内燃机排放.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一章 当代世界环境问题,一、,生态环境问题,二、,人口与环境问题,三、能源、资源与环境问题,四、水资源,五、海洋环境问题,六、大气环境问题,七、噪声与辐射,八、固体废物,第二章 大气污染第一节 大气污染的形成与危害,三、大气污染的危害,大气污染是联合国公布的首要公害,1.,恶化空气质量,2.,危害动植物和人体健康,3.,影响工农业生产并造成经济财产损失,四、主要的大气污染物,一次污染物：,PM,CO,HC,NO,x,SO,x,CO,2,，氟氯烃和卤化物,二次污染物：,O,3,，,酸性气溶胶，光化学烟雾,1.,微粒,(PM-particulate matter),成份：粉尘，碳烟，金属氧化物和无机盐，以及液态,VOCs,来源：工业燃烧，作业粉尘，汽车排放和少量生活排放，沙尘暴,危害：降低可见度，影响气候，损害动植物和人体健康,第二章 大气污染第一节 大气污染的形成与危害,2.CO,来源：主要是不完全燃烧,危害：占城市大气污染物总量的,1/3,，对动物和人体有毒害,3.HC,来源：不完全燃烧和有机物蒸发,危害：易产生光化学烟雾,4.,NO,x,来源：汽车和工厂排放,危害：损害植物和设备，引起呼吸道疾病并产生光化学烟雾,5.,SO,x,来源：煤的燃烧,危害：腐蚀性大，导致人体疾病和环境酸化,6.CO,2,来源：燃料燃烧,危害：全球变暖和温室效应,第二章 大气污染第一节 大气污染的形成与危害,7.,酸性气溶胶,(H,2,SO,4,),m,(H,2,O),n,，,(HNO,3,),m,(H,2,O),n,形成：,SO,x,与水分在阳光作用下反应并凝聚危害：酸性极强，严重破坏环境，并威胁动植物和人体健康,导致的空气污染事故：伦敦烟雾事件（,1892,）,8.,光化学烟雾,形成：,HC,与,NO,x,在阳光作用下反应生成刺激性产物，主要是臭氧和醛类,危害：引起各种人体疾病,导致的空气污染事故：洛杉矶光化学烟雾（,1946,）,第二章 大气污染第二节 全球性大气环境问题,一、全球变暖及对策,6.,控制全球变暖的对策,1,）调整能源战略，减少,CO,2,排放,提高能源效率，降低对化石燃料的依赖,2,）提高绿化率,3,）控制人口，限制毁林,4,）加强环境意识教育,5,）促进全球合作,温室气体排放量占世界前,10,名的国家（,1989,）,国家,美国,前苏联,中国,日本,巴西,印度,德国,英国,墨西哥,意大利,百分比,(%),18.4,13.5,8.4,5.6,3.8,3.6,3.5,2.4,2.0,1.8,第二章 大气污染第二节 全球性大气环境问题,二、臭氧层破坏及对策,6.,拯救臭氧层,1,）使用,CFCs,等的替代品,2,）加强全球协作,1985,年,3,月,22,日,维也纳保护臭氧层公约,1987,年,9,月,16,日加拿大蒙特利尔保护臭氧层国际大会,1989,年,5,月赫尔辛基宣言：,2000,年前废除,CFCs,世界上,CFCs,的使用情况（,1985,年估计,1000,吨）,化学物,世界,美国,占百分比（,%,）,CFC-11,341.5,75.0,22.0,CFC-12,443.7,135.0,30.4,CFC-13,163.2,73.2,44.9,甲基氯仿,544.6,270.0,49.6,四氯化碳,1029.0,280.0,27.2,哈龙,1301,10.8,5.4,50.0,哈龙,1211,10.8,2.7,25.0,第二章 大气污染第二节 全球性大气环境问题,三、酸沉降及对策,3.,酸雨的危害,1,）对水生生态系统的影响：直接导致生物死亡或释放出环境中潜在的有害物质,2,）对陆生生态系统的影响：使土壤酸化贫瘠，激活重金属物质，加剧病虫害扩散,3,）对各种材料的影响：腐蚀建筑及设备,4,）对人体健康的影响,4.,酸雨的防治,1,）使用低硫燃料和改进燃烧装置,2,）烟道气脱硫脱硝,3,）控制汽车尾气排放,4,）经济投入、法规的建立与贯彻、全球性的合作,第二章 大气污染总结,大气污染是全球面临的首要公害,大气污染物主要来自人为的排放,目前存在三个全球性大气环境问题,全球变暖与温室效应,臭氧层破坏,酸沉降,解决大气环境问题必须从两个方面入手,具体的技术措施,国际合作,第三章 内燃机的排气污染物,第二节 汽车及内燃机排放标准,一、排放标准体系,美国、欧洲和日本，各体系包括测试方法和排放限值，并且针对轻型汽车（含轿车）和重型发动机实行相应的测试方法和排放限值。,二、排放污染物的计量单位,1.,浓度单位ppm,（,10,-6,）、,ppb,（,10,-9,）、,mg/m,3,、,mg/L,2.,质量单位,1,）按时间计量：,g/h,2,）按行驶里程：,g/km,或,g/mile,3,）按试验规范计量：,g/,次,4,）按比排放量计量：,g/kw,h,、,g/hp,h,3.,微粒计量单位,1,）按质量或浓度计量,2,）烟度单位：波许烟度单位（,R,B,或,FSN,）、不透光度仪的光吸 收系数,m,-1,第三章 内燃机的排气污染物,第二节 汽车及内燃机排放标准,四、美国轻型汽车及重型车用发动机排放标准,1.,联邦轻型汽车排放标准,测试循环：,FTP,（,Federal Test Procedure,），高速公路标准测试循环，,SFTP,（追加联邦测试循环）,另外提出,CFV,（,Clean Fuel Vehicle,）标准,美国联邦轻型汽车排放标准限值,汽油车,柴油车,50,000mile,内,100,000mile,内,CO,3.4 g/mile,4.2 g/mile,NO,x,0.4 g/mile,0.6 g/mile,NMHC,0.25 g/mile,0.31 g/mile,PT,0.05,g/mile,0.06 g/mile,50,000mile,内,100,000mile,内,CO,3.4 g/mile,4.2 g/mile,NO,x,0.4 g/mile,0.6 g/mile,NMHC,0.25 g/mile,0.31 g/mile,NMHC,：无甲烷碳氢化合物（,Non Methane Hydro Carbon,）,第三章 内燃机的排气污染物,第二节 汽车及内燃机排放标准,五、欧洲汽车及重型车用发动机排放标准,1.,轻型汽车排放标准,测试循环：欧洲标准测试循环,+,郊外公路运转循环（,EUDC,）,欧洲轻型汽车排放限值（,g/km,）,汽油车,标准,生效日期,CO,HC+NO,x,HC,NO,x,EURO I,1992,2.72,0.97,EURO II,1995,2.2,0.5,EURO III,2000,2.3,0.2,0.15,EURO IV,2005,1.0,0.1,0.08,柴油车,标准,生效日期,CO,HC+NO,x,HC,NO,x,微粒,EURO I,1992,2.72,0.97,0.14,EURO II,（间喷）,1995,2.2,0.5,0.08,（直喷）,1.0,0.9,0.1,EURO III,2000,0.64,0.56,0.50,0.05,EURO IV,2005,0.50,0.30,0.25,0.025,第三章 内燃机的排气污染物,第二节 汽车及内燃机排放标准,五、欧洲汽车及重型车用发动机排放标准,2.,重型车用发动机排放标准,测试循环：,13,工况标准测试循环,(ECE R49),欧洲稳态标准测试循环（,ESC,）,+,瞬态测试循环（,ETC,）,欧洲重型车用发动机排放限值（,g/kW.h,）,标准,EURO I,EURO II,EURO III,EURO III,测试循环,ECE R49,ECE R49,ESC,ETC,生效日期,1992,1996,2000,2000,CO,4.5,4.0,2.1,5.45,HC,1.1,1.1,0.66,NMHC,0.78,CH,4,1.6,NO,x,8.0,7.0,5.0,5.0,微粒,1,）,0.61,0.15,0.10,0.16,微粒,2,）,0.36,0.25,0.13,0.21,动态烟度,0.8m,-1,1,）适用于额定功率小于等于,85kW,的柴油机,2,）适用于单缸排量小于,0.7,升，额定转速大于,3000r/min,的柴油机,第三章 内燃机的排气污染物,第二节 汽车及内燃机排放标准,六、我国汽车排放标准（,GB 14761-1999,）,我国汽车排放标准沿用欧洲标准体系，目前实施,EURO II,标准,汽油车,车辆类型,基准质量,Rm,kg,限值,CO,质量,(g/km,）,HC+NO,x,(g/km),M,1,1,）,全部,2.72,0.97,N,1,2,）,I,Rm,1250,2.72,0.97,II,1250,Rm,1700,5.17,1.40,III,1700,Rm,6.90,1.70,车辆设计乘员（含驾驶员）不超过,6,人，且车辆最大总质量不超过,2500kg,车辆设计乘员（含驾驶员）超过,6,人，或车辆最大总质量超过,2500kg,但不超过,3500kg,的,M,类车辆,第三章 内燃机的排气污染物,第二节 汽车及内燃机排放标准,六、我国汽车排放标准（,GB 14761-1999,）,我国汽车排放标准沿用欧洲标准体系，目前实施,EURO II,标准,柴油车,车辆类型,基准质量,Rm,kg,限值,CO,质量,(g/km,）,HC+NO,x,(g/km),PT,（,g/km,）,M,1,1,）,全部,2.72,0.97,0.14,N,1,2,）,I,Rm,1250,2.72,0.97,0.14,II,1250Rm,1700,5.17,1.40,0.19,III,1700,Rm,6.90,1.70,0.25,车辆设计乘员（含驾驶员）不超过,6,人，且车辆最大总质量不超过,2500kg,车辆设计乘员（含驾驶员）超过,6,人，或车辆最大总质量超过,2500kg,但不超过,3500kg,的,M,类车辆,第三章 内燃机的排气污染物,第二节 汽车及内燃机排放标准,七、排放法规的完整内容,排放试验规范,车辆工况试验法,美国,LA-4CH,冷热工况试验法（,FTP-75,）,欧洲,ECE15+EUDC,工况试验法,日本工况试验法,发动机台架工况试验法,汽油机,9,工况稳态试验法,13,工况稳态试验法,美国重型车用柴油机瞬态工况试验法,欧洲,ESC,稳态标准测试循环,+ETC,瞬态循环,密闭室（,SHED,）蒸发物测定法,柴油机烟度测试法,稳态,非稳态（自由加速法和控制加速法）,怠速法,第三章 内燃机的排气污染物,第二节 汽车及内燃机排放标准,七、排放法规的完整内容,排放限值,轻型车排放标准,美国轻型车排放标准,欧洲轻型车排放标准,日本轻型车排放标准,我国轻型车排放标准,重型车用发动机排放标准,美国重型车用发动机排放标准,欧洲重型车用发动机排放标准,日本重型车用发动机排放标准,我国重型车用发动机排放标准,第三章 内燃机的排气污染物,第三节,内燃机排放成分测试,常规内燃机排气测量的气样制备系统有两种：,1,）,带冷凝脱水的气样制备系统,2,）,加热的气样制备系统,气样制备系统的主要部件：,1,）,取样探头,2,）,过滤器：去除不必要成分,3,）冷凝液分离器：分离影响测量结果的冷凝液,4,）取样泵：提供充足的气样输送量,3.,定容取样系统（,CVS,）,CVS,取样测量：测量成分浓度，根据排气流量计算总排放量,CVS,取样测量由于以下原因无法准确测量非稳定工况：,1,）排气管的压力波动造成流量测量误差,2,）测量仪器的响应滞后,3,）气样输送过程中，各工况气样的部分混合造成的测量误差,CVS-3,取样系统,第三章 内燃机的排气污染物,第三节,内燃机排放成分测试,欧洲早期的取样方法将所有排气稀释后用气袋收集,目前大多排气测量采用定容取样（,CVS-constant volume sampling,）,定容取样：将内燃机的全部排气排入稀释通道中，和空气混合成流量恒定的稀释排气，并将其中的一定比例收集在气袋中。这样尽管排气流量不断变化，但稀释排气流量保持不变。在测试循环结束后，将测量气袋中各污染物成分的浓度，再乘上取样系统中流过的稀释排气总量，即得各成分的总排放量,4.,定容取样系统的分类：,1,）,容积式泵（,PDP-Positive Displacement Pump,）,2,）临界流文丘里管（,CFV-Critical Flow,Venturi,）：在,PDP,系统抽气泵前加文丘里管，减小温度的对流量的影响，保持稀释排气的流量稳定，在许多场合可以免去换热器。,容积式泵定容取样,第三章 内燃机的排气污染物,第三节,内燃机排放成分测试,5.,排气成分的分析方法,物理分析方法：,a,）,不分光红外分析仪法,：,CO,、,CO,2,b,）,化学发光分析仪法,：,NO,x,c,）,氢火焰离子化分析仪法,：,HC,d,）,顺磁分析仪法,：,O,2,e,）气相色谱仪法,f,）质谱仪法,化学分析方法：,a,）化学溶液法：将气样与试剂反应，通过测量溶液颜 色、反应消耗量或进行称重间接测量气样，,SO,2,、甲 醛,b,）测试管测量法：便携易操作,6.,取样系统与分析仪的定期标定,不分光红外分析仪,化学发光分析仪,氢火焰离子化分析仪,原理：火焰是导电的，且导电的强弱和燃料种类有关。在分析仪中，待测气样与助燃气体氢混合燃烧。在缺氧的火焰中，,HC,分解出离子。这些离子在喷嘴和电极之间（两者之间有,90200V,的电压）形成离子流，其强度与碳原子数量成正比。通过对离子流的测量可得碳原子浓度,。,顺磁分析仪,第三章 内燃机的排气污染物,第三节,内燃机排放成分测试,三、排气微粒的测量与分析,1.,排气微粒的定义和特性,美国环境保护局关于柴油机排气微粒的定义：稀释到,51.7,o,C,以下的柴油机排气流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质。,柴油机排气微粒,的大小通常为,0.010.3,m,2.,排气微粒的质量测量,质量测量：将柴油机排气微粒收集在滤纸上，用高精度天平称得滤纸在收集微粒前后的质量差，可以得到微粒的质量。,为准确再现微粒的排放特性，如质量和成分组成，柴油机排气必须经过稀释风道,1,）,全流稀释通道测量系统,2,）,分流稀释通道测量系统,：重点在于等压取样头,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,主要内容：,汽油机排气污染物的形成：,CO,、,HC,、,NO,x,汽油机运转状态对排放的影响,汽油机低排放设计的几个方面,曲轴箱强制通风与燃油蒸发物控制,混合气制备改善：化油器、,PFI,、,GDI,点火系统的优化,(,双火花塞,),结构参数优化：紧凑燃烧室设计、多气门技术、高压缩比、活塞组设计,现代高效率和低排放汽油机技术措施,可变气门技术,稀燃与直喷,EGR,可变进气,增压与可变压缩比,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第一节 汽油机排气污染物的形成和影响因素,二、汽油机排气污染物的形成,1.CO,在缺氧区（,1,），易产生,CO,，燃烧时产生的部分,CO,在膨胀过程中发生水煤气反应氧化成,CO,2,在理论空燃比（,=,1,）和富氧区（,1,），少量,CO,来自,CO,2,的分解,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第一节 汽油机排气污染物的形成和影响因素,汽油机排气污染物的形成,2.,HC,1,）壁面冷激效应和缝隙效应导致火焰传播到壁面附近区域熄,灭，形成,HC,2,）膨胀过程中，气缸壁面上的油膜蒸发产生,HC,3,）,HC,的再次氧化需要高温和氧气，因此,过量空气系数,要适中,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第一节 汽油机排气污染物的形成和影响因素,汽油机排气污染物的形成,3.,NO,x,NO,x,的形成需要三个条件：高温、富氧和较长的滞留时间。汽油机的,NO,2,/NO,只有,25%,，柴油机的,NO,2,/NO,可达,1030%,，,1,）高温有利于,N,2,的氧化反应形成,NO,x,，但,NO,x,的峰值不在温度最高的,=0.95,，而在微富氧区（,=1.1,）,2,）高的氧浓度有利于,NO,x,的氧化形成，但,太大，则温度较低,3,）,NO,x,主要产生于高温的火焰锋面。尽管缸内的高温，,NO,x,的形成反应还是慢的达不到化学平衡，因此,NO,x,的浓度取决于反应速率，也即反应时间,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,降低汽油机排气污染物的排放（机内部分）要求以下几个主要方面的改进：,1,）曲轴箱排放物及蒸发排放物的控制,2,）精确的混合气制备,3,）气缸几何参数的优化,4,）工作过程的完善,在实践中，各方面措施需结合起来运用,曲轴箱排放物及蒸发排放物的控制,1.,曲轴箱排放物的控制,1,）曲轴箱排放物的形成,2,）曲轴箱强制通风装置原理,窜气通过,7,进入进气管,4,，同时,空气通过,1,和,6,进入曲轴箱保证,真空度不致过大,2.,燃油蒸发排放物的控制,活性炭罐及控制系统,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,二,.,汽油机混合气制备系统,混合气制备系统分：,1,）化油器,2,）进气道汽油喷射,3,）缸内汽油喷射,1.,化油器,1,）利用喉口的负压将浮子室,的燃油吸入进气道,2,）,化油器难以对,实现精确,控制以满足,三效催化器的要求,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,3,）化油器过量空气系数调节系统,G-KAT,G-KAT,与进气道喷射相比，没有价格优势但可以解决化油器汽车排放问题,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,2.,进气道汽油喷射（电喷）,1,）单点喷射或集中喷射,2,）多点喷射,a.,同步喷射,b.,分组喷射,c.,单独喷射,3.,缸内喷射（,GDI,）,均质稀燃,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,三,.,汽油机的点火系统,点火能量和点火定时对火焰传播有决定性影响，对燃油消耗和排放有,很大的影响,1.,提高点火能量,1,）扩大混合气的点火界限，提高稀混合气条件下的运转能力,2,）可以提高汽油机的排气再循环（,EGR,）量，降低,NO,x,排放,3提高部分负荷时的发动机效率,2.,点火定时的精确调节,1,）转速提高，为保证足够的燃烧时间，点火定时应适当提前,2,）低负荷时，过量空气系数较大，,EGR,量也较多，火焰传播较慢，点火定时也需要适当提前,3,）点火定时的提前导致循环最高温度的升高和,NO,x,排放增加，并且使排气温度降低，不利于,HC,的后氧化，增加,HC,排放量,4,）爆震控制,5,）电子点火定时调节器能综合考虑各种因素，比机械式定时调节更容易实现点火定时的优化,点火定时的影响,点火提前，排气温度降低，,HC,的后氧化不足，排放增加,火花塞位置的影响,多气门中置两气门偏置,火花塞中置，缩短了火焰传播距离，降低爆震的危险，使得压缩比可以设计的较高，降低油耗。另多气门设计使得燃烧室比较紧凑，减小导致火焰熄灭的冷激表面，降低,HC,排放。,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,四,.,汽油机结构参数,燃烧室形状、压缩比、气门布置和火花塞位置、活塞组设计,1.,燃烧室形状,燃烧室的设计通常是经验性的，或者利用计算机进行一定的模拟,以验证构思，但有一般性的原则可遵循,1,）结构紧凑，尽可能小的燃烧室表面，热散失和冷激效应减小,2,）尽可能短的火焰传播距离,燃烧快速，效率高。但由于最高燃烧温度上升，不利于降低,NO,x,排放。,快速燃烧、推迟点火和,EGR,结合仍然能保证较低的,NO,x,排放,3,）避免高温部件处于火焰传播的终点，火花塞尽量安置在排气门 附近，缩短火焰传播的距离,4,）燃烧室内应具有强烈的气流运动,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,四,.,汽油机结构参数,燃烧室形状、压缩比、气门布置和火花塞位置、活塞组设计,2.,压缩比,1,）压缩比提高有利于提高油耗和功率指标,2,）压缩比提高对排放不利,高压缩比要求较扁平的燃烧室，,S/V,增大，,HC,排放增加。,另高压缩比提高了最高燃烧温度，导致,NO,x,排放的增加,传统汽油机根据发生爆震的工况选择压缩比，不利于对压缩比进行优化。现代汽油机则选择高压缩比，通过电控点火对高压缩比汽油机在性能和排放方面进行最佳优化。,3,）长行程有利于降低燃油消耗和,HC,排放，但,NO,x,排放的增加,4,）大缸径的面容比小，相对散热面积小，燃油消耗和,HC,排放较低，但,NO,x,排放的增加,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,四,.,汽油机结构参数,3.,多气门,1,）多气门有利于减小泵气损失，增加充气系数，提高效率和降低排放,2,）火花塞中置，缩短火焰传播路径，加速燃烧过程,3,）低速运行时，关闭进气门之一，加强进气涡流，改善燃烧,4.,活塞组设计,减小活塞、活塞环与缸壁之间的间隙，使火焰不致进入间隙而熄灭，从而大为减少,HC,排放,第五章,降低柴油机污染物排放的措施,第二节,柴油机低排放设计和工作过程的改善,气流组织与多气门技术,柴油机混合气的形成主要通过两个方面来实现：,1,）燃油喷射,2,）气流组织,柴油机气流组织存在下列两者之间的矛盾,1,）保证合适的涡流强度,2,）增加进气量,多气门和可变气门（,VVT,）技术解决了两者矛盾，多气门技术具有以下的优点：,1,）扩大了进气门的截面，提高功率,2,）喷油嘴中心布置，有利于燃油的均匀分布,3,）通过关闭部分通道以形成和柴油机转速相适应的进气涡流强度,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,五,.,现代汽油机新技术,现代汽油机技术要求：,1,）提高效率,2,）低排放,3,）高性能：动力性、安全可靠性和舒适性,高效的现代汽油机,前提：低排放高性能,减少换气损失,转移工况点,换气控制,稀混合气,改善外特性,减小排量,关闭部分气缸,全可变气门控制,EGR,GDI,可变压缩比高增压,多气门可变进气,停止气门运动,选择性关闭气缸,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,五,.,现代汽油机新技术,与柴油机相比，汽油机在部分负荷时的效率有较大的差距，这主要是由于节气们的作用，负压进气造成较大的换气损失。,车用汽油机在实际工作中，大多运行在部分负荷状态，排放指标的测试循环也主要在部分负荷。因此现代汽油机必须提高部分负荷时的各项性能,在降低排放的前提下，提高汽油机的效率目前有两大途径：,1,）减少换气损失,2,）将汽油机的工况点移向高负荷区,1.,减少换气损失,1,）改善换气控制，可变气门机构,传统的汽油机只有一个固定的气门定时和升程规律，只有在一定的运转范围内性能良好，在其它运转状态，汽油机的性能没有得到最佳发挥,气门定时与升程规律，即进排气的启闭与开启大小,汽油机的换气过程、充气量、,EGR,以及进气涡流强度,汽油机的油耗、扭矩和功率、排气污染物以及驱动性能,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,可变气门机构的作用：,a.,优化配气正时和升程规律，保证汽油机全工况的最优性能,b.,通过进排气门的重叠开启，实现内部,EGR,，降低,NO,x,排放,c.,与多气门技术结合，改善充气效果和进气旋流,d.,结合电喷技术，容易实现关闭部分气缸和工况点转移,e.,对于配气正时和升程规律可自由改变的全可变气门机构，可取消节气门，减小换气损失，也易于与涡轮增压器配合,可变气门的实现：,1,）凸轮驱动：多维凸轮、双凸轮、可变凸轮相位、可变摇臂及挺杆（实例：本田，高转速时启用高速凸轮，低速时用地速凸轮）,特点：简单但控制自由度小,2,）无凸轮驱动：电磁、电液、电气（实例：德国,FEV,）,特点：对性能的改善效果更好,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,德国,FEV,发动机技术公司的全可变气门电磁控制机构,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,2,）稀燃汽油机和直喷式汽油机（,GDI,）,化油器,PFI,（,port,fuel injection,）,GDI,（,gasoline,direct injection,）,PFI,存在的问题：,1,）冷启动油气混合不足，,HC,排放高,2,）中低负荷时仍然用理论空燃比，不利于经济性的改善,3,）进气管中节气门存在仍然导致泵气损失，即使使用可变气门机构，由于燃油从壁面吸热，混合气温度较高，充量系数相对较低,GDI可以在这几个方面弥补,PFI,的不足，而且由于混合气温度较低，爆燃可能性降低，压缩比可以设计比,PFI,提高,12,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,2,）稀燃汽油机和直喷式汽油机（,GDI,）,稀燃汽油机和直喷式汽油机的概念和提出：具有相似内容的两个概念,后者是前者的理想形式,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,2,）稀燃汽油机和直喷式汽油机（,GDI,）,GDI,混合气生成特点：,a.,部分负荷时，在压缩冲程后期喷油，生成分层混合气，,A/F,在,2540,或更大,b.,高负荷时，在进气冲程早期喷油，生成均质混合气，,A/F,在,2025,或更小,GDI,的优点：,a.,发动机的燃油经济性有很大提高，部分负荷时的经济性高达,30%35%,，一般为,20%,b.,瞬态工况改善，可降低对加速加浓的要求,c.,能快速启动（,12,循环即可），并可改善冷启动时的油气混和不足状况，无需过量供油，降低,HC,排放,d.,某些排放指标改善，冷启动,HC,排放，,CO,2,排放,GDI,的实现：,部分负荷时的过稀混合气容易导致点火困难和燃烧不良，通常通过混合气的分层（,stratified,）混合来实现，将混合气分成浓区和稀区（总体上为稀混合气）。浓混合气在火花塞附近形成和流动，保证正常点火。点火后利用气流运动将浓混合气与稀混合气混合燃烧,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,2,）稀燃汽油机和直喷式汽油机（,GDI,）,混合气分层的方式：,a.,油束直射：浓混合气的输送主要利用油束的喷射,优点：点火稳定，稀燃能力强,缺点：火花塞寿命降低，气门的安置困难,b.,室壁引流：混和气的输送依靠燃烧室壁的形状和气流运动,优点：有利于缸盖的设计,缺点：对燃油喷射、气流运动和活塞顶形状的配合要求高，燃烧室 面容比较大，,HC,排放较多,c.,气流引流,优点：燃烧室紧凑,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,2,）稀燃汽油机和直喷式汽油机（,GDI,）,GDI,目前面临的问题：,a.,在所要求的运行范围内控制燃烧室内混合气实现理想的分层十分困难。分层燃烧对汽油蒸气在缸内的分布要求很高，通常喷油时刻，点火时刻，空气流动，喷雾特性和燃烧室形状必须控制得十分严格，否则很容易发生燃烧不稳定和失火,b.,因为喷油器在缸内，且喷油压力比柴油机低，喷孔没有自洁作用，很容易结垢影响喷雾特性和喷油量,c.,低负荷时,HC,排放较高；高负荷时,NO,x,排放高。三效催化器不能应用,GDI,的排放：,a.HC,排放,冷启动排放降低，但低负荷和部分负荷时的排放较高，这是因为火焰从浓区向稀区传播中易熄灭；较高压缩比条件下，狭缝中混合气增加；,EGR,应用；较低的排气温度，,HC,后氧化不足。,这是,GDI,存在的一个问题，通常应用氧化催化后处理器解决。,b.,NO,x,排放,虽然较多的工作在稀混条件下，但由于局部浓区存在，放热率峰值高，,NO,x,排放与,PFI,大致相当。,三效催化器在稀燃条件下对,NO,x,失效,稀燃条件下，,EGR,量提高（达,40%,），,NO,x,排放下降高达,90%,，但仍然不能在运行范围内满足北美排放法规的要求，要依靠,DENO,x,后处理系统的应用,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,2,）稀燃汽油机和直喷式汽油机（,GDI,）,均质混合气,GDI,的提出，针对分层混合气,GDI,的问题：,a.,理想分层难以实现,b.,NO,x,排放仍高，且后处理困难,Ford,提出直喷均匀燃烧汽油机（,DISI,），为满足,ULEV,，,DISI,分两步：,第一步、实现化学当量空燃比的均质混合燃烧以保证三效催化器仍可应用,第二步、等,DENO,x,技术成熟，实现完全的均质稀燃，并配合可变气门技术（,VVT,）。,汽油机的工作过程柴油机化,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,3,）排气再循环（,EGR,）,EGR,将部分排气引入进气以提高混合气的废气成分，降低,NO,x,排放。,EGR,量为总进气量的,5%20%,，,NOx,排放降低,50%70%,。,EGR,量过大会造成,HC,和,CO,排放增加,EGR,控制要点：,NO,x,排放量随负荷增加而增加，,EGR,量也应随负荷增加而增加,暖机过程中，冷却液与进气温度均较低，,NO,x,排放量不大。为保证燃烧的 稳定性，一般冷却液温度低于,50,o,C,时不进行,EGR,怠速与小负荷运行时，,NO,x,排放量不大，也不进行,EGR,接近全负荷时，为保证足够的动力性能，即使,NO,x,排放量很高，也不进行,EGR,为实现,EGR,的最佳效果，要保证再循环的排气在各缸的之间的均匀分配。,EGR,降低,NO,x,排放的原理：,a.,提高混合气的热容量，废气的热容量较高如,CO,2,的热容量是,O,2,的,1.5,倍,b.,降低混合气中的氧浓度,c.,降低燃烧速率,EGR,的分类：,a.,内部,EGR,：利用进排气门的重叠开启，使部分排气流回气缸,b.,外部,EGR,：将部分冷却的废气引入进气道与进气混合,第五章,降低柴油机污染物排放的措施,第二节,柴油机低排放设计和工作过程的改善,柴油机的排气再循环（,EGR,）,冷,EGR,：减少进气损失，降低,EGR,所导致,的,碳烟排放的恶化,柴油机,EGR,的特点：,柴油机排气含氧量较高，,EGR,量也较大。汽油机最大达,20%,，柴油机可达,60%,为提高,EGR,量，柴油机的进气管上加上节气门，以便低负荷时通过进气节流，增大排气管对进气管的压力差,对增压柴油机，会出现增压压力大于排气压力，须在,EGR,阀前加单向阀，以便于利用排气脉冲实现,EGR,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,排气再循环（,EGR,）,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,2.,转移汽油机工况点,1,）改善外特性，减小排量,减小排量在一定程度上减少排放，但减小排量必须改善外特性以保证动力性,2,）关闭部分气缸,减小换气损失，提高效率，并保证三效催化器对,的要求以减小排放,改善外特性的有效方法为增加进气量，这方面的努力有：,可变进气,增压和可变压缩比,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,可变进气系统,a.,波动充气：利用气体压力波的特性，在进气过程的末期，使缸内气体压力升高，增加进气量,良好的充气效率与进气管长度的选择及转速有关，一般地，高转速时要求较短的进气道；低转速时要求较长的进气道,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,可变进气系统,a.,波动充气：利用气体压力波的特性，在进气过程的末期，使缸内气体压力升高，增加进气量,良好的充气效率与进气管长度的选择及转速有关，一般地，高转速时要求较短的进气道；低转速时要求较长的进气道,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,可变进气系统,b.,谐振充气：通过使进气波动频率与进气系统的自振频率相等，以取得较好的充气效率,Porsche,Carrera,3.6L V6,Porsche 928 S4,BWM M5,Peugeot 605 4V,谐振充气和波动充气可以结合,第四章,降低汽油机污染物排放的措施,第二节 汽油机低排放设计和工作过程的改善,增压和可变压缩比,1,）增压是减小发动机排量，降低部分负荷时油耗的有效方法，汽油机的转速变化范围大（,10007000rpm,），增压器匹配困难，需采用电控可变喷嘴涡轮增压器。,2,）压缩比越高，热效率越高，但压缩比高爆震的发生可能性越高。一般的，部分负荷时提高压缩比以提高效率，高负荷时相应地降低压缩比以避免爆震,第五章,降低柴油机污染物排放的措施,主要内容：,柴油机排气污染物的形成：,CO,、,HC,、,NO,x,、,PM,（后两者是重点）,柴油机运转状态对排放的影响,柴油机低排放技术,燃烧方式的影响：间喷与直喷（后者应用将更广泛）,高压电控喷射：喷油定时、喷油量及喷油率的精确控制,分配泵,直列泵,泵喷嘴,单体泵,共轨,多气门与气流组织,小孔径多孔喷嘴（双弹簧、无压力室）,EGR,HCCI,增压,第五章,降低柴油机污染物排放的措施,第一节 柴油排气污染物的形成和影响因素,柴油机排气污染物的形成,CO,CO,的排气浓度一般很低。尽管存在局部的缺氧区，但,的平均值大于,1,，有足够的氧对已形成的,CO,进行后期的氧化。只有在接近冒烟的界限时，才有较多的,CO,排出,HC,HC,主要产生于过稀的混合气。,高负荷时（,1,.,3,），,HC,形成很少。,部分负荷时，扩散燃烧的区域里，空燃比接近理论空燃比，,HC,形成仍然很少。,壁面冷激效应产生的,HC,，也可以及时与空气混合氧化掉。,总的来说，柴油机排气中,HC,浓度较低，只是在冷启动阶段排放较高,第五章,降低柴油机污染物排放的措施,第一节 柴油排气污染物的形成和影响因素,柴油机排气污染物的形成,NO,x,通常认为柴油机的,NO,x,大多在扩散火焰的锋面形成，火焰区域的高温和,有利于,NO,x,的形成。另外提前喷油也有利于,NO,x,产生，因为燃烧更充分，温度较高。间喷比直喷,NO,x,浓度低一半,PM,&,碳烟（,soot,C,x,）,高温和缺氧,对碳烟的形成十分有利，压力仅对碳烟形成的数量影响很大，压力增加，碳烟的数量浓度也增加。尽管柴油机总体上是富氧燃烧，但由于混合气的不均匀，仍然存在局部的缺氧区,柴油机的主要排放污染物为,PM,和,NO,x,，两者在机内控制方面存在一定的矛盾,第五章,降低柴油机污染物排放的措施,第一节 柴油排气污染物的形成和影响因素,三、柴油机燃烧过程对排放的影响,滞燃期（喷油始,燃烧始,）越长，以及本期内喷入的油量越多会导致速燃期内的预混合燃烧过强，压力升高率过大，燃烧噪声大,速燃期（,燃烧始近最大压力,）为预混合燃烧，本期内压力升高率较大，受滞燃期影响很大，,NO,x,在预混燃烧火焰锋面形成,缓燃期（压力剧升终点,最高温度）为扩散燃烧，,NO,x,在扩散燃烧火焰锋面形成，温度高容易生成,NO,x,后燃期对排放影响很大，容易生成不完全燃烧产物，所以应尽量缩短,第五章,降低柴油机污染物排放的措施,第二节,柴油机低排放设计和工作过程的改善,2,）直喷式柴油机燃油喷射系统优化,对于小型高速直喷式柴油机，其混合气形成和燃烧有如下要求,:,1,）在滞燃期内，喷入气缸的燃油量尽可能少，以免过多的燃油同时燃烧，引起过高