隔式柴油机。重型车用柴油机和其他大型柴油机大多采用直接喷射燃烧方式，而轿车和轻型车要求转速高以及小型农用机械使用方便多采用分隔式燃烧室。

1．挤流口式燃烧系统传统的半开式燃烧系统，大都应用敞口、中凸的ω形燃烧室，如图6-4所示。这种燃烧室NOx排放较高，噪声也很大。英国泼金斯(Perkings)公司和奥地利AVL公司推出了底宽、口窄的挤流口式燃烧室(见图6-4)，获得良好效果。

图6-4三种燃烧系统的放热效率曲线—标准型燃烧系统；--间接喷射式系统；—挤流口式燃烧系统

挤流口式燃烧室采用了缩口形的燃烧室凹坑，这就使得挤流和逆挤流运动更强烈，涡流和湍流能保持较长的时间，这就加速了燃油与空气的混合。挤流口式燃烧室的燃烧过程较柔和，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排放较低。如图6-5所示。图6-5挤流口型与标准型燃烧室的排放特性图6-6三种非回转体燃烧室

a)四角形燃烧室；b)侧面有4个小圆弧凹坑的Quardram燃烧室；c)上方下圆的微涡流燃烧室这些非圆形或方、圆形状及凹坑的设计，其目的有如下两点：(1)使气流在不规范的角落或联结处产生微涡流或紊流，大大加速油、气混合；(2)由于微涡流及紊流的能量消耗随速度的平方而增加，使得高速时，中央主旋流有很大的衰减，高转速涡流比下降，起到兼顾高、低速性能的效果。2．非回转体型燃烧系统6.2.2新型燃烧方式一一HCCI

1HCCI的概念图6-8柴油机HCCI工作过程a燃料和空气混合b燃料和空气开始着火c燃烧d排气

均质充量压缩着火(HCCl)是指在气缸内形成均匀分布的稀混合气，活塞压缩到上止点时，在整个气缸内同时着火。这种燃烧方式在混合气形成方面采用常规汽油机的预混合方式；在着火方式上，采用柴油机的压缩自燃着火。因而，它是一种既不同于传统汽油机，又不同于传统柴油机的新型燃烧方式。它综合了常规汽油机和柴油机两种燃烧方式的优点。由于其混合气是预混合好的，燃油分布比较均匀，这样就可以减少甚至达到无PM排放；又由于其混合气充量是压缩着火而且没有节气门的节流损失，因而使得其有较高的热效率。HCCI发动机在整个气缸内同时着火，没有沿火焰前锋面传播，使得燃烧可以在较低的温度下进行，大大减少了发动机的NOx排放。

目前国际上，以柴油为燃料的HCCI发动机的开发逐渐受到重视，这主要有以下几方面原因：①柴油机可靠性更高，维护成本低。②燃料的继承性好。③经济性好。

目前，美国、日本等国的大汽车公司及核心研究机构都在开展HCCI燃烧的研究。国际上现有的柴油机HCCI燃烧技术，按照混合气形成方式可以分成以下3类：1）缸外预混HCCI，即在进气冲程柴油被喷入进气管，与空气混合形成预混合气。2）缸内早喷HCCI，即在压缩冲程早期，柴油被喷入气缸，随活塞上行逐渐与空气混合，直至发生自燃着火。3）缸内晚喷HCCI，即在压缩上止点后开始喷油，并结合提高喷射压力和进气涡流以及高EGR率，提高燃油与空气的混合速率，保证在燃烧开始前完成喷射，形成混合气。6.3柴油喷射系统技术

低排放燃油喷射系统应满足下列要求：

1)每循环喷油量要适应柴油机不同工况低排放运行的需要。特别如起动工况，要供给足够的循环供油量，保证柴油机起动可靠；又不过多以限制起动时的HC排放。

2)优化全工况的喷油定时，实现柴油机的性能与排放的最佳折衷。

3)优化喷油规律(喷油速率随时间或曲轴转角的变化)，包括实现每循环多次喷射的可能性。

4)燃油喷雾宏观形状与燃烧室形状及燃烧室内气流运动相匹配，保证燃烧室内空气的充分利用。

5)燃油喷雾油粒粒度均匀且足够细，以保证燃油及时蒸发，并与空气均匀混合。高压共轨喷射技术

图6-13高压共轨燃油喷射系统

所谓“共轨”，是指柴油机各缸的喷油器共用一根高压油管，如图6-13所示。柴油机的电控系统根据工况和环境条件，通过一个和发动机转速无关的高压油泵，将高压油管中的燃油压力控制在所需要的水平上。6.3.2合理的喷油规律预喷射PI(PilotIjection)（引导喷射）图6-20预喷射对燃烧过程的影响

预喷射的示意图见图6-20。在主喷射前，有一少量的燃油预先喷射(见图中针阀升程)到气缸内，这样在着火滞燃期内只能产生有限的可燃混合气量。这部分混合气形成较弱的初期燃烧放热，并使随后的主喷射燃油的着火滞燃期缩短，避免了一般直喷式柴油机初期急剧的压力和温度升高，可明显降低NOx排放。预喷射控制PM和NOx的原理图如图所示。预喷射的区域图预喷射控制PM和NOx的原理图如图所示。从图中可以看出，一般柴油机的燃烧区跨越碳粒生成区和NOx生成区，也就是说不可避免地要产生碳粒和大量生成NOx，要设法把燃烧区域移到低NOx和低PM区，即要使所有的燃烧均在稀混合气和低燃烧温度下进行。采用预喷射可以快速燃烧，推迟着火，降低初期放热峰值，缩短主喷射的着火滞燃期，

加速主燃期的燃烧，缩短燃烧持续期，从而有效地降低最高燃烧压力和温度，降低了NOx的排放。

多段喷射（SplitInjection）

多段喷射是在主喷射前有预喷射，在主喷射之后有少部分燃油在燃烧后期喷入。图6-22a)给出了多段喷射的示意图。图6-22b)给出了多段喷射(7：3)对发动机燃烧特性的影响。图6-22多段喷射示意图a)多段喷射示意图；b)多段喷射对发动机燃烧特性的影响

与常规喷射相比，后期喷射的燃油实际上对正在进行的燃烧起到一种扰动作用，促进燃烧后期的混合气形成及燃烧加速，因而燃烧压力提高，燃烧持续期缩短，使炭烟排放降低。采用多段喷射可以改善冷起动特性。根据有关研究结果，采用多段喷射后，-30℃时的冷起动时间缩短了20％，这就意味着白烟和冷HC等排放会明显减少。6.3.4喷油正时控制喷油正时，对柴油机的NOx排放有明显的效果。可以说，降低柴油机NOx排放的最简单易行的办法就是推迟喷油时刻，但同时也会带来微粒排放的增加和燃油消耗的恶化。是否采取推迟喷油时刻的方法，需要在PM和NOx之间进行折衷。柴油机喷油时间延迟使NOx排放量下降的主要原因有两个：一是使燃烧过程避开上止点进行，燃烧等容度下降，因而温度下降。二是越接近上止点喷油，缸内空气温度越高，燃油一旦喷入缸内便很快蒸发混合并着火，即着火后期时间可以缩短，燃烧初期的放热速率降低，导致燃烧温度降低。这两种原因都起到了抑制NOx生成的作用。但过分推迟喷油提前角，NOx排放反而上升。这主要是由于着火落后期的过分延长，使燃烧初期的放热速率反而大幅度上升的原因。6.4柴油机进排气系统技术6.4.2增压与可变截面涡轮增压（VNT）增压是提高发动机进气充量的有效措施，目前，在国外的车用柴油机上得到了广泛的应用是废气涡轮增压技术，如图6-27所示。发动机排出的具有一定能量的高温废气带动涡轮2高速旋转，由此驱动与涡轮同轴的压气机3旋转，新鲜空气由进气口4进入气机，被压缩后送入气缸。图6-27废气涡轮增压系统1-排气口；2－涡轮；3－压气机；4—进气口

增压可以大幅度提高进气的密度；同时由于过量空气系数足够大，燃烧完全，以及泵气过程作正功，因而燃油经济性也好于非增压柴油机。也正是由于增压柴油机的过量空气系数较大，因而炭烟和微粒的产生很容易被抑制住，CO和HC排放也会进一步降低。图6-28增压柴油机的排放特性和燃油消耗率如图6-28所示，在NOx排放量不变的条件下，通过提高增压度使过量空气系数增大，结果使排气烟度和燃油耗率都得到了明显降低。6.5废气再循环（EGR）柴油机通过废气再循环来降低NOx排放量的基本原理和汽油机大致相同。对于自然吸气柴油机所用的EGR系统结构与汽油机类似，由于进、排气之间有足够的压力差，EGR的控制比较容易。对于增压柴油机，经常会出现增压压力大于排气压力的现象。为了确保废气再循环，废气再循环阀前应再加上一个单向阀如图所示，以便利用废气脉冲进行废气再循环。对于增压中冷柴油机，通常有以下两种方式：从涡轮前取气回流到压气机后的EGR系统；从涡轮后取气回流到压气机前的EGR系统。涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计适宜采用前一种方式，如图所示，可避免出现再循环废气污染压气机和中冷器，减少淤塞和腐蚀问题，同时避免EGR随工况变化响应滞后。

图6-31增压中冷柴油机EGR系统A：空气滤清器B：中冷器C：进气歧管D：EGR冷却器E：单向阀F：EGR控制阀6.5.1EGR对排放和发动机性能的影响