汽车排放及控制技术--车用柴油机机内净化

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1、汽车排放及控制技术,第5章 柴油机机内净化 2014年4月1日,概述：主要内容,介绍了车用柴油机的低排放燃烧、低排放燃油喷射、多气门、增压、废气再循环以及电控燃油喷射等柴油机机内净化技术。,课程内容,5.1 概述 5.2 低排放燃烧系统 5.3 低排放柴油喷射系统 5.4 多气门技术 5.5 增压技术 5.6 废气再循环系统 5.7 电控柴油机喷射系统,第5章 车用柴油机机内净化,5.1 车用柴油机机内净化概述,柴油机燃烧过程,着火延迟期,速燃期,缓燃期, 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。,

2、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p/不大于0.4-0.5MPa/()的范围内。, 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。,补燃期, 尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。,柴油机的燃烧过程,柴油机的燃烧过程,第阶段缓燃期 指从最高压力点开始到出现最高温度时的这一段时期。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

3、受到已燃废气的包围，使一部分燃料拖到后期燃烧，形成后燃期。,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。,柴油机与汽油机排放比较,柴油机与汽油机排放比较,柴油机的机内净化技术,寻求一种兼顾排放、热效率等各种性能的理想放热规律是柴油机排放控制的核心问题。近年来，研制出了一些低排放、高燃油经济性的柴油机，这些机型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,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,每一种技术措施在降低某种排放成分时，往往效果有限，因而实际中常常是几种

4、措施同时并用。,EGR简介,EGR是英文Exhaust Gas Recirculation三个字的缩写，意思是废气再循环系统。它是针对引擎排气中有害气体之一的氮氧化合物NOx所设置的排气净化装置。发动机控制电脑即ECU根据发动机的转速、负荷(节气门开度)、温度、进气流量、排气流量,温度控制电磁阀适时地打开，进气管真空度经电磁阀进入EGR阀真空膜室，膜片拉杆将EGR阀门打开，排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度，因NOX是在高温条件下生成的，故抑制了NOX的再次生成，从而降低了废气中的NOX的含量。

5、但是，过度的废气参与再循环，将会影响混合气的着火、性能，从而影响发动机的动力性，特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，再循环的废气会明显地影响发动机性能。所以，当发动机在怠速、低速、小负荷 及冷机时，ECU控制废气不参与再循环，避免发动机性能受到影响；当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时，ECU控制少部分废气参与再循环，而且，参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同，以达到废气中的NOX最低。,SCR简介,选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化剂的作用下，利用还原剂（如NH3、液氨、尿素）来“有选

6、择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。首先由美国的Engelhard公司发现并于1957年申请专利，后来日本在该国环保政策的驱动下，成功研制出了现今被广泛使用的V2O5/TiO2催化剂，并分别在1977年和1979年在燃油和燃煤锅炉上成功投入商业运用。SCR技术对锅炉烟气NOx控制效果十分显著、技术较为成熟，目前已成为世界上应用最多、最有成效的一种烟气脱硝技术。合理的布置及温度范围下，可达到8090%的脱除率。在我国，利用SCR进行烟气脱硝的工作才刚刚起步。,SCR特点,SCR技术具有以下特点。 NOx脱除效率高 据有关文献记载及工程实例监测数据，SCR法一般的NOx脱除

7、效率可维持在70%-90%，一般的NOx出口浓度可降低至100mg/m左右，是一种高效的烟气脱硝技术。 二次污染小 SCR法的基本原理是用还原剂将NOx还原为无毒无污染的N2和H2O，整个工艺产生的二次污染物质很少。 技术较成熟，应用广泛 SCR烟气脱硝技术已在发达国家得到较多应用。如德国，火力发电厂的烟气脱硝装置中SCR法大约占95%。在我国已建成或拟建的烟气脱硝工程中采用的也多是SCR法。 投资费用高，运行成本高 以我国第一家采用SCR脱硝系统的火电厂福建漳州后石电厂为例，该电厂600MW机组采用日立公司的SCR烟气脱硝技术，总投资约为1.5亿人民币。除了一次性投资外，SCR工艺的运行成本

8、也很高，其主要表现在催化剂的更换费用高、还原剂（液氨、氨水、尿素等）消耗费用高等。,5.2低排放燃烧系统,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，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。,非直喷式燃烧系统,柴油机与汽油机排放比较,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。,涡流式室燃烧室,柴油机在压缩过程中

9、，气缸内的空气受活塞挤压，经连接通道导流并进入涡流室，形成强烈的有组织的压缩涡流（一次涡流）。 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，促使碳烟的快速氧化，因而NOX和微粒排放都比较低，即使大负荷时烟度一般也是BSU3。,预燃室式燃烧室,燃烧室由位于气缸盖内的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,预燃室式燃烧室,预燃室式燃烧室的工作原理与涡流室式燃烧室相似，都是采用

10、浓、稀两段混合燃烧。 由于预燃室式燃烧室的通孔方向不与预燃室相切，所以在压缩行程期间预燃室内形成的是无组织的紊流运动，这是与涡流室的主要区别。,两种分隔式燃烧室的主要区别,涡流室式燃烧室 预燃室式燃烧室,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。常见的有代表性的结构如图所示，分别为浅盆形（a）、深坑形（b、c）和球形（d）。,浅盆形燃烧室,新型航空用喷射型燃烧室,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。 燃烧室内燃烧初期压力升高率和最高燃烧压力均较高，工作粗暴，燃烧温度高，NOX和

11、烟度高。 喷注混合方式，决定了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,深坑形燃烧室采用燃油和空气相互运动的混合气形成方式，以满足车用高速柴油机混合气形成和燃烧速度更高的要求。,形燃烧室形燃烧室在活塞顶部设有比较深的凹坑，底部呈形，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。燃烧室内的空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。,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。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排放较形燃烧室低。,球形燃烧室,球形燃烧室空间混合

12、方式以油膜蒸发混合方式为主。蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气。 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和碳烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。,球形燃烧室,柴油机混合气的形成基本上有两种形式，即空间雾化混合和油膜蒸发混合。,1空间雾化混合 空间雾化混合是直接将柴油喷射到燃烧室空间，使柴油与空气形成混合气的一种混合方式。在这里柴油和空气的混合，主要是靠柴油的喷散，蒸发以及油束动能对空气的卷吸作用。但是，这种柴油分子的扩散范围是有限的，只能与它附近的空气相混合。为了充分利用燃烧室内的空气，并使混合迅速而均匀，一般需采用两个措施，

13、其一是必须采用较高的压力喷射和雾化质量较好的多孔式喷油器，并使喷射油束与燃烧室的形状相配合，将雾状柴油尽可能均匀地喷射到整个燃烧室空间去，在燃烧室内适当地组织空气运动，利用气流运动来促进柴油与空气的混合。这对于改善高速柴油机的燃烧过程，提高柴油机的性能是十分重要的。,2油膜蒸发混合 油膜蒸发混合是将绝大部分柴油喷射到燃烧室壁面上，形成一层油膜，而只有少量(约5左右)的柴油是直接喷射在燃烧室内的空气中，这一小部分柴油在空间气化，并与空气混合，作为着火源而首先燃烧。随着燃烧过程的进行，燃烧室的温度迅速升高，在强烈的旋转气流作用下，使覆盖在燃烧室壁面上的油膜以越来越快的速度蒸发并与空气形成均匀的混合

14、气，从而保证燃烧过程得以迅速而有效地进行。应该指出，在小型高速柴油机中，柴油或多或少地会喷到燃烧室壁上，所以两种混合方式都兼而有之，只是多少，主次各有不同。目前多数柴油机仍以空间雾化混合为主，而球型燃烧室则以油膜蒸发混合为主。,5.3 低排放柴油喷射系统,低排放柴油喷射系统,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。,低排放燃烧系统应该满足以下要求：,喷油

15、压力,喷油压力,高压喷射降低炭烟的效果,喷油规律,喷油规律是影响柴油机排放的主要因素，根据对柴油机的研究和分析，可得出以下结论：,喷油规律,为降低柴油机的排放必须有较理想的燃烧过程，而为了实现这种理想的燃烧过程，必须有合理的喷油规律。 “初期缓慢，中期急速，后期快断”则是一种理想的喷油规律。 预喷射也是一种实现柴油机初期缓慢燃烧的喷油方法，见右图左上角的几种模式。,理想的喷油规律,思考：为什么两条曲线有这种差异？,喷油规律,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。,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,喷油定时对柴油

16、机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。,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。,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。,5.4 多气门技术,多气门技术Multiple valves,