（动力机械及工程专业论文）缸内直喷汽油机复合喷射进气歧管设计.pdf

摘要 进气歧管是发动机进气系统最关键的零部件，由于塑料进气歧管的成本低、 质量轻等优点，已逐渐取代了传统的铝合金铸件歧管。本文在吉利4 g 1 5 g d i 发动 机基础上，设计了4 g 1 5 g d i 发动机的塑料进气歧管。 针对g d i 发动机存在的主要排放问题未燃h c 和n o x ，提出了燃烧理论空燃 比的复合喷射技术方案和运用e g r 分层技术。通过稳压腔辅助喷射燃油和缸内直 接喷射燃油，在缸内形成准均质混合气，利于燃烧，减轻h c 排放；通过e g r 分 层技术，在进气冲程使再循环的废气和油形成废气一油气一废气馅饼状分层，以大 大提高发动机对e g r 的耐受力，实现高e g r 率，降低n o x 排放。这两种技术的结 合，使g d i 的排放问题得以解决。 为了组织合理的进气流动，利用一维发动机工作过程仿真软件b o o s t ，建立 了4 g 1 5 g d i 发动机计算模型，确定了稳压腔容积、歧管长度、直径等基本参数。 根据复合喷射和e g r 分层技术的原理，设计了复合喷射辅助喷油器的位置和e g r 分层进气的进口、通路和出口结构，建立了塑料进气歧管的三维模型。c f d 流体 力学分析和a n s y s 结构力学分析的结果表明，进气歧管设计满足设计要求。 制作了快速成型样件，在气道稳流实验台上进行了进气一致性的测试和e g r 分层充气的模拟对比试验。试验结果表明：本文设计的进气歧管四缸进气均匀性 满足设计要求；e g r 分层充气能够有效的增加滚流强度。 关键词：缸内直喷汽油机塑料进气歧管复合喷射 e g r 分层 a b s t i 认c t a i ri n t a k em a n i f o l dw a st h em o s tc r i t i c a lc o m p o n e n ti nt h ee n g i n ei n t a k es y s t e m p l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d s s u c c e s s f u l l yr e p l a c e dt h ea l u m i n u ma i ri n t a k em a n i f o l d s f o ri t sg o o dp e r f o r m a n c e ，l o w e rw e i g h ta n dc o s t s t h i sp a p e rd e s c r i b e dad e s i g no ft h e 4 g15 g d ie n g i n ep l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d t h em a i np r o b l e mo fg d ie n g i n ee m i s s i o ni su n b u r n e dh ca n dn o x t h e c o m b u s t i o nw i t hs t o i c h i o m e t r i ca i r - f u e lr a t i ou s i n gc o m p o u n di n j e c t i o na n de g r s t r a t i f i c a t i o nw e r ed e v e l o p e dt os o l v et h i sp r o b l e m c o m p o u n di n j e c t i o nt e c h n i q u e c o u l dm a k et h eq u a s i - h o m o g e n o u sc h a r g et h r o u g ht h ep l e n u ma s s i s ti n j e c t i o na n d c y l i n d e rd i r e c ti n j e c t i o nt or e d u c et h eh c ；s t r a t i f i e d - e g rt e c h n i q u ec o u l ds t r a t i f yt h e r e c i r c u l a t i o ne x h a u s ta n dg a si nt h ei n t a k es t o k et og e tt h ee x h a u s t - g a s - e x h a u s tp i e ， t h e nt h ee g r d u r a b i l i t yc o u l de n h a n c e da n dg e th i g he g r r a t et or e d u c et h en o x t h ec o m b i n a t i o no ft h i st w o t e c h n i q u es o l v e dt h eg d i e m i s s i o np r o b l e m s i no r d e rt oo r g a n i z et h er e a s o n a b l ea i r f l o w ，4 g15 g d ie n g i n em o d e lw a sb u i l t u s i n gt h eb o o s t b a s e do nt h es t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo fp l e n u mv o l u m e ，m a n i f o l d l e n g t ha n dd i a m e t e rt ot h ee n g i n ep e r f o r m a n c e ，t h ed e s i g n i n gp r i n c i p l ew a sr e l e a s e d t og e tt h eb a s i cp a r a m e t e ro fi n t a k em a n i f o l dc a v i t y t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ea s s i s t a n t i n j e c t o rp o s i t i o na n ds t r a t i f i e d - e g re n t r a n c e ，a c c e s sr o a d sa n de x i ts t r u c t u r e i nt h e p r o c e s so fb u i l d i n gt h e3 dm o d e lo fp l a s t i ci n t a k em a n i f o l d ，c f da n da n s y s a n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h i sk i n d o fd e s i g nm e e tt h er e q u i r e m e n ts u c c e s s f u l l y t h ep l a s t i ci n t a k em a n i f o l dc a v i t i e sm o l dw a sd e s i g n e dw i t h3 dd e s i g n i n g s o f t w a r eb yw h i c hc a nm a k eo r i g i n a ls a m p l e sq u i c k l yi nt h er a p i dp r o t o t y p ec e n t e r t h i ss a m p l ew a st e s t e dw i t hs t e a d yf l o wt e s tb e n c h , t h et e s ti t e mi n c l u d e dt h ei n t a k e a i rc o n s i s t e n c ya n dt h ee g rs t r a t i f i c a t i o ns i m u l a t o rc o m p a r a t i v e t h er e s u l t ss h o w e d t h a ti n t a k ea i rc o n s i s t e n c yo f t h ep l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d sm e e tt h er e q u i r e m e n ta n d e g rs t r a t i f i c a t i o nc a l li n c r e a s et u m b l ei n t e n s i t y k e yw o r d s ：g d i ，p l a s t i c ，a i ri n t a k em a n i f o l d ，c o m p o u n di n j e c t i o n ， e g rs t r a t i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：，勺句及薹叁签字日期：川年厂月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：，刁娠妊 签字日期：佛年厂月口日 导师签名：刘组圻 l 签字日期：硼。年月1 7 日 第一i 绪论 1 1 引言 第一章绪论 由于环境污染日益严重，能源危机愈演愈烈，因而汽车使用低污染节能发动 机一直是政府和专业人士的目标。因此，降低发动机的排放、提高其燃油经济性 也就成为目前内燃机工作者的当务之急【l 】。改善燃烧室内的火焰燃烧过程和采用 新型的代用燃料或燃料添加荆则是解决以上问题的常用办法。作为一种新型的稀 薄燃烧方式8 i ，g d i 发动机p 1 综合了压燃式发动机与点燃式发动机的优点，通过燃 油的缸内直接喷射、可变喷油定时和控制缸内的气流运动等方式实现了缸内的稀 薄燃烧，使发动机无论在燃油经济性还是在降低排放等方面都表现出比p f i ( p o r t f u e li n j e c t i o n ) 发动机更犬的发展潜力。因此，g d i 发动机从2 0 世纪9 0 年代h 问世以来就一直受到人们的广泛关注。 g d i 发动机是电控汽油喷射发动机的一种，常用的p f 发动机是把汽油喷射 到进气门上，如图卜l 所示，因此在喷油与油气混合气进入燃烧室之间要有一段 时间延迟。而g d i 发动机是把汽油直接喷射到气缸内，因此并不存在p f i 发动机 喷油延迟的问题，它兼有柴油机热效率高和汽油机升功率大的特点。较之传统的 口工互圈丑珏五圆 圈卜1p f i 发动机与g d i 发动机燃烧系统比较 进气道喷射式发动机( p f i ) ，g d i 发动机具有许多明显的优势： ( 1 ) g d i 发动机可解决进气道喷射式发动机冷启动时高碳氢化合物排放的问 题。p f i 发动机是把汽油经较大的油漓( 1 0 0 3 0 0 u m ) 喷向进气阀背部和阀口附近 的壁上，汽油蒸发和空气混合主要依靠进气阀和进气道壁面的高温及在进气门打 第一章绪论 开时灼热的废气的倒流和冲击。但在冷启动时，汽油蒸发和油气混合严重不足， 此时就不得不过量供油使发动机得以启动，这就造成了很高的h c 排放【5 j 。g d i 发 动机是将汽油直接喷人缸内，油气混合主要依靠喷雾和缸内空气运动。与冷启动 时低温关系不大，勿需过量供油，因而h c 扫i s 放低。此外汽油直接喷人缸内，也使 发动机具有良好的加速响应性和优异的瞬态驱动特性。 ( 2 ) g d i 发动机可以不再使用节气门来调节负荷，而是利用缸内空燃比的 变化来达到发动机的工况要求，这就避免了p f i 发动机部分负荷时节气门所引起 的节流损失，并提高了发动机在部分负荷时的容积效率，燃油经济性也随之得以 改善。 ( 3 ) g d i 发动机直喷时，油滴蒸发主要依靠从空气中吸热而非从壁面吸热， 混合气温度和体积将下降，这就使得其充气效率得以提高，同时爆震倾向也大为 降低。再通过合理地组织缸内气流运动，实现分层燃烧，可使g d i 发动机的压缩 比提高至1 2 - 1 4 。 随着发动机与电子技术的发展，g d i 发动机在经济性及快速响应等方面的优 势，必将受到越来越多人们的关注，必将使车用g d i 技术得到更大发展。 1 2g di 发动机进气道设计研究的现状 g d i 发动机普遍采用稀燃技术，根据发动机工况的不同，g d i 的燃烧过程可分 为均质稀燃和分层稀燃两种模式。中小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入气缸， 通过喷油器、气流及燃烧室的合理配合，在火花塞附近形成较浓的可燃混合气， 在远离火花塞的区域，形成稀薄分层混合气，其最大空燃比可达到3 0 - - 4 0 。大负 荷或全负荷时，燃油在进气冲程早期喷入气缸，形成当量比为1 左右的均质混合 气进行燃烧。控制缸内混合气的形成和分布是实现分层燃烧的关键j 。只有在点 火瞬间将合适浓度的混合气引导到火花塞附近才能实现稳定的点火，同时，保证 混合气在空间的连续分布，才能实现火焰的连续传播，从而保证燃烧的稳定性。如 果在火花塞附近的混合气过浓，会使混合气不能完全燃烧，从而生成大量的不完 全燃烧产物( 如碳烟) 。更为严重的是，不完全燃烧会使发动机在上止点附近的放 热率下降，从而导致发动机功率下降，油耗降低。 “另外，混合气的空燃比也不能超出稀燃的极限，如果在混合气的周围有过稀 的混合气或有过稀的混合气脱离了主要混合区域，都会使汽油机燃烧困难或熄火， 从而引起h c 的排放升高。根据以上分析可知，要使g d i 发动机的分层混合气能够 稳定燃烧，必须具备以下两个条件： ( 1 ) 火花塞周围必须要有随时间和空间稳定分布的混合气，一般火花塞附近 混合气的空燃比在1 0 2 0 【7 】之间比较适合点燃。 第一章绪论 ( 2 ) 组织精确的涡流比，形成混合气在燃烧室内的轴向和径向分层，以获得 稳定燃烧所需的稀薄混合气。 根据混合气形成方式的不同，g d i 发动机的混合方式可分为喷射引导、壁面 引导和气流引导三种，如图卜2 所示。喷射引导受燃烧室形状及气流运动较小的 影响，但是喷嘴与火花塞的距离不易把握。壁面引导对喷油嘴的要求不高，且容易 将混合气引向火花塞，因此目前应用较多。气流引导主要靠缸内的涡流及滚流将 混合气引导到火花塞，而对缸内的气流运动组织则是发动机设计的一个难点。 ( a ) 喷射引导系统 ( b ) 壁面引导系统 ( c ) 气流引导系统 图i - 2g d i 燃烧系统的分类 按喷油器位置分：喷射引导系统将喷油器安装在缸头的顶部中间；壁面引导 系统、气流引导系统将喷油器侧置，即安装在进气道下部。按缸内气流结构分： 喷射引导、气流引导是基于进气涡流；壁面引导是基于进气滚流。以下是三种主 要的系统结构。 ( 1 ) 喷射引导系统 图i - 3 是a v l 公司一种商用机缸内充气分层示意图，它使用平顶活塞，进气 系统除节气r q # b 还包括一个控制阀和一个辅助空气喷射气道，使缸内产生一定强 度的涡流。燃油喷在旋流的中间并集中在那儿，油雾速度应尽可能小，这样才能 保证可燃混合气靠近气缸上部火花塞附近，同时又可避免油雾和活塞相碰撞。这 种燃烧系统的缸内气流结构应尽量减少紊流的成分，因为紊流可将油雾引向缸 壁，使一部分燃油粘附在缸壁 上，从而增加了排放。缸内涡 流不仅保持了稀空燃比时的 充气分层，又扩大了火焰的燃 烧范围，提高了火焰的传播速 度。进气速度随着控制阀的开 启角度而变化，这样通过调整 控制阀，使稀燃区域沿发动机 转速向高、低两个方向扩展f 8 j 。 图i - 3 喷油器顶置式燃烧系统混合气分层示意图 第一章绪论 这种系统着火比较稳定，稀燃能力强。但直接向火花塞喷油会影响火花塞使 用寿命，冷起动和产生炭烟问题较大。并且需要将火花塞与喷油器都安装在正中， 对四气门汽油机影响气门大小。 ( 2 ) 壁面引导系统 图1 - 4 是日本三菱公司设计的一种利用缸内逆向滚流形成混合气分层的示 意图【9 】。图中直立气道用以产生大尺度的逆向滚流，使油雾在和活塞碰撞后有效 向火花塞移动。直立气道具有较高的流量系数，因此在高转速范围发动机的性能 得到了改进；另外油束和活塞顶凹坑的相互作用对曲轴转角的依赖性变小，可在 更宽的转速范围内实行混合气分层；这样的进气道设计与传统的水平气道相比， 喷油器的喷射角度更加容易安排。 活塞顶部球型凹坑用来捕捉喷人的油雾并将其导向位于凹坑边缘的火花塞， 同时凹坑的形状也有利于保持逆向滚流的旋转动量直到压缩冲程的终点。 燃油在压缩冲程喷人气缸，它不直 转速的影响，因而保证了在一个较宽的 图1 - 4 三菱公司基于滚流的燃烧系统 转速区域内油雾和空气都能得以充分混合。 ( 3 ) 气流引导系统 图1 - 5 是日本丰田公司一台试验机的燃烧室结构副9 1 。其进气道由两个相互 独立的螺旋和直立气道组成，在直立气道的上游装有一个直流电机驱动的涡流控 制阀，用以在气缸内产生与发动机工况相对应的涡流比。为了在点火时刻在火花 塞附近形成可燃混合气，丰田公司在活塞顶设计了一个形状独特的凹坑，图中区 域a 位于涡流的起始部分，主要用来形成混合气；区域b 是主要的燃烧空间，混合 气在这里快速扩散；内旋的形状c 用来将已蒸发的油雾导向火花塞。为保证形成 合适的混合气，凹坑的深度和边壁的角度都进行了优化，同时也使油、气混合物 不致扩散出凹坑。燃油在压缩冲程后期喷入气缸，和凹坑壁相碰撞并利用空气涡 流及喷射压力产生的动量沿壁面流向火花塞，这个阶段燃油蒸发靠空气和活塞壁 的热传递。 4 第一章绪论 溶c 玲糁c 翅矿 嘴嘴 喷油分层点火 图1 - 5t o y o t a - - d 4 燃烧室结构图及混合气分层过程 国内尽管已经有一些缸内直喷汽油机的产品，但那是与外方设计公司合作的 结果，核心技术掌握在外方手中，基础研究和数据积累一片空白。 1 3 发动机进气歧管的发展现状 进气歧管是发动机最关键部件之一，其核心功能是与进气道一起为发动机各 缸提供充足均匀的混合气，是影响发动机动力性和油耗的关键因素；除此之外， 进气歧管还为发动机电喷系统主要传感器和执行器提供结构支撑，喷油器、油轨、 进气压力传感器、温度传感器、碳罐、节气门体、可变进气阀、怠速控制、刹车 助力等均安装在进气歧管上，使得进气歧管结构很复杂。 传统的进气歧管是铸件，目前大多数进气歧管为铝合金材料制成，由于进气 歧管结构复杂，一般都采用金属模砂型铸造，其表面粗糙、充气阻力大、质量大； 另外为满足发动机进气和电喷系统安装要求，金属进气歧管设计制造工艺越来越 复杂，成品率很难保证。随着欧排放标准的临近，新型发动机进气歧管要求配 备电控可变进气阀等复杂的内部控制机构，金属进气歧管已很难满足未来进气歧 管的发展要求。 为了达到减轻质量降低油耗、提高发动机性能和降低排放等要求，欧洲的汽 车商率先采用尼龙制造进气歧管，随后美国、日本、韩国相继开发塑料进气歧管。 1 3 1 塑料进气歧管的优势 塑料进气歧管在设计和制造上要求非常高，性能要求非常苛刻，目前只有少 数几个国家掌握该项技术。但是由于塑料进气歧管的成本较低，质量较轻等优点， 国内的主机厂、配套制造方对这方面技术表示相当的关注，预测未来的中国市场 第一章绪论 在塑料进气歧管方面将有很大的发展空间。塑料进气歧管的优点： ( 1 ) 轻量化。与铝制进气歧管相比，塑料进气歧管质量降低4 0 一6 0 。 ( 2 ) 降低成本。塑料材质的产品其成本低于铝质产品，生产方式采用注塑 成型、振动摩擦焊接的工艺，具有成型工序少、提高生产效率、节省加工时间、 降低装配时间的特点。 ( 3 ) 塑料进气歧管的内表面非常光滑，气流阻力小，可提高充气效率，燃 油可充分燃烧。由于塑料进气歧管的导热性低于铝进气歧管，使气体受热膨胀率 降低，提高了气体的密度，使气体进入燃烧室的温度降低，这不仅改善了热起动 性，提高发动机的效率和扭矩，同时冷启动时可以一定程度避免管内热量散失， 加快提高气体温度改善了发动机的性能，减少废气排放。 ( 4 ) 降低噪声。这是因为塑料进气歧管普遍采用的材料尼龙( p a ) 本身具有 减振消声和耐磨性。 ( 5 ) 设计自由度大。 1 3 2 塑料进气歧管的材料及产品要求 发动机周边零部件的塑料化发展缓慢，是由于发动机周边环境条件的影响所 致。由于发动机工作时所产生的热经过辐射、传导、对流以及受大气环境影响， 发动机周边的温差范围是- 4 0 , - , , 1 4 0 。特别是当汽车行驶过后停车的瞬间，其最 高温度要在1 4 0 以上。因此，塑料进气歧管件一般必须符合下列要求： ( 1 ) 耐高温，塑料进气歧管与发动机缸盖直接连接，发动机缸盖温度可达 1 3 0 一- - 1 5 0 。因此，要求塑料进气歧管材料能承受1 8 0 的高温。 ( 2 ) 高强度，除了要承受道路上飞沙的冲击，塑料歧管安装在发动机上， 要承受汽车发动机振动负荷、节气门和传感器惯性力负荷、进气压力脉动负荷等， 还要保证在发动机发生异常回火时不被高压脉动压力爆破。 ( 3 ) 尺寸稳定性：进气歧管与发动机的连接尺寸公差要求很严格，歧管上 各传感器、执行器等安装也要很准确。 ( 4 ) 化学稳定性，塑料进气歧管在工作时直接接触汽油和防冻冷却液，汽 油是很强的溶剂，冷却液中的乙二醇也会对塑料性能产生影响。因此，塑料进气 歧管材料要耐各种介质的腐蚀，即汽油、柴油、润滑油、长效冷冻液、制动液、 蓄电池液、洗涤液、油中的各种添加剂、醇类、高温水及融雪剂的侵蚀，化学稳 定性要求很高，需要经过严格测试。 ( 5 ) 热老化稳定性；汽车发动机处于很苛刻的环境温度下工作，工作温度 在一3 0 1 3 0 往复变化，塑料材质必须能保证歧管的长期可靠性。 ( 6 ) 良好的熔融流动性、成型性能，因为这些部件大多采用注塑成型，有 6 第一章绪论 的部件结构非常复杂，因此树脂必须要有良好的流动性，否则难以成型。 目前普遍采用的材料为尼龙p a 6 或p a 6 6 加2 5 3 5 的玻纤的增强塑料。 尼龙的特点是耐高温、化学稳定性好，缺点是收缩率比较大，因此需加玻纤，减 小收缩率。尼龙耐乙二醇的性能也不太好，内部含冷却水道的歧管材料需采用专 用抗乙二醇尼龙配方。尼龙的另一个缺点是吸水性太强，吸水后尼龙强度下降近 4 0 。塑料进气歧管材料一直在发展中，目前为止尼龙还是最佳选择。 1 3 3 塑料进气歧管制造工艺的选择 塑料进气歧管制造工艺主要有熔芯法、振动摩擦焊、热板焊。最近还出现了 高温诱导焊和热电阻焊。熔芯法制造的进气歧管，不仅成本较高，而且有一定的 废品率，因为歧管材料p a 6 6 ( 玻纤增强) 的加工温度在2 5 0 - 2 6 0 左右，虽然在 模具内与型芯的接触仅几分钟，但也不可避免地会熔化部分的型芯，使歧管的内 壁尺寸控制困难；并且在大批量生产时模芯技术的加工工程问题变得越来越突 出。热板焊焊接面耐溶剂性能差，机械作业时间长，一段均在3 0 s 左右，并且夹 具制造因难，耗电多。因为热板焊对工艺要求很高，应用不是很广。目前国际上 塑料进气歧管最成熟的生产工艺是多片振动摩擦焊，生产效率高且成本低。 近年来，由于振动摩擦焊技术的进步，对于大尺寸玻纤增强纤维p a 6 6 的焊 接技术也日趋成熟，振动摩擦焊工艺逐渐取代熔芯法，用于分片式塑料进气歧管 的生产。并且由于p a 6 4 - 3 0 比p a 6 6 4 - 3 0 的焊接强度高，使得p a 6 + 3 0 在塑料进 气歧管上的应用逐渐增爹1 0 j 。 振动摩擦焊接的工作原理是：利用在两个待焊工件接触面所产生的摩擦热能 来使塑料熔化，热能来自一定压力下，一个工件在另一个表面以一定的位移或振 幅往复的移动，一旦达到预期的焊接程度，振动就会停止，同时仍旧会有一定的 压力施加于两个工件上，使刚刚焊接好的部 分冷却、固化，从而形成紧密地结合。 摩擦焊能熔按简单三次曲面的工件焊接面 耐溶剂性能好，机械作用时间在1 5 s 以下， 省电，工作时几乎无味，可焊接大型工件， 并可一次焊接数个工件。夹具制造简单、装 拆方便可冷作业。但是其振动方向必须为 曲率半径大于5 0 0 m m 的形面 1 1 】，且外观容易 存在少量的溢出熔料。在单片塑料进气歧管 上合理设计焊接筋结构【l2 1 ，如图1 - 6 ，可以 保证焊接强度和焊接效果。 图1 - 6 焊接筋结构示意图 第一章绪论 13 4 汽油机塑料进气歧管应用现状 汽车复合材料联盟资料表明，发动机周边高分子复合材料的应用，从1 9 9 9 年到现在已增长8 0 ，从8 1 6 千吨增加到1 41 千吨。应用塑料的零件最早是 从冷却系统风扇及护风圈等部件开始，随后逐渐发展到进气歧管、空气滤清器总 成、气门盖和发动机盖。其中，发动机周边塑料化普及率最高的部件是进气歧管。 首先实现商业化的塑料进气歧管是德国福吕登伯格公司用不饱和聚醋b 舭 制造的产品，采用“金属熔芯”( 1 0 s tm e t a l ) 法模塑制造。制成的歧管内表面 十分光滑，有助于空气流入，发动机的功率比用金属歧管的提高了1 碱，且歧 管质量减轻了1 k g 。 罗杰斯公司用一种具有韧性、耐疲劳塑料合金( x b - - 2 2 ) 制造的进气歧管， 其质量减轻3 0 ，并可减少加工制造工时，降低噪音。通用电气公司塑料部与c m i 国际公司联合研制的塑料进气歧管，是由玻璃纤维增强的p p s 和p a 和其他工程 塑料的合金制成。测试表明，其耐久性高于或等于铝制歧管，内表面光滑质量轻。 另一个优点是塑料热导率较低，低温空气密度较大，可提高空燃比，从而提高了 发动机的效率。 1 9 9 0 年，德国宝马公司在世界尚第一次采用融芯法生产出塑料进气歧管， 其成本降低了1 0 ，重量减轻了6 0 ，发动机的性能改善了2 。韩国现代汽车公 司于1 9 9 5 年生产出第一个塑料进气歧管较金属进气歧管。成本降低达3 5 ， 重量也减轻6 0 ，发动机性能也有所改善。 瞄。”一；：。 38 0 2 图l - 7 欧洲进气歧管材料应用状况囤1 - 8 北美迸气歧管材料应用状况 2 0 0 4 年塑料进气歧管已经占了进气歧管市场份额的一半以上，据预测到 2 0 0 9 年，全球塑料进气歧管将达到7 5 【1 3 1 。目前国外轿车用汽油机9 0 9 6 都采用 塑料进气歧管。2 0 0 3 年欧洲和北美进气歧管材料的应用状况如图1 - 7 、卜8 r 。 塑皋耳进气岐管在欧洲、美国以及韩国、日本等地区，发展相对成熟而对于 中国市场该技术还几乎是个空白，国内用的塑料进气歧管基本都是从国外进口 的部件。 第一章绪论 我国重庆宗申集团2 0 0 2 年从韩国引进熔芯法塑料进气歧管生产线，只有一 副配套模具生产x - 3 返销韩国。天津大学与宗申集团合作，经一年半的攻关， 2 0 0 3 年成功设计出熔芯法塑料进气歧管新产品- - 4 6 5 q e 进气歧管，产品已大量投 放市场。目前，长春一汽大众、天津夏利汽车股份有限公司等国内几个厂家都在 委托本课题组开发塑料进气歧管，产品还没有批量生产。外资公司如日本京滨( 广 东分公司) 、意大利马瑞利、德国西门子等也在国内承接塑料进气歧管项目，但 都在国外设计开发，费用很高。 1 4 本课题意义及主要研究内容 目前阻碍稀燃g d i 发动机开发进程的最大问题就是排放。从总体上来讲，稀 燃g d i 发动机的排放要高于传统的化学计量下工作的加三元催化剂的p f i 汽油 机。这主要表现在以下两个方面：其一是部分负荷时，h c 排放相对较高。主要 原因是采用分层混合气时，引起火焰从浓区向稀区的熄灭。稀空燃比工作条件造 成缸内温度偏低，也不利于未燃h c 随后的继续氧化。其二是n o x 的排放较高。 由于空燃比不在当量比附近，目前成熟的三元催化技术不能得到充分利用，因而 n o x 排放较高。目前正在研制开发各种适用于稀燃的催化器，如：稀燃选择还原 型n o x 催化器、吸收还原型n o x 催化器、未燃h c 氧化催化器等。但这些催化器 都不同程度地存在转化率低，工作范围窄，性能不如传统的三元催化器等问题， 技术不成熟，还需要进一步研究。 鉴于稀燃g d i 发动机的以上问题，本课题g d i 的燃烧模式采用燃烧理论空燃 比混合气方式，它的主要优点是能够采用目前p f i 发动机上广泛使用的三效催化 器，可以避免采用稀燃n o x 催化转化器，避免了因富氧气氛使得传统的三效催化 器的转化效率不高带来的h c 和n o x 偏高的问题，使其排放能够达到越来越严格 的排放法规。燃烧理论空燃比在燃油经济性方面比稀燃要吃点亏，但通过提高 e g r 率和提高压缩比，可以得到部分弥补。 本论文的复合喷射技术方案，将在带预热的进气岐管稳压腔内设置一个辅助 低压喷油器，与缸内直喷高压主喷油器联合起作用。在起动和怠速工况，只由进 气管稳压腔上的辅助喷油器供油，燃油不仅有充足的汽化时间，而且有良好的加 热条件，因而起动工况下无需喷油加浓。在其它工况下，由稳压腔上的辅助喷油 器提供理论空燃比的部分燃油，由于有充足的气化混合时间，可以提供优质均质 混合气，保证火花塞远端不会发生熄火现象；再由缸内主喷油器提供另一部分燃 油，形成火花塞处较浓混合气，利于火核形成和传播。解决了直喷汽油机易出现 的混合气局部过浓和局部过稀所带来的排放问题。 另外实施e g r 分层充气，在迸气冲程使再循环的废气和新鲜空气分层，形成 q 第一章绪论 废气一空气一废气馅饼状分层，以大大提高发动机对e g r 的耐受力，实现高e g r 率， 以降低n o x 排放和燃烧噪声，降低h c 、n o x 排放，提高发动机的动力性和经济性。 原油资源为不可再生资源，原油价格的上涨是不可避免的。轿车直喷汽油机 ( g d i ) 的开发，能够使整车的燃油消耗率较同级别的进气管喷射( p f i ) 发动机 油耗得以降低，动力性提高，g d i 更有利于降低排放，能有效降低汽车尾气污染， 具有良好的社会和环境效益。该技术开发成功后，将大大提高国产轿车发动机的 竞争力。同时，技术的积累有助于国产发动机零部件的开发，打破国外企业的技 术垄断。国产化的成功将大幅度降低产品成本，提高产品竞争力，为以后其它的 g d i 汽油机设计开发提供设计经验，为我国的汽车行业发展以及环境保护做出贡 献。 本论文是以吉利的4 g 1 5 为基础，在研究国内外g d i 发动机发展基础上设计 的一种g d i 汽油机复合喷射进气歧管，此迸气歧管采用p a ( 聚酰胺) 的塑料作为进 气歧管的材料，摩擦焊制造工艺。而此进气歧管结合了复合喷射技术、e g r 分层 充气技术和塑料进气歧管的特点、设计原则而开发设计的，它兼顾这些技术的优 点，从而能改善发动机的动力性和经济性。主要工作概括如下： 1 分析了g d i 的主要排放问题，提出了用复合喷射方案和e g r 分层技术来解决 h c 和n o x 排放，并设计了复合喷射辅助喷嘴的位置和e g r 分层的进气结构。 2 用一维b o o s t 模拟4 g 15 g d i 发动机性能，选择进气歧管主要参数：稳压腔容 积、管长、管径。用p r o e 设计进气歧管的三维模型。 3 塑料进气歧管气道稳态流量测试，在气道稳流实验台上进行进气均匀性和e g r 分层充气的模拟对比试验。 第二章复合喷射与e g r 分层技术的原理 第二章复合喷射与e g r 分层技术的原理 尽管g d i 发动机在理论上存在着重大的潜在优势，但它也同时存在着一些难 以克服的问题。目前阻碍g d i 发动机开发进程的最大问题就是排放了。它的主要 排放问题是未燃碳氢化合物( u b h c ) 和n o x 1 5 】。 碳氢化合物h c 包括碳氢燃料及其不完全燃烧产物、润滑油及其裂解和部分氧 化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本上无味， 它在空气中可能存在的含量对人体健康不产生直接影响。烯烃略带甜味，有麻醉 作用，对粘膜有刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的环氧衍生物。烯烃有很强 的光化活性，是与n 0 x 一起在日光紫外线作用下形成有很强毒性的“光化学烟雾 的罪魁祸首之一。芳香烃有芳香味，却有危险的毒性，对血液、肝脏和神经系统 有害。多环芳烃( p a h ) 及其衍生物有致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼粘膜、 呼吸道和血液有毒害。 内燃机排放的氮氧化物绝大部分是n 0 ，少量是n 0 2 1 6 1 ，一般用n o x 表示。n o 是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成n 0 2 。n o z 呈褐色，具有强烈 的刺激味，对肺和心肌有很强的毒害作用。n o x 是在地面附近形成光化学烟雾的 主要因素之一。 这两种化合物极大的危害着人们的健康，所以降低g d i 发动机的排放一直是 重要的课题。本文给出了g d i 排放的解决方法：复合喷射技术和e g r 分层技术。 2 1g d i 发动机排放问题产生的原因 2 1 1 中小负荷下u b h c 的排放 由于g d i 油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动，与冷起动时的低温 关系不大，所以冷起动时无需过量供油，有效地解决了p f i 冷起动时h c 排放过多 的问题。但是g d i 在中小负荷的情况下，其未燃碳氢化合物的排放仍然较多。主 要原因是：( 1 ) g d i 在此工况采用的是分层稀薄燃烧，燃油在压缩行程后期被喷射 入气缸内，所需的雾化时间不足，油气不能充分混合，在燃烧室内产生局部混合 气过浓。( 2 ) 大量的浓混合气集中在火花塞附近，使得火焰在向周围稀混合气传 播时，因混合气过稀而熄灭。( 3 ) 稀薄燃烧造成气缸内温度偏低，不利于未燃碳 氢化合物随后的继续氧化。( 4 ) 由于g d i 发动机压缩比较高，使得残留在狭缝容积 中的h c 增加。( 5 ) 使用高e g r 率导致燃烧变差。( 6 ) 目前g d i 产品的燃烧系统主要采 第二章复合喷射与e g r 分层技术的原理 用“壁面引导法，该系统喷雾容易与活塞顶和缸壁发生碰撞，而缸壁的温度又 较低，从而导致燃油在着火前来不及完全蒸发，引起较多的h c 排放。 一些公司采取了一些新的技术，如三菱公司采取二次燃烧早期激活催化剂及 采用反应式排气管等措施来减少h c 排放【1 7 】。两次燃烧是指在发动机冷车怠速运转 时，除了在压缩行程后期喷射燃油外，在做功行程后期再次喷射少量的燃油，在 缸内高温高压气体的作用下点火燃烧并使排气温度提高。当排气门打开后这一燃 烧过程可以移至反应式排气歧管中，补充空气，加速燃烧。采用两次燃烧技术， 可很快达到催化器的起燃温度，并通过反应式排气管可大幅度降 l 毛h c 、n o x 的排 放。 2 1 2n o x 的排放和后处理 虽然g d i 采用了稀薄燃烧技术而使气缸内反应区的温度下降( 从n o x 的生成原 理上来说可减少n o x 的生成量) ，但由于g d i 的混合气由浓到稀呈分层状态，不可 避免地会出现空燃比为1 附近的偏浓区域，使这些区域的n o x 排放增加，而较高的 压缩比和较快的反应放热率也是引起n o x 排放升高的一个原因。此外，由于6 d i 本质上仍是稀薄燃烧的一种实现方式，所以它仍受到稀薄燃烧n o x 催化转化问题 的困扰。一般来说，g o i 大部分工况都处于部分负荷，它的n o x 排放量约占总排量 的一半，发动机长期处于稀空燃比的工作条件下，导致废气排气中含氧较多而且 排放温度也较低，致使传统的三元催化器的转化效率不高并且起燃困难，限制了 它在g d i 发动机上的应用。所以，如何解决稀燃条件下n o x 排放的后处理也是g d i 的一大难题。 目前，g d i 对n o x 排放的控制主要依靠e g r o s 】【1 9 】和稀燃n o x 催化转化器 2 0 】【2 1 1 ， 其中后者的发展有着深远的影响。 1 废气再循环( e g r ，e x h a u s tg e n e r a t er e c y c l e ) e g r 将冷却后的发动机废气再次送回燃烧室中燃烧，以达到减少氮氧化物排 放的目的。当废气与新鲜空气和燃油混合后峰值燃烧温度被降低，从而可降低氮 氧化物的排放，但是会引起颗粒物( p m ，p a r t i c u l a t em a t t e r ) 和h c 的增加。所以 废气循环系统常与颗粒物捕收器配合使用，废气再循环技术是降低n o x 的有效措 施。然而，发动机的e g r 承受力是有限度的，过高的e g r 率会导致燃烧恶化，从而 得不偿失。 部分负荷不使用e g r 时，g d i 的n o x 的排放水平与p f i 相差不多。但由于g d i 可 实现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使得缸内的富裕氧气较多，从而允许使用高 的e g r 率，充分降低n o x 排放量，并且燃烧特性不会因为e g r 而恶化。据试验表明， 在燃油经济性改善保持不变的情况下，g d i 的e g r 可高达4 0 【2 2 1 。虽然如此，但e g r 第= 章复合喷射与e g r 分层技术的原理 始终还是不能在整个发动机转速负荷范围内减少n o x 排放量，所以单靠e g r 是不能 满足更为严格的欧和欧排放法规的，进一步降低n o x 捧放就必需开发在稀燃 条件下的n o x 催化转化技术。 2 直接催化分解n o x 技术 日本从1 9 8 5 年就开始进行n o x 直接分解的研究工作 和氧。即： n 0 x n 2 + 0 2 力图将n o x 直接分解为氪 ( 2 一1 ) 实现上述反应的关键是催化剂的催化活性。由于不使用还原剂，避免了使用 价格高昂的贵金属作为催化剂，所以是一种比较理想的n o x 处理技术。研究表明 能直接分解n o x 的催化剂是将c u 、c o 、n i 、g a 、f e 、z n 、p t 等通过离子交换方法 载于z s m - 5 或y 型沸石上制成这种催化剂有高活性和选择性，在氧化气流中由h c 还原n o x 有很好表现，且有一定的抗s 中毒能力，在稀薄燃烧发动机尾气的催化转 化中显示了较好的潜力。 然而，在n 0 x 直接分解的研究过程中，人们发现尾气中的氧对该反应有明显 的阻碍作用，存在严重的氧抑制等问题，这对该技术的实际应用造成了困难。 3n 0 x 吸收还原技术 目前在稀薄燃烧n 0 x 催化转化技术领域内，n 0 x 的吸收还原技术使用较多。这 项技术主要是利用一些化学物质可在富氧的条件下，通过催化剂的作用与n 0 x 产 生反应，以硝酸盐的形式将其存储起来，而在贫氧的条件下又可将其释放还原。 它是以p t 作为储存还原n o x 的主要催化剂，以碱金属、碱土金属或稀土金属作为 储存n o x 的成分( 以m 表示) 。 它的工作原理如图2 1 田1 所示。当发动机以稀混合气工作时，其排气中o 。含 量迅 稀空燃比当量空燃比 “0 2，。i ，硝化处理c 0 。1 1 2 0 “c 乎, c o 兰皇 迢一邋 以硝酸盐的形式储存m ；储存n o x 的组元还原成氨 图2 - 1 吸收还原拄术原理 第二章复合喷射与e g r 分层技术的原理 速增加，存储器通过催化剂p t 将n 0 氧化成n 0 2 ，随后生成的n 0 2 被碱土金属氧化物 表面吸收，形成硝酸盐，存储在以m 表示的存储元素中。实验证明，存储元素的 金属碱性越强，其所能存储的n o x 量越多，并且越稳定。当发动机工况发生变化， 改用浓混合气工作时，排气中0 2 含量减少，生成的硝酸盐就会在超过1 0 0 的温 度下开始分解，在催化剂p t 的作用下，与排气中h c 、c o 及h 等反应，再次还原成 n 2 。其具体的化学反应方程式如下： ( 1 ) 在富氧的气氛下，通过下列反应用吸附剂m 0 将n 0 x 储存起来： n o + 0 5 0 2 一n 0 2 n 0 2 + m o h 烈0 3 ( 2 2 ) ( 2 ) 在贫氧的还原气氛下进行分解和还原，其可能的反应如下： m n 0 3 - n 0 + 0 5 0 2 + m 0 n o + c o h c ，0 5 n 2 + c 0 2 h 2 0( 2 3 ) n 0 x 储存还原催化技术有很高的转化效率，在稀薄燃烧的条件下，其对n 0 x 的转化效率可达n 9 0 2 l 】以上，同时可对h c 和c o 进行很好地转化。它的缺点就是 受燃油中的硫含量影响很大，随着硫含量的增加，其净化性能会急速下降。主要 是因为，与n 0 x 一样，s 0 2 也会在贵金属表面氧化形成比硝酸盐更为稳定的硫酸盐， 从而减少了存储n 0 x 的能力。但是n 0 x 的硫中毒现象是可逆的，只要在还原性气氛 中加热至u 6 0 0 便可使硫酸盐分解，恢复n 0 x 的存储能力【2 4 】。也可在n o x 存储还原 催化器前安装硫捕集器，在稀薄状态下吸收s 0 3 ，在混合气加浓时以s 0 2 的形式将 硫释放。 4 选择性催化还原( s c r ，s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) n 0 x 技术 人们在n 0 x 直接分解研究的基础上，发现了碳氢化合物( h c ) 选择性还原n 0 x ， 的反应，使n 0 x 的排放处理技术进入了一个新的阶段。 富氧条件下碳氢化合物选择性催化还原n 0 x 可简化表示为： n 0 x + 0 2 + h c - - n 2 + c 0 2 + h 2 0( 2 4 ) 这一反应最初由日本的1 w a m