（动力机械及工程专业论文）基于循环控制的lpg点燃式发动机冷起动瞬态排放特性研究.pdf

摘要 基于循环控制的l p g 点燃式发动机冷起动瞬态排放特性研究 摘要 冷起动过程中，由于排气温度不高，尾气后处理系统不能正常工作，转化效率 低，其在工况法中的排放贡献最大，所以欧i 以上的排放标准都包含低温冷起动捧 放测试。试验研究表明排放测试中5 0 - , 8 0 的h c 和c o 排放都是在冷起动过程中 产生。首循环燃烧对于冷起动整体排放非常重要，首循环失火将产生大量h c 捧放， 并影响后续循环的燃烧稳定性。l p g 作为一种清洁替代燃料，在国内外都有广泛的 应用，特别在国内清洁汽车示范城市的市内出租车中更为突出，研究其在冷起动过 程中的燃烧和排放特性是很有必要的。本文结合国家自然科学基金项目。液化石油 气( l p g ) 点燃式发动机冷起动过程燃烧排放特性与控制策略研究( 5 0 3 7 6 0 3 4 ) ”， 和。十五”国家清洁汽车关键技术研究开发及示范应用项目“电控喷射l p g 摩托车 的开发与关键技术攻关( 2 0 0 3 b a 4 0 8 8 0 9 a ) ”，采用瞬态测试手段，基于循环控制方法 着重研究了l p g 点燃式发动机冷起动首循环燃烧与瞬态排放特性。 使用c a m b u s t i o nf n o x 4 0 0 瞬态n o 分析仪研究了l p g 发动机冷起动首循环及 暖机过程瞬态n o 排放特性，提出并验证了采用瞬态n o x 排放临界值8 - 1 0 1 0 4 作 为首循环或工作循环着火判据的新方法。试验结果表明冷起动首循环瞬态n o 排放 随过量空气系数变化分别经历了3 个变化阶段：稀燃区内n o 排放急剧上升至最大 值；浓燃区n o 排放缓慢下降；过渡区域n o 排放急剧下降。相同点火角和混合气 浓度时，n o 排放随缸内最高爆发压力的升高而增加。冷起动暖机过程瞬态n o 捧 放主要集中在初始几个循环中，后续循环瞬态n o 排放逐渐降低混合气浓度保持 不变时，瞬态n o 排放随点火角的提前而增加。 使用h f r s 0 0 瞬态h c 分析仪详细研究了l p g 发动机冷起动首循环瞬态h c 捧 放及进气道燃料输运特性试验确定了冷起动首循环失火与正常着火循环瞬态h c 拌放8 倍以上的定量关系，验证了冷起动首循环的可靠着火是影响发动机冷起动整 体h c 捧放的关键之一。试验结果显示随着过量空气系数的变化，冷起动首循环瞬 态h c 排放可在一个较宽的混合气浓度范围内平缓变化，并稳定在较低的排放水平。 当首循环混合气浓度过浓或者过稀时，瞬态h c 排放均急剧增加。混合气浓度固定 时，首循环瞬态h c 排放随点火角度的推迟，其变化规律为先增加再减少，点火角 度推迟到燃烧极限后，缸内失火发生。试验发现，在气态燃料进气喷射时，仍存在 一定比例的燃料不能进入缸内，而是残留在进气道内影响后续循环燃烧。u g 发动 上海交通大学博士研究生学位论文 机冷起动首循环进气道残留的h c 浓度，随燃科喷入量的增加而增大；而残留比例 却随燃料喷入量的增加而减少；本文试验条件下，进气道燃料残留的比例在6 - , - 1 5 之间。 通过改变发动机火力岸间隙的方法研究了火力岸间隙对l p g 发动机h c 排放的 影响。试验结果表明，在冷起动首循环情况下混合气浓度处于稀燃区时，增加5 0 的火力岸间隙体积，h c 排放平均升高了2 5 ；当混合气浓度处于稳定燃烧区域时， 增加5 0 的火力岸问隙体积，h c 排放平均降低了3 2 ；当冷起动首循环混合气浓 度处于浓燃区时，火力岸间隙体积增加5 0 * 4 ，h c 排放平均提高了1 8 。 基于瞬态h c 排放的试验结果和双区燃烧模型，建立了l p g 发动机火力岸问隙 未燃h c 排放的模型。燃烧模拟的缸压曲线与试验数据基本吻合，验证了燃烧模型 的有效性。h c 排放模拟结果与瞬态h c 试验数值比较接近，说明该模型具有较好 的适用型。该模型可以描述缸内未燃h c 的生成过程，定性的说明缸内燃烧各参数 与h c 捧放的关系，模拟结果表明缸压峰值时刻火力岸间隙内未燃h c 浓度对于最 终h c 捧放有重要影响。 关键词：l p g 发动机，首循环，燃烧，瞬态排放，冷起动 一一 摘要 t h es t u d yo fc h - a r a c t e r i s t i c so f t r a n s i e n t e m i s s i o n sd u r i n gc o l ds t a r tf o r l p gs ie n g i n e b a s e do nc y c l e b y 二c y c l ec o n t r o l a b s t r a c t t h ee f f e e t i v e n c s so f a t l t e r - t r e a t m e n ts y s t e m sd e p e n d so i lt h ee x h a u s tg a s t e m p e r a t u r e ，w h i c hi sl o wd u r i n gc o l d - s t a r t a sar e s u l t , e u r oi i i ，e u r oi v a n df t p 7 5r e q u i r et h a tt h ee m i s s i o n st e s t si n c l u d ee x h a u s tf r o mt h ec o l d s t a r t i ti sp r o v e dt h a t5 0 * - - 8 0 o f h ca n dc oe m i s s i o n sa l ee m i t t e dd u r i n g t h ec o l ds t a r t n 圮e f f e c to fc o m b u s t i o ni nt h ef i r s tc y c l ei sv e r yi m p o r t a n t f o rc o l d - s t a r t m i s f i r i n go ft h ef i r s tc y c l ec a nr e s u l ti nal o to fh ce m i s s i o n s a n di m p a c tt h es t a b i l i t yo ft h ef o l l o w i n gc y c l e s f u r t h e r m o r e ，w e l l - m a n a g e d c o m b u s t i o no ft h ef i r s tf i r i n gc y c l ec a nc r e a t eh i g l lt e m p e r a t u r ei nt h e c y l i n d e r , w h i c hi sb e n e f i c i a lf o rc o m b u s t i o no nt h ef o l l o w i n gc y c l e s ，l e a d i n g t oa l lo v e r a l ld e c r e a s et h eh c e m i s s i o n s l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) a s f i l la l t e r n a t i v ef u e lh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nc o m m e r c i a lv e h i c l e sd u r i n g t h el a s td e c a d e s h o w e v e r , t h ep r o p e r t i e so f t h ef i r s tc y c l ef o rl p gs ie n g i n e h a v eb e e ns e l d o mr e p o r t e d t l l i sp a p e rp r e s e n t si n v e s t i g a t i o n so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so f t r a n s i e n te m i s s i o n so f t h ef i r s tf i r i n gc y c l ed u r i n gc o l ds t a r t o i l a l p g s i e n g i n e af a s t - r e s p o n s en od e t e c t o rw a se m p l o y e dt om e a s i j l ei x a n s i e n tn o e m i s s i o no ft h ef i r s tf i r i n gc y c l ed u r i n gc o l ds t a r t ，a n dt h et r a n s i e n tn o e m i s s i o no ft h ef i r s tf i r i n gc y c l ew a ss t u d i e d 砀er e a lt i m en oe m i s s i o ni s s h o w nt ob eai i s e f u lc r i t e r i o no fi n - - c y l i n d e rc o m b u s t i o no c c u l t c n c e ，n 摇 r e a lt i m en o c h a n g e sw i m t h ee x c e s sa i rf a c t o rc a l lb es p l i ti n t ot h r e er a l l g e a st h ee x c e s sa i r f a c t o ri sr e d u c e df r o mt h el e a n m i s f i r i n gl i m i t , n o e m i s s i o n si n c r e a s eq u i c k l y , t h e nr e d u c eq u i c k l ya n da tl a s ts l o w l y n o e m i s s i o n sg e n e r a l l yi n c r e a s ew i t hp e a kc y l i n d e rp r e s s u r ee v e na tc o n s t a n t c x c t ：$ sa i rf a c t o ra n dw i t ht h es p a r kt i m i n ga tc o n s t a n te x ( ：e s sa i rf a c t o r 一m 一 上海交通大学博士研究生学位论文 af a s t - r e s p o n s ef l a m ei o n i z a t i o nd e t e c t o r ( f f r o ) w a se m p l o y e dt o m e a s u r et r a n s i e n th ce m i s s i o n sa n dt h ei n t a k ep o r th cc o n c e n t r a t i o no ft h e f l s tf i r i n gc y c l ed u r i n gc o l ds t a r t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s i e n th c e m i s s i o n so ft h e m i s f i r i n gc y c l e a r e e i g h t t i m e sh i g h e rt h a nt h e c o r r e s p o n d i n gf i r i n gc y c l e t h i si m p l i e st h ei m p o r t a n c eo ft h ef i r s tf i r i n g c y c l ef o rc o l ds t a r t f o rl p g f u e l e ds ie n g i n ea tc o l d - s t a r t t h eh ce m i s s i o n s o f t h ef i r s tf i r i n gc y c l ea r er e l a t i v e l yl o wo v b - * raw i d er a n g eo f t h ee x c e s sa i r f a c t o r s f o rf i x e ds p a r kt i m i n g t h em i n i m u me x h a u s th ce m i s s i o n sa l m o s t c o r r e s p o n dt ot h em a x i m u mp e a kc y l i n d e rp r e s s u r eo c c u r r e n c e t h eh c e m i s s i o n sa r ei n c r e a s e dr a p i d l yw h e nt i l em i x t u r ei sl e a no rr i c h t h ei n t a k e p o r tt e s t ss h o w t h a ts o m ef u e ls t i l ls t a yi nt h ei n t a k ep o r tb 一, c e ni f t h eg a s e o u s l p gw a se m p l o y e d a st h ei n j e c t i o nl p g g a s e o u si n c r e a s i n g t h er e s i d u a l 【h c 】，h cc o n c e n t r a t i o ni n t h ei n t a k e p o r t ，o ft h e f i r s t f l , 抽gc y c l e i s i n c r e a s e da n dt h er e s i d u a lf u e lr a t i oi sd e c r e a s e d , a n dt h er a n g eo ft h e v a r i a t i o nr e s i d u a ll p gr a t i oi sf r o m6 t ol5 u n d e rt e s tc o n d i t i o n a s t o a ( t h et h r o t t l e - o p e n i n ga n g l e ) i n c r e a s i n g ，t h er e s i d u a l 【h c 】a n dt h e r e s i d u a ll p gr a t i oo ft h ef i r s tf i r i n gc y c l ea r eb o t hd e c r e a s e d a n dt h ee 彘c t o ft h et o ai sv e r yl i t t l ew h e nt h et o ai sg r e a t e rt h a n1 2 5 0 n 伦r e s i d u a l 田c 】i ni n t a k ep o r th a sl i r l ed i f f e r e n c e 舔t h ei n j e c t i o nt i m i n gc h a n g i n g i f t h ei n j e c t i o nw a sh a p p e n e da f t e ri v o t h ei m u f f i c i e n tm i x t u r ef o r m a t i o n r e s u l t e di nu n f a v o r a b l ec o m b u s t i o ni nt h ec y l i n d e r b yc h a n g i n gt h et o p - l a n dr a d i a lc l e a r a n c e ，t h ee f f e c to ft h ec r e v i c e v o l u m eo nt h eh ce m i s s i o n so ft h ef i r s tf l d n gf o rl p gs ie n g i n ei s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h em i x t u r ei si nt h el e a nr e g i o n , t h e5 0 i n c r e a s eo fc r e v i c ev o l u m ec o r r e s p o n d st o2 5 i n c r e a s eo fh c e m i s s i o n s 。a n dw h e nt h em i x t u r ei si nt h er i c hr e g i o n ，也e5 0 i n c r e a s e d c r e v i c ev o l u m ec o n t r i b u t e st o18 i n c r e a s e dh ce m i s s i o n s h o w e v e r , w h e n t h em i x t u r ei si nt h es t a b l ec o m b u s t i o nr e g i o n ，t h e5 0 i n c r e a s eo fc r e v i c e v o l u m ec o r r e s p o n d st o3 2 d e c r e a s eo f h ce m i s s i o n s b a s e do nt h et r a n s i e n th ct e s td a t aa n dt h ed o u b l ez o n ec o m b u s t i o n m o d e l ，t h ec r e v i c eh cm e c h a n i s mm o d e lw a ss e tu p mc y l i n d e rp r e s s u r e o f t h ec o m b u s t i o ns i m u l a t i o nh a v eag o o dr e l a t i o nw i t ht h et e s td a t a , a n dt h e - i v 摘要 c r e v i c eh cm o d e li sp r o v e db yt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n d t h et e s tr e s u l t s b yt h es i m u l a t i o n , i ti sf o u n dt h a tt h eh cm o l ec o n c e n t r a t i o n i nt h ec r e v i c ea tt h ep e a kc y l i n d e rp r e s s u r eh a sag r e a te f f e c to i lt h eh c e m i s s i o n sf o rt h ef i r s tf i r i n gc y c l e k e yw o r d s ：l p ge n g i n e ，f i r s tf i r i n g c y c l e ，c o m b u s t i o n , t r a n s i e n t e m i s s i o n s ，c o l ds t a l l v 一 字母符号 0 2 h 2 h 。 o w r c d l d 2 r i r l o u l ，o l n 目 口 p 缩写 l p g c l d c n g e 队 e c e f f c 符号表 含义 氧气 氢气 过量空气系数 燃料中h 、c 原子比 燃料中0 、c 原子比 气体常数 储能电容容量 二极管 稳压二极管 电阻 光电耦合器 发动机转速 充气效率 当量比 单循环的缸压峰值 缩写表 全写 l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s c h e m i - l u m i n e s c e n c ed e t e c t o r c o m p r e s s e dn a m r a lg a s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y e c o n o m i cc o m m i t t e eo f e u r o p e a n t h ef i r s tf i r i n gc y c l e 一一 j ( k g 。k ) 心 0 r m i n 胁 含义 液化石油气 化学发光法 压缩天然气 美国环保局 欧洲经济委员会 首次着火循环 f l a m ei o n i z a t i o nd e t e c t o r f e d e r a lt e s tp r o c e d u r e i n t a k ev a l v e c 1 0 s e i n t a k ev h l v eo p e n n e we u r o p e a nd r i v i n gc y c l e h y d r o c a r b o n c a r b o nm o n o x i d e n i t r o g e no x i d e ( s ) c a r b o nd i o x i d e t h r e ew a yc a t a l y s t b e f o r et o pd e a dc e n t e r a f t e rt o pd e a dc e n t e r c r a n ka n g l e e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t d i g i t a lc o n t r o l c a p a c i t o rd i s c h a r g ei g n i t i o n s a m e rm e a nd i a m e t e f v 一 火焰离子检测方法 联邦测试法规 进气阀关闭 进气阀开启 新欧洲测试循环 碳氢 一氧化碳 氮氧化物 二氧化碳 三效催化器 上止点前 上止点后 曲轴转角 电控单元 微机控制电容器放 电式点火系统 索特平均直径 髓肿m m一肿鲍僦一一饥咖一 蛐 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：。7 年3 月叮日 痧亦 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编，入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名。 譬i 指导教师签名 日期：乡7 年3 月2 厂日日期：。7 年；月7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近几年我国汽车工业高速发展，2 0 0 2 年的总产量为3 2 0 万辆，2 0 0 5 年达到5 6 0 万辆，2 0 0 6 年预计总产量突破7 0 0 万辆，2 0 0 5 年底中国汽车保有量已达到3 4 0 0 万 辆，其中汽油车占总保有量的8 0 以上。汽车在给人们生活带来便利的同时，也造 成汽车尾气对环境的污染问题。据统计，我国仅汽油车一年排放的c o 、h c 、n q 总量就高达1 5 0 0 万吨，加上柴油车、摩托车，预计每年排污总量超过2 0 0 0 万吨， 与发达国家相比，总量虽然不多，但在北京、上海、广州等大城市，数量已相当可 观，且车况较差，平均每部车排放的污染物量高出国外几倍，对人体健康已构成直 接危害。未来若干年内，我国机动车尾气排放量仍将呈剧增趋势。随着人们对环境 问题愈来愈重视，人们迫切要求治理汽车尾气。 同时机动车工业的发展还面临着能源短缺的问题，国际原油价格已于2 0 年前的 2 5 美元，桶，上涨到2 0 0 6 年的7 l 美元桶，并且还有继续升高的趋势据权威机构 预测，全球的地下石油最多只能支撑到本世纪中叶。作为石油进口大国，我国的石 油短缺问题更为严重。为了缓解能源危机、优化能源结构，同时满足日益严格的捧 放法规，近年来，人们一直在努力开发传统燃料之外的各种清洁能源，并已取得了 很大进展，其中有液化石油气( l p g ) 、醇类、压缩天然气( c n g ) 、氢气等代用燃 料以及电池动力。在众多替代能源的开发研究中，近乎“零”污染的电动车距离全 面实用化还有相当长的一段路要走，原因是蓄电池使用寿命短、价格昂贵，电动装 置动力性差；氢气燃料由于成本和燃料供给系统建设等问题而难以在近期内大规模 使用；醇类燃料则燃料价格较高1 1 2 】；而燃气汽车( l p g 、c n g ) 以其排放污染小、 燃料经济好等特点备受瞩目，因此l p g 和c n g 被视为2 l 世纪初最有前途的机动车 代用燃料例。c n g 燃料相对于l p g 来说，虽然排放性能更优，但是其储存和运输 困难，成本高，限制了其推广应用范围。 环境保护和能源短缺两个严峻的问题使得l p g 燃料以排放污染少、燃料经济性 好等特点成为现阶段较有发展潜力的代用燃料之一，l p g 发动机的研究也成为当前 上海交通大学博士研究生学位论文 内燃杌领域的研究热点之一1 1 棚 1 2 国内外有关l p g 机动车的发展 l p g 发动机的开发过程随燃料供给方式及系统结构和特征不同，可以大致分为 五个发展阶段 s l 。 第一阶段以采用机械式混合器为特征，存在着与传统化油器式发动机类似的缺 点。如各缸分配不均匀、调节精度差，无法精确控制空燃比。虽然排放水平与汽油 机相比，有一定的改善，但由于容积效应的影响，动力性损失较大。 第二阶段以电控混合器为特征，其空燃比控制精度高于第一阶段的产品，采用 了匹配闭环控制和三效催化净化装置。发动机的排放性能进一步改善，排放水平可 满足欧i i 限值，具有达欧标准的潜力。动力性比第一阶段产品略有提高。本阶段 是明显的混合器式发动机到电控发动机的过渡阶段。 第三阶段以电控喷射为特征，实现了空燃比的精确控制。采用了闭环控制和三 效催化净化装置，此类车辆排放性能可满足欧洲、排放法规限值和美国加州超 低排放标准，其动力性与汽油车相当国外的l p g 汽车和部分国内l p g 汽车己发 展到了该阶段。 第四阶段以火花点火缸内直接喷射为特征，采用了缸内直接喷射，提高了发动 机热效率，在保证功率输出的情况下，进一步降低排放，能够实现清洁汽车和摩托 车的目标。， 第五阶段以压燃缸内直接喷射为特征，需要向l p g 燃料中添加提高十六烷值的 添加剂以确保燃烧性能。该机运行对，热效率与柴油机相当，且排烟很少，n q 下 降。该类产品有希望满足未来更加严格的排放法规。 国外对l p g 发动机的研究开始较早，自2 0 世纪3 0 年代由意大利率先开发应用 天然气汽车以来，随着能源危机加剧、环保呼声日益高涨、汽车及相关工业新技术 应用更新等诸多因素的推动，燃气汽车已成为世界公认的当今最现实、有效的清洁 代用燃料汽车。据有关资料表明，目前全世界共有约6 4 0 万辆燃气汽车( 其中l p g 汽车约5 4 0 万辆) ，已建成l p g 加气站2 2 7 万座，c n g 加气站3 0 0 0 座。一些世界 知名的汽车公司如福特、通用、丰田、日产、大众、菲亚特、沃尔沃等都可按客户 要求生产单燃料或双燃料l p g 汽车。国外l p g 汽车技术发展较快，也具备了批量 生产的能力，拥有了实际使用的各种配套设施，管理办法，尤其采用先进微机控制 技术后，其安全性与控制性得到很好的保证，不仅在发动机动力性和燃料经济性方 一2 一 第章绪论 面有显著提高，而且在排放性能方面也己列入。绿色汽车”行列。 我国清洁燃气汽车研究与开发工作，进入9 0 年代才开始蓬勃发展，在“九五” 国家清洁汽车行动一期结束后，更是有了质的飞跃。首批1 2 个清洁汽车行动中的示 范城市，在燃气站建设、燃气汽车产品开发和示范与应用车辆上，有了显著的发展 燃气汽车保有量从1 9 9 9 年初的1 万辆快速发展到目前的l o 万余辆，加气站从4 0 余座发展到3 0 0 多座，燃气汽车已成为继燃油汽车之后实际应用最多的汽车产品 国家科技部明确指出“在总结现有成功经验的基础上，十五期问进一步加大清洁汽 车的投入力度和推广力度，扩大试点示范地区范围”。这些工作成绩的取得，对改善 城市大气环境质量，降低机动车尾气排放，作出了重要贡献。 我国从9 0 年代开始引进国外第一代l p g 系统【9 】，目前第一，二阶段的l p g 在 用车辆比较多，第三阶段的电控气体喷射和液体喷射l p g 系统也在引进开发之中， 近几年国内许多大专院校、研究所等科研单位围绕燃气汽车展开了大量的研究工作 顾善愚等【1 0 l 对第一代产品进行了改进，取消了混合器，在一台汽油一液化石油气两 用燃料发动机上开发了一套无混合器式双蒸发器双管路系统。胡定军等【l l 】则研究了 l p g 电控混合器，通过发动机闭环控制结合三效催化反应器，使得三种捧气污染物 均明显下降。张振东等【4 】的研究表明，在一台增压中冷柴油机上使用l p g 电控混合 器系统后，排放可以达到欧i i 标准，采用催化后处理装置后，捧放水平具有达到欧 的潜力。李君等1 1 2 j 选用荷兰v i a l l e 公司生产的液体l p g 车用喷射装置，把一 台多点顺序喷射汽油机改装成了电控l p g 液态喷射发动机，达到与原汽油喷射发动 机相同的功率和转矩输出，当l p g 中丙烷和丁烷的比率为7 ：3 时，其排放可达到欧 标准。高莹等【1 3 】则在一台增压中冷柴油机上应用了电控l p g 气态喷射系统，加装 三效催化器系统后排放达到了欧i i 标准。邵千钧等【1 4 】应用自己设计的l p g 低压液态 喷射的燃料供应系统和控制系统，将l p g 液态喷射与气态喷射及燃用汽油时的动力 性和排放性作了对比。上海交通大学、吉林大学与嘉陵集团共同开发了满足欧 排放法规的l p g 电控三轮摩托车。可见，国内研究既有针对第一、二阶段 g 产 品的优化，也有对第三阶段产品的研究与开发 1 3 汽车排放法规 虽然l p g 与汽油相比有污染小的优势，但是随着排放法规的不断发展替代燃 料也在面临着严峻的考验。目前，几乎所有国家对机动车排放均作出严格的规定， 这种规定以捧放标准或法规的形式颁布并执行由于世界各国的政治、经济及技术 一3 一 上海交通大学博士研究生学位论文 水平等诸多因素都不样，所以制定的汽车排放标准也有所不同。从现在世界汽车 工业发展情况来看，汽车排放标准已经形成三大体系，即美国、欧洲和日本汽车捧 放标准，其中美、欧汽车排放标准被许多国家引用。 从汽车排放标准历史看，美国是世界上第一个对汽车排放制定标准的国家。1 9 9 8 年6 月欧共体决定采纳欧m 、欧标准，它们与欧i 、欧i i 除了在排放限值上要 进一步降低4 0 以外，最明显的区别还在于排放测试循环的改变，即取消了发动机 起动后息速4 0 s 的暖机时间，从2 0 0 2 年开始要求初始测试温度为- 7 ，这种改变实 际上强调了冷起动阶段发动机排放量的重要性。这是因为发动机低温冷起动时，缸 内温度低，燃油蒸发性差，为保证有效燃烧所必须的燃油蒸汽量，确保起动可靠， 通常电控系统要对进入气缸的燃油和空气混合物进行加浓，随之带来的问题是相比 于其它发动机工况，由于此时燃油的未完全蒸发及燃烧，导致排出大量的h c 和c o ， 而这一部分h c 和c o 也要在新的测试循环中予以计入，若要使发动机的排放能达 到欧m 、欧标准，必须采取措施有效降低冷起动阶段的排放。 我国制定汽车排放标准的时间相对较晚，这主要因为我国汽车保有量过去较少， 所引起的排放污染问题并不严重，人们还没有意识到控制汽车尾气污染的必要性。 但是从8 0 年代开始汽车保有量急剧增加，导致汽车尾气污染问题日趋严重，我国从 年代末开始制定有关汽车排放标准。目前，我国汽车排放标准主要采用欧洲排放 标准。从1 9 9 8 年7 月1 日起，我国汽车行业开始执行相当于欧洲8 0 年代中期的排 放限值。现在国家质量技术监督局颁布的2 0 0 0 年开始执行的汽车排放标准等效于欧 洲9 0 年代初期执行的欧i 排放标准。根据国家环保总局、科技部和原机械工业局联 合发布的机动车排放污染防治技术政策，2 0 0 4 年我国开始实施欧法规，计划 在2 0 1 0 年前后与国际排放法规接轨【j ”。 综上可见，虽然各个国家的排放法规略有不同，但是严格控制机动车冷起动排 放已经是共识，这是因为在冷起动过程中，由于发动机转速低、缸内温度低等恶劣 燃烧条件，导致初始循环存在失火、燃烧不充分等现象：为了保证可靠起动，在起 动的最初几个循环往往要提供非常浓的混合气，从而导致大量的c o 和h c 捧放产 生；同时由于起动时排气温度低，三效催化装置没有起作用，氧传感器也无法正常 工作导致不能进行闭环控制，所以冷起动过程对点燃式发动机整车排放贡献量极为 突出。欧m 、欧和f 1 甲7 5 测试都是从发动机起动瞬时就开始采样，而5 0 e 一$ 0 的h c 和c o 排放是在冷起动过程中产生的 1 6 - 1 9 l 。因此，冷起动的燃烧与排放控制 是目前车用发动机排放控制的关键环节之一，并己成为9 0 年代以来，特别是近年国 内外车用发动机研究领域的热点。 一4 一 第一章绪论 1 4 国内外冷起动研究的现状 国外对冷起动的研究起步较早，有关点燃式汽油机和压燃式柴油机的研究报告 相对较多。其中，关于如何控制冷起动过程缸内气体排放方面，比较有代表性的研 究成果是美国威恩州立大学的n a h e n e i n 教授等脚】对一台四冲程六缸汽油机冷起 动工况前1 2 0 循环的h e 排放进行了循环分析，研究了混合气空燃比、进气管压力、 点火提前角、喷油时刻、失火特性等因素，计算了每一循环的燃油喷射量、燃烧量 和排放量，从而确定每一着火循环的混合气空燃比。试验结果表明冷起动着火循环 的混合气过量空气系数为o 5 7 加9 2 。普林斯顿大学的s kf u l c h e r 等【2 1 l 贝通过试验 分析了燃料的雾化、蒸发和混合对冷起动h c 排放的影响，指出混合气空燃比的循 环控制可能是减少冷起动未燃h c 排放的最有效的措施。b i e l a c z y c i 2 2 1 9 究了环境温 度在5 也2 之问变化时，对于发动机冷起动h c 和c o 排放的影响h e y w o o d z 3 和c h e n g 口】研究了点燃式发动机h c 排放形成与氧化机理。t u n e sh a n d s 等【2 5 j 则针对 f t p 7 5 循环工况的点燃式发动机的前5 0 0 s 的h e ，c o 和n o x 瞬态排放进行于全面 的测量。 我国在车用发动机冷起动研究方面，也有一些相关的文献报道，其中西安交通 大学黄佐华等开展了冷起动和怠速时火花点燃式发动机缸内未燃h c 生成过程韵研 究瞄l 和燃用含氧燃料的冷起动和怠速时未燃h c 排放影响的试验研究【2 ”。清华大学 程勇、王建昕等对汽油机冷起动及暖机过程中燃烧及h c 排放特性进行了研究【l 7 2 1 1 ， 结合三效催化器的工作起燃特性，将缸内气体排放与排气后处理器的排放结合起来 同济大学周毅等也对三效催化器冷起动特性进行了研究 2 9 1 王振锁等p o l 研究了室温 条件下l p g 发动机冷起动首循环的燃烧特性。刘志敏等1 研究了环境温度从- 9 c 到 4 ，混合气浓度对于l p g 发动机冷起动首循环的影响，并发现了确保冷起动首循 环起动成功的空燃比窗口区域。可见我国在这一领域的研究正在与国际接轨 1 5 冷起动h c 排放机理 冷起动过程排放的特殊性，主要有两方面原因：一方面冷起动过程混合气雾化 不良，缸内温度较低，燃料燃烧不完全的比例较大；另一方面冷起动初期，尾气后 处理器尚未达到正常工作的起燃温度，同时用于闭环控制的氧传感器也未达到工作 的温度。因此，冷起动研究主要从优化控制缸内燃烧和尽快提高尾气后处理工作温 度两方面着手。目前国内外从尾气后处理入手，通过加热三元催化反应器提高其起 一5 一 上海交通大学博士研究生学位论文 燃温度或收集尾气h c 的方法基本可以满足排放法规的要求。但是为了应对将来 更加严格的法规限制，优化控制缸内燃烧的研究仍没有间断。 降低冷起动h c 排放的控制方法主要着眼两个方向：一是从尾气后处理入手， 设法减少三效催化器的起燃时间：二是改善缸内燃烧，减少发动机本身的h c 捧放。 认识冷起动h c 生成的机理，是采取措施降低排放的基础。由于发动机在冷起动时 缸内温度较低，燃烧不稳定，所以h c 生成的机理和暖机时相比，不同的因素起着 主导作用。 1 5 l 失火 失火是由于点火失败或混合气不合适等原因造成的缸内未燃烧现象，是发动机 h c 捧放升高的一个主要原因。s o l i m a n l 3 2 1 试验表明失火率由o 增加到1 2 5 ，h c 排放增长为原来的1 5 倍。单次循环h c 排放对比试验发现，失火与着火相比，h c 排放峰值增加8 0 1 3 3 1 。冷起动时缸壁温度较低，水蒸气易发生凝结，润湿火花塞的 机会较多，失火发生几率增加。在暖机工况下水蒸气凝结造成的失火现象一般不会 发生，而冷起动缸内温度较低，容易发生失火现象。所以要满足严格的排放法规， 首先必须控制冷起动失火的发生 1 j s 2 不完全火焰传播 冷起动时缸内温度较低，液体燃料只有部分蒸发，实际进入缸内的燃料减少， 在一台产品发动机上的试验研究发现，起动首循环的实际缸内燃空当量比只有 0 7 7 1 h ! ，所以冷起动工况下大团火焰在传播时容易熄灭，近来研究发现在稳定工作 条件下也有部分火焰媳, x 1 3 s ，只是由此产生的h c 对总体捧放贡献比例不大。c h e n g 等 2 4 1 认为稳定工况下不完全火焰传播贡献的h c 排放量占总量的比例不大，约为总 体的5 ，但同时指出当燃烧条件恶劣时，不完全火焰传播造成的h c 排放需要加以 注意，因此不完全火焰传播也是冷起动h c 排放的原因之一 1 3 3 湿壁现象 t a k e d a 3 0 l 采用热蒸发方法研究了点燃式发动机进气道湿壁现象。当试验发动机 进气冲程结束时，遁过屯子控制同时关闭发动机进排气阀，加热蒸发进气道壁面上 的燃料，并用f i d 瞬态h c 测量仪检测蒸发出来的h c ，从而得到进气道和进气阀 上的燃料湿壁量。采用同样方法可以得到发动机运行的其他工况下燃料湿壁量。试 验测量了每循环稳定燃烧所需的燃料量，结果表明首循环燃料需要量多于其他任何 一6 一 第一章绪论 循环，约为第四循环的4 倍。首循环喷入的燃料7 5 仍然留在进气道和缸内，并影 响后续循环。实际首循环进入气缸燃烧的燃料不到喷射总量的2 0 ，同时捧出的 h c 也比较少 在暖机条件下，液体燃料造成的湿壁现象对于h c 捧放的贡献占总排量的 2 0 | 2 4 1 ，冷起动时壁面温度较低，最初几个循环中液体不能充分蒸发，大量燃料液 体流进缸内，湿壁现象更为突出。相对于进气道喷射，目前发动机领域研究热点之 一的缸内直喷技术可以很好的避免燃油湿壁的影响此外，使用c n g 和l p g 等气 体代用燃料，也可以避免液体燃料的湿壁现象 1 5 4 较浓燃料空气混合气 对于多点喷射汽油机，为了保证冷起动可靠，起动最初几个循环要提供非常浓 的混合气，如6 缸汽油机首次着火所需要的混合气过量空气系数在0 5 7 o 9 2 之间 一般汽油机冷起动时所提供的燃料约是其正常燃烧时的5 倍。研究表明起动喷射脉 宽的长短和次数对汽油机冷起动着火特性影响很大，汽油机首次着火循环所需的混 合气浓度约是稳定息速燃烧时的4 7 倍p 射。由于浓混合气加强了湿壁、缸内问隙和 油膜吸收等因素的影响，导致h c 捧放的增加，即使在暖机条件下浓混合气也会导 致h c 排放增加p 4 】。所以冷起动工况，在保证可靠点火的情况下，必须通过电控或 其他手段控制最初几个循环的过量空气系数，以降低h c 排放。 1 5 5 缸内间隙 皤窖耳闭一 图1 - 1 缸内间隙示意图 f i g u r e1 - 1t h ec y l i n d e rc r e v i c es k e t c h 研究已经证明缸内间隙是h c 捧放的主 要来源，在暖机条件下大约3 8 的h c 排放 是进入间隙的燃料没有参加燃烧，