第四章 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)低排放設(shè)計(jì).ppt

南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 第四章點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)低排放設(shè)計(jì) 曲軸箱排放物的控制蒸發(fā)排放物的控制冷起動(dòng) 暖機(jī)和怠速排放控制低排放供給系統(tǒng)低排放點(diǎn)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(xué)機(jī)電學(xué)院 4 1曲軸箱排放物的控制 竄氣的定義 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 氣缸內(nèi)的高壓可燃混合氣和已燃?xì)怏w 在壓縮和膨脹過程會(huì)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?xì)浠衔锛捌洳煌耆紵a(chǎn)物會(huì)排入大氣形成污染 車用汽油機(jī)采用曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)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(jì)量閥吸入進(jìn)氣管 實(shí)現(xiàn)竄氣的再燃燒 一 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 當(dāng)進(jìn)氣管真空度大 如怠速或小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí) 閥芯被真空度吸引克服回位彈簧的彈力向右移動(dòng) a圖 斜槽的有效流通斷面積變小 避免通風(fēng)量過大 以保護(hù)供油系統(tǒng)的小負(fù)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(yuǎn)不超過大氣壓力 二 計(jì)量曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)量的PCV閥 PCV閥實(shí)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(jìn)氣管真空度的平衡情況開閉氣體通路 當(dāng)進(jìn)氣管真空度小 大負(fù)荷 時(shí)閥芯所受真空吸力減小 在回位彈簧作用下向左移動(dòng) b圖 右端斜槽流通斷面積變大 當(dāng)閥芯退到接近閥座時(shí) 流通斷面積又要減小 若發(fā)生進(jìn)氣管回火 壓力突然升高會(huì)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(shí)避免閥芯卡死 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 1曲軸箱排放物的控制 三 發(fā)動(dòng)機(jī)的竄氣特性和PCV閥的流量特性 發(fā)動(dòng)機(jī)的竄氣流量一般隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的加大而加大 因此進(jìn)氣管真空度越小 竄氣量越大 PCV閥理想的流量特性應(yīng)該與發(fā)動(dòng)機(jī)的竄氣量成正比且有一定余量 以保證發(fā)動(dòng)機(jī)老化 竄氣量增大后PCV系統(tǒng)仍能很好地工作 實(shí)際的PCV閥流量特性是對(duì)理想特性的近似 壓燃式內(nèi)燃機(jī)曲軸箱竄氣中由于未燃HC很少 污染物濃度遠(yuǎn)低于汽油機(jī) 用不帶PCV閥控制 柴油機(jī)對(duì)空燃比變化不如汽油機(jī)敏感 的閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng) 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)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(jī)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(gè)來源 1 運(yùn)轉(zhuǎn)損失 指汽車行駛時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì) 2 熱烤損失 指汽車停止行駛時(shí) 由于發(fā)動(dòng)機(jī)周圍失去風(fēng)扇和迎面風(fēng)的冷卻 發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(shí)油箱中汽油蒸氣的溢出 加油時(shí)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(duì)汽油營(yíng)銷分配系統(tǒng)的管理和技術(shù)設(shè)施進(jìn)行改造 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)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(duì)HC排放量的貢獻(xiàn) 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(diǎn)八度 華氏一百度 蒸氣燃油體積比為四比一時(shí)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(dòng)機(jī)的熱烤損失大大低于化油器式發(fā)動(dòng)機(jī) 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)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(chǔ)式 活性炭罐吸附式 曲軸箱存儲(chǔ)式蒸發(fā)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 應(yīng)用曲軸箱空間存儲(chǔ)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(fù)雜 但是控制效果好 已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用 為了防止汽油機(jī)排放的燃油蒸氣擴(kuò)散到空氣中 常用活性炭罐作為汽油蒸氣的暫存空間 實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油蒸發(fā)排放物的控制 工作原理 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 來自化油器 燃油箱的汽油蒸氣進(jìn)入活性炭罐中被吸附在活性炭上 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 利用進(jìn)氣管真空度將吸附在活性炭上的汽油蒸氣與進(jìn)入炭罐的新鮮空氣一起吸入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燒掉 活性炭罐式汽油機(jī)蒸發(fā)排放控制系統(tǒng) 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)?shù)臅r(shí)候開閉 既保證化油器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能正常工作 又保證浮子室內(nèi)汽油蒸氣不進(jìn)入大氣 停機(jī)時(shí)化油器控制閥使浮子室不通平衡孔 不會(huì)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(jìn)入活性炭罐9 膜片閥的作用 防止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)浮子室與大氣相通 損害化油器工作性能 汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)噴油裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)蒸發(fā)損失和熱烤蒸發(fā)損失比化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)少得多 其蒸發(fā)排放控制主要針對(duì)燃油箱的晝夜損失 控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 2蒸發(fā)排放物的控制 三 活性炭罐 活性炭罐是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心 炭罐設(shè)計(jì)的要點(diǎn)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(shí)線箭頭表示清除空氣的流動(dòng)路線 虛線箭頭表示含燃油蒸氣的氣體流動(dòng)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(chǔ)存在下殼體4的底部 不致逸入大氣 活性炭既要有很強(qiáng)的吸附HC能力 又要容易解吸進(jìn)行清除或再生 一般用木材或堅(jiān)果殼熱解炭 并通過在500 用磷酸化學(xué)處理活性化 事實(shí)證明 化油器式輕型車用發(fā)動(dòng)機(jī)安裝活性炭罐式控制系統(tǒng)前 后測(cè)得的蒸發(fā)排放量分別為11 1g test和0 31g test 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 3冷起動(dòng) 暖機(jī)和怠速排放控制 一 冷起動(dòng)排放控制 汽油機(jī)冷起動(dòng)時(shí)CO和HC排放明顯高于正常運(yùn)轉(zhuǎn) 要改善冷起動(dòng)排放問題 應(yīng)該增大起動(dòng)機(jī)的功率 提高起動(dòng)轉(zhuǎn)速 增大點(diǎn)火能量 以盡量縮短起動(dòng)時(shí)間 化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)排放性能最差 進(jìn)氣管噴射汽油機(jī)由于燃油霧化較好 排放有較大改善 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)幾乎不存在冷起動(dòng)排放問題 冷起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明 前50個(gè)循環(huán)中主要是部分燃燒工況 所以需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱以促進(jìn)缸內(nèi)燃燒完全 化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)的化油器下面混合室底部安裝冷起動(dòng)電加熱器 能夠明顯加速起動(dòng)過程 減少冷起動(dòng)排放 圓柱狀散熱刺可提高加熱器對(duì)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(xué)機(jī)電學(xué)院 4 3冷起動(dòng) 暖機(jī)和怠速排放控制 二 暖機(jī)期排放控制 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)冷卻液和潤(rùn)滑油溫度較低 導(dǎo)致進(jìn)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(jī)期間 關(guān)鍵是使可燃混合氣盡快達(dá)到正常溫度 如圖所示采用進(jìn)氣自動(dòng)加熱系統(tǒng) 有助改善暖機(jī)期的混合氣形成 當(dāng)空氣濾清器1的凈氣室溫度低于某一預(yù)定值 如5 10 時(shí) 溫度控制閥2堵住真空管路通氣口 進(jìn)氣轉(zhuǎn)換閥3的真空膜片室內(nèi)受進(jìn)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(xué)機(jī)電學(xué)院 暖機(jī)期間采用進(jìn)氣自動(dòng)加熱系統(tǒng)使冷卻水和機(jī)油熱起來后 還要保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后盡快達(dá)到正常的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度 以減少發(fā)動(dòng)機(jī)在暖機(jī)和冷天小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)污染物的排放 機(jī)油冷卻器應(yīng)有自動(dòng)控制溫度的裝置 在大負(fù)荷下使機(jī)油得到足夠的冷卻 又保證暖機(jī)時(shí)機(jī)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(fēng)扇或溫控電動(dòng)風(fēng)扇改善冷卻系統(tǒng)對(duì)溫度的適應(yīng)性 4 3冷起動(dòng) 暖機(jī)和怠速排放控制 二 暖機(jī)期排放控制 當(dāng)溫控閥2的溫度高于40 時(shí) 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(jìn)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(xué)機(jī)電學(xué)院 4 3冷起動(dòng) 暖機(jī)和怠速排放控制 三 怠速排放控制 怠速工況定義 在發(fā)動(dòng)機(jī)無動(dòng)力輸出情況下以最低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的工況 這時(shí)冷卻液和潤(rùn)滑油的溫度已經(jīng)達(dá)到正常的工作溫度 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)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(dǎo)致氣流運(yùn)動(dòng)緩慢 使混合氣形成不均勻 兩個(gè)原因使混合氣不得不加濃 最終導(dǎo)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?jǐn)?shù)隨空燃比的變化 圖中顯示 降低怠速時(shí)的排放 要精確調(diào)整怠速混合比 當(dāng)混合氣很濃時(shí) CO排放高 HC相對(duì)較低 反之調(diào)稀時(shí) CO大幅度下降 但HC先下降后上升 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 3冷起動(dòng) 暖機(jī)和怠速排放控制 三 怠速排放控制 怠速時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)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(shí)測(cè)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(duì)應(yīng)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(diǎn)是怠速轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能低 以節(jié)約燃油消耗 怠運(yùn)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(jī)怠速轉(zhuǎn)速多在800 1000r min之間 使怠速排放大大下降 同時(shí)較高怠速對(duì)驅(qū)動(dòng)性 要求良好的瞬態(tài)響應(yīng) 和附件驅(qū)動(dòng) 車輛空調(diào)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等 也有利 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 3冷起動(dòng) 暖機(jī)和怠速排放控制 三 怠速排放控制 發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火定時(shí)對(duì)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(diǎn)火定時(shí)的關(guān)系 CO排放 點(diǎn)火提前 CO排放下降 原因是燃燒過程時(shí)間延長(zhǎng) 不完全燃燒的程度下降導(dǎo)致 HC排放 點(diǎn)火提前角過大時(shí) HC排放急劇上升 主要是點(diǎn)火時(shí)可燃混合氣溫度較低 可能出現(xiàn)熄火現(xiàn)象 在點(diǎn)火提前角較小時(shí) 隨點(diǎn)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(qiáng) 怠速HC排放與發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位的關(guān)系 試驗(yàn)結(jié)果表明 進(jìn)排氣門重疊開啟角增大時(shí) HC排放增加 主要是因?yàn)檫M(jìn)排氣門同時(shí)開啟時(shí) 怠速狀態(tài)進(jìn)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(xué)機(jī)電學(xué)院 4 3冷起動(dòng) 暖機(jī)和怠速排放控制 三 怠速排放控制 電控汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速排放 進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射的汽油機(jī)可以在熱怠速時(shí)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(dòng)機(jī) 一般怠速時(shí)過量空氣系數(shù)0 7 0 8 電控汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速排放比化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)火時(shí)刻的精確控制與點(diǎn)火能量的提高 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 4低排放供給系統(tǒng) 決定均勻燃燒點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)性能和排放的關(guān)鍵因素 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)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(jì)性工況 汽車通常行駛的發(fā)動(dòng)機(jī)中 小功率工況 用較化學(xué)計(jì)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(dòng)力性工況 在汽車加速 上坡或迎風(fēng)高速行駛等發(fā)動(dòng)機(jī)大功率以至全負(fù)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(shí)施排放控制以前 決定空燃比的主要判據(jù)是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 一 化油器的問題及其改進(jìn) 4 4低排放供給系統(tǒng) 化油器依靠空氣流過文杜里管時(shí)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(dòng)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(dòng)壓差 傳統(tǒng)化油器式汽油機(jī)用機(jī)械式化油器控制空燃比的原理 機(jī)械式化油器控制空燃比的缺陷 受流體力學(xué)流動(dòng)規(guī)律的限制 空燃比的控制不可能很理想 很精確 對(duì)多缸機(jī)來說 各缸的空燃比也不可能很均勻 機(jī)械式化油器控制空燃比遇到的問題 過去 對(duì)早期汽油機(jī)的正常遠(yuǎn)行和工況比較固定的非車用少缸數(shù)汽油機(jī) 化油器仍將長(zhǎng)期應(yīng)用下去 現(xiàn)在 隨著排放法規(guī)的逐步嚴(yán)格 需要用三效催化轉(zhuǎn)化器來降低車用汽油機(jī)的排放 而三效催化轉(zhuǎn)化器 只有在化學(xué)計(jì)量比混合氣的燃?xì)庵胁拍苡行У赝瑫r(shí)降低汽油機(jī)的三種主要排氣污染物CO HC和NOx 傳統(tǒng)的機(jī)械式化油器很難保證這樣精確的空燃比 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 一 化油器的問題及其改進(jìn) 曾經(jīng)的解決辦法 4 4低排放供給系統(tǒng) 20世紀(jì)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(jià)格比低于電控汽油噴射裝置 德國(guó)HJS汽車技術(shù)公司開發(fā)的化油器閉環(huán)電控補(bǔ)氣系統(tǒng) 為降低化油器汽油機(jī)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(jìn)出口之間加一個(gè)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(duì)進(jìn)氣補(bǔ)充空氣 補(bǔ)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(hào) 向電磁閥3發(fā)出相應(yīng)占空比 方波高電平時(shí)間與周期的比例 的PWM PulseWidthModulation脈沖寬度調(diào)制 信號(hào) 調(diào)節(jié)化油器的旁通空氣量 保證進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的可燃混合氣的過量空氣系數(shù)為1 優(yōu)點(diǎn) 試驗(yàn)證明使用這種電控補(bǔ)氣系統(tǒng)化油器的汽油機(jī) 配上三效催化轉(zhuǎn)化器 可以達(dá)到歐洲1排放標(biāo)準(zhǔn) 缺點(diǎn) 仍存在化油器發(fā)動(dòng)機(jī)各缸混合氣分配不均和動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢等問題 燃料經(jīng)濟(jì)性有所惡化 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 二 進(jìn)氣道汽油噴射系統(tǒng) 單點(diǎn)噴射方案 4 4低排放供給系統(tǒng) 現(xiàn)代汽油機(jī)常用的供給系統(tǒng) 進(jìn)氣道汽油噴射系統(tǒng) 的優(yōu)點(diǎn) 適應(yīng)工況急劇變化 排放要求很嚴(yán)的車用汽油機(jī) 淘汰了化油器 早期采用的單點(diǎn)噴射方案 在原化油器位置設(shè)置一個(gè)節(jié)氣門總成 用一個(gè)噴油器噴油 又稱為節(jié)氣門體噴射系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn) 這種系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)改造成單點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的改動(dòng)量最少 缺點(diǎn) 噴射點(diǎn)與各進(jìn)氣門相距較遠(yuǎn) 噴入的汽油有足夠的時(shí)間與空氣混合形成均勻的可燃混合氣 因此對(duì)噴油的霧化質(zhì)量要求不高 可采用較低的噴射壓力 同時(shí)采用較大噴孔造成油霧較粗 部分汽油附著在進(jìn)氣管道壁面上形成油膜 不能均勻及時(shí)地進(jìn)入氣缸 各缸均勻性和動(dòng)態(tài)性能較差 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 二 進(jìn)氣道汽油噴射系統(tǒng) 多點(diǎn)噴射方案 4 4低排放供給系統(tǒng) 定義 在每一氣缸的進(jìn)氣門前用一個(gè)噴油器噴油 分類 同時(shí)噴射 為控制方便采用各噴油器同時(shí)噴油的方案 噴油時(shí)一些氣缸的進(jìn)氣門處于開啟狀態(tài) 另一些氣缸的進(jìn)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(cè)吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量 質(zhì)量流量計(jì) 即可 圖示為采用空燃比閉環(huán)控制 進(jìn)氣道多點(diǎn)順序噴射 排氣三效催化轉(zhuǎn)化器的現(xiàn)代車用汽油機(jī)系統(tǒng)圖 包括點(diǎn)火控制 無分電器單獨(dú)點(diǎn)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(yán)格的排放法規(guī)要求 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 二 進(jìn)氣道汽油噴射系統(tǒng) 解決冷起動(dòng)暖機(jī)階段的排放問題 4 4低排放供給系統(tǒng) 存在的嚴(yán)重問題 冷起動(dòng)時(shí)HC排放高 原因 進(jìn)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(jìn)氣門的背部和氣門口附近的進(jìn)氣道壁面上 只有少量汽油能在油滴到達(dá)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(jìn)氣門和進(jìn)氣道壁面的高溫以及在進(jìn)氣門打開時(shí)灼熱廢氣的倒流和沖擊 后果 這種油氣混合模式在冷起動(dòng)時(shí)油氣混合不足 過量供油才使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠起動(dòng) 造成大量未燃HC進(jìn)入排氣管中的催化轉(zhuǎn)化器 同時(shí)冷起動(dòng)催化劑未達(dá)到起燃溫度 250 300 就造成很高的HC排放 冷起動(dòng)階段對(duì)起動(dòng)初始空燃比標(biāo)定的原則 以能順利起動(dòng)為原則 暖機(jī)階段要提供較稀的混合氣優(yōu)點(diǎn)1 燃燒后產(chǎn)生的CO和未燃HC較少 優(yōu)點(diǎn)2 排氣溫度較高 配合推遲點(diǎn)火 有利于催化轉(zhuǎn)化器盡快達(dá)到起燃溫度 缺點(diǎn) 可能產(chǎn)生暖機(jī)怠速不穩(wěn)定問題 需要適當(dāng)提高暖機(jī)轉(zhuǎn)速 采取的措施 對(duì)開環(huán)控制的空燃比進(jìn)行精確的標(biāo)定 不要過量供給燃油 如右圖示 當(dāng)空燃比標(biāo)定較濃時(shí) 實(shí)線 從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到冷卻液溫度達(dá)到65 需要11min時(shí)間 CO排放很高 當(dāng)空燃比標(biāo)定較稀時(shí) 虛線 暖機(jī)時(shí)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(shì) 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 二 進(jìn)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(duì)加速工況進(jìn)行開環(huán)加速加濃控制 如過分加濃會(huì)使CO和HC排放大量增加 而加濃不足會(huì)使加速性能惡化 圖示為發(fā)動(dòng)機(jī)在三種不同的加速空燃比標(biāo)定下的排放歷程 對(duì)過濃加速 實(shí)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(diǎn)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(xué)計(jì)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(dòng)力加濃的排放問題 電控汽油噴射系統(tǒng)對(duì)接近全轉(zhuǎn)矩工況進(jìn)行開環(huán)動(dòng)力加濃控制 以保證最大的動(dòng)力性 試驗(yàn)表明 動(dòng)力加濃空燃比從14 0 過量空氣系數(shù) 0 95 繼續(xù)減小時(shí) 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(dòng)力加濃不能過量 達(dá)到過量空氣系數(shù)0 95左右即可 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)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(dòng)時(shí)油氣混合不足的問題 因?yàn)楦變?nèi)直噴時(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r min 則對(duì)應(yīng)30 CA 和缸內(nèi)空氣湍流動(dòng)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(dòng)時(shí)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(jìn)氣道噴射汽油機(jī)提高1 2 在其他相同的條件下 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 三 缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng) 汽油機(jī)稀薄燃燒 4 4低排放供給系統(tǒng) 稀薄燃燒的定義 發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣中的汽油含量低 空氣與汽油之比可達(dá)25 1以上 20世紀(jì)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(huì)造成熱能損失 稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)油耗的改進(jìn)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(dòng)機(jī)產(chǎn)品化 進(jìn)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(jìn)了一步 目前 各大公司都擁有自己的稀燃技術(shù) 其共同點(diǎn)都是利用缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng) 使聚集在火花塞附近的混合氣最濃 先被點(diǎn)燃后迅速向外層推進(jìn)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(jī) GDI 可令混合比達(dá)到40 1它采用立式吸氣口方式 從氣缸蓋的上方吸氣的獨(dú)特方式產(chǎn)生強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(kuò)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(diǎn)火并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒 充量分層稀薄燃燒 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 三 缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng) 汽油機(jī)稀薄燃燒 4 4低排放供給系統(tǒng) 部分負(fù)荷時(shí) 圖4 19和圖4 20a 利用立式進(jìn)氣道產(chǎn)生的缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng)以及彎曲頂面活塞的引導(dǎo)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(diǎn)燃的足夠濃的混合氣 實(shí)現(xiàn)分層稀燃 稀燃界限空燃比 缸內(nèi)平均計(jì)算的表觀空燃比 可達(dá)40 在大負(fù)荷時(shí) 圖4 19和圖4 20b 汽油在進(jìn)氣行程中噴入氣缸 形成均勻的可燃混合氣 實(shí)現(xiàn)常規(guī)的預(yù)混合燃燒 保證很高的動(dòng)力性 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 三 缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng) 汽油機(jī)稀薄燃燒 4 4低排放供給系統(tǒng) 1 怠速時(shí)殘余廢氣少 燃燒穩(wěn)定 怠速轉(zhuǎn)速可由進(jìn)氣道噴射時(shí)的750r min降低到600r min 怠速油耗下降40 2 由于部分負(fù)荷工況不需關(guān)小節(jié)氣門來限制進(jìn)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(dòng)機(jī)熱效率可以進(jìn)一步提高 汽油機(jī)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(huì)在汽油極稀的區(qū)域熄滅 造成大量未燃HC 同時(shí)影響燃燒效率 2 稀燃汽油機(jī)的NOx排放高于加三效催化的均燃汽油機(jī) 仍不能滿足嚴(yán)格的排放法規(guī) 3 稀燃汽油機(jī)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(fù)雜 降低了系統(tǒng)的可靠性 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)分層燃燒存在的問題 目標(biāo) 在美國(guó)等對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)極嚴(yán)的國(guó)家中 著重開發(fā)缸內(nèi)直噴均勻混合氣燃燒的汽油機(jī) 方案一是化學(xué)計(jì)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(xué)機(jī)電學(xué)院 4 5低排放點(diǎn)火系統(tǒng) 為使點(diǎn)燃機(jī)高效節(jié)能 動(dòng)力強(qiáng)勁 排放最低 要求點(diǎn)火可靠 定時(shí)優(yōu)化 點(diǎn)火可靠要求點(diǎn)火系在任何情況下點(diǎn)著可燃混合氣 點(diǎn)不著火造成氣缸內(nèi)的所有燃料進(jìn)入排氣管使發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放出現(xiàn)很大的峰值 點(diǎn)火可靠性主要取決于點(diǎn)火能量 此外還要求火花塞工作可靠 對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的要求 點(diǎn)火能量特性和點(diǎn)火定時(shí)特性 點(diǎn)火定時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)性 燃油消耗率 的影響 如圖示 車用汽油機(jī)在常用的部分負(fù)荷 過量空氣系數(shù)大于1 1 下 點(diǎn)火越提前 油耗越低 在點(diǎn)火提前角50 CABTDC油耗最低 原因 增大點(diǎn)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(diǎn)火提前角大小 最低油耗均對(duì)應(yīng)過量空氣系數(shù)大約1 1左右 點(diǎn)火定時(shí)對(duì)NOx排放的影響 推遲點(diǎn)火使最高燃燒溫度下降 使NOx排放減少 點(diǎn)火定時(shí)對(duì)未燃HC排放的影響 推遲點(diǎn)火使未燃HC排放下降 因?yàn)榕艢鉁囟忍岣呤刮慈糎C在排氣行程和排氣系統(tǒng)中后期氧化作用加強(qiáng)所致 在冷起動(dòng)和暖機(jī)階段 提高排溫也是加速催化劑起燃的有效手段 點(diǎn)火定時(shí)對(duì)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)性能和排放的影響 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 5低排放點(diǎn)火系統(tǒng) 考慮各種情況和具體要求通過點(diǎn)火標(biāo)定試驗(yàn)制定點(diǎn)火提前角的最優(yōu)控制脈譜 實(shí)行細(xì)致的優(yōu)化控制 下圖是機(jī)械式和電子式點(diǎn)火定時(shí)調(diào)節(jié)器的點(diǎn)火定時(shí)脈譜實(shí)例對(duì)比 點(diǎn)火定時(shí)的優(yōu)化 需要考慮多種因素 傳統(tǒng)的觸點(diǎn)式分電器點(diǎn)火系統(tǒng) 機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 外特性 通過離心調(diào)節(jié)器使點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速提高而增大 近似實(shí)現(xiàn)MBT MinimumSparkAdvancefortheBestTorque 最大轉(zhuǎn)矩的最小點(diǎn)火提前角 特性 保證動(dòng)力性的前提下提高排放性 部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 通過真空調(diào)節(jié)器使點(diǎn)火提前角隨負(fù)荷減小而增大 保證燃油經(jīng)濟(jì)性 犧牲排放 電控點(diǎn)火系統(tǒng) 電控點(diǎn)火系統(tǒng)還可根據(jù)機(jī)體振動(dòng)強(qiáng)度檢測(cè)是否發(fā)生爆燃 對(duì)點(diǎn)火定時(shí)進(jìn)行閉環(huán)反饋控制 爆燃發(fā)生點(diǎn)火系統(tǒng)即推遲點(diǎn)火 爆燃消失 點(diǎn)火定時(shí)即恢復(fù)爆燃前狀態(tài) 使發(fā)動(dòng)機(jī)總在臨近最佳動(dòng)力性與最佳經(jīng)濟(jì)性點(diǎn)上工作 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 一 燃燒室形狀 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)對(duì)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(yīng)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(dǎo)致NOx生成量增加 快速燃燒是采用EGR和推遲點(diǎn)火等降低NOx措施的前提 如果燃燒不加速 用EGR或推遲點(diǎn)火會(huì)使燃燒過于拖后 則發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化 緊湊燃燒室的快速燃燒加上優(yōu)化的EGR率和點(diǎn)火定時(shí) 可能給出動(dòng)力性 經(jīng)濟(jì)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(xué)機(jī)電學(xué)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(jìn)的緊湊燃燒室 楔形燃燒室在早期曾得到廣泛應(yīng)用 但其緊湊性已不足于適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的要求 開式燃燒室形狀比較緊湊 且火花塞靠近中心 對(duì)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(dòng)一下活塞頂面形狀 增加一個(gè)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(xué)機(jī)電學(xué)院 圖4 24是楔形燃燒室改進(jìn)前后的質(zhì)量燃燒規(guī)律的對(duì)比 楔形燃燒室改進(jìn)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(jìn)前后己燃區(qū)濕潤(rùn)壁面積與體積變化規(guī)律的對(duì)比 改進(jìn)后的燃燒室濕潤(rùn)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(xué)機(jī)電學(xué)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(shí)MBT 最大轉(zhuǎn)矩的最小點(diǎn)火提前角 指示熱效率先是增加 由于稀釋較嚴(yán)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(shí)所需的熱量 溫度就是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)劇烈程度 即微觀粒子運(yùn)動(dòng)的速度 按照愛因斯坦的相對(duì)論 粒子運(yùn)動(dòng)越快 把它加速所需要的能量就越多 因此應(yīng)該是溫度高 比熱容會(huì)變大 溫度降低導(dǎo)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(xué)機(jī)電學(xué)院 當(dāng)EGR率增大到一定程度時(shí) 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(jìn)型燃燒室 圖4 23c 與作為基準(zhǔn)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(xué)機(jī)電學(xué)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(duì)應(yīng)排放指數(shù)EINOx 5 60g kg燃料 當(dāng)EGR率一定時(shí) 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(duì)比點(diǎn)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(shì) 對(duì)比點(diǎn)A和C2 表明用較緊湊的開式燃燒室的內(nèi)燃機(jī)可在NOx與熱效率之間得到有利的折衷 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)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(yùn)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(duì)應(yīng)開式和改進(jìn)型燃燒室來說 最大EGR率達(dá)0 25左右 NOx排放降到10 15g kg 楔形燃燒室在EGR率較小時(shí)運(yùn)行 NOx排放較高 點(diǎn)A 60g kg燃料 而在較大的EGR率下運(yùn)行時(shí)效率下降 改進(jìn)型燃燒室在EGR率較小時(shí)效率高 但是NOx排放較高 但是改進(jìn)型燃燒室可以在較低NOx排放 點(diǎn)C1 40g kg燃料 下運(yùn)行 此時(shí)EGR率為0 18 改進(jìn)型燃燒室對(duì)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(dòng) 排放性能有很大改善 保持較高的熱效率 以上實(shí)例具體證實(shí)了緊湊的燃燒室對(duì)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(xué)機(jī)電學(xué)院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 二 壓縮比 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)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(biāo) 壓縮比的選取原則 提高壓縮比對(duì)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(dǎo)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(dòng)機(jī)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(jī)根據(jù)最易發(fā)生爆燃的工況 如最大轉(zhuǎn)矩工況 MBT點(diǎn)火定時(shí) 選擇壓縮比 但是這樣在常用的中小負(fù)荷工況 汽油抗爆性能沒有得到充分利用 2 現(xiàn)代汽油機(jī)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(shí) 通過爆燃傳感器通知電控器 可適當(dāng)推遲點(diǎn)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(dòng)機(jī)的壓縮比 電控點(diǎn)火系統(tǒng)的采用使任意控制點(diǎn)火定時(shí)成為可能 為高壓縮比點(diǎn)燃機(jī)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(xué)機(jī)電學(xué)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(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)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(zhǎng) 每缸3氣門 2進(jìn)1排 4氣門 2進(jìn)2排 5氣門 3進(jìn)2排 的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī) 1 減小泵氣損失 增加充量系數(shù) 從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn) 圖4 28表示車用汽油機(jī)火花塞位置對(duì)部分負(fù)荷時(shí)燃油消耗率和HC排放的影響 4氣門汽油機(jī)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(jī)燃燒室緊湊 HC排放較低 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 6低排放燃燒系統(tǒng) 四 活塞組設(shè)計(jì) 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(dāng)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(jiǎn)圖 試驗(yàn)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(duì)汽油機(jī)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(fù)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(xué)機(jī)電學(xué)院 4 7排氣再循環(huán) 小負(fù)荷下 從缸內(nèi)壓力變動(dòng)率增大可以看到用EGR使燃燒不穩(wěn)定 甚至導(dǎo)致缺火 使HC排放急增 中等負(fù)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(fù)荷 追求最大動(dòng)力性 即使NOx排放很高 也不能用EGR加以控制 以免動(dòng)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(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的NOx排放 圖2 9 用EGR控制NOx排放的缺陷 適當(dāng)控制EGR率 使之在各種不同工況下得到各種性能 動(dòng)力性 經(jīng)濟(jì)性 燃燒穩(wěn)定性 HC排放 NOx排放等 的最佳折衷 實(shí)現(xiàn)NOx的控制目標(biāo) 用EGR控制NOx排放的技術(shù)關(guān)鍵 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 7排氣再循環(huán) 1 由于NOx排放量隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大而增加 排氣回流量應(yīng)隨負(fù)荷增大而相應(yīng)增加 2 發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過程中 冷卻液溫度和進(jìn)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(dòng)機(jī)冷卻液溫度低于50度時(shí)不進(jìn)行EGR 3 怠速和小負(fù)荷運(yùn)行時(shí) NOx排放不高 也不進(jìn)行EGR 4 接近全負(fù)荷時(shí) 為使發(fā)動(dòng)機(jī)保持足夠的動(dòng)力性能 即使NOx排放很高 也不允許進(jìn)行EGR 5 為了實(shí)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(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)EGR系統(tǒng)的控制要點(diǎn) 車用汽油機(jī)典型的EGR系統(tǒng) 真空控制機(jī)械式EGR系統(tǒng) 設(shè)想 控制規(guī)律全靠進(jìn)氣管節(jié)氣門后的真空度和真空驅(qū)動(dòng)EGR閥1的構(gòu)造保證 低溫切斷EGR靠溫度控制閥5實(shí)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(shí)際的情況 由于進(jìn)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(dòng)機(jī)負(fù)荷的減小 而加大 因而EGR閥的開度也隨負(fù)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(jì)上使用了排氣背壓控制閥的EGR閥 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 7排氣再循環(huán) 帶排氣背壓控制閥的EGR閥 發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)或小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 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(jìn)入真空室2 驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)在中等轉(zhuǎn)速 中等負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 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(jìn)氣管真空度經(jīng)入口4 節(jié)流孔3進(jìn)入真空室2 于是驅(qū)動(dòng)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(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 雖然背壓閥關(guān)閉 但進(jìn)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(jìn)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(xué)機(jī)電學(xué)院 4 7排氣再循環(huán) 車用汽油機(jī)典型的EGR系統(tǒng) 電控真空驅(qū)動(dòng)EGR系統(tǒng) 右圖所示的電控真空驅(qū)動(dòng)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(dòng)EGR閥1的真空度 這樣 通過預(yù)先標(biāo)定的EGR脈譜有可能針對(duì)不同工況實(shí)現(xiàn)EGR的優(yōu)化控制 車用汽油機(jī)典型的EGR系統(tǒng) 閉環(huán)電控EGR系統(tǒng) 在實(shí)現(xiàn)全電控的現(xiàn)代汽油機(jī)中 應(yīng)用右圖所示的閉環(huán)電控EGR系統(tǒng) 這種系統(tǒng)一般應(yīng)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(hào)驅(qū)動(dòng) 傳感器8發(fā)出的EGR閥位置信號(hào)反饋給電控器7 保證精確實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制脈譜 電控EGR系統(tǒng)的控制脈譜通過發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR標(biāo)定試驗(yàn)確定 從最佳EGR率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的關(guān)系 得出最佳EGR閥位移 或EGR的PWM信號(hào)占空比 隨轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)和油門傳感器信號(hào)的關(guān)系 再針對(duì)冷卻液溫度等參數(shù)進(jìn)行修正 南昌大學(xué)機(jī)電學(xué)院 4 8其他低排放技術(shù) 傳統(tǒng)汽油機(jī)一般采用每缸1進(jìn)氣門1排氣門 以求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 近年來高速車用汽油機(jī)越來越多采用每缸2進(jìn)氣門2排氣門結(jié)構(gòu) 少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)采用每缸2進(jìn)氣門1排氣門或3進(jìn)氣門2排氣門結(jié)構(gòu) 采用多氣門技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí) 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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí) 可通過電控系統(tǒng)關(guān)閉其中一個(gè)進(jìn)氣道 使氣缸內(nèi)進(jìn)氣渦流加強(qiáng) 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(jī)很少采用渦輪增壓 因?yàn)槠ヅ渖嫌欣щy 汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓 不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷工作時(shí)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性 而且降低發(fā)動(dòng)機(jī)在中小負(fù)荷工作時(shí)的燃油消耗 原因 因?yàn)樵鰤喊l(fā)動(dòng)機(jī)在與不增壓機(jī)同樣的最大功率需求下可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量和零件尺寸 使發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用中的負(fù)荷率提高 機(jī)械效