SAE論文_關(guān)于冷啟動與預(yù)熱的電噴汽油機(jī)的研究

1、20076570(JSAE)2007-32-0070(SAE)關(guān)于冷啟動和預(yù)熱的電噴汽油機(jī)的研究Chunming Hu, Xijuan Song, Na Liu, Wei Li天津大學(xué)天津內(nèi)燃機(jī)研究所版權(quán)所有©2007年的日本公司 版權(quán)所有©2007 SAE國際汽車工程師學(xué)會關(guān)于冷啟動和預(yù)熱的電噴汽油機(jī)的研究版權(quán)所有©2007年的日本公司 版權(quán)所有©2007 SAE國際汽車工程師學(xué)會Chunming Hu, Xijuan Song, Na Liu, Wei Li天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津大學(xué) 冷起動及冷態(tài)運行周期（即發(fā)動機(jī)升溫）的汽油發(fā)動機(jī)是現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的廢氣

2、排放形成的關(guān)鍵點之一，也是日益嚴(yán)格的排放法規(guī)中非常重要的目標(biāo)，。汽油發(fā)動機(jī)在冷啟動和升溫的燃燒穩(wěn)定性將影響其廢氣排放量的形成。本文介紹了在冷啟動和升溫的摩托車汽油發(fā)動機(jī)的高能量燃燒過程的改善,雙火花塞快速燃燒系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，高能量，快速燃燒系統(tǒng)的雙火花塞發(fā)動機(jī)冷起動條件下是非常有幫助的快速點火。同時，由于發(fā)動機(jī)的混合物的燃燒速度增加，這種解決方案可以實現(xiàn)更大的點火延遲和發(fā)動機(jī)的暖機(jī)狀態(tài)下的穩(wěn)定的燃燒過程。其結(jié)果是，它是非常有幫助的，以增加排氣溫度和縮短TWC的光的通斷時間，實現(xiàn)改善 EFI汽油發(fā)動機(jī)的廢氣排放性能?！娟P(guān)鍵詞】冷啟動，暖機(jī)，雙火花塞，快速燃燒系統(tǒng)，汽油發(fā)動機(jī)，電噴1.引言隨著

3、排放法規(guī)越來越嚴(yán)，在發(fā)動機(jī)冷起動過程和冷態(tài)運行周期（即發(fā)動機(jī)升溫）過程中優(yōu)化燃燒和排放控制是尤其重要的。SI發(fā)動機(jī)在冷啟動過程及冷態(tài)運行過程中對碳?xì)浠衔锖吞佳趸衔锏呐欧畔拗档呢暙I(xiàn)是非常突出的，特別是在歐歐試驗周期和FTP-75發(fā)動機(jī)的啟動時刻開始采樣。據(jù)了解，大約50% 80% HC和CO排放量能產(chǎn)生的冷起動階段之前“點火”實現(xiàn)了催化劑和催化劑轉(zhuǎn)換效率增加。與此同時氧傳感器不達(dá)到有效的溫度使電噴系統(tǒng)能夠進(jìn)入閉環(huán)修正。所有這些在冷啟動和預(yù)熱的過程形成的物質(zhì)以CH的形式直接排放到大氣中，并且形成大氣污染。因此，發(fā)動機(jī)的排放控制水平被確定的冷起動燃燒和排放控制。2. 電噴式發(fā)動機(jī)的快速燃燒系統(tǒng)及

4、其測試系統(tǒng)對一個157FMI型單缸，風(fēng)冷，四沖程電控汽油發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研究。它的缸徑和沖程分別56.5毫米和49.5毫米，壓縮比= 9.3。汽油的混合物使用與形成在進(jìn)氣口通過注入汽油精確的空燃比的混合物的濃度，以滿足要求。這項研究所用引擎的快速燃燒系統(tǒng)主要由ECU、高能量的點火系統(tǒng)、點火線圈和基于半球形燃燒室的雙火花塞點火模式組成。兩個獨立的點火系統(tǒng)的對稱布置，和單火花點火模式，同步雙火花點火模式，異步雙火花點火模式下由ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)的條件來實現(xiàn)。1引擎2汽油罐3電子燃油泵4燃油過濾器5TBA 6噴射器7火花塞 8火花塞和在氣缸壓力傳感器9 ECU 10計算機(jī)11排氣任務(wù)分析儀12TWC 13

5、氧傳感器14曲軸角度傳感器15編碼器圖1系統(tǒng)與EFI發(fā)動機(jī)臺架試驗臺架測試系統(tǒng)的研究結(jié)果顯示在圖1。過量空氣系數(shù)一個獲取的ETAS LA-4。自主研發(fā)的校準(zhǔn)系統(tǒng)，用于調(diào)整和校準(zhǔn)參數(shù)的EFI系統(tǒng)。自主研發(fā)的多通道燃燒分析儀是用于在發(fā)動機(jī)燃燒過程中的測試數(shù)據(jù)的采集和分析。一個五組分的廢氣分析儀，用于測量發(fā)動機(jī)的有害排放。3.不同的火花模式的定義圖2示出了兩個獨立的點火系統(tǒng)的草圖。雙火花塞是關(guān)于發(fā)動機(jī)燃燒室的軸線成對稱的。正如前面所描述的，該系統(tǒng)具有兩個實質(zhì)性的點火系統(tǒng)，包括3種點火模式：單火花點火模式下，同步的雙火花點火模式和異步雙火花點火模式。如今，常見的點火方式只使用一個火花塞，所以我們把它稱

6、為單火花點火模式在本文。同步雙火花點火，兩個獨立的點火系統(tǒng)點燃的同時性，而在異步雙火花點火模式，兩個插頭引發(fā)了在不同的點火正時。4.試驗結(jié)果分析該測試主要是針對在4的環(huán)境溫度，0.1MPa的環(huán)境調(diào)查的影響，不同的點火方式及相關(guān)因素的快速燃燒系統(tǒng)上的表現(xiàn)為發(fā)動機(jī)的冷起動及冷態(tài)運行周期（即準(zhǔn)備活動）壓力和電池電壓12.25V。常見的單火花點火能量為6.38mJ，高能量點火能量為8.23mJ。4.1點火正時對發(fā)動機(jī)的冷起動性能的變化的影響圖3顯示，在單火花塞點火模式，一個固定的注射3.7ms的脈沖，節(jié)流閥為3.3，冷啟動燃燒特性。從圖3我們可以看到，對應(yīng)的峰值在氣缸內(nèi)的壓力貝齒在上止點前18

7、6;CA點火正時，不僅遠(yuǎn)高于在其他火花定時，但流通的貝齒也提前，因此，它的啟動速度高于其他點火正時。圖3在發(fā)動機(jī)起動的點火提前角和瞬態(tài)缸壓力的變化關(guān)系。隨著火花定時阻燃，由于到該混合物中的點火和燃燒延遲，最大功率降低，循環(huán)最大功率向后移動。同時，發(fā)動機(jī)的起動速度有所降低，其燃燒后的現(xiàn)象成為更多和更明顯。隨著點火繼續(xù)阻燃，例如TDC0°CA，更多的可燃混合氣燃燒膨脹沖程中較低的最大功率和工作能力（即擴(kuò)大）外部下降，造成啟動速度繼續(xù)減少發(fā)動機(jī)啟動后。在這一刻，雖然可能點燃發(fā)動機(jī)，它不能獨立運行穩(wěn)定，不僅可以由底盤測功機(jī)進(jìn)行聯(lián)動。圖4中所示的發(fā)動機(jī)起動速度和它的波動，上述點火正時。圖5顯示

8、了在冷起動過程中的HC排放量的變化，根據(jù)不同的火花定時注入脈沖3.7ms和4.3ms分別的，節(jié)流閥是在3.3。在點火正時的范圍內(nèi)能夠啟動發(fā)動機(jī)（上止點前10°18°CA），HC排放量幾乎保持不變。在結(jié)合的發(fā)動機(jī)起動速度和氣缸內(nèi)的壓力與分析，藻方舟定時滯后燃燒延遲，這是有益的HC進(jìn)一步氧化，但它也讓燃燒惡化，在這一刻。起始速度和發(fā)動機(jī)起動后氣缸內(nèi)壓力的峰值下降迅速。由于在第一和第二次燃燒循環(huán)的排氣管溫度低，冷啟動后，未燃燒的燃料不能進(jìn)一步氧化完全，然后HC直接排放到空氣中。在繼續(xù)緩點火提前角為0°CA時，發(fā)動機(jī)測功機(jī)聯(lián)動的，因此其HC排放量是最高的。4.2 AT發(fā)動

9、機(jī)冷起動點火方式對燃燒性能的影響圖6顯示了發(fā)動機(jī)冷起動點火之間的同步雙火花塞和普通的單火花點火方式點火正時BTDC5°CA，注入脈沖固定為3.7ms，3.3，節(jié)流閥，在比較?？梢钥闯觯澳Ｊ狡饎舆^程比較，與后者有一個更大的便利。在使用雙火花點火模式下，火花躍出在第三周期中，在氣缸內(nèi)的壓力迅速上升，并顯著高于常見的單火花點火，在相同的火花定時之一，是后者的1.8倍。在這種方式中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速傾斜，可以可靠地穩(wěn)定2s內(nèi)空轉(zhuǎn)速度，提前34秒對比后者;和怠速轉(zhuǎn)速的波動明顯比后者輕輕所示，圖7。這樣做的原因是，雙火花插頭點火模式下，該插頭被對稱地布置在冷起動過程中，縮短了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，有效地

10、提高燃燒率，特別是在燃燒火焰?zhèn)鞑テ陂g率和促進(jìn)火焰發(fā)展迅速，在燃燒過程，從而在發(fā)動機(jī)冷星壽混合燃燒持續(xù)時間明顯縮短。同時，雙火花塞點火模式提供了更多的機(jī)會為混合點燃，在冷啟動的濕壁現(xiàn)象的影響較小。作為一個結(jié)果，在使用雙火花點火模式的HC排放是551ppm，只有1/3的HC排放在普通的單火花點火模式下，高達(dá)1300ppm。因此，在發(fā)動機(jī)最初的啟動周期，失火和點火不穩(wěn)定導(dǎo)致了大量的未燃HC排放。高能量，雙火花塞點火模式下提供更高的點火能量，即使精簡的混合條件下，確保可靠的點火和變窄的噴射脈沖可降低濕壁效應(yīng)的影響后周期，從而降低HC排放。4.3快速燃燒系統(tǒng)的排放量控制對發(fā)動機(jī)冷態(tài)運行周期的影響發(fā)動機(jī)與

11、EFI逐漸進(jìn)入閉環(huán)控制，在冷態(tài)的運行周期和空氣燃料比的方法的理論1。由于排氣管本身的熱慣性，需要一個明確的時間達(dá)到有效溫度的排氣氣體的加熱的條件下，由TWC。 HC的三元催化器的起燃溫度在250300，HC的轉(zhuǎn)換效率只有1020的在TWC預(yù)熱階段，因此HC排放量仍然很高，在此階段4。 TWC的光性能包括輕客的溫度T50and光關(guān)斷時間50，從發(fā)動機(jī)冷起動催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率50分別表示對應(yīng)的溫度和時間。作為光關(guān)斷時間，極大程度上依賴于催化轉(zhuǎn)換器的熱慣性，絕熱水平和流動性的過程除了與催化劑配方，測試整體的催化轉(zhuǎn)換器的性能，甚至在排氣系統(tǒng)中，其測試結(jié)果的相關(guān)性，相關(guān)多直接真正的發(fā)動機(jī)冷起動性能。在

12、考慮實際應(yīng)用中，輕客的性能TWC發(fā)動機(jī)冷起動過程和冷態(tài)運行周期本文。發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分。由于很少NOx排放的條件下，發(fā)動機(jī)暖機(jī)從開始到空閑，催化轉(zhuǎn)換器是幾乎不可檢測后的NOx，因此我們測試和調(diào)查是HC系光關(guān)斷時間性能TWC。4.3.1單火花點火模式對排放在發(fā)動機(jī)怠速，冷態(tài)運行周期的影響圖8顯示在催化轉(zhuǎn)換器的入口的廢氣溫度的實時變化的共同的，單一的火花點火模式下在不同的點火正時，在1500轉(zhuǎn)怠速轉(zhuǎn)速。點火正時阻滯，實時排氣溫度迅速上升，在點火ATDC5°CA，廢氣催化轉(zhuǎn)化器入口溫度達(dá)到20020s內(nèi)，只需要45秒，達(dá)到250，而150S是必要的原始發(fā)動機(jī)達(dá)到200，點火正時

13、的上止點前10°CA，這需要超過500秒，直到達(dá)到250。從圖8可以看出，實時排氣溫度上升速度在50s的第一個，然后慢慢后60s。也就越滯后點火，更快的上升的排氣溫度。如圖9所示，HC排放逐漸減少阻滯點火定時。在點火上止點附近，在怠速的HC排放下降約達(dá)到400ppm，而阻滯ATDC5°CA，低于300PPM。如果不斷阻滯火花點火角，HC排放量變化很小。在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和氣缸內(nèi)壓力分析相結(jié)合，引發(fā)啟用定時滯后延緩燃燒，燃燒后會越來越明顯，這有利于HC進(jìn)一步氧化，但在這一刻，在氣缸內(nèi)的燃燒惡化，最大功率迅速地減少了，失火率要高得多，并直接排放到空氣中的未燃混合氣。其結(jié)果是，排氣管的

14、溫度太低，不能進(jìn)一步氧化劑的未燃混合氣。4.3.2高能量的雙火花塞點火方式對排放在發(fā)動機(jī)怠速，冷啟動運行周期的影響該曲線表明，在圖10的高能量，雙火花火花塞點火的發(fā)動機(jī)與EFI模式下在不同的點火正時的排氣的溫度特性。無論是一個單一的火花塞的點火模式或一個雙火花1，基本上沒有差異，它們的變化規(guī)律，只有在廢氣中的氣體的溫度上升速率的變化區(qū)別。率發(fā)揮了重要作用，在TWC快速輕客的特點。圖11圖14的單/雙火花塞點火發(fā)動機(jī)的燃燒和排放性能，在空閑時，冷啟動運行周期ATDC10°CA模式的影響。根據(jù)同步的高能量，雙火花插頭點火模式下，排氣氣體溫度更迅速地上升，僅15共同的，單火花點火模式的調(diào)整

15、時間即1/2，1從室溫到300的溫度上升，需要，而只有25秒，需要達(dá)到溫度平衡。證實了這一點從圖12的廢氣的溫度上升率，（有我們定義為t/的溫度上升率），高能量，雙火花塞點火模式下的溫度上升率達(dá)到43次，約2.6倍的常見，單火花點火。最大功率前模式的時間是比后者高得多，后者的約2倍，同時其相應(yīng)的相位角先進(jìn)。的高能量，同步雙火花點火模式下提高了汽油發(fā)動機(jī)的燃燒過程中，當(dāng)注射在第一周期中，第2次循環(huán)能跳火，推進(jìn)三個周期，就后者的點火模式。這樣做的原因是，當(dāng)ATDC10°CA，燃燒汽缸內(nèi)點燃惡化，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和燃燒冠狀波動劇烈，失火率過高燃燒，所有這些因素都使HC排放迅速爬了上去，在常見的

16、單火花塞點火模式。初始燃燒過程，很大程度上取決于它的火焰?zhèn)鞑サ狞c火能量，從而在發(fā)動機(jī)的燃燒效率發(fā)揮了重要作用。前點火方式可提供更高的點火能量，很容易點燃混合，從而有利于早期燃燒與火焰的發(fā)展。與常見的單火花點火模式下，高能量的，同步雙火花塞點火模式下同時提供了一個二次點火的機(jī)會，從而提高點火可靠性。它的作用是促進(jìn)汽油的混合物在點火過程中的快速火焰核的形成和發(fā)展，以確保穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ト紵诔跏茧A段。在發(fā)動機(jī)速度和周期，因為這減少波動的高能量，雙火花塞點火模式下提高點火的可靠性，收窄噴射脈沖在一定程度上，在空閑時，冷態(tài)運行周期，以穩(wěn)定燃燒。因此很清楚，前者的點火模式下可以優(yōu)化燃燒和降低HC排放到1/

17、2的共同單火花塞點火模式。4.3.3點火方式在怠速和冷態(tài)燈關(guān)閉時對三元催化器的影響如上所述，有效地提高了點火延遲排氣溫度和其溫和的上升速度，縮短了催化劑的截止時間，但還是沒能縮短時間，一個理想的HC排放量仍然不是一個理想的范圍內(nèi)。圖15表明的光關(guān)斷時間50逐漸縮短與點火正時延遲。在上止點前點燃時，TWC不能被點燃過前70;，當(dāng)點火減速，以ATDC，它是小于60秒，三元催化器點亮。顯然，這是不被加熱的催化劑的條件下，只移動靠近發(fā)動機(jī)的排氣口，以縮短其光關(guān)斷時間的催化劑。實測值在圖15中一個50，同步在高能量的雙火花塞點火模式的明顯短于在使用另一個。相同的點火正時，雙火花塞點火模式下加快燃燒速率的

18、條件下，有效地降低空閑進(jìn)程上的濕壁現(xiàn)象的影響，它也為不完全燃燒和嚴(yán)重的燃燒后所產(chǎn)生的小的節(jié)氣門開度在怠速，補償提高了燃燒效率，排氣溫度上升的速度迅速增加，因此三元催化器起燃的時間可以縮短，那么最終的HC排放量則下跌迅速。5.結(jié)論（1）在初始冷啟動周期的失火和不穩(wěn)定點火導(dǎo)致的未燃HC的排放在很大數(shù)量。高能量，雙火花點火模式即使精簡的混合條件下，確保可靠的點火，收窄噴射脈沖和循環(huán)后的濕壁現(xiàn)象的影響，從而降低HC排放。（2）在發(fā)動機(jī)冷態(tài)運行周期變暖過程HC排放高的重要原因是，總是在不穩(wěn)定的條件下，燃燒不完全，甚至未燃，在此期間發(fā)生的燃燒。高能量，雙火花塞火花塞點火模式，對稱布置的插頭，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，有利于在氣候變暖過程中，混合燃燒持續(xù)時間明顯縮短火焰發(fā)展，在三元催化器可以縮短時間50，那么最終的HC排放量則下跌迅速。（3）高能量，雙火花點火模式下供應(yīng)點火的能量比一個更常見的一種，縮短了火焰?zhèn)鞑?，同時也可以使另一個機(jī)會點燃的混合物，所有這些因素都有