当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第九章：有害排放物生成机理与排放控制 > 9.5 柴油机机内净化技术 > Video
同学们好
这节课我们学习
“柴油机有害物机内净化技术”
与汽油机的有害物排放控制相比
柴油机的有害物排放控制难度更大
这主要是因为柴油机
有害排放物中
多了一种颗粒物组分需要控制
另外柴油机是稀薄燃烧方式
不能使用三效催化器
稀燃条件下采用后处理技术
还原氮氧化物面临挑战
柴油机机内净化的
主要目标是NOx和PM
而CO和HC排放较低
相对容易解决
由于NOx与PM的生成机理是相逆的
导致两者之间存在
图所示的相悖关系
即所谓的Trade-off关系
这意味着降低PM的方法
往往会引起NOx的上升
此外
NOx与燃油消耗率之间
也存在这种Trade-off关系
即降低NOx的措施往往
会引起燃油消耗率的升高
不难看出
通过改善缸内燃烧来
同时降低NOx和颗粒物排放
并保持低的燃油消耗
是一件不容易的事
为使NOx和颗粒物
同时降低并保证高的热效率
柴油机应采取
如图所示的燃烧过程控制思想
也就是由实线所示传统的燃烧过程控制
变为虚线所示燃烧过程控制
其中有两个关键措施
也就是抑制预混合燃烧以降低NOx
促进扩散燃烧以降低颗粒物
和改善热效率
这一指导思想将贯穿于
以下讨论的柴油机
有害物排放控制技术中
柴油机的主要机内净化技术
有推迟喷油时间
采用EGR或中冷EGR
增压或增压中冷
高压喷油
优化燃油喷油规律以及燃烧系统等
1）推迟喷油时刻
柴油机通过推迟喷油时刻
也就是减少喷油提前角
可以有效地抑制NOx的排放
且方法简便易行
图所示给出了
直喷式柴油机喷油时刻
对NOx 碳烟和燃油消耗率的影响
随着喷油提前角减小
NOx显著降低
但同时燃油消耗率
和颗粒物排放恶化
呈现出明显的Trade-off关系
需要注意的是
喷油时间过晚
如上止点后5-10°CA喷油
因为活塞这时候在下行
缸内温度会降低
导致着火落后期加长
反而燃烧温度会升高
NOx会再次升高
2）废气再循环
由于柴油机排气中的
氧含量相对汽油机要高得多
而CO2浓度要小得多
因而必须使用更大量的
废气再循环
才能有效地降低NOx
一般汽油机EGR率不超过20%
而直喷式和非直喷式柴油机的
EGR率可分别超过40%和25%
如图所示
采用EGR可以使NOx明显降低
其原因有两个
一是大量惰性气体阻碍了
燃烧的快速进行
以及混合气的比热容增大
使燃烧温度降低
二是EGR对进气加热
和稀释造成的实际过量空气系数下降
相对缺氧
因而
随EGR率的增大
在NOx降低的同时
碳烟和燃油消耗率
也会随之恶化
如图中虚线所示
为此
可采用冷却EGR的方法
如图中实线所示
在NOx进一步降低的同时
碳烟排放和油耗的恶化
被明显抑制住了
3）增压及增压中冷
增压可以大幅度
提高进气的密度
使燃料在足够大的
过量空气系数条件下燃烧完全
因而碳烟和颗粒物的产生
很容易被抑制住
CO和HC也会进一步降低
增压还可使柴油机的功率
提高30%～100%
由于增压后燃烧充分
加之泵气过程做正功
因而燃油经济性也好
如图所示
在NOx不变的条件下
通过提高增压度
可使过量空气系数增大
从而使排气烟度
和燃油消耗率都得到了明显降低
但增压导致压缩终了
温度升高和富氧氛围
由此会造成NOx排放量升高
可采用增压中冷的方式
使进气温度降低
从而抑制NOx排放的恶化
4）改善喷油特性
首先看看合理的喷油规律
为了实现理想的燃烧过程
合理的喷油规律应如图所示
也就是初期要缓慢
中期要急速
后期要快断
这种理想喷油规律的形状
近似于“靴型”
具体地说
初期喷油率不要过高
以抑制着火落后期内
混合气生成量
降低初期燃烧速率
以达到降低燃烧温度
抑制NOx生成并降低噪音的目的
中期应急速喷油
即采用高喷油压力
和高喷油速率
以加速扩散燃烧速度
防止颗粒物排放和热效率的恶化
后期要迅速结束喷油
以避免低的喷油压力
和喷油速率使雾化质量变差
导致燃烧不完全
碳烟和颗粒物排放增加
（2）多段喷射
随排放控制技术的提高
柴油机逐渐采用多段喷射技术
如图所示
在主喷射之前有预喷射
1 2表示
主喷射之后有后喷射
用4 5表示
预喷射是一种实现“初期缓慢”
喷油规律的方法
如图所示
由初期喷油速率
比较急的方案（1）
变化至预喷射加较低
初期喷油速率的方案（4）
NOx排放依次逐渐降低
图所示给出了有预喷时的
燃烧特性变化
在主喷射前
有一少量的预先喷射
见图中针阀升程
因而在着火落后期内
只能产生有限的可燃混合气量
这部分混合气形成较弱的
初期燃烧放热
并使随后的主喷射燃油的
着火落后期缩短
使初始放热率
和最高燃烧温度降低
因而可明显降低NOx排放
图所示的第一个后喷射
是为了促进大负荷工况时的碳烟氧化
第二个后喷射是
为了后处理系统的再生
或NOx还原反应
关于第二个后喷射
在后面柴油机后处理部分
会进行详细的介绍
这幅图给出了
第一个后喷射的应用实例
将30%左右的柴油在
主喷射之后喷入缸内
可以促进燃烧后期的混合气形成
及燃烧速度
因而后期燃烧压力升高
燃烧持续期缩短
碳烟降低
（3）提高喷射压力
加速燃油与空气混合的
主要方法之一是
使燃油喷雾颗粒进一步细化
以增大燃油与空气的接触表面积
为此
近年来高压喷射技术
在直喷式柴油机上
得到了广泛应用
喷射压力由传统直喷式柴油机的
300~500bar
提高到600~800bar
近年来已达1600～2000bar
这样高的喷射压力
加上喷孔直径的不断缩小
使喷雾的索特平均直径
由过去的30～40μm
减少到10μm左右
油气混合界面显著增大
再加上高速燃油喷射
对周围空气的卷吸作用
使混合气形成速度大大加快
混合气浓度分布更均匀
这幅图给出了一例燃烧过程
高速摄影的对比
当喷油压力
由600bar提高到1200bar时
可以看出着火落后期缩短
着火开始时刻
由过去的喷油器附近
向壁面附近转移
燃烧速率明显加快
高压喷射造成的这种高温高速
以及混合能量很大的燃烧过程
使颗粒物和碳烟排放以及热效率
都有了明显改善
如这幅图所示
当喷油压力由800bar
提高到1600bar时
大负荷时φa=1.3
它的烟度由1.7
降到0.5波许烟度以下
中等负荷时接近0
如果不采取其它措施
一般高压喷射会使NOx增加
但如果合理利用高压喷射时
燃烧持续期短的特点
并且同时用推迟喷油时间以及EGR等方法
有可能使颗粒物和NOx同时降低
5）优化燃烧室设计
（1）看看合理组织燃烧室内的
涡流和湍流运动
通过增强涡流和湍流运动
可以加速混合气形成速率
避免局部混合气过浓
以降低碳烟生成
应特别重视压缩上止点附近
及燃烧过程中的气体流动
（2）控制滞燃期内的混合气生成量
为降低NOx排放和燃烧噪音
应减少滞燃期内的混合气生成量
可用气体运动和燃烧室形状来进行控制
如第7章所述的挤流口式燃烧室
以及球型燃烧室的设计思想
都有减少滞燃期内
混合气生成量的因素
（3）紧凑燃烧室形状
与汽油机相同
柴油机的燃烧室也应尽可能
作到形状紧凑面容比小
这样可使散热损失减小
难以进行燃烧的死角减少
和燃烧持续期变短
尤其可以提高柴油机的
空气利用率
紧凑的燃烧室设计
可以降低碳烟 THC和CO排放
同时降低油耗
常用的方法尽可能减少
活塞顶与汽缸盖之间的顶隙也叫余隙容积
减少第一道活塞环以上的
环岸容积等
使空气集中在燃烧室凹坑里
（4）加强燃烧期间和燃烧后期的扰流
为了降低NOx和燃烧噪声
而又保证燃油经济性不恶化
在采用较缓的初期燃烧放热率的同时
加强扩散燃烧期的气体扰动
可以加强燃烧后期的混合气运动
加速碳烟的氧化和再燃烧
以降低排气碳烟和PM
关于“柴油机有害物机内净化技术”
就介绍到这里
同学们 再见
-0.1 总论
--Video
-0.2 车用发动机的种类
--Video
-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
--Video
-1.3 二冲程发动机示功图分析
--Video
-1.4 性能指标分类与循环指示功
--Video
-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
--Video
-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
--Video
-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
--Video
-2.1 燃料的分类
--Video
-2.2 汽油、柴油的炼制
--Video
-2.3 汽油的理化特性
--Video
-2.4 柴油的理化特性
--Video
-2.5 燃料构成与理化特性
--Video
-2.6 汽油、柴油质量标准
--Video
-2.7 燃料与发动机工作模式
--Video
-2.8 工质主要热力参数
--Video
-2.9 燃烧热化学
--Video
-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
--Video
-3.1 热力过程与热机循环的简化
--Video
-3.2 理论循环分类及循环热效率
--Video
-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
--Video
-3.4 工质对循环热效率的影响
--Video
-3.5 真实循环对热效率的影响
--Video
-3.6 机械损失的构成
--Video
-3.7 机械损失的测量方法
--Video
-3.8 机械效率的影响因素
--Video
-3.9 发动机的能量分配与转化效率
--Video
-3.10 发动机的节能途径与技术
--Video
-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
--Video
-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
--Video
-4.2 配气相位对发动机性能的影响
--Video
-4.3 充量系数的解析式
--Video
-4.4 进气阻力对充量系数的影响
--Video
-4.5 其他因素对充量系数的影响
--Video
-4.6 充量系数的速度特性
--Video
-4.7 压力波及其传播特性
--Video
-4.8 单缸机的进排气动态效应
--Video
-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
--Video
-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
--Video
-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
--Video
-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
--Video
-5.1 发动机运行工况
--Video
-5.2 发动机特性曲线分类
--Video
-5.3 发动机速度特性
--Video
-5.4 发动机负荷特性
--Video
-5.5 发动机全特性
--Video
-5.6 发动机外特性与整车动力性
--Video
-5.7 发动机全特性与整车经济性
--Video
-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
--Video
-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
--Video
-6.1 燃烧现象及其分类
--Video
-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
--Video
-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
--Video
-6.4 均质混合气中的火焰传播
--Video
-6.5 液体燃料的雾化
--Video
-6.6 油滴的蒸发与燃烧
--Video
-6.7 示功图与燃烧放热率
--Video
-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
--Video
-7.2 柴油机燃烧放热规律
--Video
-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
--Video
-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
--Video
-7.7 柴油机混合气形成方式
--Video
-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
--Video
-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
--Video
-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
--Video
-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
--Video
-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
--Video
-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
--Video
-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
--Video
-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
--Video
-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
--Video
-9.4 汽油机机内净化技术
--Video
-9.5 柴油机机内净化技术
--Video
-9.6 汽油机后处理技术
--Video
-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
--Video
-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
--Video
-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
--Video
-10.6 天然气发动机
--Video
-10.7 氢燃料发动机
--Video
-10.8 二甲醚发动机
--Video
-10.9 甲醇发动机
--Video
-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
