第5章-柴油机机内净化技术教程文件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,汽车排放与控制技术,太原理工大学车辆工程系,*,太原理工大学机械工程学院车辆工程系,第5章-柴油机机内净化技术,2025/1/19 周日,5.1.1,柴油机的燃烧过程,由于柴油的蒸发差，柴油机靠喷油器将柴油在高压下喷入气缸，分散成数以百万计的细小油滴，这些油滴在气缸内高温、高压的热空气中，经加热、蒸发、扩散、混合和焰前反应等一系列物理、化学准备，最后着火。由于每次喷射要持续一定的时间，一般在缸内着火时喷射过程尚未结束，故,混合气形成过程和燃烧是重叠进行的，即：边喷油边燃烧。,柴油机是靠调节循环喷油量的多少来调节负荷，而循环进气量基本不变。因此，每循环平均的混合气浓度随负荷变化而变化，这种负荷调节方式被称为,“,质调节,”,。这与汽油机的负荷调节方式大不相同。,柴油机的燃烧过程可划分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。,典型的示功图如图所示，曲线,ABCDE,表示气缸中进行正常燃烧的压力曲线，,ABF,表示气缸内不进行燃烧时的纯压缩膨胀曲线，图中还画出了,喷油嘴针阀的升程曲线,。根据燃烧过程进行的实际特征，一般把燃烧过程划分为四个阶段。,着火延迟,阶段,急燃期,缓燃期,后燃期,第,I,阶段为,着火延迟阶段,(AB,段,),。,柴油开始喷入气缸到着火开始的这一段时期。,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。,第,阶段为,速燃期,(BC,段,),。,从着火开始到出现最高压力的这一段时期。,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。,第,阶段为,缓燃期,(CD,段,),。,缓燃期 从最高压力点到出现最高温度时的这一段时期。,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。,第,IV,阶段为,后燃期,(CD,段,),。,从缓燃期终点到燃油基本烧完的这一段时期。,尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。,速燃期的特点：,（,1,）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。,（,2,）达到最高压力（,69MPa,）。,（,3,）继续喷油。,压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命；,压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。,压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于,0.40.5 MPa,(,),曲轴。与汽油机相比，柴油机的,压力升高率较大。,控制压力升高率的措施：,减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量,缩短着火延迟期的时间,减少着火延迟期内喷入燃油,减少可能形成可燃混合气的燃油,缓燃期的特点：（,1,）喷油过程基本结束，燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。（,2,）压力开始下降（气缸容积不断增大），温度达到最高。最高温度可达,2000K,左右，一般在上止点后,2035CA,处出现。,柴油机的燃烧过程,第,阶段滞燃期 柴油开始喷入气缸到着火开始的这一段时期。,第,阶段速燃期 从着火开始到出现最高压力的这一段时期。,第,阶段后燃期 从缓燃期终点到燃油基本烧完的这一段时期。,第,阶段缓燃期 从最高压力点到出现最高温度时的这一段时期。,5.1.2,影响柴油机燃烧过程的因素,1.,运转因素对燃烧过程的影响,影响燃烧过程的运转因素有喷油提前角、转速和负荷、冷却强度等。,（,1,）喷油提前角,（,2,）转速,（,3,）负荷,（,4,）冷却强度的影响,2.,结构因素对燃烧过程的影响,在结构方面，影响燃烧过程的主要因素是压缩比、燃烧室形式、空气涡流运动、喷油压力以及喷油规律等。,（,1,）压缩比,（,2,）喷油压力,（,3,）喷油规律,（,4,）燃烧室形式,（,5,）空气涡流,2025/1/19 周日,5.1.3,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,NO,X,和微粒（包括碳烟）的排放。,有害成分,汽油机,柴油机,微粒（,g/m,3,）,0.005,0.15,0.30,CO,（,%,）,0.1,6,0.05,0.50,HC,（,ppm,）,2000,200,1000,NO,X,（,ppm,）,700,2000,2000,4000,柴油机与汽油机排放比较,柴油机与汽油机排放比较,图,5-2,为直喷式柴油机污染物生成机理示意图。,由于柴油机无法形成均质可燃混合气，总有部分燃料不能完全燃烧，从而生成以碳为主体的微粒。同时，由于混合气不均匀，在燃烧过程中局部温度很高，并有过量空气，导致氮氧化物（,NOx,）的大量生成。相对于汽油机而言，柴油机由于过量空气系数比较大，一氧化碳（,CO,）和碳氢化合物（,HC,）排放量要相对较低，但普通的燃油供给系统使柴油机的微粒排放量比汽油机大几十倍甚至更多。,5.1.4柴油机机内净化的主要技术措施,近年来，一些低排放、高燃油经济性的柴油机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,柴油机与汽油机排放比较,技术对策,实施方法,主要控制对象,燃烧室设计,设计参数优化、新型燃烧方式,NO,X,、微粒,喷油规律改进,预喷射、多段喷射,NO,X,进排气系统,可变进气涡流、多气门,微粒,增压技术,增压、增压中冷、可变几何参数增压,微粒,废气再循环,EGR,、中冷,EGR,NO,X,高压喷射,电控高压油泵、共轨系统、泵喷嘴,微粒,每一种技术措施在降低某种排气成分时，往往效果有限，因而实际中常常是几种措施同时并用。,5.2,低排放燃烧系统,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。,5.2.1,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。,由于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减少,NOx,排放量，此外，,HC,和微粒排放量均比直喷式柴油机低。,预燃室式燃烧室,燃烧室由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,5.2.2,直喷式燃烧系统,直喷式燃烧系统的燃烧室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：,（,a,）浅盆形、（,b,、,c,）深坑形、（,d,）球形,浅盆形燃烧室,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。,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,形燃烧室,形燃烧室在活塞顶部设有比较深的凹坑，其底部呈,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。,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。初期燃烧减慢，压力升高率较低，因此,NO,X,排放较,形燃烧室低。,球形燃烧室,球形燃烧室空间混合方式以油膜蒸发混合方式为主。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，,NO,X,和炭烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。,不同燃烧室的比较与选用,对于,碳烟,的排放量，,浅盆形,燃烧室最低，,深坑形,燃烧室次之，而,分隔式,燃烧室最高；分隔式燃烧室主要应控制碳烟的排放量，特别在较低负荷工况下。,深坑形,燃烧室的,HC,的排放量最高，特别在较低负荷工况下，其中的液态成分部分使其,微粒,的排放量也较高；,直喷式燃烧室较分隔式燃烧室,NOx,的排放量明显要高，特别在较高负荷工况下。,2025/1/19 周日,5.2.3,气流组织及多气门技术,气流组织,适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧更迅速更完全。尤其当喷油系统的压力不够高使得喷雾不够细时，要求较强的涡流运动来促进油气混合。强烈的进气涡流一般由螺旋进气道或切向进气道产生，它们均以不同程度地增加进气阻力为代价获得较强的涡流运动，结果是泵气损失增大，充量系数下降。另外，对于小缸径高速柴油机，其工作转速范围很大，进气系统产生的涡流往往难以同时满足各种转速下的要求，涡流转速过高和过低同样不利于燃烧。,2025/1/19 周日,2.,多气门技术,Multiple valve,采用多气门的优点,扩大进排气门的总流通截面积，增大充气效率,解决了二气门柴油机喷油嘴斜置造成的各喷油孔流动条件不同的问题,可实现关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度，拓宽柴油机的高效工作转速范围,气门增多，则气门变小变轻，从而允许气门以更快的速度开启和关闭，增大了气门开启的时间断面值,2025/1/19 周日,5.3,低排放柴油喷射系统,电控转子泵,电控单体泵,电控泵喷嘴,电控泵高压共轨,2025/1/19 周日,低排放柴油喷射系统,低排放燃油喷射系统应该满足以下要求：,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。,1,3,4,2,5.3.1,喷油压力,喷油压力愈大，则喷油能量愈高、喷雾愈细、混合气形成和燃烧愈完全，因而柴油机的排放性能和动力性、经济性都得以改善。,高压喷射降低炭烟的效果,一般供油系统的燃油喷射压力，决定于喷油泵的几何供油速率、喷孔总面积以及喷油系统的结构刚度和泄漏情况等因素。所以工程实践中常以嘴端峰值压力作为喷油系统工作能力指标。,对于目前仍广泛采用的喷油泵油管喷油嘴（,P-L-N,）系统，其喷油压力随转速升高而升高，随柴油机的负荷增大而增大。这种特性对于低转速、小负荷条件下的柴油机燃油经济性和烟度不利。并且由于高压腔容积等因素制约，喷油压力的提高受限，有时还会因为供油系统参数匹配不当造成不正常喷射现象。,泵喷嘴将柱塞式喷油泵和喷油嘴做成一体，取消了高压油管，因此可提供更高的喷油压力，由于有害高压油腔容积较小，所以即使最高喷油压力达,200MPa,，易于控制喷油规律，也不会由于压力波动造成不正常喷射现象。此外，喷油持续期缩短，使怠速和小负荷时喷油特性的稳定性得到改善。,泵喷嘴安装在气缸盖上，由凸轮轴直接驱动。但由于泵喷嘴的尺寸比一般的喷油器大，布置时有一定的困难。泵喷嘴在高压喷油时使气缸盖受附加载荷，所以应该注意确保气缸盖的强度和刚度。泵喷嘴系统的驱动凸轮到曲轴的距离较远，传动系统负荷较大。这些都限制了泵喷嘴的广泛应用，因此泵喷嘴多用于大、中型柴油机。,一般情况下，高压喷射会使,NOx,增加，但如果合理利用高压喷射时燃烧持续期短的特点，同时推迟喷油时刻或废气再循环，有可能使微粒,PM,和,NOx,同时降低。,5.3.2,喷油规律,喷油规律即单位时间内由喷油嘴进入汽缸内的燃油量，根据对柴油机工作过程的研究和分析，可得出以下结论：,（,1,）滞燃期内的初期喷油量控制了初期放热率，从而影响最高燃烧压力和最大压力升高率。,（,2,）为了提高循环热效率，应尽量减小喷油持续角，并使放热中心接近上止点。,（,3,）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。喷油后期也不应该出现二次喷射及滴油等不正常情况。,理想的喷油规律,为了降低柴油机的排放，实现理想的燃烧过程，必须有合理的喷油规律。“,初期缓慢，中期急速，后期快断,”是一种理想的喷油规律,初期喷油速率不能太高,，是为了减少在滞燃期内形成的可燃混合气量，降低初期燃烧速率，以降低最高燃烧温度和压力升高率，从而抑制,NOx,生成及降低燃烧噪声。,喷油中期,采用高喷油压力和高喷油速率以加速扩散燃烧速度，防止生成大量微粒和降低热效率。,喷油后期,要迅速结束喷射，以避免在低的喷油压力和喷油速率下使燃油雾化变差，导致燃烧不完全而使,HC,和微粒排放增加。,预喷射,也是一种实现柴油机初期缓慢燃烧的喷油方法，见图左上角的几种喷油模式。,在主喷射前，有一少量的预先喷射，会使得在着火延迟期内只能形成有限的可燃混合气量，这部分混合气只产生较弱的初期燃烧放热，并使随后的主喷射燃油的着火延迟期缩短，避免了一般直喷式柴油机燃烧初期急剧的压力、温度升高，因而可明显降低,NOx,排放。,预喷射对燃烧过程缸内压力的影响如图所示。,此外，超过一次以上的多段预喷射有助于改善柴油机起动和怠速时的燃烧稳定性，从而减少这些工况下柴油机,HC,的排放量。,42,5.3.3,喷油时刻,结论：柴油机对应每一工况都有一个最佳喷油提前角,喷油提前角过大,，则燃料在柴油机的压缩行程中燃烧的数量就多，不仅增加压缩负功，使燃油消耗率上升、功率下降，而且因滞燃期较长，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。,喷油提前角过小,，则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。,喷油定时的延迟是减少氮氧化物排放浓度最快捷有效的措施。但喷油延迟必将使燃烧过程推迟进行，最高燃烧压力降低，功率下降，燃油经济性变坏，并产生后燃现象，同时使排温增高，烟度增加。,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。,大负荷时影响颗粒排放浓度的主要是固相碳，喷油延迟，烟度会增加，即颗粒中固相碳的比例增加。而在小负荷、怠速工况下推迟喷油，由于燃烧温度低，燃烧不完善，从而导致颗粒中可溶性物质比例的增加。,因此，将喷油延迟，颗粒的排放量在各种工况下都会增加。,但喷油过于提前，会使得燃油在较低温度下喷入而得不到完全燃烧，也会导致烟度及碳氢排放的增加，更重要的是还会导致氮氧化物的增加。,5.3.4,低排放喷油,双弹簧喷油器，其基本结构如图,5-16,所示。在喷油器体内装有两个弹簧，一个弹簧作用在喷油嘴针阀上，该弹簧的预紧力决定了喷油器的开启压力。第二个弹簧支撑在限位套筒上，限位套筒决定了针阀的预行程（,h,1,）。,为了制造工艺上的方便，直喷式柴油机所用的闭式多孔喷油嘴中针阀尖端与针阀体之间一般有一小空间，成为压力室，如图,5-18,所示。试验表明，当用小压力室喷油嘴代替标准压力室喷油嘴时，,HC,排放可下降一半左右。,2025/1/19 周日,5.3.5,电控柴油机喷射系统,传统的燃油喷射系统的基本原理,喷油量,喷油定时,喷油规律,柱塞螺旋槽、柱塞直径、行程,机械式提前器（线性控制）,油泵凸轮几何形线、柱塞直径、行程,发,动,机,缺点：,1,）靠油泵齿条拉杆控制油量，需要专门的拉锁机构控制；,2,）喷油定时不能全工况灵活控制；,3,）喷油规律受凸轮形线直接决定，不能灵活控制。,柱塞偶件,驱动机构,出油阀偶件,油量调节机构,电控燃油喷射系统的基本原理,优点：,1,）喷油量通过,ECU,控制,取消机械调速器；,2,）喷油定时可全工况控制,取消机型提前器；,3,）喷油规律实现间接,或直接可控（共轨系统）；,4,）实现怠速闭环控制；,5,）实现故障自诊断,利于维修。,电控燃油喷射系统,第一代位置式,第二代时间式,第三代压力时间式,电控直列泵,电控分配泵,电控直列泵,电控分配泵,电控泵喷嘴,电控单体泵,中压共轨,高压共轨,压电共轨,增压共轨,电控燃油喷射系统介绍,电控燃油喷射系统,第一代位置式,第二代时间式,第三代压力时间式,电控直列泵,电控分配泵,电控直列泵,电控分配泵,电控泵喷嘴,电控单体泵,中压共轨,高压共轨,压电共轨,增压共轨,电控燃油喷射系统介绍,位置控制系统,线性电磁铁,位置控制系统,相对其它电控燃油喷射系统，执行响应较慢、控制频率,较低、控制精度不稳定,不能改变传统喷射系统固有的喷射特性，虽能对喷油速,率起,到一定的调节作用，但使直列泵机构变得复杂,几乎无须对柴油机本身结构进行改动，即可实现位置控,制喷射，故生产继承性好，便于对现有机型进行升级改造,2025/1/19 周日,58,时间控制系统,2025/1/19 周日,59,2025/1/19 周日,60,电控高压共轨系统,1-,高压油泵,2-,滤清器,3-,燃油箱,4-,共轨压力传感器,5-,限流器,6-,共轨管,7-,限压阀,8-,电控喷油器,9-,进气质量流量计,10-,冷却液温度传器,11-,空气温度传感器,12-,增压压力传感器,13-,油门位置传感器,14-,曲轴位置传感器,15-,柴油机转速传感器,16-,电控单元,2025/1/19 周日,电控高压共轨系统,63,电控高压共轨系统,CA4DC2,高压共轨系统,-BOSCH,现代,CRDi,高压共轨,柴油直喷发动机,2025/1/19 周日,64,电控高压共轨系统,2025/1/19 周日,65,电控高压共轨系统,BOSCH,喷油器工作原理,喷嘴置位,线圈,衔铁,球阀,释放控制孔,充油控制孔,针阀杆,喷嘴针阀压力环,高压连接管,回油,喷嘴开启,喷嘴关闭,低压,高压,喷孔,多层压电晶体执行器的结构,拉力,非极化区,-O,Zr+,未极化的,压电陶瓷,加上电压之后,的压电晶体，,电压和电流,加电后的,压电晶体,=,喷油器打开,-O,-O,Zr+,Ti+,-O,Zr+,-O,Ti+,+,-,+,-,-O,Ti+,-O,Zr+,-O,Ti+,-O,-O,Zr+,Ti+,-O,Zr+,-O,Ti+,+,-,I,电控高压共轨系统,预喷射,主喷射,后喷射,2025/1/19 周日,5.4,增 压 技 术,2025/1/19 周日,71,所谓增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。,2025/1/19 周日,72,增压方式,增压方式,机械增压,废气涡轮,气波增压,复合增压,结构特征,压气机能量源于发动机曲轴,排气驱动涡轮，带动压气机压缩进气,由曲轴驱动的槽轮转子，排气压力波在其中对进气进行压缩,通过一个,机械增压和涡轮增压相结合,2025/1/19 周日,73,几种增压方式的工作示意图如下图所示,（,a,）机械增压；,（,b,）涡轮增压；,（,c,）气波增压；,（,d,）复合增压,E,发动机；,C,压气机；,T,涡轮机,2025/1/19 周日,74,1.,加速响应性好,2.,低速可以获得较好的转距,3.,排气系统无干扰,4.,消耗发动机的功率，油耗上升增压度不高，汽油机为主,机械增压,2025/1/19 周日,75,涡轮增压,1.,充分利用废气能量,2.,高速性能好，低速性能、加速性能不佳,3.,排气噪声低，与排气后处理装置油有冲突,4.,增压器结构简单紧凑，可设置中冷器进一步提高增压效应,5.,对进,/,排气压力敏感增压压力可达到,0.4MPa,以上，汽油机柴油机都有,2025/1/19 周日,76,1.,综合了机械增压和排气涡轮增压的优点，高速时排放涡轮增压，启动加速时机械增压,2.,低速、低负荷时仍能保证一定的增压压力,3.,结构复杂、控制困难,复合增压,2025/1/19 周日,77,废气涡轮增压器的工作原理,径流式废气涡轮增压器结构图,2025/1/19 周日,2025/1/19 周日,增压前后工质密度与增压比和压气机绝热效率直接相关，增压比高则工质密度增幅大；,增压比确定之后，降低压缩过程中空气的温升，也同样可以提高绝热效率，从而使进气密度增加，因此可以在增压后的进气进行中间冷却，这就是现今废气涡轮增压发动机中特别是高增压时较多采用进气中冷技术的原因。,增压中冷,2025/1/19 周日,80,2025/1/19 周日,81,涡轮增压系统,（,a),定压系统；（,b),脉冲系统,2025/1/19 周日,82,问题,发动机在低速时不能产生所期望的高增压压力，特别是在转速和负荷都大幅度变化的增压车用发动机上尤为明显。,1.,低速转矩不足；,2.,低速和部分负荷时经济性差；,3.,起动、加速性能差，瞬态响应性迟缓，冒烟严重。,2025/1/19 周日,改善增压柴油机低速工况,带旁通阀，其原理是按增压压力要求通过螺旋弹簧预先压紧橡胶膜片，一旦增压压力达到了弹簧的预加负荷，放气阀门打开，涡轮周围的废气进入排气系统中。放气点选在发动机最大扭矩点处，在高速工况工作时，通过旁通阀放出涡轮前的一部分废气,以降低增压器转速和压比来限制最大爆发压力。造成了排气能量损失，牺牲了增压器的效率且排气背压较高，使柴油机在高速工况下的油耗有所增加。,高速工况放气系统,2025/1/19 周日,可调的两级涡轮增压系统,为达到更高的发动机性能，要求增压器提供更高的增压压力，并要求增压器在达到高增压比的情况下仍具有良好的效率，但这一要求对在车用发动机上采用一级增压器难以实现，因而二级涡轮增压系统应运而生，,二级涡轮增压即两个涡轮增压器串联工作的增压系统，其中的高压级涡轮尺寸较小，工作流量小，针对低速工况的性能进行设计；低压级涡轮尺寸较大，工作流量大，针对发动机高速工况性能进行优化。,低速或加速工况，排气调节阀关闭，全部排气先流过高压级涡轮，因高压级涡轮是根据低工况性能设计的，低工况下排气能量利用率高，可使涡轮在较高的转速下工作，然后排气再经低压级涡轮膨胀做功，使排气能量得到充分利用。,同时进气调节阀关闭，空气先经低压级再通过高压级压气机二次加压，在小流量时就能获得较高的增压比，从而使这些工况下的进气量充足，减少柴油机的碳烟排放，因此显著增大了发动机低速时的扭矩。,随着发动机转速的升高，排气能量逐渐增多，排气调节阀部分开启，其开度大小取决于发动机工况，一部分排气经高压级涡轮膨胀做功，另一部分排气则经调节阀直接通向低压级涡轮，因排气背压有所降低，改善了发动机的经济性能。,在排气能量富足的高速及大负荷工况下，排气调节阀完全打开，因低压级涡轮针对发动机的高工况性能进行了优化，此时涡轮工作效率高，发动机经济性好,同时进气调节阀开启，空气经低压级压气机压缩后直接通往发动机，高压级涡轮增压器不参与工作，从而限制了高速及大负荷工况时的增压压力。,由于可调二级涡轮增压系统的低速工况下的增压比显著提高，瞬态特性显著改善，并且涡轮增压器工作可靠，因而越来越多地应用在一些高性能的轿车柴油机上。,2004年，BMW公司在其顶级3.0L直列6缸柴油机上首次采用了可调的二级涡轮增压，,2025/1/19 周日,增压对排放的影响,2025/1/19 周日,增压对排放的影响,2025/1/19 周日,94,5.5,废 气 再 循 环 系 统,2025/1/19 周日,95,自然吸气柴油机所用的,EGR,系统与汽油机类似，如图所示。由于进、排气之间有足够的压力差，,EGR,的控制比较容易。,但在,EGR,的回流气中的微粒可能引起气缸活塞组和进气门的磨损，为减小这种影响，首先要尽可能降低微粒的排放。,2025/1/19 周日,97,低压回路方式,直接联接压气机,7,入口端和废气涡轮,5,出口端来实现,EGR,的方法。由于压气机,7,的入口处为负压，而废气涡轮,5,出口压力为正，所以通过联接适当的,EGR,回流管,6,，就可以很容易地实现,EGR,。但由于这种方式的废气直接流过压气机,7,和中冷器,8,，所以易造成压气机的腐蚀和中冷器的污染等。,2025/1/19 周日,98,高压回路方式,直接联接压气机后的中冷器,8,出口端和废气涡轮,5,入口端来实现,EGR,。由于这种,EGR,方式的废气不流过压气机和中冷器，所以不存在对压气机和中冷器的腐蚀和污染问题；但可实现的,EGR,率取决于排气压力和进气压力之差。特别是在中、大负荷时，由于增压进气压力提高，所以很难实现,EGR,。,2025/1/19 周日,99,潍柴增压中冷,EGR,柴油机（,高压回路方式）,2025/1/19 周日,100,2025/1/19 周日,101,2025/1/19 周日,102,a),用排气脉冲阀的,EGR,系统,b),用进气节流阀的,EGR,系统,c),用文丘里管的,EGR,系统,d),用,EGR,泵的,EGR,系统,1-,电控器；,2-,中冷器；,3-,柴油机；,4-,涡轮增压器；,5-EGR,阀；,6-,排气脉冲阀；,7-,进气节流阀；,8-,文丘里管；,9-,文丘里管旁通阀；,10-EGR,冷却器；,11-EGR,泵,2025/1/19 周日,103,通过修改排气门凸轮的形状使排气门在进气行程中打开，让部分高压废气回流到气缸内以实现废气再循环。,在进气管和排气管中气流的压力脉动都很大。在这种压力脉动的作用下，使某一缸在进气过程中，其排气门处出现正压波。此时，如果能再次开启排气门，就可实现,EGR,。,内部,EGR,在排气凸轮中除控制排气所需凸轮,1(,主凸轮,),以外，又增设内部,EGR,专用凸轮,2(EGR,用凸轮,),。通过这种机构，在进气过程中的适当时刻再次开启排气门,3,，使排出的废气回流到气缸内部，以实现,EGR,。,内部,EGR,系统不需要排气节流，所以不影响泵气损失，因而对经济性无影响，同时不需要,EGR,阀以及,EGR,管路等，所以结构比较简单。,2025/1/19 周日,2025/1/19 周日,它的优点是响应速度快，但它很难在不同工况下实现最佳,EGR,率控制，也无法对,EGR,气体进行冷却，造成缸内进气终了温度上升，不利于降低,NOx,排量的同时，也使得进气量减少，空燃比降低，对柴油机性能负面影响大，所以现在已经很少使用。,内部,EGR,2025/1/19 周日,106,柴油机,EGR,的控制方法,2025/1/19 周日,107,柴油机,EGR,与汽油机,EGR,的比较,由于柴油机过氧燃烧，直喷式柴油机的,EGR,率超过,40%,，非直喷式可达,25%,。为防止微粒产生，中、低负荷常采用较大的,EGR,率，全负荷不采用,EGR,，以保证发动机的动力性和燃油经济性。当转速提高时降低,EGR,率，保证较多新鲜空气的进入，由实验标定测得最佳的,EGR,脉谱。,2025/1/19 周日,108,2025/1/19 周日,EGR,率对柴油发动机性能的影响,图为汽油机热容量和,A/F,随,EGR,率变化的趋势。可以看出,由于汽油机气缸中的进气总量随着,EGR,率的增加而增加,因此混合气的比热也随之增加。因此,汽油机气缸中的气体温度会随着,EGR,的增加而减小,从而使,NOX,排放减少。,2025/1/19 周日,110,图为柴油机的热容量和,A/F,随,EGR,率变化的趋势。当柴油机采用,EGR,时，由于其进气总量不会变化,所以废气的加入,使,A/F,比减小,比热增加较小,柴油机中气体的温度减小较少,但氧气浓度随,EGR,率的增加而迅速减小,因而使得单位质量混合气的放热量成比例地减小,降低了燃烧的最高温度,从而使,NOX,排放减少。柴油机在采用废气再循环时,由于废气的加入,使得发动机气缸中混合气的形成、燃烧和排放发生了变化,因而对发动机的性能产生了各种影响。,2025/1/19 周日,111,废气再循环对排放的影响,1,）对,NOx,排放的影响,废气再循环技术降低了燃烧室内可达到的最高燃烧温度，减少了进气充量，从而抑制,NOx,的排放。实验表明，当发动机的转速一定时，废气中,NOx,的比例，会随废气再循环率的增加而降低。当发动机处于不同负荷时，,NOx,排放下降率与,EGR,率呈近似线性关系。较大的废气再循环率会导致柴油机动力下降，,在中高负荷时，,EGR,率较低，在小负荷时，,EGR,率较高，根据不同的工况，选择适当的,EGR,率。,2025/1/19 周日,112,废气再循环对排放的影响,2,）对微粒排放的影响,一般来说，废气的引入会造成进入气缸的新鲜空气降低，易造成局部缺氧和燃料燃烧不完全，引起微粒的增加。随着,EGR,率的增加，发动机排出的微粒也随之增加。,但实际上中、高负荷时，喷油较多，燃烧时间较短，微粒增加幅度较大，,应限制,高负荷工况下的,EGR,率。,在小负荷时，喷油较少，微粒增加的趋势也相对较小。微粒排放量增加率与,EGR,率关系为二次响应，因此微粒增加比例相对更大。,需综合,NOx,和微粒两方面选择适当的,EGR,率。,2025/1/19 周日,113,废气再循环对排放的影响,3,）对,HC,、,CO,排放的影响,随着,EGR,率的增加，发动机尾气中,HC,与,CO,的排放变化关系较为一致，呈现上升趋势。在发动机转速一定的情况下，随着,EGR,率增加，,HC,和,CO,均为燃料燃烧不充分所产生的排放物。当充入气缸内的废气增加，必然导致参与燃烧的氧气量相对减少，燃料燃烧条件恶化。,HC,排放在中高负荷时呈现增加趋势，在小负荷时呈现下降趋势。,HC,排放主要来自滞燃期内形成的极稀混合气，因此,HC,排放与滞燃期时间长短有关。负荷越低，滞燃期内形成的极稀混合气越多，发动机排气中,HC,的浓度越高。在同样低负荷时，废气回流率越大，加热进气的作用越明显，滞燃期将缩短，对改善,HC,排放有利。,2025/1/19 周日,114,废气再循环对排放的影响,4,）对,CO,2,及燃油消耗率的影响,当发动机的废气再循环率增加，过量空气系数有所降低，但,CO,2,的排放量及燃油消耗率只有很小波动，基本保持不变。,2025/1/19 周日,115,结论,废气再循环技术主要针对柴油机稀燃产生大量,NOx,排放，可显著降低,NOx,的排放量，但是由于混合气中氧气浓度降低,燃烧反应不完全,使未燃碳氢化合物、一氧化碳和微粒的排放增加,相比会增加其他排放物的生成量，尤其是微粒的排放随,EGR,率升高快速增加，对于环境的危害更严重。微粒和氮氧化物的同时控制是一个急待解决的问题。配合微粒捕捉器排放效果会有改善。,2025/1/19 周日,116,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,