发动机排放控制.方案

预燃室式 燃烧室
1. 非直喷式燃烧系统 （1）涡流室式燃烧室
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
涡流室式燃烧室的特点是： (1)对燃油系统要求不高，因为它主要依靠强烈的涡流作用 形成混合气，因此不需要很高的喷射压力。
(2)柴油机工作平稳。由于初期燃烧过程是在涡流室内进行，
4.5 增压技术
柴油机采用废气涡轮增压技术后，若再采用增压并附带 中间冷却器可同时降低HC、CO、NOx的排放量。

采用涡轮增压中冷技术还可提高柴油机的功率,一台装有
涡轮增压器的柴油机功率输出比未装增压器可增加20%～ 30%，而采用增压中冷技术甚至可增加50%的功率。

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新型涡轮增压器的使用,意味着可以用小排量的发动机替 代大排量发动机,减轻发动机和整车质量,提高经济性和 排放性。
第4章
车用柴油机机内净化
4.1概述 1.柴油机的燃烧过程 柴油机的燃烧过程可划分为 第一阶段：滞燃期 第二阶段：速燃期 第三阶段：缓燃期 第四阶段：后燃期
第一阶段：滞燃期
第Ⅰ阶段－滞燃期 指柴油开
始喷入气缸到着火开始的这一段 时期。此阶段包括燃油的雾化、
加热、蒸发、扩散与空气混合等
物理变化，以及重分子的裂化、 燃油的低温氧化等化学变化，到 混合气浓度和温度比较合适、氧 化充分的一处或几处同时着火。
πR<1.4：低增压；πR＝1.4~2.0：中增压； πR>2.0：高增压
分类
根据增压的方式不同，发动机增压可分成以下四种类型
1）机械增压 2）废气涡轮增压 3）气波增压
4）复合增压
1）机械增压
安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发 动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而
将空气增压吹到进气岐道里。
优点：是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象， 动力输出非常流畅。

缺点：由于它要消耗部分引擎
动力，会导致增压效率不高。 BENZ车上的COMPRESSOR
2）废气涡轮增压
一般经过改良的涡轮增压至少2秒左右来增加或者减少发 动机动力输出。

突然加速，瞬间有提不上速度的感觉。
奥迪A6的1.8T，帕萨特1.8T，宝来1.8T
不直接作用在活塞上，使主燃烧室的压力升高率较小。 (3)对柴油机转速变化不敏感。由于压缩涡流随转速升高而
增强，所以在较高转速时仍能保证较好的混合质量，因此涡
流室式燃烧室适用于高速小型柴油机。 (4)涡流室式燃烧室的燃烧过程采用浓、稀两段混合燃烧方
式，前段的浓混合气抑制了NOX的生成和燃烧温度，而后
段的稀混合气和二次涡流又加速了燃烧，促使炭烟的快速氧 化，因而NOX和微粒排放都比较低，
初期喷射期
斜率控制
高断油速率
低喷油 速率 喷油时间 喷油持续期 曲轴转角
理想的喷油规律
初期缓慢，中期急速，后期快断
3 喷油时刻
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。
燃料在柴油机的压缩行程中燃烧的数 量多，增加压缩负功，使燃油消耗率上 升、功率下降。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 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，发 动机容易过热
涡流室式燃烧室的缺点是：
相对散热面积大，而涡流室又直接与冷却水接触， 使散热损失加大； 由于气体从涡流室向主燃烧室流动时，产生的节流 损失较大，因而使柴油机冷机起动困难，燃油消耗
较高。
（2）预燃式燃烧室
特点： 由于预燃室与主燃室之间通道面积 很小，具有强烈的节流作用，使主 燃烧室中压力升高缓慢，最高燃烧 压力较低，柴油机运转平稳； 对燃油系统的要求较低，可采用结 构简单的单孔轴针式喷油器，喷油 压力要求较低。燃油系统工作可靠； 对柴油机转速变化、燃油品质的敏 感性较小。 预燃室燃烧室的缺点是： 燃油消耗率高、起动困难。



2.直喷式燃烧系统
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积共同组成燃烧室。
1）浅盆型燃烧室
混合气形成方式以空间混合为主。形成质量依靠燃油喷
雾的细微度及油束在燃烧室内的均匀分布实现。进气
无涡流
特点：结构简单，起动性好，经济性好，热负荷低；但α 大（1.7~2.2)，工作粗暴，对燃料要求高。 如：大缸径柴油机多采用。
压缩比－减少 喷油定时－推迟 废气再循环
4.增压对颗粒排放物的影响 生成原因： 高温缺氧
颗粒 排放减少
5.增压对CO2排放及燃油经济性的影响
燃烧效率增加 －废气能量利用 机械效率增加 －换气损失 减少 CO2 排放减少
燃油经济性提高
4.6
1.目的 降低Nox的排放量
主要特点：
• • • • • • 面容比小，经济性好。 ΔP/ΔΦ和Pz较小，工作柔和。 对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多种燃 料。 冷起动困难。 低速、加速时冒黑烟。 不适于增压，变工况适应性差。
各种燃烧室的比较
直喷式燃烧室 形 球形 混合气形成 空间雾化 油膜蒸 方式 混合 发混合 较强进气 强进气 空气方式 涡流和挤 涡流和 流 挤流 喷嘴型式 多孔 单孔或 3-5 双孔 冷启动性 容易 较难 燃烧噪音 高 较高 燃料适应性 燃油经济性 差 好 好 好 分开式燃烧室 涡流室 预燃室式 式 空间雾 空间雾化混 化混合 合 压缩涡 燃烧涡流为 流为主 主 轴针式 难 较低 较好 较差 轴针式 难 低(惰转噪 音高) 好 差
4.3 低排放柴油喷射系统
满足以下要求：
各种工况都有较高的喷油压力，提高雾化程度，改 善排放； 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、经济性和排放性综合最优
1.喷油压力
烟 度
3.0 2.5 2.0
主要特点：
•面容比小，Q放↓，经济性好。 •低温起动性好 •采用多孔喷嘴，高压喷射。 •ΔP/ΔΦ和Pz大，工作粗暴。 •α大，动力性差。 •形成碳烟多，氮氧化物多,排放差。 •多用于3000r/min以下的柴油机（车用柴油机）。
3)球形燃烧室
混合气形成特点： 1）燃油顺气流沿球面切线方向 喷入时，约95%被喷涂均 布在室壁上，形成一层薄 的油膜 ，5％散布在燃烧室 空间形成火源，点燃混合 气。 2）油膜逐层蒸发、逐层卷走、 逐层燃烧，形成燃气涡流。 3）喷油压力较高，油耗率较低。 能适应多种不同着火性能 的燃料。 4）其进气管上多安装加热装置。
的这一段时期。缓燃期开始时， 虽然气缸内已形成燃烧产物， 但仍有大量混合气正在燃烧。 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 气体压力迅速下降。
第四阶段：后燃期
第Ⅳ阶段－后燃期 指从缓
燃期终点到燃油基本烧完的 这一段时期。前一阶段燃烧 中，燃料由喷注中心向外扩 散的过程中受到已燃废气的
1.5
1.0
120MPa
80MPa
0.5
160MPa
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
过量空气系数
2.喷油规律
（ 1 ） 定义： 指喷油速率 dq/dΦ （每度曲轴 转角的喷油量）随曲轴转角的变化关系。 （ 2 ）柴油机结构一定时，放热规律取决于 喷油规律。 理想的喷油持续角为 16 ～ 35°CA ，喷油 速率的变化要先缓后急。
第二阶段：速燃期
第Ⅱ阶段－速燃期 指从着火开 始到出现最高压力的这一段时期。
此阶段并没有把滞燃期内喷入的
燃油全部烧光，主要取决于混合 气形成条件的情况，但至少会把 相当部分已喷入气缸并混合好的 油量烧掉，所以这一阶段的燃烧
又叫预混合燃烧。
第三阶段：缓燃期
第Ⅲ阶段－缓燃期 指从最高
压力点开始到出现最高温度时
柴油机
(按燃烧室设计形式分)
非直喷式柴油 机
所以，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。
直喷式柴油机
非直喷式燃烧系统
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。
涡流室式 燃烧室
非直喷式燃 烧室(按燃烧 室构造分)
容易，因此很难普及。
2.增压对排放的影响
1.增压对CO排放的影响
生成原因： 局部缺氧 低温
CO排放降低
2 增压对HC排放的影响
生成原因：
沉积物
吸附与解吸 HC 排放降低
3 增压对NOx排放的影响
生成原因： 温度 反应持续期 反应混合物中氧浓度 NOx 排放增加
减少措施：
喷油提前 角过大 喷油提前角 喷油提前 角过小
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
• 对HC的影响。 喷油定时对柴油机的HC排放的影响比较复杂。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，都会引起HC排放增加。
对NOX，喷油提前，使滞燃期延长，导致NOX 的增加。推迟喷油，使燃烧室中最高温度降低， 从而减少NOX排放量。但喷油延迟必将使功率下 降，燃油经济性变坏，并产生后燃现象，同时 排温增高，烟度增加。因此，喷油延迟必须适 度。 所以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 度也最低。
技术对策 燃烧室设计 实施方法 设计参数优化、新型燃烧方式 主要控制对象 Nox、微粒 NOx
喷油规律改进 预喷射、多段喷射
进排气系统
增压技术 废气再循环
可变进气涡流、多气门
增压、增压中冷 EGR、中冷、EGR
微粒
微粒 NOx
高压喷射
电控高压油泵、共轨系统
微粒
4.2 低排放燃烧系统
柴油机燃烧室，是 进气系统进入的空气与 喷油系统喷入的燃油进 行混合和燃烧的场所，
包围，使一部分燃料拖到后
期燃烧，形成后燃期。
2. 柴油机的主要排放污染物
有害成分 汽油机 0.005 柴油机 0.15~0.30
微粒(g/m3) CO (%)
HC (×10¯ ) NOx (×10¯ )
6 6
0.1~6
2000 20~400
0.05~0.50
200~1000 700~2000
3. 柴油机的机内净化技术
3）气波增压
利用高压废气的脉冲 气波迫使空气压缩。 这种系统低速增压性 能好、加速性好、工
况范围大；但尺寸大、
笨重和噪声大。
4）复合增压
即废气涡轮增压和机械增压并用，这种装置在 大功率柴油机上采用比较多 优点：发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪 声小；
缺点：结构太复杂，技术含量高，维修保养不
（3）喷油规律:
• • 滞燃期内的初期喷油量控制了初期热放率， 从而影响最高燃烧压力和最大压力升高率。 为了提高热效率，应尽量减小喷油持续角并 使放热中心接近上止点。 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。
•
初期缓慢，中期急速，后期快断
最高喷油速率控制
喷 油 速 率
浅ω型燃烧室
2）深坑型燃烧室
混合气形成方式是空间混合。形成质量依靠 多油注高压喷射。一般有较强的进气涡流，适 用于缸径80～140的柴油机。
ω型燃烧室（典型）
混合气形成：空间雾化混合为主。 一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和 挤气涡流，以加速混合气的形成。
ω 形燃烧室
混合气形成特点： • 主要是依靠多孔喷雾 （多为4孔），利用油 束和燃烧室的吻合， 在空间形成混合气。 • 喷孔直径小，多在 0.25～0.4mm内，喷孔 轴线夹角为140°～ 160°内，喷油压力较 高，一般在20Mpa左 右。
1. 增压的基本概念和分类
基本概念
• 增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以期提高 空气密度、增加进气量。增压可以增加发动机功率、 改善燃油经济性以及良好的加速性。 • 实现空气增压的装置称为增压器。
增压器的性能指标
Pk R P0
R
P0 Pk
——压力升高比（压比） ——压气机进气压力 ——压气机出口压力（增压压力）
4.4 多气门技术
目的：


采用多气门技术，通过控制部分气道的关闭来控制进气涡 流的强度，形成与柴油机转速匹配的涡流。
在柴油机低速时候，关闭部分气道，可以让进气涡流大大 提高，实现对涡流控制，使得柴油机在低速状态混合质量 提高，改善柴油机排放质量。
优点： 加大循环充气量
改善其动力性 经济性 排放性能