汽车排放与噪声控制培训课件
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2020/11/27
4 燃烧系统优化设计
１. 紧凑的燃烧室形状 不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别，
图6-27给出了一些有代表性的燃烧室形状。
2020/11/27
２. 改善缸内气流运动 提高缸内混合气的涡流和湍流程度，有助于加强 油气混合，保证快速燃烧和完全燃烧，这是因为静 止或层流混合气中的火焰传播速度一般不超过１ｍ/ ｓ，而湍流时的火焰传播速度可高达100ｍ/ ｓ。
5 改善喷油系统和喷油特性 柴油机的喷油特性主要指喷油规律和喷雾特性
，对混合气形成和燃烧过程以及各种排放污染物的 生成有重要影响。
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１. 合理的喷油规律 ２. 预喷射PI ３. 多段喷射 ４. 提高喷油压力 ５. 小直径、多喷孔加速雾化混合 ６. 柴油机电控喷油系统
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４. 喷油器的构造及分类 如前所述，喷油器可分为多点喷射和单点喷射。 多点喷射系统在每一个汽缸进气管上各设置一个喷油 器，喷油器的结构如图６-７ 所示。
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５. 燃油喷射时间的控制 多点电控燃油喷射系统的喷油时间控制方式可分 为同时喷射、分组喷射和独立(顺序)喷射3种。 １)同时喷射 ２)分组喷射 ３)顺序喷射
，而对于柴油车， EGR除在一部分柴油机轿车和轻型车 上已实用化外，在寿命和可靠性要求很高的大中型柴油车 上目前采用的并不多。
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２. EGR 率的控制 EGR对发动机性能的负面影响，主要表现在大中 负荷时，而小负荷时影响不大，甚至有燃油耗率和 HC排放略有改善的报道。 因此，实际应用时，应随 工况的不同而改变EGR 率(即回流量)。
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３. 无涡流高压喷射燃烧系统 这就是前面已提到过的，重型车用柴油机大都
采用的，小喷孔，多喷孔，不组织涡流的高压喷射 系统。 大机型循环油量大，燃烧室直径大，喷油泵 承压能力强，转速低，有条件达到上述燃烧组织的 要求。
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第三节 汽车排放污染物的机外净化技术
1 机外净化技术概述
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２)空燃比控制方法 要实现上述空燃比的控制策略可按下列步骤进 行工作: (１)最主要的是精确地确定发动机质量流量。 (２)根据所测空气质量流量时发动机转速，计算 出每工作循环每缸的进气质量流量。
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(３)测量发动机此工况下的各种传感器信号。 (４)根据喷油器标定数据(流量系数)计算出喷油器 喷油时间(喷油脉宽)。
3 .推迟点火的途径 通过改进发动机燃烧未定性，保证使用发挥性较
差燃油时具有良好的驾驶性，同时大幅度推迟点火和 采用稀空燃比。有如下两种改进燃烧可靠性的方法，
１)增强进气充量运动 ２)双火花塞
3 废气再循环
１. 废气再循环ＥＧＲ的效果 废气再循环是控制NOx排放的一种主要措施，其工
作原理如图6-19所示。由于排气中氧含量很低，主要由 惰性气体N2和CO2构成。
综 观 人 类 治 理 汽 车 排 放 污 染 的 历 程 ， 在 20 世 纪 70年代中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过程为 主的各种机内净化技术， 这些技术尽管对降低排气污 染起到了很大作用，但效果有限。
，而在其他区域供给稀混合气，按这样的要求设计成 的发动机称为层状充气发动机。
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要实现这要求，最简单的办法是采用与柴 油机一样分隔燃烧室形状，副燃烧室内装有火花 塞，相当于预燃室作用，给副燃烧室提供浓混合 气。在主燃烧室不需要考虑点火，可供给稀混合 气。
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第二节 柴油机机内净化技术
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，即着火落后期 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。
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3 EGR １. EGR 对NOx和发动机性能的影响 如前所述， EGR是降低汽油机NOx排放的实用化措施
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(２)怠速和低负荷时，NOx排放浓度低，为了保证 稳定燃烧，不进行EGR。
(３)只在热机状态下进行EGR，因为发动机温度低 时， NOx排放浓度也较低，混合气供给不均匀，为保 证正常燃烧，冷机时不进行EGR。
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(４)大负荷、高速时，为了保证发动机有较好的 动力性，此时混合气较浓， NOx排放生成物较小， 不进行EGR 或减少EGR 率。
汽车排放与噪音控制
第六章 汽车排放污染物净化 技术
第一节 汽油机机内控制技术 第二节 柴油机机内净化技术 第三节 汽车排放污染物的机外净化技术 第四节 清洁燃料
第一节 汽油机机内控制技术
1 电子控制燃油喷射系统
汽油机降低排气污染和提高热效率的关键问题之 一是精确控制空燃比， 为此，人们曾在化油器上进行 了各种改进设计，使它变得越来越复杂，甚至最后出 现了电子化油器。
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4 增压及增压中冷 增压是提高发动机进气充量的有效措施，最常用的
增压方法是废气涡轮增压，如图6-44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进入压气机，被压缩后送入汽缸。
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2 点火系统的控制
１. 微机控制点火系的组成与控制策略 １)组成微机控制点火系主要由下列元件组成:监测发动机运行状况 的传感器，处理信号、发出执行指令的微处理机(ECU)，响应微机 发出指令的点火器、点火线圈等组成，微机控制点火系由于废除了 真空、离心点火提前装置，点火提前角由微机控制。
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３. 合理提高压缩比 由于汽油机热效率低于柴油机的重要原因是压缩 比低，因而提高压缩比一直是汽油机多年来孜孜以 求的主要改进方向。
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４. 提高进气充量 由传统的每缸2气门布置改为３、４ 或5气门布置 ，或采用废气涡轮增压，可以明显提高进气充量，减 少泵气损失。这样不仅使汽油机燃油消耗率减低和平 均有效压力ｐｍｅ 提高，而且也降低了CO和污染物的 比排放量。
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６. 空燃比控制 １)空燃比的控制策略 为了满足发动机各种工况的要求，混合气的空 燃比不能都采用闭环控制，而是采用闭环和开环相 结合的策略，主要分为3种控制方式:
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(１)冷起动和冷却水温度低时 (２)部分负荷和怠速运行时此时可分为两种情 况 (３)节气门全开时
２. 可变气门定时 气门定时对发动机的动力性、经济性及排放性能
有较大的影响，固定的气门定时很难在较大转速和负 荷范围内适应发动机的要求，因此，近年来可变气门 定时得到较大的发展。改变进气门的定时对发动机性 能的影响相对要比改变排气门的定时明显。
6 层状充气发动机 为了保证可靠点火，在火花塞附近形成浓混合气
２. 非回转体型燃烧系统 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。
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(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)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。
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2 . 点火系统对排放的影响 点火系统通过火花质量和点火正时(点火提前角) 对排放产生影响。
(１)火花质量决定点燃混合气的能力。 (２)点火正时会影响发动机输出功率、燃油消耗 量、汽车驱动性能和燃烧生成的有害排放物， 因此点火正时需对多种因素进行优化。
一部分排气经EGR阀还流回进气系统，与新鲜混合气 混合后，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速 度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高，这两个 原因都造成了燃烧温度的降低，从而可以有效地抑制 NOx的生成，如图6-20所示。
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２. EGR的控制策略 (１)从图6-21可看出:增加EGR率可以使NOx排出 物降低，但同时会使HC排出物和燃油消耗增加。因 此在各工况下采用的EGR率必须是对动力性、经济 性和排放性能的综合考虑。
(５)废气再循环量对NOx排放和油耗的影响还受 到空燃比、点火提前角等因素的影响。
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３. 内部废气再循环 通常把发动机排气经过EGR阀进入进气歧管，与 新鲜混合气混合在一起的方式为外部EGR。由于配 气相位重叠角使进排气门同时开启，造成一部分废 气留在缸内，稀释了新鲜混合气的方式称为内部 EGR。
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２)爆震控制 爆震是汽油机的一种不正常燃烧状态，严重爆震会 使汽油机各项性能全面恶化。控制爆震的原则是将点 火提前角推迟到刚刚不发生爆震的位置，这就需要有 一个类似空燃比闭环控制系统那样的反馈控制系统， 图6-15是一例爆震控制系统示意图。
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(４)具有良好的瞬态响应特性，改善了汽车的加 速性。
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(５)采用闭环反馈控制方式，可满足三效催化 剂对空燃比的严格要求。
(６)由于采用压力喷射，汽油雾化质量比化油 器大为改善，有利于快速和完全燃烧。
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２. EFI系统的分类 １)按喷油器数量分 ２)按喷油地点分 ３)按进气量检测方法分 ４)按喷油时间间隔分 ５)按控制方式分 ６)按信息反馈的算法分 ７)按多点喷油系统的喷油方式分
6 高效低污染燃烧系统 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 型燃烧室，如图6-54所示。这种燃烧室NOx 排放较高，噪声也很大，英国泼金斯公司和奥地利 AVL公司推出了底宽、口窄的挤流口式燃烧室(见图 6-54)，获得良好效果。
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５. 减少不参与燃烧的缝隙容积 如在第三章HC生成机理中介绍的那样，在活塞头部 、火花塞和进排气门处存在着S/V很大的缝隙，由于壁 面淬熄效应而产生大量HC。
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5 可变进气系统
１. 可变进气系统 发动机进排气过程是一个周期性的脉动过程，进
排气系统中存在着强烈的压力波动，利用压力波来提 高进气门关闭前的进气压力，可得到增大进气充量的 效果被称为动态效应，也称惯性增压。
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(５)计算喷油定时。 (６)ECU中驱动器根据发火顺序、按上面已计 算得到喷油脉宽和喷油定时使喷油器工作。
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７. 点火系统的控制 １)点火脉谱图 点火时间是决定发动机排放特性等各种性能的 重要参数。在化油器式汽油机中，实际点火时间是 在静态点火提前角的基础上，通过离心式点火提前 调节装置(随转速变化)和真空式点火提前装置(随负 荷而变)来控制的。
１. 电控汽油喷射系统的优点 电控汽油喷射系统与化油器相比，具有以下优点: (１)满足发动机各种工况对空燃比和点火提前角的 不同要求，从而使排放特性、燃油经济性和动力性达 到最佳状态。 (２)各缸混合气分配均匀性好(多点电喷汽油机)。
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(３)没有化油器中的狭窄喉管，减少了节流损失 ，可以不要化油器发动机常用的进气加热措施，因而 进气密度增大，提高了充气效率。
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３. 电控汽油喷射系统 图6-6是闭环电子控制燃油喷射系统的一例—电控 燃油喷射系统，图中电子控制单元(ECU)６是整个系 统的中心，它根据进气管、转速、温度等信号，进行 运算、处理及分析判断后，向执行器发出指令控制喷 油器的喷射时间和喷射量，以保证发动机工作所要求 的空燃比。
1 概述
１. 柴油机与汽油机排放控制技术的异同 ２. 柴油机排放控制的对策技术 ３. 柴油机排气污染控制的主要途径
2 推迟喷油提前角
柴油机喷油时间延迟使NOx排放量下降的原因与 汽油机并不完全相同，主要原因由两个， 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。
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4 燃烧系统优化设计
１. 紧凑的燃烧室形状 不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别，
图6-27给出了一些有代表性的燃烧室形状。
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２. 改善缸内气流运动 提高缸内混合气的涡流和湍流程度，有助于加强 油气混合，保证快速燃烧和完全燃烧，这是因为静 止或层流混合气中的火焰传播速度一般不超过１ｍ/ ｓ，而湍流时的火焰传播速度可高达100ｍ/ ｓ。
5 改善喷油系统和喷油特性 柴油机的喷油特性主要指喷油规律和喷雾特性
，对混合气形成和燃烧过程以及各种排放污染物的 生成有重要影响。
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１. 合理的喷油规律 ２. 预喷射PI ３. 多段喷射 ４. 提高喷油压力 ５. 小直径、多喷孔加速雾化混合 ６. 柴油机电控喷油系统
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４. 喷油器的构造及分类 如前所述，喷油器可分为多点喷射和单点喷射。 多点喷射系统在每一个汽缸进气管上各设置一个喷油 器，喷油器的结构如图６-７ 所示。
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５. 燃油喷射时间的控制 多点电控燃油喷射系统的喷油时间控制方式可分 为同时喷射、分组喷射和独立(顺序)喷射3种。 １)同时喷射 ２)分组喷射 ３)顺序喷射
，而对于柴油车， EGR除在一部分柴油机轿车和轻型车 上已实用化外，在寿命和可靠性要求很高的大中型柴油车 上目前采用的并不多。
2020/11/27
２. EGR 率的控制 EGR对发动机性能的负面影响，主要表现在大中 负荷时，而小负荷时影响不大，甚至有燃油耗率和 HC排放略有改善的报道。 因此，实际应用时，应随 工况的不同而改变EGR 率(即回流量)。
2020/11/27
３. 无涡流高压喷射燃烧系统 这就是前面已提到过的，重型车用柴油机大都
采用的，小喷孔，多喷孔，不组织涡流的高压喷射 系统。 大机型循环油量大，燃烧室直径大，喷油泵 承压能力强，转速低，有条件达到上述燃烧组织的 要求。
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第三节 汽车排放污染物的机外净化技术
1 机外净化技术概述
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２)空燃比控制方法 要实现上述空燃比的控制策略可按下列步骤进 行工作: (１)最主要的是精确地确定发动机质量流量。 (２)根据所测空气质量流量时发动机转速，计算 出每工作循环每缸的进气质量流量。
2020/11/27
(３)测量发动机此工况下的各种传感器信号。 (４)根据喷油器标定数据(流量系数)计算出喷油器 喷油时间(喷油脉宽)。
3 .推迟点火的途径 通过改进发动机燃烧未定性，保证使用发挥性较
差燃油时具有良好的驾驶性，同时大幅度推迟点火和 采用稀空燃比。有如下两种改进燃烧可靠性的方法，
１)增强进气充量运动 ２)双火花塞
3 废气再循环
１. 废气再循环ＥＧＲ的效果 废气再循环是控制NOx排放的一种主要措施，其工
作原理如图6-19所示。由于排气中氧含量很低，主要由 惰性气体N2和CO2构成。
综 观 人 类 治 理 汽 车 排 放 污 染 的 历 程 ， 在 20 世 纪 70年代中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过程为 主的各种机内净化技术， 这些技术尽管对降低排气污 染起到了很大作用，但效果有限。
，而在其他区域供给稀混合气，按这样的要求设计成 的发动机称为层状充气发动机。
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要实现这要求，最简单的办法是采用与柴 油机一样分隔燃烧室形状，副燃烧室内装有火花 塞，相当于预燃室作用，给副燃烧室提供浓混合 气。在主燃烧室不需要考虑点火，可供给稀混合 气。
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第二节 柴油机机内净化技术
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，即着火落后期 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。
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3 EGR １. EGR 对NOx和发动机性能的影响 如前所述， EGR是降低汽油机NOx排放的实用化措施
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(２)怠速和低负荷时，NOx排放浓度低，为了保证 稳定燃烧，不进行EGR。
(３)只在热机状态下进行EGR，因为发动机温度低 时， NOx排放浓度也较低，混合气供给不均匀，为保 证正常燃烧，冷机时不进行EGR。
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(４)大负荷、高速时，为了保证发动机有较好的 动力性，此时混合气较浓， NOx排放生成物较小， 不进行EGR 或减少EGR 率。
汽车排放与噪音控制
第六章 汽车排放污染物净化 技术
第一节 汽油机机内控制技术 第二节 柴油机机内净化技术 第三节 汽车排放污染物的机外净化技术 第四节 清洁燃料
第一节 汽油机机内控制技术
1 电子控制燃油喷射系统
汽油机降低排气污染和提高热效率的关键问题之 一是精确控制空燃比， 为此，人们曾在化油器上进行 了各种改进设计，使它变得越来越复杂，甚至最后出 现了电子化油器。
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4 增压及增压中冷 增压是提高发动机进气充量的有效措施，最常用的
增压方法是废气涡轮增压，如图6-44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进入压气机，被压缩后送入汽缸。
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2 点火系统的控制
１. 微机控制点火系的组成与控制策略 １)组成微机控制点火系主要由下列元件组成:监测发动机运行状况 的传感器，处理信号、发出执行指令的微处理机(ECU)，响应微机 发出指令的点火器、点火线圈等组成，微机控制点火系由于废除了 真空、离心点火提前装置，点火提前角由微机控制。
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３. 合理提高压缩比 由于汽油机热效率低于柴油机的重要原因是压缩 比低，因而提高压缩比一直是汽油机多年来孜孜以 求的主要改进方向。
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４. 提高进气充量 由传统的每缸2气门布置改为３、４ 或5气门布置 ，或采用废气涡轮增压，可以明显提高进气充量，减 少泵气损失。这样不仅使汽油机燃油消耗率减低和平 均有效压力ｐｍｅ 提高，而且也降低了CO和污染物的 比排放量。
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６. 空燃比控制 １)空燃比的控制策略 为了满足发动机各种工况的要求，混合气的空 燃比不能都采用闭环控制，而是采用闭环和开环相 结合的策略，主要分为3种控制方式:
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(１)冷起动和冷却水温度低时 (２)部分负荷和怠速运行时此时可分为两种情 况 (３)节气门全开时
２. 可变气门定时 气门定时对发动机的动力性、经济性及排放性能
有较大的影响，固定的气门定时很难在较大转速和负 荷范围内适应发动机的要求，因此，近年来可变气门 定时得到较大的发展。改变进气门的定时对发动机性 能的影响相对要比改变排气门的定时明显。
6 层状充气发动机 为了保证可靠点火，在火花塞附近形成浓混合气
２. 非回转体型燃烧系统 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。
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(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)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。
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2 . 点火系统对排放的影响 点火系统通过火花质量和点火正时(点火提前角) 对排放产生影响。
(１)火花质量决定点燃混合气的能力。 (２)点火正时会影响发动机输出功率、燃油消耗 量、汽车驱动性能和燃烧生成的有害排放物， 因此点火正时需对多种因素进行优化。
一部分排气经EGR阀还流回进气系统，与新鲜混合气 混合后，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速 度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高，这两个 原因都造成了燃烧温度的降低，从而可以有效地抑制 NOx的生成，如图6-20所示。
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２. EGR的控制策略 (１)从图6-21可看出:增加EGR率可以使NOx排出 物降低，但同时会使HC排出物和燃油消耗增加。因 此在各工况下采用的EGR率必须是对动力性、经济 性和排放性能的综合考虑。
(５)废气再循环量对NOx排放和油耗的影响还受 到空燃比、点火提前角等因素的影响。
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３. 内部废气再循环 通常把发动机排气经过EGR阀进入进气歧管，与 新鲜混合气混合在一起的方式为外部EGR。由于配 气相位重叠角使进排气门同时开启，造成一部分废 气留在缸内，稀释了新鲜混合气的方式称为内部 EGR。
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２)爆震控制 爆震是汽油机的一种不正常燃烧状态，严重爆震会 使汽油机各项性能全面恶化。控制爆震的原则是将点 火提前角推迟到刚刚不发生爆震的位置，这就需要有 一个类似空燃比闭环控制系统那样的反馈控制系统， 图6-15是一例爆震控制系统示意图。
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(４)具有良好的瞬态响应特性，改善了汽车的加 速性。
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(５)采用闭环反馈控制方式，可满足三效催化 剂对空燃比的严格要求。
(６)由于采用压力喷射，汽油雾化质量比化油 器大为改善，有利于快速和完全燃烧。
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２. EFI系统的分类 １)按喷油器数量分 ２)按喷油地点分 ３)按进气量检测方法分 ４)按喷油时间间隔分 ５)按控制方式分 ６)按信息反馈的算法分 ７)按多点喷油系统的喷油方式分
6 高效低污染燃烧系统 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 型燃烧室，如图6-54所示。这种燃烧室NOx 排放较高，噪声也很大，英国泼金斯公司和奥地利 AVL公司推出了底宽、口窄的挤流口式燃烧室(见图 6-54)，获得良好效果。
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５. 减少不参与燃烧的缝隙容积 如在第三章HC生成机理中介绍的那样，在活塞头部 、火花塞和进排气门处存在着S/V很大的缝隙，由于壁 面淬熄效应而产生大量HC。
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5 可变进气系统
１. 可变进气系统 发动机进排气过程是一个周期性的脉动过程，进
排气系统中存在着强烈的压力波动，利用压力波来提 高进气门关闭前的进气压力，可得到增大进气充量的 效果被称为动态效应，也称惯性增压。
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(５)计算喷油定时。 (６)ECU中驱动器根据发火顺序、按上面已计 算得到喷油脉宽和喷油定时使喷油器工作。
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７. 点火系统的控制 １)点火脉谱图 点火时间是决定发动机排放特性等各种性能的 重要参数。在化油器式汽油机中，实际点火时间是 在静态点火提前角的基础上，通过离心式点火提前 调节装置(随转速变化)和真空式点火提前装置(随负 荷而变)来控制的。
１. 电控汽油喷射系统的优点 电控汽油喷射系统与化油器相比，具有以下优点: (１)满足发动机各种工况对空燃比和点火提前角的 不同要求，从而使排放特性、燃油经济性和动力性达 到最佳状态。 (２)各缸混合气分配均匀性好(多点电喷汽油机)。
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(３)没有化油器中的狭窄喉管，减少了节流损失 ，可以不要化油器发动机常用的进气加热措施，因而 进气密度增大，提高了充气效率。
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３. 电控汽油喷射系统 图6-6是闭环电子控制燃油喷射系统的一例—电控 燃油喷射系统，图中电子控制单元(ECU)６是整个系 统的中心，它根据进气管、转速、温度等信号，进行 运算、处理及分析判断后，向执行器发出指令控制喷 油器的喷射时间和喷射量，以保证发动机工作所要求 的空燃比。
1 概述
１. 柴油机与汽油机排放控制技术的异同 ２. 柴油机排放控制的对策技术 ３. 柴油机排气污染控制的主要途径
2 推迟喷油提前角
柴油机喷油时间延迟使NOx排放量下降的原因与 汽油机并不完全相同，主要原因由两个， 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。
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