第六講發(fā)動機(jī)節(jié)能技術(shù)及裝置

第六講發(fā)動機(jī)節(jié)能技術(shù)與裝置一、稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴技術(shù)二、增壓技術(shù)三、燃油摻水節(jié)油技術(shù)四、閉缸（斷缸）節(jié)油技術(shù)五、電子控制技術(shù)六、火花塞二次空氣導(dǎo)入環(huán)七、磁化節(jié)油器2/3/20231一、稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴技術(shù)當(dāng)今汽油機(jī)的主流技術(shù)：閉環(huán)電控燃油噴射系統(tǒng)加三效催化轉(zhuǎn)化器，犧牲了燃油經(jīng)濟(jì)性。對汽油機(jī)的要求：降低排放和節(jié)約能源兩者同時兼顧。措施：高壓縮比、稀薄燃燒和快速燃燒。2/3/202321、稀燃汽油機(jī)分類汽油機(jī)的燃燒系統(tǒng)可分為化油器式、進(jìn)氣道噴射式、缸內(nèi)直接噴射式三種類型：2/3/20233所謂稀薄燃燒汽油機(jī)是一個范圍很廣的概念，只要α＞17，就可以稱為稀薄燃燒汽油機(jī)。為了敘述方便，在此將稀燃汽油機(jī)分為兩類：一類是，非直噴式汽油機(jī)，包括均質(zhì)稀燃和分層稀燃式汽油機(jī)，即使采取一些特殊措施，一般只能在α＜25的范圍內(nèi)工作；另一類是，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)，可在α＝25～50范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。注意：只是在部分負(fù)荷工況范圍實行稀薄燃燒，啟動、怠速、加速和全負(fù)荷都不能實行稀薄燃燒。2/3/202342、不同燃燒方式的性能對比如圖所示，表示了傳統(tǒng)、非直噴稀燃和直噴稀燃三種燃燒方式的排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性對比。2/3/202351）傳統(tǒng)燃燒方式傳統(tǒng)的汽油機(jī)在化學(xué)計量比附近工作，其燃油經(jīng)濟(jì)性較差、排放污染較高。通過采用高湍流和高能點火等技術(shù)，汽油機(jī)的穩(wěn)定燃燒界限可超過α＝17。但是，隨著α繼續(xù)增大，均質(zhì)混合氣逐漸難以點燃并且燃燒速度也減慢，造成燃燒不穩(wěn)定和HC排放回升，以致無法正常工作。

2/3/202362）分層充氣燃燒方式采用分層充氣燃燒，可以提高燃燒界限，并保證即使在平均空燃比α＞20的條件下火花塞周圍也能形成易于著火的濃混合氣，而在周邊區(qū)域是較稀混合氣或空氣。如圖所示，分層燃燒的汽油機(jī)可穩(wěn)定工作在α＝20～25的范圍內(nèi)，燃油消耗率降低13％左右，NOx也有顯著降低。2/3/202373）缸內(nèi)直噴式燃燒方式－是一種類似于柴油機(jī)的非均質(zhì)混合氣燃燒方式。在空燃比很稀時，可在接近點火的時刻才開始噴油，加上組織合理的混合氣運動，使火花塞周圍的濃混合氣來不及變稀就被點燃。顯然，這只能用缸內(nèi)直接噴射方式才能實現(xiàn)。目前，已商品化的缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)可在α＝25～50范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，加之進(jìn)氣阻力的進(jìn)一步減小，燃油消耗率較傳統(tǒng)汽油機(jī)可改善20%以上。2/3/202383、非直噴式稀薄燃燒方式實現(xiàn)汽油機(jī)稀薄燃燒的關(guān)健技術(shù)是使?jié)庀〔煌幕旌蠚夂侠矸謱?，分層住往是通過不同的氣流運動和供油方法實現(xiàn)的。從70年代起，人們就開始在化油器式汽油機(jī)上進(jìn)行分層稀薄燃燒的嘗試。2/3/202391）CVCC燃燒系統(tǒng)(CompoundVoltexControlledCombustion)如圖所示，是本田公司提出的CVCC燃燒系統(tǒng)：有主、副兩個燃燒室（1和3）和兩個化油器，副室通過火焰通道與主室相通。2/3/202310工作原理：向主室供給α＝20～21.5的稀混合氣，而通過輔助進(jìn)氣門5向副室供給少量濃混合氣。在壓縮過程中，濃稀混合適當(dāng)混合，在副室內(nèi)形成α=12.5～13.5的易于著火的混合氣。火花塞首先點燃副室中的混合氣，由副室噴出的火焰點燃主室的稀混合氣。2/3/202311優(yōu)點：NOx排放量較低，僅有一般汽油機(jī)的1/3；HC和CO的排放量也較低。缺點：燃油經(jīng)濟(jì)性不佳，并且結(jié)構(gòu)和控制過于復(fù)雜。2/3/202312CVCC實際上是一種分區(qū)燃燒方式，具有一定的代表性，圍繞這種主、副燃燒室式稀燃系統(tǒng)的研究工作仍在進(jìn)行。2/3/2023132）軸向分層稀燃系統(tǒng)（渦流）2/3/202314工作原理：首先通過進(jìn)氣造成強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流；進(jìn)氣過程后期、進(jìn)氣門開啟接近最大升程時，通過安裝在進(jìn)氣道上的噴油器將燃料噴入缸內(nèi)；燃料在渦流的作用下，沿氣缸軸向產(chǎn)生上濃下稀的分層。這種分層一直維持到壓縮行程后期，以保證在火花塞附近存在較濃的混合氣。2/3/2023153）滾流分層稀燃系統(tǒng)（滾流）如圖所示，是三菱公司在1991年開發(fā)成功的MVV燃燒系統(tǒng)：2/3/202316工作原理：在進(jìn)氣道中設(shè)置一薄的垂直隔板2，使進(jìn)氣在氣缸內(nèi)形成三股獨立的滾流；兩側(cè)的滾流全部是空氣，中間的一股是濃混合氣，這樣可以防止它們彼此混合，使燃料和空氣在壓縮過程中維持分層，即使在α＝23～25時，也能保證在火花塞周圍形成易點燃的較濃混合氣。在汽車以40km/h等速行駛時，比普通汽油機(jī)節(jié)油13%。2/3/2023174、缸內(nèi)直噴式稀薄燃燒方式汽油機(jī)的缸內(nèi)直噴式燃燒（GDI，GasolineDirectInjection)，最早應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)。從20世紀(jì)40年代開始，歐、美、日等國的一些汽車公司推出了一些各具特色的方案。但是，直到1995年以后，才使GDI稀燃系統(tǒng)實用化。2/3/202318GDI燃燒系統(tǒng)的分類通常GDI燃燒系統(tǒng)可根據(jù)主宰混合氣生成的機(jī)理分成三類：油束控制燃燒系統(tǒng)壁面控制燃燒系統(tǒng)氣流控制燃燒系統(tǒng)2/3/202319油束控制燃燒系統(tǒng)在油束控制的燃燒系統(tǒng)中，噴油器安裝在氣缸中央，火花塞必須布置在噴油器附近。2/3/202320壁面控制燃燒系統(tǒng)在壁面控制的燃燒系統(tǒng)中，噴油器和火花塞相隔較遠(yuǎn)，噴油器將油束噴到活塞凹坑中，然后油氣流將燃油送往火花塞。2/3/202321氣流控制燃燒系統(tǒng)在氣流控制的燃燒系統(tǒng)中，利用輪廓分明的缸內(nèi)氣流與油束相互作用，在發(fā)動機(jī)的大部分工況范圍內(nèi)都能實行恰當(dāng)?shù)某淞糠謱雍突旌蠚饩|(zhì)化。2/3/2023221）福特PROCO系統(tǒng)PROCO系統(tǒng)，已有20年以上的歷史，屬于GDI稀燃方式中較早期的例子。如圖所示，汽油經(jīng)噴油器直接噴入燃燒室內(nèi)，噴油器兩側(cè)各裝有1只火花塞，利用渦流和滾流進(jìn)行油氣混合。

2/3/2023232）豐田D-4缸內(nèi)直噴系統(tǒng)如圖所示，是豐田公司于1996年開發(fā)并商品化的D-4缸內(nèi)直噴式稀燃發(fā)動機(jī)：2/3/202324燃燒室為半球屋頂形，活塞頂部設(shè)有唇型深皿凹坑，與進(jìn)氣渦流旋向以及高精度的噴油時間和噴油方向控制相配合，在火花塞周圍形成較濃的易點燃混合氣區(qū)域。

2/3/202325靈活的電噴控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對不同的工況范圍采用不同的燃燒方式，以保證所有工況下都能穩(wěn)定燃燒。比同排量的傳統(tǒng)汽油機(jī)節(jié)油35％。2/3/2023263）三菱4G系列缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機(jī)如圖所示，是三菱公司于1996年在世界上最先商品化的缸內(nèi)直噴式稀燃發(fā)動機(jī)：2/3/202327主要設(shè)計參數(shù)：型號4G93缸內(nèi)直噴4G93傳統(tǒng)型缸徑×行程/mm81.0×89.081.0×89.0總排量/mL18341834氣缸數(shù)直列4氣缸直列4氣缸進(jìn)排氣閥形式DOHCDOHC閥數(shù)2進(jìn)2排2進(jìn)2排壓縮比12.010.5燃燒室單坡屋頂型（彎曲頂面活塞）單坡屋頂型進(jìn)氣道立式普通方式燃料供應(yīng)方式缸內(nèi)直接噴射進(jìn)氣道噴射噴油壓力/Mpa5.00.332/3/202328三菱公司GDI發(fā)動機(jī)相對于同系列的進(jìn)氣道噴射式汽油機(jī)的性能改善效果：2/3/2023294）大眾E111型缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)大眾公司1999年推出了E111型1.4升GDI發(fā)動機(jī)，其燃燒系統(tǒng)的特點是采用雙滾流混合氣形成方式：低負(fù)荷時，可燃混合氣僅在進(jìn)氣門一側(cè)的滾流區(qū)形成；中負(fù)荷時，噴油可到達(dá)包括排氣門在內(nèi)的區(qū)域，混合氣在兩個滾流區(qū)域都可生成。排氣后處理系統(tǒng)中也采用了吸附還原型催化劑，并用NOx傳感器來控制催化劑的還原反應(yīng)時間。2/3/2023305、二沖程缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機(jī)二沖程汽油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩特性好、升功率高，可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的小型輕量化，但是，傳統(tǒng)機(jī)型HC排放高、燃油經(jīng)濟(jì)性差，目前在汽車上應(yīng)用很少。近年來，在混合氣形成和燃燒方面的研究進(jìn)展以及電控技術(shù)的進(jìn)步，特別是缸內(nèi)直噴稀燃技術(shù)的實現(xiàn)，使其能夠適應(yīng)當(dāng)今節(jié)能與環(huán)保的要求。因此，二沖程汽油機(jī)作為車用發(fā)動機(jī)的可能性再次被提出。2/3/202331如圖所示，是澳大利亞奧必托公司開發(fā)的OCP-2型缸內(nèi)直噴式二沖程稀燃汽油機(jī)：2/3/202332OCP-2型二沖程汽油機(jī)的排放特性：這是排量為0.8L的三缸發(fā)動機(jī)在1500r/min時的測試結(jié)果。2/3/202333內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的空氣運動包括渦流、擠流、滾流和湍流。軸向分層稀燃系統(tǒng)、滾流分層稀燃系統(tǒng)2/3/202334二、增壓技術(shù)所謂內(nèi)燃機(jī)增壓就是利用增壓器將空氣或可燃混合氣進(jìn)行預(yù)壓縮，再送入氣缸的過程。車用發(fā)動機(jī)的增壓方式很多，按實現(xiàn)增壓所提供能量的方式可分為：（一）機(jī)械增壓（二）廢氣渦輪增壓（三）復(fù)合增壓（四）氣波增壓2/3/202335三、燃油摻水節(jié)油技術(shù)20世紀(jì)初，為了減少汽油機(jī)的爆燃傾向和降低燃燒室平均溫度，已經(jīng)有人將水引入汽油機(jī)中。60年代初期，我國曾經(jīng)采用過柴油摻水技術(shù)，但是沒有收到明顯的節(jié)油效果。70年代初期至1996年，人們對燃油乳化技術(shù)進(jìn)行了更為深入的研究，取得了一些經(jīng)驗，并申請了500多項專利，卻無法使乳化油穩(wěn)定使用。2/3/202336目前，法國埃爾夫公司研制出了一種特殊的乳化劑，可將柴油或汽油穩(wěn)定混合乳化，稱為Aquazole乳化燃料油。2/3/202337成品微乳化油拒水試驗

加水后劇烈搖晃試驗加水5天后2/3/2023382/3/2023391、摻水乳化節(jié)油原理目前，人們普遍用原蘇聯(lián)B.M.伊萬諾夫的微爆理論來解釋摻水乳化節(jié)油原理：燃油摻水乳化后，油為連續(xù)相，水為分散相，水以微小的顆粒分散地懸浮在油中，形成油包水。在化油器（或噴油器）中，被一次霧化；在氣缸內(nèi)中，水珠的微爆效應(yīng)引起二次霧化。2/3/2023402、摻水乳化方法摻水乳化油的效果，取決于乳化的質(zhì)量，即取決于油包水型粒徑的大小、均勻度和穩(wěn)定性。目前，常用的乳化方法有機(jī)械混合法、超聲波法、乳化劑法。而大多采用超聲波和乳化劑配合使用的方法生產(chǎn)乳化油，如日本研制的乳化油是摻25％的水、1.3％斯潘和0.2％特威溫。2/3/2023413、存在的問題乳化油大面積推廣還存在以下一些課題：在生產(chǎn)上水珠的進(jìn)一步細(xì)化和均勻、延長穩(wěn)定期；使用上對發(fā)動機(jī)的磨損、腐蝕及和發(fā)動機(jī)的最佳匹配還需要進(jìn)行深入的研究。2/3/2023424、柴油乳化工藝過程2/3/202343四、閉缸（斷缸）節(jié)油技術(shù)車用發(fā)動機(jī)大部分時間在部分負(fù)荷工況下工作，其比油耗顯著增加，浪費了大量能源。為了提高發(fā)動機(jī)的負(fù)荷率，可以采用閉缸的方法：一部分氣缸始終工作，另一部分氣缸只在高負(fù)荷時工作。這樣，發(fā)動機(jī)的排量將隨負(fù)荷的大小而變化，既不影響汽車的動力性能，又能提高了整個發(fā)動機(jī)的工作效率，改善的燃油經(jīng)濟(jì)性。2/3/202344閉缸節(jié)油裝置的組成：由往復(fù)離合器式的氣門挺桿、彈性離合選擇器、組合氣路驅(qū)動器和電子控制系統(tǒng)組成。2/3/2023451、往復(fù)離合器式的氣門挺桿2/3/2023462、彈性離合選擇器2/3/2023473、三菱公司MD型發(fā)動機(jī)閉缸控制系統(tǒng)通過傳感器來檢測發(fā)動機(jī)的工況，根據(jù)工況要求自動實現(xiàn)四缸工作與兩缸工作之間的切換。2/3/202348在三菱Mirage－Ⅱ型轎車上實驗，在不改變動力性的情況下，按10工況行駛，平均節(jié)油20％。國內(nèi)也對閉缸節(jié)油技術(shù)進(jìn)行了研究，對DJ2030汽車發(fā)動機(jī)采用閉缸方法后，通過試驗得到，平均節(jié)油近10％。閉缸技術(shù)是一種行之有效的節(jié)油效果較高的節(jié)油措施，其推廣的關(guān)鍵在于設(shè)計一套能自動變換的轉(zhuǎn)換裝置。2/3/202349五、電子控制技術(shù)詳細(xì)內(nèi)容見：汽油機(jī)電子控制技術(shù)柴油機(jī)電子控制技術(shù)2/3/202350六、火花塞二次空氣導(dǎo)入環(huán)火花塞二次空氣導(dǎo)入環(huán)簡稱節(jié)油環(huán)，使發(fā)動機(jī)氣缸能第二次吸入空氣，提高混合氣的燃燒速度，使燃燒更加完全，具有增加發(fā)動機(jī)動力、節(jié)省燃油、減少污染等顯著優(yōu)點。2/3/2023511、節(jié)油環(huán)的構(gòu)造和工作原理如圖所示，節(jié)油環(huán)是套裝在長螺紋火花塞上的環(huán)形體，由環(huán)體、鋼球和卡環(huán)三個主要零件組成的。

2/3/202352在發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣過程中，經(jīng)過節(jié)油環(huán)（真空度），給氣缸內(nèi)增加5%～10％的充量，這樣就產(chǎn)生以下作用：1）提高了發(fā)動機(jī)在怠速和低負(fù)荷時的工作穩(wěn)定性，改善了啟動性能；2）汽油霧化更加完善，加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋娱L了火花塞和氣門的使用壽命；3）起動、加速、行駛和爬坡的能力加強(qiáng)；4）降低了爆燃傾向；5）改善了排放性能。

2/3/2023532、節(jié)油環(huán)的試驗與應(yīng)用試驗和應(yīng)用的結(jié)果表明：1）采用三孔、孔徑為0.8mm的節(jié)油環(huán)，裝在長型火花塞上，進(jìn)行臺架試驗，測得平均節(jié)油率為3.1％，低效率時節(jié)油效果尤為顯著。2）采用二孔、孔徑為0.8mm的節(jié)油環(huán)，裝在長型火花塞上，進(jìn)行臺架和道路試驗，測得平均節(jié)油率為5％。3）發(fā)動機(jī)裝用節(jié)油環(huán)后，動力性無明顯改變，有時略有提高，排氣中CO含量有明顯下降。2/3/2023543、使用中需要注意的問題1）節(jié)油環(huán)一定要配裝在長型火花塞上；2）要定期清理火花塞螺紋間隙；3）必須經(jīng)常進(jìn)行拆卸、清洗等保養(yǎng)工作。

2/3/202355七、磁化節(jié)油器磁化節(jié)油器的節(jié)油效果比較明顯：經(jīng)臺架和道路試驗測定，可平均節(jié)油6～7％以上，減少黑煙50％左右，提高發(fā)動機(jī)功率10％左右。磁化節(jié)油器安裝使用方便，不損傷機(jī)體，汽油機(jī)、柴油機(jī)都可以安裝使用。2/3/2023561、工作原理當(dāng)燃油從磁化節(jié)油器內(nèi)部的磁極中間通過時，燃油受到磁化處理，物理性能發(fā)生變化，變成磁化油：磁化油的顆粒之間同極相斥，在磁場的作用下定向運動，