汽車排放與控制車用柴油機排放控制技術學習目標

通過分析柴油機與汽油機控制技術的異同，理解柴油機排放控制的主要途徑。車用柴油技術排放控制技術主要包括：燃燒室的改進、新型燃燒方式（HCCI）、高壓噴射技術、噴油正時技術、多氣門技術、增壓與可變截面渦輪增壓、廢氣再循環技術和柴油機電控管理技術。6.1概述6.1.1柴油機與汽油機排放控制技術的異同(1)柴油機的燃燒方式與汽油機不同。(2)柴油機和汽油機的排放污染物不同。(3)降低排放的后處理技術措施不同。圖6-1不同轎車的NOx排放量和燃油經濟性同時，柴油機由于熱效率高，因而在燃油經濟性方面具有明顯的優勢。圖6-1給出了采用不同發動機轎車的NOX比排放量和燃油經濟性的對比。

為了削減溫室效應氣體CO2的排放量，以及節約使用有限的石油資源，要求柴油機在保持高的熱效率的同時，努力降低PM和NOx的排放污染。6.1.2柴油機排氣污染控制的主要途徑

首先，為使NOX和微粒同時降低并保證高的熱效率，柴油機應采用如圖6-2所示的燃燒過程控制思路，即由實線所示理論燃燒過程，虛線所示實際燃燒過程，可以概括為兩點：（1）抑制預混合燃燒以降低NOX；（2）促進擴散燃燒以降低微粒。

下圖為推遲噴油提前角會使NOx排放降低，但微粒排放卻增大，這時應同時采用加快燃燒速度的其他措施以抑制微粒排放的惡化。

圖6-2低排放柴油機燃燒過程控制思路6.1.3柴油機排放控制的對策技術表6-1給出了降低柴油機NOx和PM排放的技術措施。在這些方法中，有6種方法是已經實用化的技術。原理方法降低PM改善混合氣的質量多氣門、增壓、增壓中冷、可變渦流截面改善噴射高壓噴射（共軌系統、泵噴嘴）、噴油規律改善燃燒新型燃燒方式、、改進燃燒室燃料改進降低S含量、降低芳香烴含量、醇類燃料降低機油消耗改進油環結構，減少間隙排氣后處理微粒捕集器（DPF）、氧化催化器（DOC）等降低NOx降低燃燒溫度推遲噴油提前角、EGR、預噴射、多段噴射、新型燃燒方式、改進燃燒室燃料改進增加十六烷值排氣后處理NOx催化器柴油機排放控制的對策技術：1高壓共軌噴射系統2廢氣再循環系統3增壓中冷技術4微粒捕集器5催化凈化裝置6燃料改進a)Cummins的柴油機排放技術對策（2003）b）ISUZU的歐III柴油機排放技術對策（1999）下圖是國內外著名公司滿足法規的柴油機技術策略。c)Siemens的柴油機排放技術對策（2003）d)DENSO的歐IV柴油機排放技術對策（2002）標準技術對策歐III高壓噴射＋電子控制＋增壓中冷歐IV高壓噴射以降低微粒＋EGR以控制NOx＋VNT以控制瞬態AF（控制微粒）高壓噴射以降低微粒＋優化燃燒進一步降低微粒＋NOx后處理以降低NOx冷卻式EGR以降低NOx＋優化燃燒進一步降低NOx＋微粒捕集DPFe)Bosch公司（2003）

從以上可以分析為滿足歐III、歐IV的標準，采取的柴油機排放控制關鍵技術如表所示6.2柴油燃燒系統技術6.2.1燃燒室的改進混合氣的形成和燃燒與燃燒室有密切關系。燃燒室的幾何形狀對柴油機的性能和排放具有重要的影響。根據混合氣形成和燃燒室的結構特點，柴油機基本分為兩大類：直噴式柴油機和分隔式柴油機。重型車用柴油機和其他大型柴油機大多采用直接噴射燃燒方式，而轎車和輕型車要求轉速高以及小型農用機械使用方便多采用分隔式燃燒室。

1．擠流口式燃燒系統傳統的半開式燃燒系統，大都應用敞口、中凸的ω形燃燒室，如圖6-4所示。這種燃燒室NOx排放較高，噪聲也很大。英國潑金斯(Perkings)公司和奧地利AVL公司推出了底寬、口窄的擠流口式燃燒室(見圖6-4)，獲得良好效果。

圖6-4三種燃燒系統的放熱效率曲線—標準型燃燒系統；--間接噴射式系統；—擠流口式燃燒系統

擠流口式燃燒室采用了縮口形的燃燒室凹坑，這就使得擠流和逆擠流運動更強烈，渦流和湍流能保持較長的時間，這就加速了燃油與空氣的混合。擠流口式燃燒室的燃燒過程較柔和，擠流口抑制了較濃的混合氣過早地流出燃燒室凹坑，使初期燃燒減慢，壓力升高率較低，因此NOx排放較低。如圖6-5所示。圖6-5擠流口型與標準型燃燒室的排放特性圖6-6三種非回轉體燃燒室

a)四角形燃燒室；b)側面有4個小圓弧凹坑的Quardram燃燒室；c)上方下圓的微渦流燃燒室這些非圓形或方、圓形狀及凹坑的設計，其目的有如下兩點：(1)使氣流在不規范的角落或聯結處產生微渦流或紊流，大大加速油、氣混合；(2)由于微渦流及紊流的能量消耗隨速度的平方而增加，使得高速時，中央主旋流有很大的衰減，高轉速渦流比下降，起到兼顧高、低速性能的效果。2．非回轉體型燃燒系統6.2.2新型燃燒方式一一HCCI

1HCCI的概念圖6-8柴油機HCCI工作過程a燃料和空氣混合b燃料和空氣開始著火c燃燒d排氣

均質充量壓縮著火(HCCl)是指在氣缸內形成均勻分布的稀混合氣，活塞壓縮到上止點時，在整個氣缸內同時著火。這種燃燒方式在混合氣形成方面采用常規汽油機的預混合方式；在著火方式上，采用柴油機的壓縮自燃著火。因而，它是一種既不同于傳統汽油機，又不同于傳統柴油機的新型燃燒方式。它綜合了常規汽油機和柴油機兩種燃燒方式的優點。由于其混合氣是預混合好的，燃油分布比較均勻，這樣就可以減少甚至達到無PM排放；又由于其混合氣充量是壓縮著火而且沒有節氣門的節流損失，因而使得其有較高的熱效率。HCCI發動機在整個氣缸內同時著火，沒有沿火焰前鋒面傳播，使得燃燒可以在較低的溫度下進行，大大減少了發動機的NOx排放。

目前國際上，以柴油為燃料的HCCI發動機的開發逐漸受到重視，這主要有以下幾方面原因：①柴油機可靠性更高，維護成本低。②燃料的繼承性好。③經濟性好。

目前，美國、日本等國的大汽車公司及核心研究機構都在開展HCCI燃燒的研究。國際上現有的柴油機HCCI燃燒技術，按照混合氣形成方式可以分成以下3類：1）缸外預混HCCI，即在進氣沖程柴油被噴入進氣管，與空氣混合形成預混合氣。2）缸內早噴HCCI，即在壓縮沖程早期，柴油被噴入氣缸，隨活塞上行逐漸與空氣混合，直至發生自燃著火。3）缸內晚噴HCCI，即在壓縮上止點后開始噴油，并結合提高噴射壓力和進氣渦流以及高EGR率，提高燃油與空氣的混合速率，保證在燃燒開始前完成噴射，形成混合氣。6.3柴油噴射系統技術

低排放燃油噴射系統應滿足下列要求：

1)每循環噴油量要適應柴油機不同工況低排放運行的需要。特別如起動工況，要供給足夠的循環供油量，保證柴油機起動可靠；又不過多以限制起動時的HC排放。

2)優化全工況的噴油定時，實現柴油機的性能與排放的最佳折衷。

3)優化噴油規律(噴油速率隨時間或曲軸轉角的變化)，包括實現每循環多次噴射的可能性。

4)燃油噴霧宏觀形狀與燃燒室形狀及燃燒室內氣流運動相匹配，保證燃燒室內空氣的充分利用。

5)燃油噴霧油粒粒度均勻且足夠細，以保證燃油及時蒸發，并與空氣均勻混合。高壓共軌噴射技術

圖6-13高壓共軌燃油噴射系統

所謂“共軌”，是指柴油機各缸的噴油器共用一根高壓油管，如圖6-13所示。柴油機的電控系統根據工況和環境條件，通過一個和發動機轉速無關的高壓油泵，將高壓油管中的燃油壓力控制在所需要的水平上。6.3.2合理的噴油規律預噴射PI(PilotIjection)（引導噴射）圖6-20預噴射對燃燒過程的影響

預噴射的示意圖見圖6-20。在主噴射前，有一少量的燃油預先噴射(見圖中針閥升程)到氣缸內，這樣在著火滯燃期內只能產生有限的可燃混合氣量。這部分混合氣形成較弱的初期燃燒放熱，并使隨后的主噴射燃油的著火滯燃期縮短，避免了一般直噴式柴油機初期急劇的壓力和溫度升高，可明顯降低NOx排放。預噴射控制PM和NOx的原理圖如圖所示。預噴射的區域圖預噴射控制PM和NOx的原理圖如圖所示。從圖中可以看出，一般柴油機的燃燒區跨越碳粒生成區和NOx生成區，也就是說不可避免地要產生碳粒和大量生成NOx，要設法把燃燒區域移到低NOx和低PM區，即要使所有的燃燒均在稀混合氣和低燃燒溫度下進行。采用預噴射可以快速燃燒，推遲著火，降低初期放熱峰值，縮短主噴射的著火滯燃期，

加速主燃期的燃燒，縮短燃燒持續期，從而有效地降低最高燃燒壓力和溫度，降低了NOx的排放。

多段噴射（SplitInjection）

多段噴射是在主噴射前有預噴射，在主噴射之后有少部分燃油在燃燒后期噴入。圖6-22a)給出了多段噴射的示意圖。圖6-22b)給出了多段噴射(7：3)對發動機燃燒特性的影響。圖6-22多段噴射示意圖a)多段噴射示意圖；b)多段噴射對發動機燃燒特性的影響

與常規噴射相比，后期噴射的燃油實際上對正在進行的燃燒起到一種擾動作用，促進燃燒后期的混合氣形成及燃燒加速，因而燃燒壓力提高，燃燒持續期縮短，使炭煙排放降低。采用多段噴射可以改善冷起動特性。根據有關研究結果，采用多段噴射后，-30℃時的冷起動時間縮短了20％，這就意味著白煙和冷HC等排放會明顯減少。6.3.4噴油正時控制噴油正時，對柴油機的NOx排放有明顯的效果。可以說，降低柴油機NOx排放的最簡單易行的辦法就是推遲噴油時刻，但同時也會帶來微粒排放的增加和燃油消耗的惡化。是否采取推遲噴油時刻的方法，需要在PM和NOx之間進行折衷。柴油機噴油時間延遲使NOx排放量下降的主要原因有兩個：一是使燃燒過程避開上止點進行，燃燒等容度下降，因而溫度下降。二是越接近上止點噴油，缸內空氣溫度越高，燃油一旦噴入缸內便很快蒸發混合并著火，即著火后期時間可以縮短，燃燒初期的放熱速率降低，導致燃燒溫度降低。這兩種原因都起到了抑制NOx生成的作用。但過分推遲噴油提前角，NOx排放反而上升。這主要是由于著火落后期的過分延長，使燃燒初期的放熱速率反而大幅度上升的原因。6.4柴油機進排氣系統技術6.4.2增壓與可變截面渦輪增壓（VNT）增壓是提高發動機進氣充量的有效措施，目前，在國外的車用柴油機上得到了廣泛的應用是廢氣渦輪增壓技術，如圖6-27所示。發動機排出的具有一定能量的高溫廢氣帶動渦輪2高速旋轉，由此驅動與渦輪同軸的壓氣機3旋轉，新鮮空氣由進氣口4進入氣機，被壓縮后送入氣缸。圖6-27廢氣渦輪增壓系統1-排氣口；2－渦輪；3－壓氣機；4—進氣口

增壓可以大幅度提高進氣的密度；同時由于過量空氣系數足夠大，燃燒完全，以及泵氣過程作正功，因而燃油經濟性也好于非增壓柴油機。也正是由于增壓柴油機的過量空氣系數較大，因而炭煙和微粒的產生很容易被抑制住，CO和HC排放也會進一步降低。圖6-28增壓柴油機的排放特性和燃油消耗率如圖6-28所示，在NOx排放量不變的條件下，通過提高增壓度使過量空氣系數增大，結果使排氣煙度和燃油耗率都得到了明顯降低。6.5廢氣再循環（EGR）柴油機通過廢氣再循環來降低NOx排放量的基本原理和汽油機大致相同。對于自然吸氣柴油機所用的EGR系統結構與汽油機類似，由于進、排氣之間有足夠的壓力差，EGR的控制比較容易。對于增壓柴油機，經常會出現增壓壓力大于排氣壓力的現象。為了確保廢氣再循環，廢氣再循環閥前應再加上一個單向閥如圖所示，以便利用廢氣脈沖進行廢氣再循環。對于增壓中冷柴油機，通常有以下兩種方式：從渦輪前取氣回流到壓氣機后的EGR系統；從渦輪后取氣回流到壓氣機前的EGR系統。渦輪增壓柴油機的冷卻再循環結構設計適宜采用前一種方式，如圖所示，可避免出現再循環廢氣污染壓氣機和中冷器，減少淤塞和腐蝕問題，同時避免EGR隨工況變化響應滯后。

圖6-31增壓中冷柴油機EGR系統A：空氣濾清器B：中冷器C：進氣歧管D：EGR冷卻器E：單向閥F：EGR控制閥6.5.1EGR對排放和發動機性能的影響