汽油机机内净化技术
第4章 汽油机机内净化技术
小尺寸的涡流和湍流，可大大改善混合气
燃烧过程。
第4章 汽油机机内净化技术
高压缩比燃烧系统 燃料辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压 缩比，以获得较好的功率和油耗指标。 一味提高压缩比对排气净化不利。 电控点火系统的采用使精确控制点火定时成 为可能，为高压缩比点燃机在性能与排放方 面得到更好的折中可提供很大的潜力。
第4章 汽油机机内净化技术
EGR率对汽油机净化与性能的影响 废气再循环能有效地降低汽油发动机的 NOx 排放,但进行EGR时必须要考虑其对发动机动 力性、经济性的影响。通常将EGR率控制在 10%～20%范围内较合适。 冷却 EGR 技术 再循环废气经冷却器冷却后 再送入进气端，进一步降低 进气温度，更有利于降低NOx 排放，同时改善燃油经济性。
第4章 汽油机机内净化技术
汽油喷射电控系统分类
分类方式
按喷油器数目分
主要类别
单点喷射（SPI） 多点喷射（MPI） 按喷射区域分 进气（管)道喷射 缸内喷射 连续喷射 按喷射方式分 间歇喷射 按进气量检测方法分 空气流量型 进气压力型
第4章 汽油机机内净化技术
典型汽油喷射电控系统
1） L－Jetronic系统
该发动机拥有两个化油器或两套进气 管喷射装置，所以可以分别提供不同 过量空气系数的混合气给主、副室的 进气系统。
第4章 汽油机机内净化技术
轴向分层燃烧系统
1-火花塞；2-气缸；3-活塞；4-导气屏进气门；5-喷油器
燃料在涡流作用下，沿气缸轴向产生上浓下 稀的分层。
第4章 汽油机机内净化技术
滚流（纵涡）分层稀燃系统 在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线方 向旋转的有组织的空气旋流，称为滚流， 也称为纵涡或横向涡流。滚流在压缩过程 中逐渐被压扁，在上止点附近破碎成许多
基于机内净化通用小型汽油机燃烧与排放性能优化
通用小型汽油机近年来在产销应用和出口方面均取得了良好的成绩。
目前来讲，国内通用小型汽油机主要通过机内净化技术来降低排放，但在批量生产时，其排放合格率不尽如人意。
本文通过分析当前基于机内净化通用小型汽油机燃烧与排放性能存在的问题，提出了相应的优化措施。
1 通用小型汽油机机内净化存在的主要问题降低通用小型汽油机的排放污染是汽油机发展的主要问题和难点。
净化方式可分为机内净化和机外净化。
机外净化的成本比较高，国内的技术水平、产品质量尚未达到要求。
因而机内净化是目前国内主要采用的净化手段。
机内净化以汽油机产生主要污染物的形成机理为核心，运用新技术、工艺等对发动机的结构进行改进。
最终达到提高发动机的燃烧效率，降低排放的目的。
目前来讲通用小型汽油机的机内净化主要存在以下问题：（1）通用小型汽油机的进排气系统存在缺陷。
主要是空气滤清器的气体流通性低，对进气形成不良阻力，进而影响整机的燃烧排放性能。
（2）发动机工作的混合气浓度大，过量空气系数有待优化。
传统的化油器式燃油供给方式仍是国内市场的主流。
这种供给方式为了使发动机能够有稳定的、持续的动力输出，方便启动，在混合气浓度通常较浓且在控制方面往往不理想。
（3）点火提前角的选择不当。
点火提前角对汽油机的动力性、经济性以及节能减排都会产生影响。
点火提前角过大，汽油机难以维持稳定运转，产生恶性爆震。
提前角过小会使燃烧不充分，增加HC、co的排放。
因此需要有效合理的调节点火提前角。
2 基于机内净化通用小型汽油机燃烧与排放性能优化措施2.1进排气系统优化改进进排气过程组织对汽油机的燃烧效率有显著影响。
其中最为关键的因素就是气道流通能力。
影响气道流通能力主要存在两方面的阻力，即气道内沿程阻力和局部阻力。
为了减小两种阻力对气道流通性的影响，笔者认为应从以下三个方面进行改进。
第一，改善空气滤清器的结构。
空气流通距离大，会产生较大的沿程阻力，因此可以在不改变进气口数量及口径的情况下，调节进气管的长度进而有效的减少沿程损失。
汽油机后处理净化技术概要 PPT
空速特性
空速(SV)：
SV=qv / Vcat
Vcat=(0.5~1)Vst
空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停
留时间(tr)： tr =ε/sV
贵金属用量mpm：mpm =(1.0~2.0) Vcat
我们来了 解空速特
性！
第6章 汽油机后处理净化技术
流动特性
对扩张管的形状、结构进行优化设计是改善催化 转化器流动均匀性的一种有效方法。
排气系统如何匹配
第6章 汽油机后处理净化技术
催化器与燃料及润滑油的匹配 催化器与燃料及润滑油的匹配
选用抗中毒劣化性好的催化剂。
催化器与排放法规之间也应有合理的对应关系
催化器性能越好，贵金属含量越高，成 本越高，应更注重催化器性能恰好满足 当时排放法规。
第6章 汽油机后处理净化技术
6.3 稀燃催化技术
第6章 汽油机后处理净化技术
后处理净化技术
排气系统
在尽量不影响发动 机性能的同时，在 排气系统中安装各 种净化装置，利用 净化装置在排气系 统中对废气进行处 理来降低最终向大 气环境排放的污染 物。
最多的废气后处理净化技术。
一般采用蜂窝结构载体，蜂窝 表面有涂层和活性组分，与废 气的接触表面积大，当发动机 的空燃比在理论空燃比附近时， 催化剂可将90%的碳氢化合物 和一氧化碳及70%的氮氧化物 同时净化。
催化反应过程
第6章 汽油机后处理净化技术
吸附过程
吸附作用是一种或数种物质的原子、分子或 离子附着在另一种物质表面上的过程。
三效催化剂上发生 化学吸附的一般吸
附方程式：
A为吸附质分子（CO、HC或NOX） s为活性中心（或催化中心） A(s)为在吸附表面上形成的表面络合物 H(s)和O(s)分别为氢原子和氧原子吸附在活性中心形成的表面络合物
汽油机机内净化技术
汽油机机内净化技术秦海华机内净化就是指从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进汽油机燃烧过程为核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。
1、大力推广汽油喷射电控系统汽油喷射电控系统就是利用各种传感器检测发动机的各种状态，经过微机判断和计算，来控制发动机在不同的工况下的喷油时刻、喷油量、点火提前角等，使发动机在不同工况下都能获得合适空燃比的混合气，提高燃油的燃烧效率，从而达到降低汽油机污染物排放的目的。
（1）典型汽油喷射电控系统电控汽油喷射系统的特点：①采用电控汽油喷射，用微机来控制每循环的喷油量和喷油时刻，可以按各种工况的要求对燃油量进行校正，其废气排放指标比化油器汽油机好得多。
②在电控多点喷射系统中，每缸采用单独喷油器供油。
这样，可提高各缸空燃比的均匀性和喷油量的精确性。
③燃油雾化特性是由喷油器的特性决定的，与汽油机的转速无关。
因此，启动时仍能保持良好的雾化特性，起动性能良好，且起动时HC排放量少。
④进气系统中没有化油器喉管的节流作用，减少了进气系统的阻力损失，充气效率高。
典型汽油喷射电控系统①L-Jetronic系统；②Motronic系统（2）喷油控制喷油时刻的控制方式：同时喷射、分组喷射、顺序喷射喷油量的控制：喷油量的控制亦即喷油持续时间的控制，其目的是使发动机燃烧混合气的空燃比符合各工况的需要。
方式：起动喷油控制、运转喷油控制、断油控制（超速断油控制、减速断油控制）、反馈控制喷油控制对排放的影响①氧传感器及三效催化转化器闭环控制汽油机的空燃比接近理论空燃比时，三效催化器的转化效率最高，这是通过氧传感器闭环控制来实现的。
其净化机理是当催化转化器达到起燃温度后，有害气体通过三效催化器时，在贵重金属催化剂作用下，发生氧化还原反应，转化为无害气体。
②冷起动及暖机阶段排放控制冷起动时，发动机不是工作组化学计量比附近，且催化剂处于低温状态，远未达到起燃温度（250-300℃），这就使HC排放很高。
5内燃机机内净化
排气管上加装氧传感器，根据排气管中氧的含量，测定进入发动机燃烧室混合气的空燃比值，并输入给ECU。ECU将此信号与设定的目标空燃比值进行比较，不断修正喷油量，形成闭循环，使空燃比保持在设定目标值附近。
分层燃烧就是要合理地组织气缸内混合气分布，使在火花塞周围有较浓的混合气，而在燃烧室内的大部分区域具有很稀的混合气，以确保正常点火和燃烧，同时也扩展了稀燃失火极限，并可提高经济性，减少排放。
柴油机结构一定时，放热规律取决于喷油规律。理想的柴油机喷油规律如下：喷油持续角为16～35°CA，喷油速率的变化要先缓后急，最后高速断油。滞燃期内的初期喷油量控制了初期热放率，从而影响最高燃烧压力和最大压力升高率，需要低速喷油。到了中期，为了提高热效率，应尽量减小喷油持续角并使放热中心接近上止点，需加大喷油量和最高喷油速率。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。
喷油提前角过小——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，发动机容易过热。
喷油压力：高压喷射燃油能够提高油束速度，使燃油喷雾颗粒进一步细化，改善油气混合质量，使得燃烧更加迅速、彻底，控制燃烧温度，降低排放。
喷油规律：柴油机理想燃烧方案应该是：由于预混合燃烧速度快，放热率大，直接决定了缸内最高温度，形成高温富氧环境促进NOx生成，所以需要抑制预混燃烧以降低NOx排放；而在扩散燃烧的前期应该保持快速燃烧速度和温度，从而降低碳烟排放；扩散燃烧后期缸内温度压力不足以对新生成的颗粒物进行氧化，需要缩短后期扩散过程，提高燃油经济性，降低烟度排放。
废气再循环：
汽油机：适用于中等负荷
柴油机：高速大负荷、高速小负荷－限制ERG率；部分负荷－较小的EGR率；低速小负荷－大EGR率。
汽油机后处理净化技术
贵金属Pt,Rh,Pd
载体与催化剂
氧化铝
载体
助催化剂 催化剂涂层
4.2.3 催化反应机理
1. 氧化反应：
CO O2 CO2 H 2 O2 H 2O HC O2 CO2 H 2O
2.还原反应：
CO NO CO2 N 2
HC NO CO2 N2
H 2 NO H 2O N 2
催化剂涂覆示 意图
三效催化转化器的基本结构
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4.2.2 催化剂的种类
1. 铑（Rh）： 铑是三效催化剂中控制氮氧化物的主 要成分，这种高活性与其能有效地分解NO分子有关。 在催化转化器中，铑的典型用量是0.18~0.3g。
2. 铂 （Pt）：铂在三效催化剂中的主要作用是转化一 氧化碳和碳氢化合物。铂在三效催化剂中的典型用量 为1.5~2.5g。
概述
三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术
三效催化转化器一般采用蜂 窝结构载体，蜂窝表面有涂层和 活性组分，与废气的接触表面积 大，当发动机的空燃比在理论空 燃比附近时，催化剂可将90%的 碳氢化合物和一氧化碳及70%的 氮氧化物同时净化。对我们的环 境保护起到了关键作用。三效催 化转化器发展最快。
三元催化器将汽车排气系统中的 有害物质碳氢化合物、一氧化碳 和氮氧化物转化为水蒸气、二氧 化碳和氮气。
三元催化器的位置
催化转换器安装在排气歧管之后、排气消声器之前的排气 管中。其作用是利用催化剂（通常是金属铂、钯和铑；稀土材 料。）的作用将排气中的CO、HC和NOx转换为对人体无害的 气体。催化转换器有氧化催化转换器和三元催化转换器。氧化 转换器只将排气中的CO、HC氧化成CO2和H2O，又称为二元 催化转换器，必须提供二次空气作为氧化剂。三元催化转换器 可以同时降低CO、HC和NOx的排放。它可以以排气中的CO和 HC作为还原剂，将NOx还原成氮气（N2）和氧气（O2），而 CO和HC则被氧化为CO2和H2O。当空燃比在理论空燃比 （14.7）附近时，氧化-还原反应达到平衡， CO、HC和NOx 的排放同时达到最低。
汽油机后处理净化技术之
课程小结课程名称：汽车排放及控制技术学生姓名：陈圆磊学号：1221402014 专业：车辆工程_______________ 所在学院：龙蟠学院_______________2013 年 12 月 15 日汽油机后处理净化技术之———三效催化转化技术本课程小结内容：本人主要根据现有教材并通过校内网络资源查得的文献，介绍了现代汽车排放及控制技术众多技术之一的汽油机后处理净化技术，用于汽油机后处理净化装置众多之一的三效催化转化器技术。
着重介绍：1、改善汽油机后处理净化技术的意义；2、三效催化转化（器）技术的应用及其实际价值，3、三效催化转化器基本结构和工作原理。
1、改善机内净化技术的意义近些年来，随着世界经济的发展中心正呈现出多极化的趋势————中国已逐渐成为对于世界经济发展不可小觑的力量。
比如在汽车制造业，连续数年中国的汽车销量在世界位居群首，然而随之带来的环境污染问题也成为我国政府要重视和加强管理的问题，比如今年全国各地区都出现了不同程度的雾霾天气，也是迄今50多年来出现的最严重和持续时间最长的污染，给人们的正常工作、生活、出行带来了极大不便。
导致这种现象的主要原因是空气中含有大量颗粒物和其他排放物质。
其中汽车排放的污染物比重最大。
因此改善汽车排放对于国家生产发展、安定，国民健康与安全有重大意义。
众所周知，机内净化技术是以改善发动机燃烧过程为主要内容，对降低排气污染起到了较大作用，但其效果有限，且给汽车的动力性和经济性带来不同程度的不利影响。
随着对发动机排放要求的日趋严格，改善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将越来越复杂，成本也急剧上升。
因此，世界各国都先后开发废气后处理净化技术，在不影响或少影响发动机其它性能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，采用物理的和化学的方法降低排气中的污染物最终向大气环境的排放。
2、三效催化转化技术的应用和实际价值三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术。
汽油机后处理净化技术
第4章 汽油机后处理净化技术
4.1 概述 4.2 三效催化转化器 4.3 热反应器与空气喷射 4.4 稀薄燃烧汽油机尾气净化技术
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
1
4.1
概述
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
2
汽车排放与控制技术
机内净化技术
以改善发动机燃烧过程为主，对降低排气 污染起到很大作用，但不同程度地给汽车的 动力性和经济性带来负面影响。
随着对发动机排放要求的日趋严格，改 善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹 兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将 越来越复杂，成本也急剧上升。因此，世界 各国都先后开发太原废理气工大后学车处辆工理程净系 化技术。
7
汽车排放与控制技术
三元催化器将汽车排气系统中的 有害物质碳氢化合物、一氧化碳 太原理工大学车和辆工氮程氧系 化物转化为水蒸气、二氧 化碳和氮气。
太原理工大学机械工程学院车辆工程系
8
三元催化器的位置
汽车排放与控制技术
催化转换器安装在排气歧管之后、排气消声器之前的排气 管中。其作用是利用催化剂（通常是金属铂、钯和铑；稀土材 料。）的作用将排气中的CO、HC和NOx转换为对人体无害的 气体。催化转换器有氧化催化转换器和三元催化转换器。氧化 转换器只将排气中的CO、HC氧化成CO2和H2O，又称为二元 催化转换器，必须提供二次空气作为氧化剂。三元催化转换器 可以同时降低CO、HC和NOx的排放。它可以以排气中的CO和 HC作为还原剂，将NOx还原成氮气（N2）和氧气（O2），而 CO和HC则被氧化为CO2和H2O。当空燃比在理论空燃比 （14.7）附近时，氧化太-还原理原工反大学应车达辆工到程平系 衡， CO、HC和NOx 的排放同时达到最低。
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汽油喷射电控系统分类
分类方式
主要类别
按喷油器数目分
单点喷射（SPI）
多点喷射（MPI）
按喷射区域分
进气（管)道喷射
缸内喷射
按喷射方式分
连续喷射
间歇喷射
按进气量检测方法分 空气流量型
进气压力型
第4章 汽油机机内净化技术
典型汽油喷射电控系统 1） L－Jetronic系统
1-电动燃油泵 2-燃油滤清器 3-压力调节器 4-喷油器5-空气流量 计 6-水温传感器 7-怠速旁通空气阀 8-节气门位置传感器 9-氧传
喷油控制
起动喷油控制
起动时，空气流量计不 能精确检测，ECU按预先 设定的起动程序来进行 喷油控制。
运转喷油控制
发动机运转时， ECU根据进气量和 发动机转速计算 喷油量。
第4章 汽油机机内净化技术
喷油控制
断油控制
超速断油控制——发动机转速超过允许最高转速时， ECU自动中断喷油，减少有害物排放。
感器 10-电子控制单元
第4章 汽油机机内净化技术
典型汽油喷射电控系统 2） Motronic系统
1-电动燃油泵 2-燃油滤清器 3a-节气门位置传感器 3b-压力调节器 3c-喷油器 3d-进气温度传感器连
接柱塞 3e-节气门怠速控制器 4-发动机温度传感器 5-氧传感器 6-电子控制单元
第4章 汽油机机内净化技术
着火延迟期、明显燃烧期、补燃期
第4章 汽油机机内净化技术
汽油车主要排放污染物
汽油车主要污染物
一氧化碳 （（HC）
第4章 汽油机机内净化技术
汽油机机内净化的主要措施
大力推广汽油喷射电控系统。 改善点火系统。 开发分层充气及均质稀燃的新型燃烧系统。 改进进气机构和燃烧室结构。 采用废气再循环控制。
减速断油控制——控制急减速时有害物的排放，减 少燃油消耗量，促使发动机转速尽快下降，有利于 汽车减速。
第4章 汽油机机内净化技术
喷油控制
反馈控制
排气管上氧传感器
氧含量
空燃比
ECU
喷油量保持 设定值附近
修正喷油量
与设定空燃比值比较
第4章 汽油机机内净化技术
喷油控制对排放的影响 1）氧传感器及三效催化转化器闭环控制
•喷油的控制
喷油控制 喷油控制是发动机ECU的主要控制功能，它包括 喷油时刻控制和喷油量控制。
1. 喷油时刻的控制
ECU以曲轴转角传感器的信号为依据进行喷油时刻的控制。 喷油时刻控制方式：同时喷射、分组喷射和顺序喷射。
2. 喷油量的控制
使发动机燃烧混合气的空燃比符合各工况的需要。
第4章 汽油机机内净化技术
第4章 汽油机机内净化技术
怠速排放控制 • 2怠速排放控制
怠速工况是汽油机HC、CO排放浓度很高的工况。 不过，由于燃烧温度很低，怠速时NOx的排放很少。 主要原因：燃烧组织不良，燃烧完全程度是影响HC 和CO生成的最直接因素。 根本措施：在于改善其燃烧过程。
第4章 汽油机机内净化技术
怠速转速控制 汽油机在怠速工况下降低HC和CO排放的方法：
第4章 汽油机机内净化技术
点火系统的控制
目的：使发动机在各种工况下都能调整至最佳点 火时刻，令发动机在动力性、经济性、加速性和 排放均达到最优。
微处理机 点火 （ECU） 器
传感 器
微机控 制点火
系
点火 线圈
第4章 汽油机机内净化技术
点火系统的控制
控
（1）起动时点火提前角的控制
制
策
（2）怠速时点火提前角的控制
汽油机的空燃比接近理论空燃比时，三效催 化器的转化率最高，这需要通过氧传感器闭 环控制来实现的
第4章 汽油机机内净化技术
喷油控制对排放的影响 2） 冷起动及暖机阶段排放控制
冷起动阶段：对开环控制的空燃比进行精 确标定，保障不过量供油。混合气浓度一 般要低于化油器式发动机。
暖机阶段：不要提供太浓的混合气。
2
3 • 废气再循环系统 • 其他机内净化技术
4
第4章 汽油机机内净化技术
机内净化
机内净化：从有害排放物的生成机理及影响因素出 发，以改进发动机燃烧过程为核心，达到减少和抑 制污染物生成的各种技术。
机内净化被公认为是治理车用 汽油机排放污染的治本措施。
第4章 汽油机机内净化技术
汽油机的燃烧过程 按燃烧过程的物理—化学状态，分为三个阶段：
第4章 汽油机机内净化技术
4.1 概述 4.2 汽油喷射电控系统 4.3 低排放燃烧系统 4.4 废气再循环 4.5 增压技术 4.6 汽油机均质压燃技术 4.7 可变气门正时技术 4.8 多气门技术
第4汽章油汽机油机机内机净内化净技化术技用术汽
概述：主要内容
• 汽油喷射电控系统
1
• 典型低排放燃烧系统
提高怠速转速 提高怠速转速可使混合气形成和燃烧均获得 改善，可燃混合气在进气管中的移动速度增加、 充气效率提高、残余废气的稀释度减少。
第4章 汽油机机内净化技术
高能点火对HC排放的作用
① 提高了燃烧速率、减小 了循环变动；
略 （3）正常行驶时点火提前角的控制
第4章 汽油机机内净化技术
点火系统的控制
火花质量和点火正时对排放产生影响：
1）火花质量决定点燃混合气的能力。
火花越弱，出现失火的机会就越多，而失火将会 生成大量的未燃HC。
第4章 汽油机机内净化技术
点火系统的控制
2）点火提前角对燃油消耗 率和有害排放物的影响。
推迟点火
未燃 HC排 放下降
NOx排 放降低
影响动 力性和 经济性
点火提前角对燃油消耗率 和有害排放物的影响
第4章 汽油机机内净化技术
怠速控制 • 1. 怠速自动控制系统 • 怠速转速控制的实质是对怠速时充气量的控
制。 • 发动机怠速运转时，节气门全闭，节气门位
置传感器内的怠速开关触点闭合，ECU根据 这一信号，开始进行怠速自动控制。
第4章 汽油机机内净化技术
汽油喷射电控系统
汽油喷射电控系统概述
利用各种传感器检测发动机各 种状态，经微机的判断、计算， 使发动机在不同工况下均能获 得合适空燃比的混合气。
第4章 汽油机机内净化技术
汽油喷射电控系统概述
与化油器式发动机相比：
（1）采用ECU来控制每循环的喷油量和喷油时刻。 （2）每缸采用单独喷油器供油，这样，可以提高各缸 空燃比的均匀性和喷油量的精确性。 （3）燃油雾化特性是由喷油器的特性决定的，与汽油 机的转速无关。 （4）进气系统中没有化油器喉管的节流作用，减少了 进气系统的阻力损失，充气效率高。