（机械工程专业论文）自适应控制点火正时降低汽油机冷启动污染物排放.pdf

摘要 随着全球汽车保有量的迅速增加，汽车排放的尾气给环境带来了越来越大的 压力。汽油机作为绝大多数汽车的动力输出装置，在冷启动阶段排放的污染物占 到了整个阶段的6 0 一8 0 ，因此，降低冷启动阶段的污染物排放成了降低汽车排放 的关键。目前，国内外学者对汽油机冷启动的污染物排放展开了一系列的研究。 在这一背景下，该文采用自适应控制点火正时的方法来降低汽油机冷启动污染物 排放，具有很大的实际意义。 该文建立了一个汽油机冷启动阶段的排气管热力学模型。该模型通过零维模 型中经典的质量燃烧率余弦函数，得到了不同点火提前角时不同曲轴转角对应的 质量燃烧率。通过质量燃烧率与汽油的低热值计算，得到可燃混合气的放热流量。 再通过工程热力学中的基本理论知识，建立起点火提前角与三效催化器入口处的 热流量模型，即汽油机冷启动阶段的排气管热力学模型。在m a t l a b s i m u l i n k 中， 对该模型进行建模仿真，得到不同的点火提前角对应的三效催化器入口处热流量 曲线。 该文建立了一个自适应控制点火正时系统，以汽油机的转速和三效催化器的 温度做为反馈信号，适当地推迟点火提前角，使发动机的排气温度升高，缩短三 效催化器的起燃时间，从而达到降低汽油机冷启动阶段污染物排放的目的。通过 转速的检测，利用转速波动信号来诊断发动机在推迟点火提前角时是否出现失火 现象，来确定点火提前角的推迟量。通过三效催化器的温度检测，来确定控制系 统的结束时刻。 关键词：汽油机；冷启动；污染物排放；点火提前角；排气管热力学模型；自适 应控制 a b s t r a c t w i t har a p i di n c r e a s eo ft h eg l o b a la u t o m o b i l eo w n e r s h i p ，t h ee x h a u s tg a so f a u t o m o b i l eh a sb r o u g h tm o r ea n dm o r ep r e s s u r et oe n v i r o n m e n t g a s o l i n ee n g i n ea s m o s to ft h ec a rp o w e ro u t p u td e v i c e ，t h ea m o u n to fp o l l u t a n te m i s s i o nd u r i n gc o l ds t a r t t a k e sa b o u t6 0 8 0 o ft h ew h o l ep r o c e s s e s ，t h e r e f o r e ，r e d u c et h ep o l l u t a n te m i s s i o n o fc o l ds t a r tp r o c e s sb e c a m et h ek e yo fr e d u c ev e h i c l ee m i s s i o n a tp r e s e n t ，t h e d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sh a v eal o to fr e s e a r c h e so nc o l ds t a r tp r o c e s s i t 7 sv e r y d r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et h a tb a s e do na d a p t i v es p a r kt i m i n gc o n t r o lt or e d u c ep o l l u t a n t e m i s s i o nd u r i n gc o l ds t a r to nt h i sb a c k g r o u n d a t h e r m o d y n a m i cm o d e lo f e x h a u s tp i p ed u r i n gt h ec o l ds t a r tp r o c e s si sb u i l ti n t h i sp a p e r b a s e do nt h ec l a s s i cf o r m u l ao fm a s sb u r n i n gr a t ei nc o m b u s t i o nm o d e l ，g e t t h em a s sb u r n i n gr a t eo fd i f f e r e n ts p a r ka d v a n c ea n g l ea n dd i f f e r e n tc r a n ka n g l e b a s e d o nm a s sb u r n i n gr a t ew i t ht h el o wh e a t i n gv a l u eo fg a s o l i n et oc a l c u l a t e ，g e th e a tf l u x o fc o m b u s t i b l em i x t u r e b a s e do nt h e o r e t i c a lk n o w l e d g e o f e n g l n e e r l n g t h e r m o d y n a m i c s ，ah e a tf l u xm o d e lo fs p a r k a d v a n c ea n g l ew i t hh e a tf l u xi nt h r e e 。w a y c a t a l y s te n t r a n c ei sb u i l t t h i sm o d e li s t h et h e r m o d y n a m i cm o d e lo fe x h a u s tp i p e d u r i n gt h ec o l ds t a r tp r o c e s s t h em o d e li sb u i l ta n d s i m u l a t e di nm a t l a b s i m u l i n k ，g e t d i f 诧r e n tc u r v eo ft h eh e a tf l u xi nt h r e e w a yc a t a l y s te n t r a n c ew i t hd i f f e r e n ts p a r k a d v a n c ea n g l e a s y s t e mo fa d a p t i v es p a r kt i m i n gc o n t r o l f o rg a s o l i n ee n g i n ei sb u i l ti nt h i s p a p e r - i no r d e rt or e d u c et h ep o l l u t a n te m i s s i o nd u r i n gc o l ds t a r tp r o c e s s ，t h es y s t e m s h o u l dr e t a r ds p a r ka d v a n c ea n g l ea p p r o p r i a t e l yw i t h t h es p e e do ft h eg a s o l i n ee n 9 1 n e a n dt h r e e w a yc a t a l y s tt e m p e r a t u r ea sf e e d b a c ks i g n a l s t h et e m p e r a t u r eo fe x h a u s t g a si n c r e a s e da n d l i g h t o f f t i m eo ft h r e e w a yc a t a l y s tb es h o r t e db yr e t a r d s p a r k a d v a n c ea n g l ea p p r o p r i a t e l y t h em e t h o df o rd i a g n o s em i s f i r ei ng a s o l i n ee n g l n eb y s p e e df l u c t u a t i o ns i g n a l s ，a n dt od e t e r m i n et h ea n g l eo fr e t a r ds p a r ka d v a n c e t h e t i m e o fc l o s et h ec o n t r o ls y s t e md e p e n d so nt h es i g n a lo ft h r e e - w a yc a t a l y s tt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；c o l ds t a r t ；p o l l u t a n te m i s s i o n ；s p a r ka d v a n c ea n g l e ； t h e r m o d y n a m i cm o d e lo fe x h a u s tp i p e ；a d a p t i v ec o n t r o l i i 1 1 汽车的发展状况 第一章绪论 汽车是种方便、快捷的交通工具，也是最重要的交通工具，在人们的日常 生活中扮演着越来越重要的角色。汽车的出现，加快了人们的生活节奏，大大地 提高了工作效率，扩大了人的活动范围和相互交流，使社会变得丰富多彩。社会 对汽车的需求4 对增长，促使了汽车工业的日益繁荣。从18 8 6 年卡尔奔驰发明 第一辆汽车丌始，各围就争相发展汽车工业。 图1 1 卡尔奔驰发u j 】的第辆i ，i 乍 在2 0 世纪，世界汽车保有量的增加大大超过了人口增长的速度。19 5 0 年，全 世界的汽车保有量在5 0 0 0 力辆左右，大约每1 0 0 0 人只有2 辆汽车；到1 9 9 5 年， 全球的汽车保有量达到6 5 亿辆，平均1 0 0 0 人拥有1 0 0 辆汽车；根据目前的发展 速度估计，到本世纪中期，全球汽车保有量将达到3 0 亿辆。中国汽车的保有量和 需求星在进入2 1 世纪以后也出现了迅速增长的趋势。从上个世纪八十年代了f ：始， 中国出现了私人汽车，到2 0 0 3 年国内汽车保有量达到了1 2 l9 万辆，这期间将近 2 0 年的时间，私人汽车才达到千万辆，而达到2 0 0 0 万俩仅仅用了3 年时间。据统 计，到2 0 10 年我国的汽车保有量达到了7 0 0 0 力辆。到2 0 11 年8 月底，我困汽车 保有量首次突破l 亿辆大关，占到机动车总量的4 5 。8 8 。 1 2 汽车发展带来的环境问题 1 2 1 汽车排放物对大气环境的影响 汽车尾气排放包含许多成分，除燃料和空气完全燃烧后的产物二氧化碳 ( c 0 2 ) 、水蒸汽( h ：0 ) 、过剩的氧气( d 2 ) 以及存留下的氮气( n ：) 等，汽车尾 气中还包括没有完全燃烧的产物以及燃烧过程的中间产物一氧化碳( c d ) 、碳氢 化合物( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 、固体颗粒( 铅及铅化物、碳烟) 、二氧化硫( s o , ) 及醛类等。 汽车排放的c q ，从毒理学观点来看，虽然是无毒的，然而由于它每年以一定 的增长率持续增长，其吸收红外线热量而产生的“温室效应也相应地持续增强， 研究还表明，c o ：的增加不仅会引起温室效应，还会对全球的大气环流和气候带的 变化产生影响。在我国的中纬度地区以及北方地区的降水会减少，使气候的干旱 化程度加重。大气环流的变化，除了造成中纬度地区的影响外，还可能造成全球 其他地区的气候异常和自然灾害。c o ：排放的增加引起的温室效应使全球气温升 高，海平面上升，对沿海城市是一个很大的威胁。气温上升，除了引起海平面上 升之外，还会加剧传染病的传播。 汽车对大气污染的时间最早发生在1 9 4 2 年美国加州南部的海滨城市洛杉矶 市，这就是著名的“洛杉矶光化学烟雾事件”。此后这种烟雾污染年复一年地于夏、 秋季节在该市发生，造成了很大的危害。经美国科学十余年的研究，最终确认这 一事件是由汽车排出的n o x 和和h c 经过光化学反应生成臭氧( 0 3 ) 等二次污染物 造成的。据统计，在2 0 世纪4 0 年代，洛杉矶市汽车保有量就超过了2 0 0 万辆， 每年燃用汽油超过i s x l o ，l 。到1 9 9 5 年，洛杉矶市汽车保有量超过3 5 0 万辆，向 大气排出的有害物质就更多了b 1 。 1 2 2 汽车排放物对人体的危害 ( 一) 一氧化碳( c o ) 从健康的角度讲，大剂量的c o 可致人死亡，虽然健康人群可以忍受目前城市 大气中的c o 浓度水平，但对肺病或心脏病患者就比较糟糕，这是由于c o 被人体吸 收后与血红蛋白结合成稳定的碳氧血红蛋白，使血红蛋白失去携氧能力而造成低 氧血症，严重时可致人死亡。由于c o 已经产生了都市问题，所以城市目标区域中 的控制目标必须将c o 浓度控制在一个较低的水平。 ( 二) 氮氧化物( n o x ) n o 是汽油机和柴油机排气中n o x 的主要成分，虽然其本身的毒性不太大，但 是如果在特定环境中和h c 发生反应则会产生毒性较大的a 和崛。 n 0 2 是褐色气体，是构成汽车排气中恶臭物质的成分之一。d 2 中毒症状表现 2 为使中毒者引发独特的闭塞纤维性支气管炎，肺水肿。n 0 2 还会影响到心脏、肝脏、 肾脏、造血组织等。经进一步查明，在n o z 与c o 、s o s 共存的场合，危害就有加倍 的影响。 ( 三) 碳氢化合物( h c ) 汽车排气中的h c 中含有少量的醛类( 丙烯醛、甲醛) 以及多环芳香烃( 苯并 芘等) 。其中，丙烯醛和甲醛对人的眼、鼻以及呼吸道粘膜有一定刺激作用，可以 引起鼻炎、支气管炎、结膜炎等症状，这些物质还会有难闻的臭味；烃类是引起 光化学烟雾的主要物质，而苯并芘是一种很强的致癌物质，因此，月c 排放造成的 间接危害要比直接危害更严重。我们不能忽视汽车排放的h c 对人和环境造成的危 害。 1 2 3 汽车尾气的排放标准 由于汽车保有量的迅速增加，汽车尾气给环境带来的压力也越来越大。为了 减少汽车尾气对环境的压力，各个国家地区制定了越来越严格的排放标准。从2 0 0 0 年开始，汽车排放检测开始将冷启动阶段的污染物排放纳入检测范围。 ( 一) 欧洲标准 表1 1 欧v 排放标准 类级 别别 m - n ll i i p i c i p i c i p ic ip ic ip ic ip ic i 1 0 0 05 0 01 0 0 6 8 1 0 0 05 0 01 0 0 - 6 8 6 01 8 0 2 3 0 5 0 4 5 5 0 1 4 5 6 01 8 0 2 3 05 0 4 55 0 4 5 1 8 1 06 3 01 3 0 9 0 7 52 3 5 2 9 55 0 4 55 0 4 5 n 22 2 7 07 4 0 1 6 0 - 1 0 8-822 8 0 - 3 5 05 0 4 55 0 4 5 欧洲从2 0 0 9 年9 月1 号开始实行欧v 排放标准，污染物的限值如表1 1 所示。 欧洲将于2 0 1 4 年9 月1 号开始实行欧排放标准。 螂 一 | 量 一 一 州 ( 二) 国内排放标准 表1 2 国排放标准 我国从2 0 0 7 年7 月1 号实行国i i i 排放标准，到2 0 10 年7 月l 号开始实行国 排放标准，污染物的限值如表1 2 所示。 从上述两表比较可以看出，国排放标准和欧v 排放标准大致相同，部分污 染物限值稍高。这表明我在大力发展经济的同时，也逐渐开始重视环保，制定的 排放法规开始与国际接轨。这将促进汽车排放技术的快速发展。 1 3 汽油机冷启动过程的污染物排放 1 3 1 汽油机冷启动工况特点分析 一般认为，冷启动是指发动机从冷态启动到暖车前的这段过程p 1 。据文献资料 介绍，在装有三效催化器的车用汽油机上，6 0 8 0 的未然碳氢( h c ) 是在汽油 机冷启动阶段产生的h 钉。在汽油机冷启动的过程中，由于汽油机的冷却水温度、 进气温度、零部件温度都比较低，可燃混合气在首次着火前的形成是非常困难的， 特别是在低温环境下。为了确保发动机能正常启动，一般向缸内供给较浓的可燃 混合气。由于混合气的燃烧不稳定，进气歧管和缸内的油膜吸附以及狭隙效应等 因素的影响，使得冷启动时产生了大量的碳氢( h c ) 和一氧化碳( c o ) 。在此过 程中，三效催化器也没有达到正常工作所需的起燃温度，因此，h c 和c o 的排放。 量很大。按照美国联邦测试规程f t p 7 5 来测试计算，汽油机近8 0 的h c 排放量 是在冷启动阶段产生的6 7 i t s 。 1 3 2 汽油机冷启动阶段h c 排放较高的原因 汽油机在冷启动阶段h c 排放量较高主要是由下面几个原因造成的一。 ( 1 ) 失火 汽油机是通过点火让可燃混合气燃烧的，在点火时火花塞必须要有足够的点 4 火能量和附近有可燃混合气。如果在点火时，火花塞上吸附了其他物质，那么就 可能造成火花电极之间不能放电，从而导致发动机出现失火现象。另一方面，在 燃烧过程中，如果上一个循环的残余废气较多，那么这些残余废气将会稀释下一 个循环的可燃混合气，这也不利于混合气的燃烧。汽油机出现失火现象是冷启动 阶段h c 排放高的一个主要原因。 ( 2 ) 混合气燃烧不充分 局部地方可能出现火焰淬熄现象，混合气不能燃烧完全，导致发动机h c 排放 量较高。 ( 3 ) 冷启动阶段过渡过程的空燃比影响 对于汽油机的冷启动过渡过程中的空燃比变化，也会造成汽油机在冷启动时 h c 排放量较高。由于湿壁效应，冷启动喷射的燃油会有部分沉积在进气歧管壁上， 而转速的变化会导致进气道中压力的变化，但是燃油喷射量与燃油蒸发速度不能 保持同步，这样就会导致混合气过稀、过浓，从而造成h c 排放量升高。当汽油机 处与正常工作时，节气门位置的突然变化，会造成空燃比的偏差，增加了h c 的排 放量。 ( 4 ) 气缸壁面对燃油的吸附和解析 ”在汽油机的冷启动过程中，由于缸内温度较低，燃油进入气缸时也会发生类 似于进气歧管中的湿壁效应，部分燃油就会沉积在气缸壁上和活塞环的狭隙内。 当发动机进入暖机过程时，缸内的温度和冷却水的温度都逐渐升高，这时，沉积 在气缸壁上和活塞环狭隙内的燃油就会释放出来。但是，这部分燃油并不像缸内 的蒸发的燃油参与燃烧，而是绝大部分直接跟随废气进入排气管。因此，汽油机 冷启动时的气缸壁面上和活塞环狭隙内沉积的燃油，也是造成冷启动时h c 排放 量高的主要原因之一。 ( 5 ) 润滑油的吸附作用 除了气缸壁面对燃油的吸附作用外，润滑油同样会吸附燃油。当发动机在膨 胀行程和排气行程时，又从润滑油中释放出来。而此时缸内的空气非常少，绝大 部分燃油不能燃烧，而是直接随尾气进入了排气管。 ( 6 ) 壁面淬熄效应 汽油机在燃烧时，缸内混合气的温度可以达到两千多摄氏度，而气缸壁的温 度却只有三百多摄氏度。因此，在气缸壁附近的燃油温度也较低，流动速度较慢， 不利于混合气的充分燃烧。当燃烧过程的火焰传播到气缸壁附近时，气缸壁的低 温阻碍了火焰的传播，导致燃烧中断，这就是通常所说的壁面淬熄效应。在发动 机冷启动时，壁面温度更低，混合气的湍流运动不明显，此时的淬熄层比较厚， 导致发动机的h c 排放量较高。 ( 7 ) 燃烧结束后剩余h c 的氧化过程 在发动机正常工作时，燃烧结束后会存在未燃的h c ，当这部分h c 进入排气 管中能够继续氧化。但是在冷启动的过程中，由于排气温度较低，这部分h c 就 不能继续氧化燃烧，增加了h c 的排放量。 ( 8 ) 排气门泄漏 由于加工工艺的误差和气门表面沉积的积碳等因素的影响，导致排气门不能 完全密封，这样当发动机处于压缩行程和膨胀行程时，缸内的可燃混合气就可能 会从排气门泄漏到排气管中去。 ( 9 ) 进气门泄漏 同样的原因，如果进气门的密封性不好，当进气歧管的压力大于缸内的压力 时，进气道中的混合气就可能会从进气门的缝隙中进入气缸。这种现象一般是发 生在发动机启动的第一个工作循环。 1 3 3 汽油机冷启动研究现状 针对汽油机的冷启动排放高的特点，国内外学者展开了一系列的研究。主要 从两方面入手。一方面，通过合理组织可燃混合气，改善机内燃烧，从根本上减 少h c 的排放。另一方面，从尾气后处理入手，让三效催化器迅速的达到起燃温度 【i o ( 一) 国外研究现状1 l a n g 和c h e n g 分析了汽油机启动后，第一个循环的燃油蒸发特性。他们通过 火焰离子探测器测得了缸内燃油当量比，从而评价第一个循环内不同喷油量下燃 油输送的影响规律。q u a d e r 等人通过测量缸内的当量比，研究发现在环境温度2 2 到1 2 。c 之间时，要使发动机能够顺利启动，在较低温度时需要使缸内进入更浓 的混合气。因为前一次循环会稀释下一循环的进气，造成发动机连续几个循环内 的失火。普林斯顿大学的f u l c h e r 等人通过实验，分析得到可燃混合气当量比的循 环控制可能是减少汽油机冷启动阶段未燃h c 排放的最有效措施。来自美国威恩州 立大学的h e n e i n 等人研究发现，通过控制进气压力下降的速率和幅度可以减少冷 启动阶段l t c 的排放量。 j i mp a r k s 等人测量了冷启动时缸壁沉积的油膜质量，结果显示沉积在缸壁的 油膜量中燃油的比例最大可以达到5 0 。k o e d e r i t z 等人通过实验，分析了气门尺 寸大小、气门间隙、空气和燃油流速对燃油破碎的影响规律。b a u e r 等人通过相关 软件模拟了进气歧管中的气体流动，研究发现在进排气门同时打开时，产生的缸 内混合气回流对燃油的蒸发和冷启动阶段的排放都有很大的影响。q u e l h a s 等人 采用色彩成像捕捉技术，研究了发动机喷油器匹配情况，该技术可以作为一个非 常好的诊断工具在发动机上得以应用。b o y l e 等人采用电加热喷油的方法，并配以 压缩空气产生强大的涡流，使绝大部分燃油能够得到很好的雾化，避免发动机在 6 启动初期供给较浓的混合气。该装置大大降低了冷启动的排放污染物。 z i m m e r m a n n 等人则采用同样的原理，加热喷油嘴，使燃油更好的雾化。实验证明， 该方法也能降低发动机冷启动中h c 的排放量。 m a r t i nw e i l e n m a n n 和l u d y k a r 等人通过实验研究发现，环境温度是影响发动 机冷启动排放的一个重要因素。s h a y l e r 和n e y a c h e n k o 等人对冷启动的空燃比模 型进行研究，来达到降低发动机冷启动排放污染物的目的。h e r t l 和y a m a z a k i 等人 采用h c 捕集技术，能大大降低冷启动的排放污染物。 ( 二) 国内研究现状1 吉林大学比较早的开展了冷启动研究，他们采用循环控制策略对l p g 发动机 的冷启动排放特性进行了研究。上海交通大学的栗工、刘志敏等人对l p g 点燃式 发动机冷启动首循环瞬态h c 排放进行了研究。天津大学等人采用空气加热器，提 高进气温度，有效地降低了冷启动的排放污染物。 国内外学者还采用电加热三效催化器等快速起燃方法，使催化器迅速的达到 起燃温度，减少汽油机冷启动的排放。例如，m u r p h y 等人开发了一套电加热引起 的化学加热三效催化器系统，能够在2 s 到3 s 内使催化器的温度达到4 0 0 摄氏度。 除了采用辅助装置快速起燃方法外，适当地推迟点火提前角，也能迅速的使三效 催化器达到起燃温度。例如，清华大学的程勇、王建昕等人通过实验证明了适当 地推迟点火提前角能够缩短三效催化器达到起燃温度的时间，降低了冷启动的污 染物排放。 1 4 本课题研究的主要内容 本文采用适当地推迟点火提前角的方法，来降低汽油机冷启动过程中的污染 物排放。 汽油机在冷启动阶段排放的污染物占据了整个排放测试的6 0 8 0 。这是因 为发动机在冷启动时，气缸内的温度很低，使得混合气在气缸内不能正常燃烧， 导致大量的未然碳氢( h c ) 和中间产物一氧化碳( c o ) 直接通过排气管排出。 本文采用推迟点火提前角，使混合气的燃烧时间推迟，甚至进入排气管内燃烧， 未燃h c 和c o 继续氧化燃烧生成c q 和h ，0 ，加重混合气的后燃现象，缩短了三效 催化器的起燃时间2 1 ；推迟点火的同时，缸内燃烧温度降低，减少了崛的生成， 降低了汽油机冷启动的污染物排放。虽然推迟点火提前角，加重了可燃混合气的 后燃现象，但是混合气在缸内燃烧的时间必然缩短，这就使得缸内燃烧恶化，温 度上升缓慢。因此，我们在推迟点火提前角的时候要适当，要确保缸内的失火率 在能够使发动机正常启动的范围内。据文献资料所知 ，后燃对h c 的转化效果不 但可以抵消缸内燃烧恶化使h c 升高的负面影响，而且在降低排放h c 的过程中起 到了主导作用，推迟点火提前角是降低汽油机冷启动h c 排放量的重要措施之一。 7 为了说明推迟点火提前角对排气温度的影响，本文建立一个冷启动阶段的排 气管热力学模型。通过对该模型的仿真，直观的反应了不同的点火提前角对应的 三效催化器入口处的热流量变化，进一步说明了推迟点火提前角对排气温度的影 响。 采用推迟点火时间的方法来降低汽油机冷启动的污染物排放，需要建立一个 自适应控制系统。该控制系统在推迟点火提前角的时候，以发动机的转速、三效 催化器的温度做为反馈信号。此过程为一个动态寻优过程，即推迟点火时间，能 够缩短三效催化器的起燃时间，但同时会降低发动机的启动性能，因此，要在此 过程中不断地寻找一个理想的点火提前角，使得三效催化器的温度上升最快，同 时确保发动机能够正常启动。 8 第二章三效催化器 2 1 三效催化器的基本原理 三效催化器是一种最重要的汽车尾气净化装置，它安装在发动机的排气系统 中，可以将汽车废气中的h c 、c o 和0 f 等有害气体通过化学反应转变为对人体和 大气环境无害的水( 以d ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 和氮气( ) 。三效催化器是通过催 化剂将汽车尾气中的h c 、c o 和d r 这些物质的化学活性增加，使他们在催化转换 器中进一步发生化学反应。其中h c 通过化学反应转化成水( h ，0 ) 和二氧化碳 ( c 0 2 ) ，通过化学反应生成二氧化碳( c q ) ，通过化学反应生成氮气( 2 ) 和氧 气( 0 2 ) 。三效催化器是基于这样一种机理对汽车中的尾气进行净化的4 1 。 2 2 三效催化器的起燃特性 三效催化器只有达到一定温度以后才能对尾气起到净化作用，即起燃，因此， 三效催化器的温度直接影响着转化效率。目前，有两种方法来评价三效催化器的 起燃特性：一种称为起燃时间特性，另种称为起燃温度特性。 三效催化器的起燃时间特性是指，当发动机或车辆在工作时，催化转化器的 转化效率达到5 0 所需的时间，记为f 蚰。三效催化器的起燃时间可以通过发动机 台架实验直接在整车上测得。 三效催化器的起燃温度特性是指，当发动机或车辆工作时，催化转换器的转 化效率达到5 0 时所对应的温度，记为瓦。三效催化器的转化效率随催化器入i = 1 处的温度变化关系如图2 1 所示。三效催化器的起燃温度越低，显然其起燃的时间 就越短。因此，三效催化器的起燃温度是催化转换器的一个重要参数。对于三效 催化器的起燃温度特性，也可以通过发动机台架实验测得，或者在化学实验室测 得。其测取的方法大致是这样的，在发动机工况一定的条件下，逐渐地改变三效 催化器入口的温度，在催化器入口的温度稳定后再测取其转化效率。 9 水 糌 s 擀 u z 一 ，一。 3。 0 0 3 0 0t 。41 n5 0 06 ( 入口温度t i 图2 1 三效催化器的起燃温度特性 上述两种方法都可以用做三元催化转换器的起燃特性的评价，但是它们的评 价内容不尽相同。起燃温度( 如) 特性评价的是催化剂的低温活性，因此，三效 催化器中催化剂的配方直接影响了起燃温度特性的评价。而对于起燃时间特性 ( r 如) ，不仅仅是与催化剂的配方有关，还与三效催化器的总体绝热程度、热惯性 以及传热性质等因素有关。整车的冷启动特性对起燃时间特性( ) 的影响更为 直接。可以这样理解，起燃时间的评价包括了起燃温度评价中所考虑的因素。对 于起燃温度( 毛) 比较低的三效催化器在整车试验中，并不一定能够比较迅速的 起燃，而起燃时间( ) 小的三效催化器必然能够迅速起燃。总之，起燃温度特 性( ) 考虑的是三效催化器中催化剂的性能，起燃时间特性( f ) 考虑的是整 个三效催化器的性能。 在现阶段，由于起燃温度特性这种评价方法非常明确和易行，所以较常采用。 但是起燃时间特性这种评价方法更为直接，所以在面对未来日趋严格的排放法规 时，对这种评价方法的研究必须加以重视。 2 3 三效催化器起燃特性的影响因素 2 3 1 怠速对三效催化器起燃特性的影响 发动机具有较高的转速，则在同一个燃烧循环内会有更多的燃油在缸内燃烧， 产生更多的热量，从而使发动机的排气温度上升，缩短三效催化器的起燃时间。 根据文献 1 5 】的试验数据可知，当发动机的怠速为1 4 0 0 r m i n 时，h c 的起燃时间 为8 2 s 。当转速增加到1 5 0 0 r m i n 时，h c 的起燃时间为7 7 s 。当转速进一步增加， 到达1 6 0 0 r m i n 时，h c 的起燃时间为6 7 s 。在转速升高到1 8 0 0 r m i n 时，起燃时间 相对于1 4 0 0 r m i n 时，缩短了1 9 s 。在怠速转速为1 4 0 0 r m i n 时，c o 的起燃时间为 1 0 5 6 s 。转速为1 5 0 0 r m i n 时，c o 的起燃时间为5 0 s 。转速为1 6 0 0 r m i n 时，c o 的起 燃时间为4 3 s 。转速为1 8 0 0 r m i n 时，c o 的起燃时间为4 1 s 。 从上面的试验数据可知，怠速越高，相应的三效催化器达到起燃的时间越短。 2 3 2 点火提前角对三效催化器起燃特性的影响 点火提前角直接影响着混合气的燃烧时刻和燃烧情况。点火越迟，混合气燃 烧越靠后，后燃现象越严重，排气温度越高，所以三效催化器的起燃时间越短。 据文献 1 6 】的试验，试验条件：大气压力1 0 0 6 k p a ，冷却水温度2 0 ，进气温度 1 9 ，油温2 3 ，温度传感器装在距排气歧管2 0 0 m m 处。测得三效催化器入口处 的温度，如图2 2 所示。 p 赵 赠 时间s 图2 2 不同点火提前角的催化器入口温度图 从图2 2 可知，在冷启动6 0 s 之后，点火提前角推迟对排气温度升高的影响非 常明显。不同的点火提前角对排气温差的影响可以达到1 1 0 c 。文章进一步分析了 不同点火提前角对三效催化器起燃时间的影响，以对h c 的起燃时间为例：点火 提前角在9 4c a b t d c 的起燃时间为9 5 s ，在6 。c a b t d c 的起燃时间为9 3 s ，在 3 。c a b t d c 的起燃时间为8 7 s ，在0 。c a 时的起燃时间为7 9 s ，在3 。c a a t d c 时的起燃时间为7 9 s 。在上止点后3 。c a 点火比在上止点前9 。c a 点火，三效催 化器达到起燃温度的时间足足缩短了1 6 s ，可见，推迟点火提前角对三效催化器的 起燃影响非常明显。 2 4 三效催化器冷启动的改善措施 三效催化器在汽油机冷启动阶段，不能迅速达到起燃温度( 2 5 0 。c 一3 0 0 。c ) ， 这是造成发动机在冷启动时排放高的原因之一。因此，在排放法规日趋严格的今 天，如何迅速的使三效催化器达到起燃温度成了关键7 1 。为此，国内外学者采取 了一系列措施来解决这个问题“。 ( 一)缩短三效催化器距排气门的距离 一般地，三效催化器安装的位置距排气门有一段距离，发动机排放的尾气要 经过排气管一段距离才能到达三效催化器，这就使得尾气中的一部分热量经排气 管散发到外面去了。为了利用这一部分热量，可以将三效催化器的安装位置尽量 靠近排气歧管下部，缩短三效催化器到排气门的距离，使发动机在冷启动时三效 催化器的温度迅速达到起燃温度9 1 。虽然这种方法可以明显地降低冷启动排放污 染物，但是在发动机正常工作后，靠近发动机处的排气温度高达9 5 0 以上，超过 了三效催化器的正常工作温度( 3 5 0 7 0 0 ) 。针对这一问题，有学者提出安装 两个三效催化器，如图2 3 所示。在发动机冷启动时，1 号催化器处的阀门打开， 图2 3 排气管中安装两个催化器的示意图 另一处的阀门关闭，这样发动机的尾气先经过l 号催化器，再经过2 号催化器， 同时加热两个催化器，其中1 号催化器起主导作用，能够迅速到达起燃温度，降 低发动机冷启动的污染物排放。在发动机正常启动后，1 号催化器处的阀门自动关 闭，2 号催化器处的阀门则自动打开，这时发动机排放的高温尾气不会进入l 号催 化器，而是经过一段排气管散热后进入2 号催化器，这就使得2 号催化器的入口 温度不至于超过其正常工作温度。 该方法虽然能够很好的解决发动机冷启动污染物排放高的问题，但是安装两 个三效催化器无疑增加了成本。 ( 二) 电加热三效催化器 电加热催化器，是指在三效催化器前的入口处加入一个金属电阻片，来达到 加热尾气使三效催化器迅速起燃的目的。在发动机启动之前l o s 2 0 s 给金属电阻 片通电加热，启动之后再通电2 0 s 3 0 s 。金属电阻片中的电流由汽车的蓄电池提供。 该方法的缺点是给金属电阻片通电加热会增加汽车蓄电池的启动负荷，缩短 1 2 蓄电池的使用寿命。 ( 三) 带吸附装置的三效催化器 带吸附装置的三效催化器，如图2 4 所示。其中l o 1 和l o 2 为一般催化器， a d s 为吸附 图2 4 带吸附器的三效催化器 器。在冷启动时，未燃的h c 经l o 1 和l o 2 不能被转化，进入a d s 段被其中的 沸石吸附。当l o l 和l o 2 达到起燃温度后，a d s 中吸附的h c 被脱附并燃烧。 试验表明，该装置可以降低h c 总排放的4 5 7 5 。 该方法的不足之处是，带吸附器的三效催化器结构较普通催化器复杂，将增 加催化器的制造成本。 ( 四) 二次空气喷射系统 二次空气喷射系统是指在排气门附近引入适量的空气，让在缸内未燃的h c 和 中间产物c d 进一步氧化燃烧。该系统要装入一个控制阀，适时地开启和关闭阀门， 控制空气进入排气管的时间。还需装入一个计量阀，控制空气进入的流量。试验 表明，该系统能够降低5 0 左右的h c 排放。 该系统的缺点是，控制方法复杂，难以达到精确的控制。此外，要另加一个 系统，制造成本增加。 ( 五) 燃烧器型三效催化器 在三效催化器前段装入一个燃烧器，该装置需配合二次空气喷射系统。通过 电控系统，控制喷油量、喷油时间和点火时间，来加热废气，燃烧未燃h c 和中间 产物c o ，让三效催化器迅速起燃。当催化器达到起燃温度时，燃烧器关闭。 试验证明，该系统能在几秒钟内将三效催化器加热到起燃温度。但是该系统 结构过于复杂，控制过程也比较复杂，这样既增加了制造成本又降低了控制精度， 要实现推广应用较为困难。 2 5 本章小结 本章首先简要介绍了三效催化器的作用。接着介绍了三效催化器起燃特性的 两种评价方法： l 、将三效催化器转化率达到5 0 时的温度叫做起燃温度，记为。 2 、将三效催化器转化率达到5 0 时的时间叫做起燃时间，记为。 在此基础上，介绍了三效催化器的冷启动特性，以及一些改善措施： ( 一) 提高三效催化器的入口温度 ( 二) 电加热三效催化器 ( 三) 带吸附装置的三效催化器 ( 四) 二次空气喷射系统 ( 五) 燃烧器型三效催化器 并且的分析了上述措施的优缺点。最后对三效催化器起燃特性的影响因素做 了说明。 1 4 第三章汽油机的燃烧 3 1 汽油机的燃烧过程 汽油机的燃烧过程是具有很高的火焰传播速率的非稳态预混焰的湍流燃烧过 程，在燃烧过程中的湍流火焰传播是其燃烧的标致性特征呤们。根据汽油机的燃烧 过程的实际情况，可以将燃烧过程分为三个阶段： l 、滞燃期 从火花塞点火开始，到形成一个独立的火源为止，把这段时期称为滞燃期。 缸内的可燃混合气并不是从火花塞点火开始就真正燃烧的，而是可燃混合气具有 足够的浓度和温度时，通过点火形成了独立火源才开始真正燃烧的。火花塞点火 形成独立火源时，火花塞必须要有足够的能量，且其附近要有适当浓度的混合气。 同时，形成的火源不至于被气流吹灭，而且能够通过自身的燃烧积聚热量，使火 焰扩散并且持续燃烧。 当火花塞电极附近的混合气过浓或者过稀，温度不够高，气流速度过大，点 火能量不够时，都很难形成独立的、稳定的、又具有足够能量持续燃烧和扩散的 火源。为了确保发动机在各个工况和不同的外界环境下都能形成这样的火源，就 必须为发动机提供适当时刻和足够能量的点火，同时，火花塞电极附近的混合气 要有适当的浓度。 2 、急燃期 急燃期是指，从独立火源形成开始到缸内出现最大压力的这段时期。急燃期 的缸内燃烧是最激烈的、最急剧的。由于汽油机是一种预混合的燃烧过程，这一 时期也是燃烧从形成独立火源到火焰在整个燃烧室传播完毕的时期。急燃期内燃 烧的燃油占了整个燃油的8 0 9 0 ，因此，这段时间的缸内温度和压力都上升的 非常快。有些学者将最高燃烧温度所对应的曲轴转角或最大放热率所对应的曲轴 转角作为急燃期的终点，这些差别都不大。但对于柴油机则不然，因为汽油机是 一种预混合的燃烧过程。 3 、后燃期 从缸内出现最大压力到燃烧完全结束的这段时期，称为后燃期。这部分燃油 是在急燃期未燃烧完的燃油，以及部分从缸壁油膜和活塞环狭隙内回流到缸内的 燃油继续燃烧放热。汽油机的后燃期可以拖得很长，甚至可以在排气管中继续燃 烧，出现排气管“放炮 的现象，这是由于汽油机的压缩比比较小。 。i 。d c 嚷。c a s 点火开始i 着火开始z 最大压力点1 滞燃期2 急燃期3 后燃期 图3 1 汽油机的燃烧过程 3 2 汽油机燃烧过程的主要参数 ( 一) 点火提前角 汽油机的点火时间直接影响到发动机的燃烧过程。在点火提前角过大时，由 于上止点附近的压力升高率增加，末端混合气处的压缩压力上升，使爆燃的可能 性增大。点火提前角过小时，发动机热效率下降，导致动力性和燃油经济性下降。 ( 二) 压缩比 汽油机的压缩比指的是，气缸的总容积与燃烧室容积的比值。理论上压缩比 越大，发动机的输出功越大，实际上，过大的压缩比，使得燃油在燃烧时压力过 大、温度过高，会对气缸等零部件造成损坏，所以，要将压缩比控制在一定范围 内。汽油机的压缩比与汽油的辛烷值大小、燃烧室结构、是否采用分层燃烧、有 无气流运动及火花塞的位置等有关。 ( 三) 点火能量 一般汽油机的单次点火能量为4 0 1 0 0 m j ，高能点火的能量为1 0 0 3 0 0 m j 。一 般点火电压为1 0 3 0 k v ，电压上升时间为5 0 2 0 0 p s 。电极间的间隙为0 6 1 0 r a m 。 当电极间隙较大时，如果点火能量足够，在各种工况下跳火正常，则由于火花强 大，滞燃期短，燃烧速度快，燃烧持续期短，使油耗降低。但是，较大的电极间 隙，则易于使碳粒、结焦颗粒等嵌入其间，形成短路。同时，在低速、低负荷时， 当点火能量不足时；易于失火。 ( 四) 最高燃烧压力 当汽油机的点火能量大，点火时间恰当时，在燃烧过程中有紊流，混合气的 1 6 浓度合适，则燃烧速度快，定容燃烧的特点较明显，则最高燃烧压力较大，燃烧 温度高，但此时的氮氧化合物的排放较高。汽油机的最高燃烧压力一般为 p = 3 5 5 0 m p a 。当最高燃烧压力过小时，发动机的热效率低；最高燃烧压力过大 时，汽油机的噪声大、排放中氮氧化合物高。 ( 五) 最大压升率 汽油机压升率反映的是缸内压力变化的快慢程度。压升率越大，发动机的噪 声也越大，因此要将汽油机的压升率控制在一定范围内，一般汽油机的压升率为 0 17 5 5 0 2 5 m p a ( 。) ( c a ) 】。 ( 六) 火焰传播速度 汽油机的火焰传播速度与缸内的有无涡流、紊流，混合气浓度，缸内温度、 压力等因素有关。当汽油机的缸内有涡流、紊流、混合气较浓，缸内温度和压力 较高时，火焰的传播速度较快，反之，火焰传播速度较慢。一般地，汽油机的火 焰传播速度为1 5 3 0 m s 。 ( 七) 过量空气系数 实现快速稀燃是汽油机提高燃烧效率的一个有效方法。因此，对于汽油机燃 烧来说，应该增大过量空气系数。当过量空气系数较高时，缸内的混合气能够燃 烧完全，从而降低了汽油机的污染物排放。 3 3 点火提前角对汽油机燃烧过程的影响 在汽油机的燃烧过程中，点火提前角对其有着十分重要的影响。点火提前角 的大小直接影响着发动机的动力性、经济性和排放性。点火提前角过大，缸内压 力最高点出现在发动机的压缩行程，阻碍活塞的上行，降低了发动机的输出功率， 增加了爆燃的可能性。点火提前角过小，缸内压力最高点出现在做功行程1 0 。1 5 。c a 之后，转化为发动机的输出功减少，燃油经济性下降。 3 3 1 点火提前角对放热过程的影响 在相同工况下，不同的点火提前角对应着不同的放热规律忙b ，如表所示。 表3 1 放热规律 1 7 从表3 1 可知，随着点火提前角的推迟，放热的开始时刻后移，相应的放热峰 值出现的时间也向后推移，而整个的放热持