（动力机械及工程专业论文）利用汽车加热器降低汽油机冷启动排放的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 利用汽车加热器降低汽油机冷启动排放的研究 捅晏 欧洲欧洲法规增加了对轻型汽油车的低温冷启动过程的h c 和排放 测试，该测试也称为型试验。已报道的试验结果表明：在一7 环境温度下， 按欧标准排放检测循环试验的汽油机在冷启动过程前1 9 5 秒采样时间内的t h c 比常温下的测试结果高了1 5 倍左右。为满足欧排放法规的要求，本文提出通过 利用汽车加热器在冷启动前提升汽油机的体温的方案，重点解决一7 环境温度 下的冷启动排放问题。方法是：利用汽车加热器在发动机冷启动前预热汽油机水 套内的冷却液以提高发动机体温，同时加热器的燃气借道三效催化器排出，这可 方便而有效地提高三效催化器的入口温度。这样既提高了燃烧室壁温、减少了冷 激效应的影响、改善了混合气形成，减少启动过程中h c 和c o 在缸内的产量，又 保证了发动机在冷启动的开始阶段三效催化器可以很快达到起燃温度，有效转化 有害排放。显然这种方法对于减轻汽油机冷启动过程的排放是非常有效的措施。 f 4 ， 该方法要求汽车加热器的排放水平应远优于汽油机的情况，为此本课题利用 西迪阿特公司的通用流体力学模拟软件s 1 a r c d 对d 5 l c 空气加热器的燃烧室 进行了数值模拟，分析了燃烧室内部流场的分布情况、燃烧室内部结构对流场形 成的影响、燃烧过程的温度场和排放生成的情况，为实现燃烧室内高效低污染燃 烧提供了理论基础。计算结果表明：在二次风进气弯管的切向进气道处流速达到 最大值，符合二次风的设计思想；强化扰动使得流动区域内的已燃气体与新鲜空 气充分混合；二次风流速很大，和一次风存在比较明显的流速差，导致在二级缩 口处相遇的时候形成负压区而产生回流，一方面保证了火焰的稳定性，另一方面 可以使得混合气在燃烧室尽可能的停留较长的时间，保证混合气的充分混合和燃 料的充分燃烧。 在欧m 低温冷启动模拟实验台架上进行了汽油机与加热器联合运行以后冷 启动阶段排放水平的初步测试。实验结果表明该方案能够有效降低汽油机冷启动 阶段的t h c 、c 0 、n 0 】【等有害排放量。原机的t h c 主要产生于冷启动及暖机过 程( 约为前9 0 秒) ，t h c 的排放峰值基本对应于发动机的减速段。本实验中，使 用加热器对发动机预热之后，冷启动阶段t h c 的排放大幅降低，在催化器前可以 降低t h c 排放5 8 7 ，在催化器后可以降低t h c 排放5 3 8 。原机及使用加热器 后c o 的峰值均出现在减速段。c 0 主要产生于启动初期，催化转换器起燃以后c o 基本被氧化。冷启动时混合气较浓，空燃比较小，催化转换器尚未起作用，因此 山东大学硕士学位论文 形成大量c 0 。在冷启动及暖机阶段，使用了加热器之后在催化器前可以降低c o 排放8 1 5 ，在催化器之后减少2 0 0 2 。n o x 排放的峰值对应于发动机中、大负 荷工况。这主要是由于随着发动机负荷增大，喷油量增加，缸内空燃比不均匀， 且燃烧温度提高所致。在冷启动及暖机阶段，使用了加热器之后，催化器前的 n 0 x 排放量降低了7 3 6 ，催化器后的n o x 降低了7 1 4 。 关键词：加热器；汽油机；冷启动；排放；数值模拟 n 山东大学硕十学位论文 r e s e a r c ho ne x h 硼s te m i s s i o no fc o l d s 伽嚏p e r i o df o rg a s o i i n e e n 酉n ec o 脚i b i n e dw i t hah e a t e r a b s t r a c r n ee 啪缸de 0 r o 锄i s s i r c g l l l a t i o 硒r e q u 硫t l l e 锄i s s i t e s to f t h c h c 柚dc oo fm cl i 咖g a s o l 妣e n 西sd u 咖gt h e 叫d - s t a r tp e f i o d ，w l l i c h 眦 n 栅e d c x p e r i m e m n eh cc x h 叫s t 锄i s s i 伽0 fm cg a s 0 l i n ec n g i n eu s c di nm c e u r o 锄i s s i 叫r e ；i l l a t i o 璐c y d i n gt e s td u r i n gt h cf o 玎n e r1 9 5s e c o n do f 也c o o l d s t a r tp c f i o da tt h ee n v i m 砌e n tt 锄p 啪t i l 托o f 一7 i s1 5t i l n 鹤m o 托t h a nt h a t a tt h en o 咖a lt e m p e 咖r e ，w l i i c hi si n d i c a t e do nt h e v e r de x 肼抽e n t a l 地p o f t h t h i sp a p c f i no r d c rf o rg a l i n ev e l i i d e st om e c tt h e 咖i 锄i s s i g u l a t i o l i a na j rh e a t e rw 勰u s c dt oi n c r e a m ec o o l i l l gw a t 盱，st 啪p e 咖坤b e f b r ec o l d - s t a n o ft 1 1 eg a l i n e ，w h i c hw 弱h 叩c dt os o l v et h ep r o b i 伽so fq u i c k 饥l i g i i t - o f fo f c a t a l y s t 卸dr e d u c ee x h 卸s te m i s s i o 硒a t 一7 a m b i e n tt e m p c m t u r e t h ep l 孤i s u s i n g 卸a i fh e a t e rt 0i i l c r e 鹤et l i ec o o l i n gw a t e r st e m p e r a t u r eb e f o r e l d s t a no f t h eg a s o l i n e ，卸dt h ce m i s s i 0 ft l i ea i rh c a t c fi sv e n t e dv i at h ec a t a l y s tt oi m p 如i v e t l l ei n t a l 【et e m p e m t u r co ft l i ec a t a l y s t t h ep l 姐w l l i c hi sae f f b c t u a lm e 猫u t o d e c r e 勰et l l e c o l d s t a n p c r i o d e m i 豁i 伽c a n i m p r o v et l l e 亡y l i n 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h入口圆形的直径，m r e 雷诺数 l 水力直径，m u 空气的运动粘度，l l l 2 s p 密度，k g r 3 v 速度，m s p 盯有效粘性系数 p f层流粘性系数 肌湍流粘性系数 e湍流扩散系数 i 湍流强度 u 鲥平均速度，m s l 湍流尺度，m v 。i 1 燃油入口的速度，m ss o i l i b燃油入口的面积，i i l 2 v 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科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：聋建监日期：鲨2 ：2 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：整蔓i 堡导师签名：至叠聋日期：坦2 ：! ：2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 以内燃机为动力的车辆的有害排放物是大气污染的重要来源之一，先进的 排放控制技术对减少内燃机的有害排放做出了很大贡献。然而，随着机动车保 有量的增加，空气污染依然严重，世界各国制定的排放法规更加严格，这些法 规对排放控制技术提出了新的挑战。采用“闭环汽油喷射+ 三效催化转化器” 的闭环控制系统与没有闭环控制的系统性相比，已经减少了9 0 以上的排放物。 但仍然不能满足越来越低的排放标准的要求，内燃机的冷启动排放仍然较高。 按照美国f 1 1 p 实验方法，配有三效催化器的汽油机，8 0 的h c 、c 0 排放是 在冷启动过程最初几分钟内产生的【1 1 。因为在冷启动时，汽油机温度低，为了 弥补燃油蒸发的不足，保证燃烧的稳定，需要供给较浓的混合气，而催化器需 要一定的时间才能达到起燃温度，在催化器起作用之前，汽油机排出的h c 绝 大多数将直接进入大气。要降低冷启动过程中h c 排放量，一方面需要降低汽 油机本身h c 的排出量，另一方面需要缩短催化器达到起燃温度所需时间。 目前，车用轻型汽油机的欧排放标准( 我国即将实施) 和后续更严格的排 放标准，与我国现行的排放法规( g b l 8 3 5 2 2 0 0 1 ) 相比，都对冷启动过程的排放控 制提出了更加严格的要求。欧洲m 欧洲法规增加了对轻型汽油车的低温冷启 动过程的h c 和c o 排放测试，该测试也称为型试验。法规规定：在进行低温冷 启动排放测试前，须将经过预处理的车辆在2 6 6 k ( 7 ) 3 k 的温度环境下放置 一段时间( 1 2 h 以上，3 6 h 以下) ，在车辆点火开关接通时刻即开始尾气采样，取 消了汽油发动机冷启动后4 0 秒的怠速暖机过程。这些改变使轻型汽油机在排放测 试中尾气内有害排放物大量增加。已报道的试验结果表明：在一7 环境温度下， 按欧标准排放检测循环试验的汽油机在冷启动过程前1 9 5 秒采样时间内的t h c 比常温下的测试结果高了1 5 倍左右1 2 j 。 1 2 汽车加热器的研究现状 我国地处温带及亚热带地区，地理环境非常广阔，冬季在华北尤其是东北 地区气候比较寒冷，要求汽车车室内要保持一定的温度以保证驾乘人员的舒适 性，确保汽车的易启动性和降低汽车冷启动阶段的排放水平，另外还可以减少 发动机轴承副的磨损，延长发动机的使用寿命。 目前随着我国汽车工业的飞速发展及人民生活水平的不断提高，人们对汽 车驾驶舒适性和安全性的要求也日益提高，在汽车上安装高性能采暖装置已成 山东大学硕十学位论文 为未来的发展趋势【3 1 。 1 2 1 汽车采暖装置的发展史 在国外，利用发动机冷却水作为采暖热源的历史可以追溯到1 9 2 7 年f 4 】【5 】。 到了1 9 4 0 年，利用发动机冷却水的采暖装置已成为许多高档车的标准设备。随 着重型载重车及卡车的发展，上世纪七十年代发动机冷却水采暖装置也开始在 卡车上广泛应用。发动机的冷却水带走的热量可以达到发动机燃料燃烧放热的 3 0 左右嗍，充分利用这部分热量可以节约能源，降低汽车采暖的运行成本。 另外，这种采暖方式设备简单，使用方便，制造成本较低。但是因其受车辆本 身工况及供暖功率不足等限制，使其难以满足用户的更高需求。 后来又出现了废气式采暖装置，废气式采暖装置同水冷式采暖装置一样， 可以节约能源，降低运行成本，但是这种采暖装置需要在排气管上安装特殊的 热交换器进行废气与空气的热量交换，也存在着很大的不足：换热器的结构复 杂，体积较大，不便于安装和使用于路用车辆；发动机排气阻力相应增大，影 响了发动机的动力性和经济性；需要采取复杂的封闭和防泄漏措施等等，因此 废气式采暖方式已经被逐步淘汰【4 l 【6 】。 由于以上两种采暖装置本身固有的缺陷，人们不得不寻求另一种高效、稳 定的车用采暖装置，因此独立式燃烧加热器诞生了。这种采暖方式不受车辆的 运行工况的限制，即使在停车的时候也可以提供车辆所需的热量，更重要的是 这种采暖方式可以从根本上解决在北方地区汽车冷启动的问题。因此尽管独立 式加热器增加了能量消耗，却有着其他方式不可比拟的优点和独特功能。目前， 为最大程度地提高效率，在车辆上使用较多的是发动机冷却水和独立式加热器 的联合方式，将发动机的冷却系统串联到独立加热器采暖系统的管路中。在启 动汽车前，先启动独立加热器对发动机进行预热，提高汽车在低温环境下的启 动能力，降低启动过程的排放水平。汽车正常行驶时，利用发动机冷却系统携 带的热量加热车厢内的空气，降低独立加热器的工作负荷和汽车采暖的运行成 本。 1 2 2 独立式加热器 1 2 2 1 独立式加热器类型 独立式加热器按供油方式可以分为三种：喷雾雾化式，圆盘甩油式和金属 网蒸发式1 4 l 川。 喷雾雾化式加热器通过喷油嘴将燃油以油雾的形式喷射到燃烧室内，属于 2 山东大学硕士学位论文 扩散燃烧的方式。在一般情况下为了促进燃油和配风系统的匹配而将喷油嘴设 计成空心嘴形； 甩油盘式加热器利用离心力的作用，使油以小液滴的形式分布到空气中， 燃烧方式属于预混和扩散混合型； 金属网蒸发式供油方式中，燃油从进油孔流出，滴到燃烧室内的金属网上， 在网上的细微缝隙的毛细现象的作用下，燃油分布到整个金属网上，在配风系 统的进气旋流和燃烧室高温的作用下，燃油快速蒸发并与空气混合成可燃混合 气燃烧，属于预混燃烧方式。 加热器通常以水或空气作为换热介质，前者称为水暖式加热器，后者称为风 暖式加热器。 1 2 2 2 独立式加热器的组成 不论独立式加热器的供油方式或传热方式是哪一种，其一般都是由五大系 统组成：供油系统、燃烧系统、配风系统、换热系统和控制系纠7 l 【8 】。 5 供油系统的作用是将燃料以喷雾或燃油蒸汽的形式提供到燃烧室中。 燃烧系统是燃油和空气混合及燃烧的场所，由燃烧室和点火系统组成。燃 烧室的大小因功率和供油方式的不同而不同。点火系统的作用是在加热器启动 时点燃可燃混合物。 配风系统的作用是为加热器提供燃烧所需的空气，使空气进入燃烧室时有 一定的紊流度和速度，并且配合燃烧室的形状、燃烧方式来优化组织燃烧，保 证燃烧的稳定性和完全性。 换热系统的作用是将燃烧产生的热量传递到换热介质中去。换热介质将热 量传递到应用场合。 控制系统的功能是控制加热器的点火熄火过程，实现加热器的过热保护， 并控制加热场合、燃烧室及换热介质的温度水平1 9 】。 1 2 2 3 汽车加热器系统的布置 汽车加热器的采暖系统由加热器、管路、除霜器散热器( 水暖式) 或者热风 口( 风暖式) 组成。就水暖式加热器而言，一般是由两种布置：与发动机冷却 系统串联和独立式。串联方式可以实现发动机的预热，也可以充分利用发动机 的余燃，有一定的节能优势。独立方式无法实现对发动机的预热，但是控制较 为简单，无需控制阀门进行管路流动的切换。 作为提供除霜装置的热源，一般情况下汽车加热器在水暖式暖风装置的出 3 山东大学硕士学位论文 口处引出风管，在其上面安装除霜喷头而成。喷嘴装于挡风玻璃的下部。冬季 时，喷出的暖风使覆盖于风挡玻璃外的霜雪融化，同时也能提供车室内一定的 热量。 1 2 2 4 加热器在汽车低温启动上的应用 在我国华北尤其是东北地区秋冬季节天数比较长，气温比较低，发动机不 论是汽油机还是柴油机都存在着低温启动困难的问题。对于汽油机其原因有三： ( 1 ) 低温环境下蓄电池的供电能力下降，发动机冷启动的动力下降；( 2 ) 低温 造成润滑粘度的增大，增加了发动机的启动阻力；( 3 ) 低温环境下汽油的挥发 性下降从而导致雾化不良混合气质量降低。对于柴油发动机来讲，造成低温冷 启动困难除上面的原因外在压缩终点处气缸内的温度低也是一个重要原因，这 主要是由于进气温度低、气缸温度低导致在压缩终点处的传热过大造成的。要 消除这些问题就可以提高发动机的低温启动能力。 有多种方式有助于解决冷启动困难，首先是采用低温润滑油，降低发动机 冷启动时的阻力。其次是对蓄电池加热，提高其供电能力。第三是使用启动液， 利用易燃燃料来点燃。第四是采用热源来提高进气温度、提高冷却水和润滑液 的温度。虽然热源的建立需要另外的投资，但是在人们对车辆的舒适性的要求 和生活水平日益提高的情况下，也在逐步被人们采用。在寒冷环境下汽车提供 热量的方法有很多。例如：可以使用车载空调提供热量，但是在寒冷的环境下 车载电瓶说能够提供的电流和电量是十分有限的，而且通过发动机来进行充电 的效率也相对较低，因此车载独立式加热器是十分理想的热源并且可以同时解 决冷启动的问题，采用独立加热器来解决冷启动问题有多方面的优点【1 川： ( 1 ) 容易启动。发动机预热后，气缸、活塞、活塞环、轴承及机油温度提 高，可以大大降低启动摩擦阻力。例如在4 0 时，m 5 2 0 b 型发动机预热后的 热态启动阻力矩为2 2 0 n m ，而进行冷启动时的阻力矩则为3 2 3 n m ，热态启 动时发动机的阻力矩下降3 2 ，启动转速增加2 毗m i n ，从而提高了压缩终了 的温度和压力；降低机油粘稠度减少阻力；加热器还可以加热蓄电池提高输出 功率，增加启动力矩，提高发动机转速。 ( 2 ) 减少机件之间的摩擦力，避免零件损坏。发动机启动磨损主要由分子 一机械磨损和腐蚀一机械磨损引起。分子机械磨损指金属表面相互接触，发生 相当运动时在金属零件表面发生的类似于金属切削的磨损。腐蚀一机械磨损是 指发动机在低热状态工作( 低于7 8 ) ，水蒸汽凝结在气缸壁上，其中溶有的 4 山东大学硕士学位论文 酸气引起的磨损。发动机预热后，能够缩短油膜润滑所需的时间，使分子一机 械磨损量减小。另一方面，对发动机进行预热后，可以缩短发动机温度升高所 需的时间，从而减少了腐蚀一机械磨损量。 ( 3 ) 节省能源，降低排放。正是由于车用独立式加热器具有独特的优点， 以前只配备于低温环境军用越野车的加热器伴随着汽车采暖的普及日益被越来 越多的汽车应用。 加热器作为一种方便、清洁、高效的热源，除了用于汽车采暖，在农产品 干燥、小型特色食品加工、服装加工等方面有着广泛的应用前景。 1 2 3 国内外加热器的发展现状 目前，德国、美国、日本、意大利等发达国家的加热器技术已经发展到较 高的水平，如德国埃贝斯佩歇公司是世界知名的加热器生产企业，早在2 0 世纪 4 0 年代就开始加热器的研制开发与生产，经过不懈的努力，现已拥有1 6 种规 格f j 、系列燃油加热器。其中，f j 系列燃油加热器以空气作为热媒，结构 紧凑、热效率高、杂质少、使用方便；y j 系列燃油加热器是采用冷却水作热媒 通过燃烧换热原理加热循环冷却水的燃油加热器。两个系列的产品都有手动和 自动两种控制方式，6 5 0 c 以下可以自动启动，8 0 0 c 上可以自动停止，可单独与 散热器、除霜器等组成循环系统【1 l 】。两个系列的加热器在4 0 0 c 环境下均能正 常使用。 加热器设计方面，目前国外开始采用数值模拟分析手段来指导加热器的优 化设计，以实现其高效率、低排放的设计目的。 我国的汽车燃油加热器与欧洲和北美相比发展较晚。2 0 世纪8 0 年代初，河 北泊头仪表厂和武汉车身附件研究所推出系列空气燃油加热器，随后北京京威 汽车设备有限公司推出了、q n 系列燃油加热器，这些产品基本满足了当时 国产客车和其他车辆的采暖要求，占据了国内大部分市场。进入9 0 年代以后， 随着环保法规的日趋严格以及乘坐舒适性要求的提高，汽车法规中的空调技术 对燃油加热器的燃烧控制、排放控制以及噪声控制等提出了更高的要求，推进 了国外汽车燃油加热器的技术进步。我国由于汽车整体技术水平较低，加热器 的生产起步晚，技术还比较薄弱，因此与发达国家之间尚存在一定的差距【l o 】。 目前随着国内厂家对技术开发方面的重视及与国外先进加热器生产商的合 作，在技术上已有了长足的进步，差距主要是品效率偏低( 燃烧效率、换热效率) 、 产品着火稳定性、低温启动能力偏差和噪声高等。具体分为以下几方面【1 1 】【1 2 l ： 5 山东大学硕十学位论文 ( 1 ) 燃油供给方面。煤油供给系统通常有低压和高压两大类型。国外加热 器大多采用高压喷射的供油方式，这种供给方式能提高烧油的雾化性能，使燃油 和空气得到更为均匀的混合，从而减少积碳和废气排放并易于实现多档控制。目 前w c b a s t os c h o l 勰t i c 系列加热器就是采用这种供油方式，这种供油系统由进油 管、高压计量油泵、喷嘴预热器、喷油嘴等组成。而国产燃油加热器无论是空气 还是液体加热器，都采用离心式雾化结构的低压供给系统，这种结构雾化质量较 差，不易于实现多档控制。雾化效果差不仅导致排烟严重和c o 、h c 的排放较高 等不良现象f 特别是点燃初期，由于燃烧室温度不高和供油不均匀，使得这一缺 陷更为明显1 ，而且难以实现与多工况相适应的多档调节，从而油耗增加，不能 达到较好的综合效果。 ( 2 ) 助燃空气。国内外加热器助燃空气系统的工作原理基本相同，只是因 总体结构和燃烧室工作压力不同而采用不同的助燃风扇。国产加热器由于结构简 单，通常采用成本较低的简易离心式风扇，供气压力较低，而国外加热器则采用 供气压力较高的离心式风扇，以增强燃烧室的工作压力，提高燃烧性能。 ( 3 ) 冷却系统。冷却系统的主要差别在于冷却介质的不同。国外加热器的 主流产品采用液体作冷却介质，这种加热器供热柔和、无需加湿。而国内由于汽 车档次较低，对供暖的性能要求不高，因此，结构简单、工作可靠、价格低廉的 空气燃油加热器是主流产品。随着公路等级的提高和社会经济的发展，中高档客 车的市场需求日益旺盛，液体加热器的需求量逐步加大。 ( 4 ) 点火系统。点火系统方面，国内技术与国外技术相比存在较大的差距。 至今，国内仍采用传统的电热丝点火塞，而国外已普遍采用耐高温、耐腐蚀、高 强度的金属或全陶瓷点火塞，并将点火塞和火焰探测器结合在一起封装在陶瓷外 壳内，通过热敏电阻来决定其动作的新型点火塞，有的产品甚至采用了电子点火。 如w 曲觞t os c h o l a s t i c 系列加热器就是采用这种点火方式：通过点火线圈和点火电 极实现电子点火。 $ ) 热交换器。国外加热器的燃烧室结构紧凑并大多采用耐高温耐腐蚀的 新型材料，有的甚至在燃烧室内壁周围贴有耐高温隔热的石棉材料，以提高燃烧 室温度，便于煤油的蒸发，减少c o 、h c 的排放。而国内加热器的燃烧室结构大 多只采用了一些较简单的耐高温抗腐蚀措施，燃烧室温度通常只在8 0 0 左右。 ( 6 ) 控制系统。与国外相比，国内加热器的控制技术较为落后。国内加热 器主要采用继电器控制或继电器与传感器联合动作的简易自动控制，而国外大多 6 山东大学硕士学位论文 采用单片机集中控制。例如，美国p h i l i p s ，1 1 l e 彻。公司在1 9 9 6 年推出的z c r o s t a n 加热器上，采用了一种利用程序化的计时器可在驾驶室2 4 h 监控系统工作的恒温 控制系统；德国w c b a s t o 公司在s c h o l 勰t i c 系列产品上采用单片机集中控制技术， 能实现自动换档和自动诊断检测；美国e s p a r 公司在其系列加热器上采用单片机 控制技术，可实现根据车室温度自动换挡，利用计算机控制的程序化计时器可最 多在7 天前设定启动时间和温度。这些技术的采用不仅提高了乘坐舒适性，而且 减轻了驾驶员的劳动强度，提高了燃油经济性。 f 7 ) 排放性能。与国外先进水平相比，国内产品目前排放偏高。 1 3 汽油机冷启动排放问题的研究现状 1 3 1 汽油机冷启动过程h c 排放高的原因分析 汽油机冷启动过程h c 排放量较高主要是由于以下几方面的原斟1 3 1 。 ( 1 ) 失火 点火需要在火花塞间隙处有可燃混合气和点火火花。如果在火花塞电极上吸 附有液态燃料或水，电流就可能旁路，不能在电极间形成高压，造成点火失效。 火焰前锋的发展取决于混合气的质量，前一个循环残余废气对工质的稀释，不利 于冷启动过程燃烧的稳定性。失火是冷启动过程h c 排放量大的一个主要原因。 ( 2 ) 燃烧不完全 冷启动过程中，由于燃烧室壁面温度低，某些区域会发生火焰淬熄现象， 使燃烧不完全，造成h c 排放量增加。 ( 3 ) 冷启动过渡过程中空燃比不合适 进气道喷射的汽油机，冷启动过渡过程也是造成h c 排放量大的一个原因。 喷入进气道的燃油，大部分沉积在温度较低的气道壁面上，进气道绝对压力随转 速度的变化而剧烈变化，并且转速的变化与喷油量、燃油蒸发速度的变化不可能 恰到好处，故难免会出现混合气过浓、过稀，造成h c 排放量增加。冷却介质温 度对多点喷射汽油机的燃油响应速度有明显影响。在冷启动时，燃油的响应速度 很慢。热机后再启动时，燃油响应速度要快得多。实际上，在汽油机正常运行时， 在节气门突开、突关工况，供油量都会偏移。在稳定转速下突开节气门，混合气 会偏稀，至少需要3 个循环燃油供给才会恢复正常。在节气门突关时，混合气会 先偏浓，然后才会因为停油而变稀，这种现象在排气空燃比传感器上反映不出。 ( 4 ) 润滑油吸附 在进气和压缩行程，气缸壁面上的润滑油膜会吸附燃料蒸汽，而且燃料蒸 7 山东大学硕十学位论文 汽在油膜中的溶解度随温度降低而指数增大。这些蒸汽在膨胀和排气行程中逐 步释放出来，其中只有很少部分可以被氧化，大部分则随已燃气体排出气缸。 ( 5 ) 气缸壁面的沾湿和燃料凝结 发动机冷启动初期，由于进气道壁面、进气门、气缸缸壁温度都很低，喷 射到上面的燃油难于蒸发。部分液态燃油进入到气缸内，沾在气缸壁面或者活 塞顶端，形成气缸壁面的沾湿。 a i d 硒和d w s 对比了分别采用预蒸发好的丙烷混合气为燃料和普通汽 油进气道喷射方式下发动机冷启动阶段h c 排放情况1 1 4 】，试验结果表明：随着 冷启动温度下降，预蒸发丙烷混合气产生的h c 排放增量不大，而汽油h c 排 放量陡增；这说明缸壁上的液态燃油是造成发动机冷启动阶段h c 排放很高的 主要原因。假设两种燃料供给方式的排放结果中，来自其他原因的h c 排放量 相同，那么冷启动初始温度为6 时，液态燃油造成的排放大约占排放总量的 5 0 以上。燃油液滴主要是以下列三种方式进入气缸的： 1 ) 进气门开启时随混合气进入气缸 s t 锄g l m a i e rr h 等在一台四气门、进气道喷射可视化汽油机上的研究表明 1 1 5 】：燃油液滴在进气门开启时会随混合气进入气缸；并且，其中大部分能够到 达与进气门相对的气缸壁：这些小液滴聚集在一起，形成油膜。 2 ) 进气门上凝结的燃油 若发动机是在进气门关闭时进行喷射，那么大部分燃油会附着在温度较低 的进气门背上。当进气门在排气行程末期开启后，流入气缸。 3 ) 进气门关闭时，进气门阀座表面的油膜受压破碎形成的液滴 m e y e r r 等人在一台c v i ( a o s e v a l v ei n j e c t i 蛐) 可视化发动机上观察到， 当进气门关闭时，近期阀座表面的油膜会因受压而破碎形成液滴【垌。 发动机启动后的最初几个循环，除壁面沾湿外，还存在燃料凝结现象。由 于缸内温度较低，混合气中的燃油及易凝结在缸壁的表面l 切。燃油在壁面上凝 结的多少主要取决于燃油雾化程度、缸内气体温度、缸壁温度、燃油挥发性和 物化时间长短等因素。 ( 6 ) 气缸内问隙 气缸内间隙包括：第一道活塞环到活塞顶之间的间隙、活塞环间的间隙、 气缸垫间的间隙、火花塞螺纹的间隙和气门座的间隙。其中以第一道活塞环到 活塞顶之间的间隙为最大，约占燃烧室内所有狭缝容积的7 5 以上【培】。 8 山东大学硕士学位论文 据估计，暖机时因缸内间隙所造成的h c 排放占到了总h c 排放的5 0 左 右【1 9 1 。数值模拟计算的结果表明：发动机冷启动阶段，由气缸内间隙造成的 h c 排放会增加【2 0 1 。这主要是因为：冷启动阶段混合气的密度较大；壁面温度 较低，火焰在间隙入口处极易熄灭；活塞和活塞环的热膨胀系数远大于气缸体， 在低温下其间隙较暖机工况要大；主燃烧过程结束后，h c 的继续氧化不足。 ( 7 ) 壁面淬熄效应 燃烧过程中的燃气温度高达2 0 0 0 以上，而缸壁温度在3 0 0 以下，因而 靠近壁面的气体受低温壁面的影响，温度远低于燃气温度，并且气体的流动也 较弱。所谓壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰迅速冷却，而活化 粒子能量被吸收，燃烧链反应中断。淬熄层厚度随发动机工况、混合气湍流程 度和壁面温度的不同而不同，小负荷，特别是冷启动和怠速时会形成较厚的淬 熄层。 ( 8 ) 主燃烧过程结束后的h c 氧化过程 主燃烧过程结束后，残留下来的h c 在气缸和排气管中会继续被氧化。但 是由于冷启动时排气温度较低，这部分氧化过程被大大削弱。 ( 9 ) 排气门泄漏 在压缩行程和膨胀行程，由于制造误差、配合不良以及气门表面积碳的沉 积等原因，导致排气门密闭不严，这样缸内混合气可能会通过排气门泄漏出去。 ( 1 0 ) 进气门泄漏 当缸内压力低于进气管内压力时，如果进气门密闭不良。进气管中的混合 气可能会通过进气门进入气缸。这种现象主要发生在启动后的第一个循环。 ( 1 1 ) 润滑油 p u 蹦p k 等人利用激光质谱分析仪，对一台以氢气为燃料的发动机的暖 机排放进行了分析【2 “。结果表明，排气中润滑油成分的9 0 是未燃h c 。在中 低负荷时，他会随润滑油温度升高而减少，这主要是由于温度升高时，缸壁表 面的润滑油层变薄的缘故。 1 3 2 降低汽油机冷启动阶段h c 排放的措施 汽油机冷启动阶段h c 排放较高的主要原因有两个：首先，冷启动时，为 克服油气混合不良和温度低造成的难以着火的问题，需要供给较浓的燃气；其 次，三效催化器温度较低，需要一定的时间才能起燃并达到理想的转化效率。 因此，要解决该阶段排放较高的问题应该主要从两个方面着手：一是合理组织 9 山东大学硕士学何论文 混合气形成和燃烧( 也称机内措施) ，即通过调整空燃比、点火提前角等参数， 合理地组织燃烧过程，以达到在保证稳定着火和燃烧的同时又尽可能减少排出 气缸的h c 的目的；二是通过改进排气后处理系统( 也称机外措施) ，提高催化 器入口气流温度，缩短催化器起燃时间，以达到对排放的有效控制。 1 3 2 1 减少汽油机冷启动阶段h c 排放的机内措施 ( 1 ) 空燃比对h c 排放的影响 三效催化器只在一个很小的空燃比范围内才对h c 、n o x 、c o 三种废气都有 较高的转化率，这个范围越宽，越利于废气转化。但空燃比范围的宽度受到催化 剂配方与工艺的限制，因此有必要对空燃比进行精确的控制。在发动机启动后， 加热型氧传感器髓g 0 ( h e a t e de x h 孤s tg 勰帆y g e n ) 一般需要预热3 0 一4 0 s 才能 开始正常工作，在这段时间内无法测得准确的空燃比。 空燃比的波动会引起火焰传播速度的变化，从而影响输出扭矩的大小；同时， 空燃比的波动还会引起发动机瞬时转速的变化。 为了减少各个气缸之间的燃烧变动和不稳定燃烧，h o n d a 在其零排放水平 汽车( z l e v ) 中对每一缸的空燃比独立进行监测和控制，以使发动机的转速波 动和废气排放量降低到最低限度i l j 。 清华大学曾针对空燃比对冷启动阶段h c 排放的影响进行了试验研究。试验 中设定了两种e c u 工作模式，如图1 1 所示。模式a 为原机状况，e c u 控制空燃比 从4 6 至1 4 6 所用时间约为6 0 s ；模式b 中，调整了空燃比的变化规律，将其从4 6 升至1 4 6 所用时间从6 0 s 减至6 s 。结果表明，在模式b 中，发动机启动后前4 0 s 的累 计h c 排放量比模式a 低了4 0 【2 2 1 。因此，发动机启动后，在保证其稳定工作的 前提下，应尽快使空燃比变为化学计量比，这样有利于燃油在缸内及排气管内的 氧化，能够降低冷启动阶段的h c 排放。 1 0 宝 x 0 z 6 4 0 0 2 0 0 垂 裟薹 6 0 0 簿 枷 2 0 0 o 圈1 12 次试验的转速、空燃比及h c 的排放比较 播俩h 眨m g 6 4 2 0 山东大学硕+ 学位论文 ( 2 ) 点火提前角对h c 排放的影响 通过推迟点火提前角可以提高排气温度，促进催化器的快速起燃。但是过 迟的点火提前角却会导致不稳定燃