第四章 點燃式內(nèi)燃機低排放設(shè)計.ppt

南昌大學機電學院 第四章點燃式內(nèi)燃機低排放設(shè)計 曲軸箱排放物的控制蒸發(fā)排放物的控制冷起動 暖機和怠速排放控制低排放供給系統(tǒng)低排放點火系統(tǒng)低排放燃燒系統(tǒng)排氣再循環(huán)其他低排放技術(shù) 南昌大學機電學院 4 1曲軸箱排放物的控制 竄氣的定義 點燃式內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時 氣缸內(nèi)的高壓可燃混合氣和已燃氣體 在壓縮和膨脹過程會或多或少通過活塞組與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱空間內(nèi) 稱為竄氣 blow bygas 若曲軸箱與大氣相通 則竄氣中的大量未燃碳氫化合物及其不完全燃燒產(chǎn)物會排入大氣形成污染 車用汽油機采用曲軸箱強制通風裝置 PCV PositiveCrankcaseVentilation 新鮮空氣經(jīng)空氣濾清器后引入曲軸箱 和箱內(nèi)的竄氣混合 經(jīng)氣缸蓋罩 計量閥吸入進氣管 實現(xiàn)竄氣的再燃燒 一 曲軸箱強制通風裝置 南昌大學機電學院 當進氣管真空度大 如怠速或小負荷運轉(zhuǎn) 時 閥芯被真空度吸引克服回位彈簧的彈力向右移動 a圖 斜槽的有效流通斷面積變小 避免通風量過大 以保護供油系統(tǒng)的小負荷加濃功能不受過大干擾 系統(tǒng)保證曲軸箱中的壓力永遠不超過大氣壓力 二 計量曲軸箱強制通風量的PCV閥 PCV閥實質(zhì)是流通斷面積隨閥兩端壓差變化而變化的單向閥 根據(jù)彈簧力和進氣管真空度的平衡情況開閉氣體通路 當進氣管真空度小 大負荷 時閥芯所受真空吸力減小 在回位彈簧作用下向左移動 b圖 右端斜槽流通斷面積變大 當閥芯退到接近閥座時 流通斷面積又要減小 若發(fā)生進氣管回火 壓力突然升高會使PCV閥芯壓緊閥座 防止波及曲軸箱引起爆炸事故 而右側(cè)的緩沖彈簧能防止閥芯過分右移使斜槽完全關(guān)閉 同時避免閥芯卡死 南昌大學機電學院 4 1曲軸箱排放物的控制 三 發(fā)動機的竄氣特性和PCV閥的流量特性 發(fā)動機的竄氣流量一般隨發(fā)動機負荷的加大而加大 因此進氣管真空度越小 竄氣量越大 PCV閥理想的流量特性應該與發(fā)動機的竄氣量成正比且有一定余量 以保證發(fā)動機老化 竄氣量增大后PCV系統(tǒng)仍能很好地工作 實際的PCV閥流量特性是對理想特性的近似 壓燃式內(nèi)燃機曲軸箱竄氣中由于未燃HC很少 污染物濃度遠低于汽油機 用不帶PCV閥控制 柴油機對空燃比變化不如汽油機敏感 的閉式曲軸箱通風系統(tǒng) 南昌大學機電學院 4 2蒸發(fā)排放物的控制 一 燃油蒸發(fā)損失 車用汽油機燃油系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸發(fā)排放物占總HC排放量的20 左右 蒸發(fā)排放的4個來源 1 運轉(zhuǎn)損失 指汽車行駛時從發(fā)動機燃油系統(tǒng)逃逸出的燃油蒸氣 一般正常情況下這種損失可忽略不計 2 熱烤損失 指汽車停止行駛時 由于發(fā)動機周圍失去風扇和迎面風的冷卻 發(fā)動機的殘余熱量使燃油溫度升高而造成的蒸發(fā)損失 它主要發(fā)生在汽車停車后1h或更短的時間內(nèi) 化油器的熱烤損失非常大 3 晝夜損失 指晝夜溫度變化造成的燃油系統(tǒng)的燃油蒸發(fā)損失 燃油箱內(nèi)的汽油蒸氣因溫度變化流出箱外現(xiàn)象 是構(gòu)成晝夜損失的主要部分 4 加油損失 指汽車在加油過程所造成的汽油蒸發(fā)損失 包括加油時油箱中汽油蒸氣的溢出 加油時燃油液滴飛濺和燃油的泄漏 這部分損失數(shù)量很大 需要對汽油營銷分配系統(tǒng)的管理和技術(shù)設(shè)施進行改造 南昌大學機電學院 4 2蒸發(fā)排放物的控制 一 燃油蒸發(fā)損失 不同來源對HC排放量的貢獻 汽油雷德蒸氣壓RVP 汽油揮發(fā)度表示方法的一種 指汽油在攝氏三十七點八度 華氏一百度 蒸氣燃油體積比為四比一時之蒸氣壓 圖中顯示 HC排放與RVP的關(guān)系較小 但是加油損失 熱烤損失 晝夜損失都隨RVP的增大而明顯增加 兩圖比較得出 汽油噴射發(fā)動機的熱烤損失大大低于化油器式發(fā)動機 南昌大學機電學院 4 2蒸發(fā)排放物的控制 二 蒸發(fā)排放控制系統(tǒng) 燃油蒸發(fā)控制的方法 曲軸箱存儲式 活性炭罐吸附式 曲軸箱存儲式蒸發(fā)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 應用曲軸箱空間存儲燃油蒸氣 通過PCV系統(tǒng)清除 但是效果較差 活性炭罐吸附式蒸發(fā)控制系統(tǒng)較復雜 但是控制效果好 已經(jīng)得到廣泛應用 為了防止汽油機排放的燃油蒸氣擴散到空氣中 常用活性炭罐作為汽油蒸氣的暫存空間 實現(xiàn)對汽油蒸發(fā)排放物的控制 工作原理 當發(fā)動機不運轉(zhuǎn)時 來自化油器 燃油箱的汽油蒸氣進入活性炭罐中被吸附在活性炭上 當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時 利用進氣管真空度將吸附在活性炭上的汽油蒸氣與進入炭罐的新鮮空氣一起吸入發(fā)動機燃燒室燒掉 活性炭罐式汽油機蒸發(fā)排放控制系統(tǒng) 南昌大學機電學院 化油器式發(fā)動機用的活性炭罐式汽油蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng) 4 2蒸發(fā)排放物的控制 二 蒸發(fā)排放控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中化油器控制閥 4或b圖 的作用 控制化油器浮子室3和平衡孔2的通道在適當?shù)臅r候開閉 既保證化油器在運轉(zhuǎn)時能正常工作 又保證浮子室內(nèi)汽油蒸氣不進入大氣 停機時化油器控制閥使浮子室不通平衡孔 不會使浮子室中的汽油蒸氣經(jīng)平衡孔和空氣濾清器1逸入大氣 蒸氣經(jīng)開啟的膜片閥 5或c圖 進入活性炭罐9 膜片閥的作用 防止發(fā)動機運轉(zhuǎn)時浮子室與大氣相通 損害化油器工作性能 汽油噴射發(fā)動機噴油裝置的運轉(zhuǎn)蒸發(fā)損失和熱烤蒸發(fā)損失比化油器式發(fā)動機少得多 其蒸發(fā)排放控制主要針對燃油箱的晝夜損失 控制系統(tǒng)較簡單 南昌大學機電學院 4 2蒸發(fā)排放物的控制 三 活性炭罐 活性炭罐是整個控制系統(tǒng)的核心 炭罐設(shè)計的要點是避免吸附氣流和清除氣流短路 以保證活性炭填充量的充分利用 圖中實線箭頭表示清除空氣的流動路線 虛線箭頭表示含燃油蒸氣的氣體流動路線 所以活性炭能夠得到充分利用 炭罐的結(jié)構(gòu)使冷凝的燃油儲存在下殼體4的底部 不致逸入大氣 活性炭既要有很強的吸附HC能力 又要容易解吸進行清除或再生 一般用木材或堅果殼熱解炭 并通過在500 用磷酸化學處理活性化 事實證明 化油器式輕型車用發(fā)動機安裝活性炭罐式控制系統(tǒng)前 后測得的蒸發(fā)排放量分別為11 1g test和0 31g test 南昌大學機電學院 4 3冷起動 暖機和怠速排放控制 一 冷起動排放控制 汽油機冷起動時CO和HC排放明顯高于正常運轉(zhuǎn) 要改善冷起動排放問題 應該增大起動機的功率 提高起動轉(zhuǎn)速 增大點火能量 以盡量縮短起動時間 化油器式發(fā)動機冷起動排放性能最差 進氣管噴射汽油機由于燃油霧化較好 排放有較大改善 缸內(nèi)直噴汽油機幾乎不存在冷起動排放問題 冷起動試驗結(jié)果表明 前50個循環(huán)中主要是部分燃燒工況 所以需要對發(fā)動機預熱以促進缸內(nèi)燃燒完全 化油器式發(fā)動機的化油器下面混合室底部安裝冷起動電加熱器 能夠明顯加速起動過程 減少冷起動排放 圓柱狀散熱刺可提高加熱器對混合氣的加熱速率 加熱元件采用正溫度系數(shù)材料 其電阻隨溫度升高而增大 逐漸減少電能消耗 南昌大學機電學院 4 3冷起動 暖機和怠速排放控制 二 暖機期排放控制 點燃式內(nèi)燃機冷起動后很長時間內(nèi)冷卻液和潤滑油溫度較低 導致進氣系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)表面溫度不高 混合氣形成不均勻 燃燒不完全 造成HC和CO排放很高 要縮短暖機期間 關(guān)鍵是使可燃混合氣盡快達到正常溫度 如圖所示采用進氣自動加熱系統(tǒng) 有助改善暖機期的混合氣形成 當空氣濾清器1的凈氣室溫度低于某一預定值 如5 10 時 溫度控制閥2堵住真空管路通氣口 進氣轉(zhuǎn)換閥3的真空膜片室內(nèi)受進氣管真空度的作用 把轉(zhuǎn)換閥提起 于是 經(jīng)排氣管周圍空氣加熱罩4加熱的空氣被吸入空氣濾清器1中 南昌大學機電學院 暖機期間采用進氣自動加熱系統(tǒng)使冷卻水和機油熱起來后 還要保證發(fā)動機起動后盡快達到正常的運轉(zhuǎn)溫度 以減少發(fā)動機在暖機和冷天小負荷運轉(zhuǎn)時污染物的排放 機油冷卻器應有自動控制溫度的裝置 在大負荷下使機油得到足夠的冷卻 又保證暖機時機油很快熱起來 用節(jié)溫器控制冷卻液的循環(huán) 用溫控硅油離合器風扇或溫控電動風扇改善冷卻系統(tǒng)對溫度的適應性 4 3冷起動 暖機和怠速排放控制 二 暖機期排放控制 當溫控閥2的溫度高于40 時 它就打開真空管路通氣口 轉(zhuǎn)換閥3膜片室中無真空度 轉(zhuǎn)換閥在回位彈簧作用下下降 讓未經(jīng)加熱的新鮮空氣進入空氣濾清器1 節(jié)流量孔5使化油器6的配劑不大受溫控閥2開閉的影響 南昌大學機電學院 4 3冷起動 暖機和怠速排放控制 三 怠速排放控制 怠速工況定義 在發(fā)動機無動力輸出情況下以最低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的工況 這時冷卻液和潤滑油的溫度已經(jīng)達到正常的工作溫度 點燃式內(nèi)燃機怠速工況的排放 節(jié)氣門關(guān)小 氣缸內(nèi)殘余廢氣量很大 而很低的轉(zhuǎn)速導致氣流運動緩慢 使混合氣形成不均勻 兩個原因使混合氣不得不加濃 最終導致CO和HC排放很高 但是NOx的排放很少 燃燒溫度很低 降低怠速工況排放采取的措施 右圖表示定轉(zhuǎn)速 500r min 怠速 排氣中CO和HC的體積分數(shù)隨空燃比的變化 圖中顯示 降低怠速時的排放 要精確調(diào)整怠速混合比 當混合氣很濃時 CO排放高 HC相對較低 反之調(diào)稀時 CO大幅度下降 但HC先下降后上升 南昌大學機電學院 4 3冷起動 暖機和怠速排放控制 三 怠速排放控制 怠速時轉(zhuǎn)速對怠速排放的影響 右圖表示CO和HC排放隨怠速轉(zhuǎn)速變化關(guān)系的實測結(jié)果 CO和HC排放隨怠速轉(zhuǎn)速的提高而下降 原因是空燃比增大 轉(zhuǎn)速提高必須對應較大的節(jié)氣門開度和較小的殘余廢氣系數(shù) 傳統(tǒng)的觀點是怠速轉(zhuǎn)速應盡可能低 以節(jié)約燃油消耗 怠運轉(zhuǎn)速多在400 500r min之間 在這樣的轉(zhuǎn)速下 降低排放很困難 現(xiàn)代高速車用汽油機怠速轉(zhuǎn)速多在800 1000r min之間 使怠速排放大大下降 同時較高怠速對驅(qū)動性 要求良好的瞬態(tài)響應 和附件驅(qū)動 車輛空調(diào)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等 也有利 南昌大學機電學院 4 3冷起動 暖機和怠速排放控制 三 怠速排放控制 發(fā)動機的點火定時對怠速排放的影響 右圖表示怠速定轉(zhuǎn)速 450r min CO和HC排放與點火定時的關(guān)系 CO排放 點火提前 CO排放下降 原因是燃燒過程時間延長 不完全燃燒的程度下降導致 HC排放 點火提前角過大時 HC排放急劇上升 主要是點火時可燃混合氣溫度較低 可能出現(xiàn)熄火現(xiàn)象 在點火提前角較小時 隨點火遲后略有下降 原因是排氣溫度提高使HC的后期氧化加強 怠速HC排放與發(fā)動機配氣相位的關(guān)系 試驗結(jié)果表明 進排氣門重疊開啟角增大時 HC排放增加 主要是因為進排氣門同時開啟時 怠速狀態(tài)進氣管內(nèi)存在較大真空度 排氣管內(nèi)的廢氣被吸入氣缸與新鮮混合氣混合 使燃燒溫度降低 易造成失火現(xiàn)象 HC排放惡化 南昌大學機電學院 4 3冷起動 暖機和怠速排放控制 三 怠速排放控制 電控汽油噴射式發(fā)動機的怠速排放 進氣道多點噴射的汽油機可以在熱怠速時使用過量空氣系數(shù)接近1 空燃比閉環(huán)控制 的混合氣 而化油器式發(fā)動機 一般怠速時過量空氣系數(shù)0 7 0 8 電控汽油噴射式發(fā)動機的怠速排放比化油器式發(fā)動機少 原因如下 1 汽油霧化 汽化的質(zhì)量大大改善 2 各缸的空燃比均勻性好 3 空燃比的控制程度高且穩(wěn)定 4 點火時刻的精確控制與點火能量的提高 南昌大學機電學院 4 4低排放供給系統(tǒng) 決定均勻燃燒點燃式內(nèi)燃機性能和排放的關(guān)鍵因素 點燃式內(nèi)燃機供給系統(tǒng)的功用 供給數(shù)量足夠 品質(zhì)優(yōu)良 各缸間分配均質(zhì)的可燃混合氣 混合氣形成的空燃比特性 保證較好的燃料經(jīng)濟性工況 汽車通常行駛的發(fā)動機中 小功率工況 用較化學計量比略稀的可燃混合氣 空燃比約為16 過量空氣系數(shù)約為1 1 保證較好的動力性工況 在汽車加速 上坡或迎風高速行駛等發(fā)動機大功率以至全負荷工況 用略濃的可燃混合氣 空燃比為12 13 過量空氣系數(shù)為0 8 0 9 理想的空燃比特性 在實施排放控制以前 決定空燃比的主要判據(jù)是發(fā)動機的動力性和燃料經(jīng)濟性 南昌大學機電學院 一 化油器的問題及其改進 4 4低排放供給系統(tǒng) 化油器依靠空氣流過文杜里管時喉口中流速增加所產(chǎn)生的低壓來抽取汽油與空氣混合 空氣的快速流動改善了汽油的霧化 空燃比決定于汽油與空氣的流道截面和流動壓差 傳統(tǒng)化油器式汽油機用機械式化油器控制空燃比的原理 機械式化油器控制空燃比的缺陷 受流體力學流動規(guī)律的限制 空燃比的控制不可能很理想 很精確 對多缸機來說 各缸的空燃比也不可能很均勻 機械式化油器控制空燃比遇到的問題 過去 對早期汽油機的正常遠行和工況比較固定的非車用少缸數(shù)汽油機 化油器仍將長期應用下去 現(xiàn)在 隨著排放法規(guī)的逐步嚴格 需要用三效催化轉(zhuǎn)化器來降低車用汽油機的排放 而三效催化轉(zhuǎn)化器 只有在化學計量比混合氣的燃氣中才能有效地同時降低汽油機的三種主要排氣污染物CO HC和NOx 傳統(tǒng)的機械式化油器很難保證這樣精確的空燃比 南昌大學機電學院 一 化油器的問題及其改進 曾經(jīng)的解決辦法 4 4低排放供給系統(tǒng) 20世紀80年代初開發(fā)的電子控制化油器沒有獲得推廣的原因 性能價格比低于電控汽油噴射裝置 德國HJS汽車技術(shù)公司開發(fā)的化油器閉環(huán)電控補氣系統(tǒng) 為降低化油器汽油機的排放取得了良好的效果 傳統(tǒng)化油器與現(xiàn)代汽油噴射裝置之間的過渡技術(shù)的代表 化油器2本身要調(diào)整成濃混合氣狀態(tài) 在化油器的進出口之間加一個旁通空氣通道 利用化油器中節(jié)氣門節(jié)流產(chǎn)生的壓力差 通過旁通氣道對進氣補充空氣 補氣量用電磁閥3控制 電控器9根據(jù)安裝在三效催化轉(zhuǎn)化器6前的排氣氧傳感器5的反饋信號 向電磁閥3發(fā)出相應占空比 方波高電平時間與周期的比例 的PWM PulseWidthModulation脈沖寬度調(diào)制 信號 調(diào)節(jié)化油器的旁通空氣量 保證進入發(fā)動機的可燃混合氣的過量空氣系數(shù)為1 優(yōu)點 試驗證明使用這種電控補氣系統(tǒng)化油器的汽油機 配上三效催化轉(zhuǎn)化器 可以達到歐洲1排放標準 缺點 仍存在化油器發(fā)動機各缸混合氣分配不均和動態(tài)響應緩慢等問題 燃料經(jīng)濟性有所惡化 南昌大學機電學院 二 進氣道汽油噴射系統(tǒng) 單點噴射方案 4 4低排放供給系統(tǒng) 現(xiàn)代汽油機常用的供給系統(tǒng) 進氣道汽油噴射系統(tǒng) 的優(yōu)點 適應工況急劇變化 排放要求很嚴的車用汽油機 淘汰了化油器 早期采用的單點噴射方案 在原化油器位置設(shè)置一個節(jié)氣門總成 用一個噴油器噴油 又稱為節(jié)氣門體噴射系統(tǒng) 優(yōu)點 這種系統(tǒng)構(gòu)造簡單 控制方便 噴孔大 不易堵塞 因而可靠性好 從化油器式發(fā)動機改造成單點噴射發(fā)動機時的改動量最少 缺點 噴射點與各進氣門相距較遠 噴入的汽油有足夠的時間與空氣混合形成均勻的可燃混合氣 因此對噴油的霧化質(zhì)量要求不高 可采用較低的噴射壓力 同時采用較大噴孔造成油霧較粗 部分汽油附著在進氣管道壁面上形成油膜 不能均勻及時地進入氣缸 各缸均勻性和動態(tài)性能較差 南昌大學機電學院 二 進氣道汽油噴射系統(tǒng) 多點噴射方案 4 4低排放供給系統(tǒng) 定義 在每一氣缸的進氣門前用一個噴油器噴油 分類 同時噴射 為控制方便采用各噴油器同時噴油的方案 噴油時一些氣缸的進氣門處于開啟狀態(tài) 另一些氣缸的進氣門關(guān)閉 順序噴射 為使各缸間的油氣混合過程相同獲得總體優(yōu)化 按各缸發(fā)火次序噴射 要控制噴油量 只需要精確檢測吸入發(fā)動機的空氣流量 質(zhì)量流量計 即可 圖示為采用空燃比閉環(huán)控制 進氣道多點順序噴射 排氣三效催化轉(zhuǎn)化器的現(xiàn)代車用汽油機系統(tǒng)圖 包括點火控制 無分電器單獨點火 怠速控制 爆燃控制 燃油蒸發(fā)排放物控制 EGR控制和二次空氣噴射控制 基本能滿足世界現(xiàn)行嚴格的排放法規(guī)要求 南昌大學機電學院 二 進氣道汽油噴射系統(tǒng) 解決冷起動暖機階段的排放問題 4 4低排放供給系統(tǒng) 存在的嚴重問題 冷起動時HC排放高 原因 進氣道噴射系統(tǒng)噴油壓力較低 0 3MPa左右 燃油以較大的油滴 粒度150 300 m 噴向進氣門的背部和氣門口附近的進氣道壁面上 只有少量汽油能在油滴到達壁面之前在空氣中蒸發(fā) 大部分汽油蒸發(fā) 與空氣混合主要依靠進氣門和進氣道壁面的高溫以及在進氣門打開時灼熱廢氣的倒流和沖擊 后果 這種油氣混合模式在冷起動時油氣混合不足 過量供油才使發(fā)動機可靠起動 造成大量未燃HC進入排氣管中的催化轉(zhuǎn)化器 同時冷起動催化劑未達到起燃溫度 250 300 就造成很高的HC排放 冷起動階段對起動初始空燃比標定的原則 以能順利起動為原則 暖機階段要提供較稀的混合氣優(yōu)點1 燃燒后產(chǎn)生的CO和未燃HC較少 優(yōu)點2 排氣溫度較高 配合推遲點火 有利于催化轉(zhuǎn)化器盡快達到起燃溫度 缺點 可能產(chǎn)生暖機怠速不穩(wěn)定問題 需要適當提高暖機轉(zhuǎn)速 采取的措施 對開環(huán)控制的空燃比進行精確的標定 不要過量供給燃油 如右圖示 當空燃比標定較濃時 實線 從發(fā)動機起動到冷卻液溫度達到65 需要11min時間 CO排放很高 當空燃比標定較稀時 虛線 暖機時間縮短為7min CO排放大量減少 未燃HC排放也有類似的變化趨勢 南昌大學機電學院 二 進氣道汽油噴射系統(tǒng) 4 4低排放供給系統(tǒng) 電控汽油噴射系統(tǒng)針對加速工況進行開環(huán)加速加濃控制 如過分加濃會使CO和HC排放大量增加 而加濃不足會使加速性能惡化 圖示為發(fā)動機在三種不同的加速空燃比標定下的排放歷程 對過濃加速 實線 和濃加速 虛線 過濃加速使CO和HC排放大量增加 駕駛員主觀感覺加速性能基本一樣 過濃加速性能無明顯收益 稀加速 點線 則感覺明顯的加速無力 加速性能惡化 加速過程中注意不能使空燃比稀于化學計量比 否則使NOx排放大大增加 解決加速階段的排放問題 解決全轉(zhuǎn)矩工況動力加濃的排放問題 電控汽油噴射系統(tǒng)對接近全轉(zhuǎn)矩工況進行開環(huán)動力加濃控制 以保證最大的動力性 試驗表明 動力加濃空燃比從14 0 過量空氣系數(shù) 0 95 繼續(xù)減小時 最大轉(zhuǎn)矩不再有明顯提高 而CO HC排放和油耗隨混合氣變濃而顯著惡化 因此綜合考慮性能和排放 動力加濃不能過量 達到過量空氣系數(shù)0 95左右即可 南昌大學機電學院 三 缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng) 4 4低排放供給系統(tǒng) 采用缸內(nèi)直接噴射的原因 用高壓將汽油直接噴入氣缸內(nèi)可從原則上解決冷起動時油氣混合不足的問題 因為缸內(nèi)直噴時油氣混合主要依靠燃油噴霧能量 噴霧的平均油滴直徑可小到20 m 在200 空氣中僅需要3ms就能完全蒸發(fā) 如發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500r min 則對應30 CA 和缸內(nèi)空氣湍流動能 與溫度高低關(guān)系不大 不用過量供油 采用缸內(nèi)直接噴射的好處 1 冷起動時不需要過量供油 HC排放大為降低 2 油滴蒸發(fā)主要依靠從空氣中吸熱而不是從壁面吸熱 混合氣的溫度下降 密度上升 充量系數(shù)提高 3 可燃混合氣溫度的降低使爆燃傾向大為降低 壓縮比較進氣道噴射汽油機提高1 2 在其他相同的條件下 南昌大學機電學院 三 缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng) 汽油機稀薄燃燒 4 4低排放供給系統(tǒng) 稀薄燃燒的定義 發(fā)動機混合氣中的汽油含量低 空氣與汽油之比可達25 1以上 20世紀70年代初 豐田及本田公司發(fā)明的燃燒方式從副燃燒室噴出火焰會造成熱能損失 稀混合氣發(fā)動機對油耗的改進效果不明顯 此后由通用 福特 豐田 本田 日產(chǎn)等汽車公司先后搞成的開口式燃燒室可以形成比帶副燃燒室還好的稀薄混合氣燃燒 80年代中期 豐田正式使稀混合氣發(fā)動機產(chǎn)品化 進入90年代 三菱汽車公司研制出來的缸內(nèi)直噴技術(shù)使稀燃技術(shù)又進了一步 目前 各大公司都擁有自己的稀燃技術(shù) 其共同點都是利用缸內(nèi)渦流運動 使聚集在火花塞附近的混合氣最濃 先被點燃后迅速向外層推進燃燒 并有較高的壓縮比 比較著名的三菱缸內(nèi)直噴汽油機 GDI 可令混合比達到40 1它采用立式吸氣口方式 從氣缸蓋的上方吸氣的獨特方式產(chǎn)生強大的下沉氣流 這種下沉氣流在彎曲頂面活塞附近得到加強并在氣缸內(nèi)形成縱向渦旋轉(zhuǎn)流 在高壓旋轉(zhuǎn)噴油器的作用下 壓縮過程后期燃料被直接噴進氣缸內(nèi)形成濃密的噴霧 噴霧在彎曲頂面活塞的頂面空間中不是擴散而是氣化 這種混和氣被縱向渦旋轉(zhuǎn)流帶到火花塞附近 在火花塞四周形成較濃的層狀混和狀態(tài) 這種混合狀態(tài)雖從燃燒室整體來看十分稀薄 但由于呈現(xiàn)從濃厚到稀薄的層狀分布 因此能保證點火并實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒 充量分層稀薄燃燒 南昌大學機電學院 三 缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng) 汽油機稀薄燃燒 4 4低排放供給系統(tǒng) 部分負荷時 圖4 19和圖4 20a 利用立式進氣道產(chǎn)生的缸內(nèi)滾流運動以及彎曲頂面活塞的引導作用 將汽油蒸氣送到火花塞附近 即使缸內(nèi)表觀空燃比很稀 但在火花塞附近始終有可以點燃的足夠濃的混合氣 實現(xiàn)分層稀燃 稀燃界限空燃比 缸內(nèi)平均計算的表觀空燃比 可達40 在大負荷時 圖4 19和圖4 20b 汽油在進氣行程中噴入氣缸 形成均勻的可燃混合氣 實現(xiàn)常規(guī)的預混合燃燒 保證很高的動力性 南昌大學機電學院 三 缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng) 汽油機稀薄燃燒 4 4低排放供給系統(tǒng) 1 怠速時殘余廢氣少 燃燒穩(wěn)定 怠速轉(zhuǎn)速可由進氣道噴射時的750r min降低到600r min 怠速油耗下降40 2 由于部分負荷工況不需關(guān)小節(jié)氣門來限制進氣量 減小了換氣過程的泵氣損失 3 在高空燃比情況下 由于混合氣物性的改變 絕熱指數(shù)增大以及傳熱損失減少 發(fā)動機熱效率可以進一步提高 汽油機采用缸內(nèi)直噴分層稀燃的好處 1 在火花塞周圍燃料濃度均勻遞降的理想的 分層充量 很難形成 燃燒火焰會在汽油極稀的區(qū)域熄滅 造成大量未燃HC 同時影響燃燒效率 2 稀燃汽油機的NOx排放高于加三效催化的均燃汽油機 仍不能滿足嚴格的排放法規(guī) 3 稀燃汽油機的排氣后處理系統(tǒng) NOx的富氧還原催化器 尚未成熟 且要求燃料含硫極低 4 分層稀燃加上大比例EGR使控制復雜 降低了系統(tǒng)的可靠性 缸內(nèi)直噴汽油機分層燃燒存在的問題 目標 在美國等對排放標準極嚴的國家中 著重開發(fā)缸內(nèi)直噴均勻混合氣燃燒的汽油機 方案一是化學計量比均燃配三效催化 方案二是略稀均燃配高比例EGR 南昌大學機電學院 4 5低排放點火系統(tǒng) 為使點燃機高效節(jié)能 動力強勁 排放最低 要求點火可靠 定時優(yōu)化 點火可靠要求點火系在任何情況下點著可燃混合氣 點不著火造成氣缸內(nèi)的所有燃料進入排氣管使發(fā)動機的HC排放出現(xiàn)很大的峰值 點火可靠性主要取決于點火能量 此外還要求火花塞工作可靠 對點火系統(tǒng)的要求 點火能量特性和點火定時特性 點火定時對經(jīng)濟性 燃油消耗率 的影響 如圖示 車用汽油機在常用的部分負荷 過量空氣系數(shù)大于1 1 下 點火越提前 油耗越低 在點火提前角50 CABTDC油耗最低 原因 增大點火提前角增加最高燃燒溫度和循環(huán)效率 降低排氣溫度最低燃油消耗率 無論點火提前角大小 最低油耗均對應過量空氣系數(shù)大約1 1左右 點火定時對NOx排放的影響 推遲點火使最高燃燒溫度下降 使NOx排放減少 點火定時對未燃HC排放的影響 推遲點火使未燃HC排放下降 因為排氣溫度提高使未燃HC在排氣行程和排氣系統(tǒng)中后期氧化作用加強所致 在冷起動和暖機階段 提高排溫也是加速催化劑起燃的有效手段 點火定時對點燃式內(nèi)燃機性能和排放的影響 南昌大學機電學院 4 5低排放點火系統(tǒng) 考慮各種情況和具體要求通過點火標定試驗制定點火提前角的最優(yōu)控制脈譜 實行細致的優(yōu)化控制 下圖是機械式和電子式點火定時調(diào)節(jié)器的點火定時脈譜實例對比 點火定時的優(yōu)化 需要考慮多種因素 傳統(tǒng)的觸點式分電器點火系統(tǒng) 機械調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在全負荷運轉(zhuǎn)時 外特性 通過離心調(diào)節(jié)器使點火提前角隨轉(zhuǎn)速提高而增大 近似實現(xiàn)MBT MinimumSparkAdvancefortheBestTorque 最大轉(zhuǎn)矩的最小點火提前角 特性 保證動力性的前提下提高排放性 部分負荷運轉(zhuǎn)時 通過真空調(diào)節(jié)器使點火提前角隨負荷減小而增大 保證燃油經(jīng)濟性 犧牲排放 電控點火系統(tǒng) 電控點火系統(tǒng)還可根據(jù)機體振動強度檢測是否發(fā)生爆燃 對點火定時進行閉環(huán)反饋控制 爆燃發(fā)生點火系統(tǒng)即推遲點火 爆燃消失 點火定時即恢復爆燃前狀態(tài) 使發(fā)動機總在臨近最佳動力性與最佳經(jīng)濟性點上工作 南昌大學機電學院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 一 燃燒室形狀 點燃式內(nèi)燃機對燃燒室的要求是盡可能使燃燒室緊湊 面容比盡可能小 燃燒室形狀越緊湊 散熱損失越小 燃燒過程就完成得越快 則熱效率越高緊湊的燃燒室火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短 燃燒速率高 減少了不完全燃燒產(chǎn)物CO排放面容比減小使表面冷激淬熄效應減小 從而使未燃HC排放下降 緊湊燃燒室的快速燃燒使最高燃燒溫度上升 導致NOx生成量增加 快速燃燒是采用EGR和推遲點火等降低NOx措施的前提 如果燃燒不加速 用EGR或推遲點火會使燃燒過于拖后 則發(fā)動機性能惡化 緊湊燃燒室的快速燃燒加上優(yōu)化的EGR率和點火定時 可能給出動力性 經(jīng)濟性 NOx排放之間的最佳折衷 因此 圓盤形 浴盆形 楔形燃燒室讓位于半球形 帳篷形等面容比小的緊湊燃燒室 南昌大學機電學院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 一 燃燒室形狀 圖4 23表示常用的楔形燃燒室 開式燃燒室及由楔形改進的緊湊燃燒室 楔形燃燒室在早期曾得到廣泛應用 但其緊湊性已不足于適應現(xiàn)代發(fā)動機的要求 開式燃燒室形狀比較緊湊 且火花塞靠近中心 對燃燒的快速完成比較有利 但研究發(fā)現(xiàn) 只要在楔形燃燒室基礎(chǔ)上改動一下活塞頂面形狀 增加一個凹坑 即可成為緊湊燃燒室 它可增大燃燒過程中的火焰面積 從而增加燃燒速率 南昌大學機電學院 圖4 24是楔形燃燒室改進前后的質(zhì)量燃燒規(guī)律的對比 楔形燃燒室改進后的最高質(zhì)量燃燒速率增加了7 6 圖4 25是楔形燃燒室改進前后己燃區(qū)濕潤壁面積與體積變化規(guī)律的對比 改進后的燃燒室濕潤面積較小 表示燃燒室較緊湊 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 一 燃燒室形狀 南昌大學機電學院 圖4 26表示三種燃燒室的指示熱效率與EGR率的關(guān)系 可以看到 在EGR率增大時MBT 最大轉(zhuǎn)矩的最小點火提前角 指示熱效率先是增加 由于稀釋較嚴重 使燃燒速率下降 降低了充量燃燒溫度定容比熱容CV是單位質(zhì)量某種氣體在保持體積不變的情況下 溫度升高1K時所需的熱量 溫度就是微觀粒子的運動劇烈程度 即微觀粒子運動的速度 按照愛因斯坦的相對論 粒子運動越快 把它加速所需要的能量就越多 因此應該是溫度高 比熱容會變大 溫度降低導致CV減小所以比熱容比增大 則指示熱效率增加 一 燃燒室形狀 比熱容比值為 增加的原因 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 南昌大學機電學院 當EGR率增大到一定程度時 過分稀釋引起的火焰速度的降低超過比熱容比的好處 所以效率急劇下降 圖4 26表明 燃燒迅速的開式燃燒室 圖4 23b 和改進型燃燒室 圖4 23c 與作為基準的楔形燃燒空 圖4 23a 相比 具有較高的指示熱效率和較大的EGR稀釋耐力 一 燃燒室形狀 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 南昌大學機電學院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 一 燃燒室形狀 圖4 26畫有等NOx排放線族 對應排放指數(shù)EINOx 5 60g kg燃料 當EGR率一定時 可見開式燃燒室的效率較楔形燃燒室高 但NOx排放也較高 對比點A和B2 如果給開式燃燒室略為增大EGR率 即可把其NOx量降低到楔形燃燒室的水平 而保持在效率方面的優(yōu)勢 對比點A和C2 表明用較緊湊的開式燃燒室的內(nèi)燃機可在NOx與熱效率之間得到有利的折衷 南昌大學機電學院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 一 燃燒室形狀 圖4 26表明 楔形燃燒室在圖示的運行條件下 兼顧效率的最大EGR率只能在0 05 0 15之間 NOx排放70 30g kg 對應開式和改進型燃燒室來說 最大EGR率達0 25左右 NOx排放降到10 15g kg 楔形燃燒室在EGR率較小時運行 NOx排放較高 點A 60g kg燃料 而在較大的EGR率下運行時效率下降 改進型燃燒室在EGR率較小時效率高 但是NOx排放較高 但是改進型燃燒室可以在較低NOx排放 點C1 40g kg燃料 下運行 此時EGR率為0 18 改進型燃燒室對充量的稀釋有較高的耐力 且不損害效率 圖示表明 楔形燃燒室經(jīng)過小小的改動 排放性能有很大改善 保持較高的熱效率 以上實例具體證實了緊湊的燃燒室對獲得性能與排放之間的有利選擇是重要的 傳統(tǒng)圓盤形 浴盆形 楔形燃燒室讓位于半球形 帳篷形等面容比小 火焰行程短的緊湊燃燒室 南昌大學機電學院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 二 壓縮比 點燃式內(nèi)燃機的壓縮比是最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一 一般都是在燃料辛烷值允許的前提下盡可能用較高的壓縮比 以獲得較好的功率和油耗指標 壓縮比的選取原則 提高壓縮比對排氣凈化不利影響 產(chǎn)生了性能與排放之間的矛盾 1 壓縮比提高使燃燒室更扁平 面容比增大 導致未燃HC生成增加 2 壓縮比提高使排氣溫度下降 未燃HC的后氧化減弱 使HC排放量增多 3 高壓縮比發(fā)動機最高燃燒溫度較高 使NOx生成量增加 熱分解產(chǎn)生的CO也增多 1 傳統(tǒng)的汽油機根據(jù)最易發(fā)生爆燃的工況 如最大轉(zhuǎn)矩工況 MBT點火定時 選擇壓縮比 但是這樣在常用的中小負荷工況 汽油抗爆性能沒有得到充分利用 2 現(xiàn)代汽油機選擇更加高的壓縮比 在大部分工況下能正常燃燒 而在少數(shù)工況下發(fā)生爆燃時 通過爆燃傳感器通知電控器 可適當推遲點火消除爆燃 解決的措施 為降低污染物排放是否要人為降低發(fā)動機的壓縮比 電控點火系統(tǒng)的采用使任意控制點火定時成為可能 為高壓縮比點燃機在性能與排放方面得到更好的折衷提供了很大的潛力 南昌大學機電學院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 三 氣門布置和火花塞位置 為掃除廢氣以及避免爆震燃燒 每缸2氣門的點燃式內(nèi)燃機不得不把火花塞布置在燃燒室的一側(cè) 靠近排氣門處 這樣使燃燒過程拖得較長 每缸3氣門 2進1排 4氣門 2進2排 5氣門 3進2排 的點燃式內(nèi)燃機 1 減小泵氣損失 增加充量系數(shù) 從而改善發(fā)動機性能 降低污染物比排放量 2 可以把火花塞布置在氣缸中央或接近中央位置 縮短火焰?zhèn)鞑ヂ烦?加速燃燒過程 帶來與緊湊燃燒室類似的優(yōu)點 圖4 28表示車用汽油機火花塞位置對部分負荷時燃油消耗率和HC排放的影響 4氣門汽油機火花塞中置 可以用較高的壓縮比 使燃油消耗率較低 4氣門汽油機燃燒室緊湊 HC排放較低 南昌大學機電學院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 四 活塞組設(shè)計 措施1 圖4 29布置得與活塞頂齊平的L形活塞環(huán) 可完全消除產(chǎn)生HC排放的縫隙 從而減少HC放 措施2 如果不能縮小火力岸與氣缸間隙 則適當加大間隙 使燃燒火焰能夠鉆入間隙而不淬熄 也能夠減少HC排放 圖4 30表示4種火力岸結(jié)構(gòu)簡圖 試驗表明 如果結(jié)構(gòu)1的HC排放為100 則結(jié)構(gòu)4可減少22 活塞 活塞環(huán)與氣缸壁之間形成的縫隙對汽油機的HC排放影響很大 在工作可靠的前提下盡量縮小火力岸 活塞頭部 與氣缸的間隙 盡量縮小頂環(huán)到活塞頂?shù)木嚯x 即減小火力岸的高度 為此要尋找熱膨脹更小的活塞材料 例如碳纖維復合材料 和耐熱性更好的活塞環(huán)材料以及合理的結(jié)構(gòu) 解決措施 南昌大學機電學院 4 7排氣再循環(huán) 小負荷下 從缸內(nèi)壓力變動率增大可以看到用EGR使燃燒不穩(wěn)定 甚至導致缺火 使HC排放急增 中等負荷下 用0 1的EGR率 可使NOx排放下降50 70 效果明顯 EGR率過大使燃燒惡化 燃油消耗率增大 HC排放上升 全負荷 追求最大動力性 即使NOx排放很高 也不能用EGR加以控制 以免動力性受害 第二章中已經(jīng)指出 采用排氣再循環(huán) EGR 能有效降低點燃式內(nèi)燃機的NOx排放 圖2 9 用EGR控制NOx排放的缺陷 適當控制EGR率 使之在各種不同工況下得到各種性能 動力性 經(jīng)濟性 燃燒穩(wěn)定性 HC排放 NOx排放等 的最佳折衷 實現(xiàn)NOx的控制目標 用EGR控制NOx排放的技術(shù)關(guān)鍵 南昌大學機電學院 4 7排氣再循環(huán) 1 由于NOx排放量隨發(fā)動機負荷增大而增加 排氣回流量應隨負荷增大而相應增加 2 發(fā)動機暖機過程中 冷卻液溫度和進氣溫度均較低 NOx排放不高 為防止排氣回流破壞燃燒的穩(wěn)定性 在發(fā)動機冷卻液溫度低于50度時不進行EGR 3 怠速和小負荷運行時 NOx排放不高 也不進行EGR 4 接近全負荷時 為使發(fā)動機保持足夠的動力性能 即使NOx排放很高 也不允許進行EGR 5 為了實現(xiàn)EGR的最佳效果 要保證再循環(huán)的排氣在各缸之間均勻分配 即保證各缸的EGR率一致 點燃式內(nèi)燃機EGR系統(tǒng)的控制要點 車用汽油機典型的EGR系統(tǒng) 真空控制機械式EGR系統(tǒng) 設(shè)想 控制規(guī)律全靠進氣管節(jié)氣門后的真空度和真空驅(qū)動EGR閥1的構(gòu)造保證 低溫切斷EGR靠溫度控制閥5實現(xiàn) 這種EGR閥一般靠彈簧回位的膜片閥 作用在膜片上的真空度越大 EGR閥的開度也越大 實際的情況 由于進氣管節(jié)氣門后的真空度隨著節(jié)氣門開度的減小 即發(fā)動機負荷的減小 而加大 因而EGR閥的開度也隨負荷減小而增大 違背了EGR的控制要求 為了修正這種特性 在EGR閥的具體設(shè)計上使用了排氣背壓控制閥的EGR閥 南昌大學機電學院 4 7排氣再循環(huán) 帶排氣背壓控制閥的EGR閥 發(fā)動機在怠速狀態(tài)或小負荷運轉(zhuǎn)時 排氣背壓很低 背壓控制閥1在彈簧10作用下保持開啟 圖4 32a 于是環(huán)境空氣從入口8經(jīng)開啟的控制閥1進入真空室2 驅(qū)動膜片9不升起 因而與其剛性相連的EGR閥15保持關(guān)閉 發(fā)動機在中等轉(zhuǎn)速 中等負荷運轉(zhuǎn)時 排氣背壓升高 背壓控制閥13克服彈簧10的推力而關(guān)閉 進氣管真空度經(jīng)入口4 節(jié)流孔3進入真空室2 于是驅(qū)動膜片9克服回位彈簧11的推力而升起 EGR閥15開啟 再循環(huán)的排氣14進入進氣系統(tǒng) 發(fā)動機大負荷運轉(zhuǎn)時 雖然背壓閥關(guān)閉 但進氣管真空度很小 EGR閥關(guān)閉 以上證明 圖中所示的帶排氣背壓控制閥的EGR閥 可以滿足EGR系統(tǒng)控制要求 這種完全靠進氣管真空度控制的EGR系統(tǒng) 排氣背壓協(xié)助控制 無法得到理想的控制規(guī)律 缺陷 南昌大學機電學院 4 7排氣再循環(huán) 車用汽油機典型的EGR系統(tǒng) 電控真空驅(qū)動EGR系統(tǒng) 右圖所示的電控真空驅(qū)動EGR系統(tǒng) 用電控器7控制真空調(diào)節(jié)器6 真空調(diào)節(jié)器6控制供給真空驅(qū)動EGR閥1的真空度 這樣 通過預先標定的EGR脈譜有可能針對不同工況實現(xiàn)EGR的優(yōu)化控制 車用汽油機典型的EGR系統(tǒng) 閉環(huán)電控EGR系統(tǒng) 在實現(xiàn)全電控的現(xiàn)代汽油機中 應用右圖所示的閉環(huán)電控EGR系統(tǒng) 這種系統(tǒng)一般應用帶EGR閥位置傳感器8的線性位移電磁式EGR閥9 由電控器7發(fā)出的PWM PulseWidthModulation脈沖寬度調(diào)制 信號驅(qū)動 傳感器8發(fā)出的EGR閥位置信號反饋給電控器7 保證精確實現(xiàn)預定的控制脈譜 電控EGR系統(tǒng)的控制脈譜通過發(fā)動機的EGR標定試驗確定 從最佳EGR率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的關(guān)系 得出最佳EGR閥位移 或EGR的PWM信號占空比 隨轉(zhuǎn)速傳感器信號和油門傳感器信號的關(guān)系 再針對冷卻液溫度等參數(shù)進行修正 南昌大學機電學院 4 8其他低排放技術(shù) 傳統(tǒng)汽油機一般采用每缸1進氣門1排氣門 以求結(jié)構(gòu)簡單 近年來高速車用汽油機越來越多采用每缸2進氣門2排氣門結(jié)構(gòu) 少數(shù)發(fā)動機采用每缸2進氣門1排氣門或3進氣門2排氣門結(jié)構(gòu) 采用多氣門技術(shù)的優(yōu)點 當發(fā)動機高速運行時 每缸4氣門工作 保證較大的換氣流通面積 可減少泵氣損失 增大充量系數(shù) 多氣門發(fā)動機可以把火花塞布置在氣缸軸線上或接近這一位置 保證較高的質(zhì)量燃燒速率 發(fā)動機低速運行時 可通過電控系統(tǒng)關(guān)閉其中一個進氣道 使氣缸內(nèi)進氣渦流加強 燃燒改善 較完全的燃燒有助于降低CO和HC排放 而快速燃燒有利于降低NOx與提高效率之間的折衷 一 多氣門技術(shù) 化油器式汽油機很少采用渦輪增壓 因為匹配上有困難 汽油噴射式發(fā)動機渦輪增壓 不僅提高了發(fā)動機在大負荷工作時的動力性和經(jīng)濟性 而且降低發(fā)動機在中小負荷工作時的燃油消耗 原因 因為增壓發(fā)動機在與不增壓機同樣的最大功率需求下可以減小發(fā)動機排量和零件尺寸 使發(fā)動機在實際使用中的負荷率提高 機械效