（动力机械及工程专业论文）电喷汽油机不同燃料冷起动及冷态循环燃烧及排放特性研究.pdf

摘要 近年来我国已进入一个机动车高速发展的新时期，机动车尾气排放的污染已 成为我国社会一个严峻的问题，于此同时，人类对于自身生存环境及空间的保护 意识日益强烈，内燃机的发展方向已着眼于燃料消耗、排放、噪音等环保指标。 本论文紧紧围绕冷起动及怠速冷态循环过程燃烧特性及h c 排放、不同燃料 间冷起动特性对比等问题展开了如下研究： 1 、研制多通道电控汽油机瞬态燃烧分析系统。该系统可以实时采集发动机燃烧 压力及发动机过量空气系数、排放指标等其他相关参数，通过计算模型可以 得到发动机燃烧循环变动等参数。 2 、研制了电控高能双火花塞快速燃烧系统。提供包括新缸头、两套独立的可变 点火能量的高能点火系统。通过电控单元e c u 及控制策略根据发动机工况的 变化，提供可变的同步、异步双火花点火。双火花塞位置与燃烧室形状的配 合，缩短火焰传播途径以提高火焰传播速度。以期达到快速燃烧。 3 、冷起动着火特性试验。分析冷起动过程中影响着火及h c 排放的主要因素， 并对喷油脉宽、点火提前角及不同点火模式对起动稳定性和h c 排放的影响 原因进行了分析。 4 、冷态循环运行燃烧过程及排放控制试验。分析影响冷态循环燃烧稳定性的因 素。研究了点火提前角、不同点火模式等对冷态循环燃烧稳定性及h c 排放 的影响。 5 、对比l p g 、汽油、煤油燃料的冷起动特性，并分析了产生的这些现象的原因。 关键词：快速燃烧，冷起动，暖车过程，排放控制，电控燃烧系统，火花点火 式发动机 a b s t r a c t a st h ea u t o m o b i l ep r o d u c i n ga n ds e l l i n gp r o g r e s s e dr a p i d l yr e c e n t l y i nc h i n a ， p o l l u t i o nc a u s e db yc a re m i s s i o nh a sb e c o m eas e r i o u ss o c i a lp r o b l e mi no u r n a t i o n m e a n w h i l e ，w i t hh u m a nb e i n gg e t t i n gi n c r e a s i n g l yc o n s c i o u s n e s so fe n v i r o n m e n t p r o b l e m ，t h er e s e a r c h o fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei sf o c u s i n go ne n v i r o n m e n t b e n e f i t ss u c ha sf u e lc o n s u m p t i o n ，e m i s s i o n s ，n o i s ea n ds o0 1 1 t h ed e t a i l sa sf o i l l o w s ： 1 m u l t i c h a n n e lt r a n s i e n ts ie n g i n ec o m b u s t i o na n a l y z e rh a sb e e nd e v e l o p e d p r e s s u r ei n s i d ec y l i n d e r , 中aa n de x h a u s te m i s s i o n sc a nb em e a s u r e db yt h i s a n a l y z e r t h et h e r m a lc i r c u l a t i o nc h a n g e sa r ec a l c u l a t e dt h r o u g hh tn u m e r i c a l a n a l y s i s 2 a ne l e c t r o n i cc o n t r o lr a p i db u r n i n gs y s t e mw i t hh i g h e n e r g y , d u a l - s p a r kp l u g i g n i t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e dc r e a t i v e l y , i n c l u d i n gm o d i f i e dc y l i n d e rh e a d ，t w o i n d e p e n d e n t l ya d j u s t a b l eh i 曲一e n e r g y i g n i t i o ns y s t e m s s y n c h r o n i z i n g a n d a s y n c h r o n o u si g n i t i o nt i m i n gc a l l b er e a l i z e db ye c ua n dc o n t r o ls t r a t e g y a c c o r d i n gt oe n g i n eo p e r a t i o nc o n d i t i o n 3 s t u d yo nc o l ds t a r tb u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n da n a l y z et h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n g t h eb u r n i n ga n dh ce m i s s i o n s ，s u c ha si n j e c t i o np u l s ew i d t h ，i g n i t i o nt i m i n ga n d d i f f e r e n ti g n i t i o nm o d e s 4 r e s e a r c ho nb u r n i n ga n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa tw a r m i n gu pp r o c e s s t e s to n t h er e a s o n so fi g n i t i o nt i m i n ga n dd i f f e r e n ti g n i t i o nm o d e sf o rc o m b u s t i o n s t a b i l i t ya n dh ce m i s s i o n s a tw a r m i n gu pp r o c e s s 5 c o m p a r i s o nt h ec o l ds t a r tp e r f o r m a n c e sa tl p g ，g a s o l i n ea n dk e r o s e n e ，t h e n a n a l y s i st h ec a u s e so f t h e s ep h e n o m e n a k e yw o r d ：r a p i dl e a n - b u r n i n g ，c o l ds t a r t i n gc o n d i t i o n ，w a r m i n gu p c o n d i t i o n ， e m i s s i o n sc o n t r o l ，e l e c t r o n i cc o n t r o li n j e c t i o ns y s t e m ，s p a r ki g n i t i o ne n g i n e 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，也不包含为获得丞鲞盘鲎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：泉玺蝎 签字日期： 学位论文版权使用授权书 年乡月7 日 本学位论文作者完全了解盘鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼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：未垒娟 签字目期：w 刁年占月7 日 导师签名： 辩聃：1 “刖阳 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 环保、节能和安全是影响机动车工业发展的三大问题，其中环保和节能同发 动机发展紧密相关。 近几年我国汽车工业高速发展，据国际汽车制造协会( 0 i c h ) 最新统计数据 表明，中国2 0 0 6 年汽车产量7 2 7 9 7 万辆，比2 0 0 5 年增长2 7 6 ，预计2 0 0 7 年 中国汽车产量有望突破8 0 0 万辆，同比增长1 4 ，从2 0 0 7 年至2 0 1 0 年，中国汽 车工业预计将保持每年两位数的增长速度，到2 0 1 0 年，中国汽车总产量将达到 8 0 0 - 1 0 0 0 万辆。截至今年3 月底，全国机动车保有量为1 4 8 亿辆，比2 0 0 6 年 底增长2 1 7 ，其中汽车和摩托车是机动车构成的主要部分，占9 0 1 3 。汽车和 摩托车保有量的大幅度增加在给人们带来便利的同时，也污染了人们赖以生存的 大气环境。机动车排放污染目前已是大气污染的主要来源，据统计，我国仅汽油 机一年排放的c o 、h c 、n o x 总量就高达1 5 0 0 万吨，加上柴油机、摩托车，预计 每年排放总量超过2 0 0 0 万吨。同时，汽车、摩托车的排放污染物是大气污染的 主要来源之一，其主要排气污染物c o 、h c 、n o x 、p m 等对人体健康有着较大的危 害【l 】。随着我国摩托车数量的增加，摩托车排放造成的污染也逐渐受到人们的重 视，国内外关于摩托车排放的控制法规也越来越严格。其中，美国的联邦法规e p a 和加州排放法规c a r b 、欧洲的e u 指令和e c e 法规以及日本的汽车排放法规是当今 世界三个主要排放法规体系【2 】。 迅速增加的汽车保有量，给人类带来经济繁荣的同时也给城市带来了大气污 染和能源的紧张。国际能源机构在最近发表的年度报告( 2 0 0 6 世界能源展 望中敦促各国政府控制能源需求和温室气体排放，同时增加对能源领域的投资， 改善全球能源供应状况。报告指出：全球能源需求在今后2 5 年将增长5 3 ，届 时全球石油日需求量将由2 0 0 6 年的8 4 0 0 万桶升至1 1 6 亿桶，原油价格可能超 过每桶1 0 0 美元【3 】。按照 b p 世界能源统计2 0 0 6 ) ) 的数据，以目前的开采速度计 算，全球石油储量可供世界4 0 年，天然气和煤炭则分别可以供应6 5 年和1 6 2 年【4 】，也就是说在本世纪中叶前石油仍然是主要的能源。 作为世界上最大的发展中国家，我国的能源问题更加严峻。自1 9 9 3 年开始， 我国开始成为原油净进口国，并以每年8 0 0 - - 1 0 0 0 万吨的幅度增) j a r 5 】；2 0 0 3 年， 我国开始成为世界上仅次于美国的第二大石油消费国，石油的进口依赖率达到 3 0 。2 0 0 5 年，我国石油消耗量为3 0 亿吨，比2 0 0 4 年增长2 1 。，2 0 0 5 年天然 气消耗5 0 0 亿立方米，比上一年增长2 0 6 【6 1 。预计至2 0 3 0 年中国石油需求将增 笫一章绪论 长一倍达到1 5 3 0 万桶日，年均需求增k3 4 1 3 1 。这人人增加了我圄的能源供应 紧张局面，也对国家能源安全提 j 了挑战。自2 0 世纪7 0 年代以来，能源与环境 污染之间的矛盾日益突出，能源多元化战略、发展高技术以及低排放机动车是解 决此矛盾的主要方法。 1 2 火花点燃式发动机代用燃料的研究和发展 近年来，世界上各国政府( 包括发达国家和发展中国家) 寻求解决由于汽车保有 量迅速增加而造成的大气污染和汽车燃料结构的调整，一直努力地寻找解决途 径，如氢气汽车、甲醇汽车、电动汽车和天然气汽车等。天然气汽车简称n g v ( 即 以压缩天然气- c n g 、液化天然气- l h g 和液化石油气一l p g 为燃料的汽车) 由于它排 放性能好，可调整汽车燃料结构，运行成本低、技术成熟、安全可靠，所以被世 界各国公认为最理想的替代燃料汽车。目前，世界上有天然气汽车6 5 0 多万辆， 其中l p g 汽车5 3 0 万辆，加气站2 2 0 0 0 多座，年供l p g 9 8 7 万吨；压缩天然气汽车 1 2 2 万辆，加气站2 8 7 0 座。 目前，内燃机燃用的代用燃料主要有天然气、液化石油气、生物燃料、醇类、 二甲基醚和氢燃料等f 6 2 1 。 表1 - 1主要代用燃料与汽油、柴油特性参数比较 天然 类型 汽油柴油甲醇乙醇丙烷氢二甲基醚 气 化学分子式 c 4 - 1 2c lb - 2 8c h 3 - - o hc 2 h 5 - o h c h c 3 h 8 1 2 c h 3 - o - c h 2 低热值，m j k g 3 2 14 2 51 9 52 5 o5 0 04 j 6 31 1 9 92 7 6 密度，g m l 0 7 3o 8 40 7 90 8 1o 7 1 50 5 00 0 0 90 6 6 十六烷值 0 1 04 0 5 558一l o- 2 5 5 自燃温度， 3 9 0 4 22 5 04 5 04 2 06 5 04 7 05 6 02 3 5 辛烷值8 6 9 42 0 3 0l l l1 0 8 1 3 09 7 当量空燃比 1 4 71 4 66 59 01 7 21 5 63 4 3 89 0 沸点， 2 7 2 2 51 8 0 3 7 06 57 8一1 6 2- 4 3 - 2 5 3 - 2 5 4 6 0 在- 2 0 蒸发热，k j k g 3 1 02 7 01 1 l o9 0 44 5 2 着火极限( 气 1 9 1 3 7 6 0 6 6 55 5 2 63 5 1 55 1 54 7 73 4 1 8 体、空气中) 9 5 饱和蒸汽压 o o l b a0 1 2 b a9 4 b a5 1 b a 第一章绪论 火焰传播速度3 8 4 75 3 33 4 3 73 82 9 l 粘度k g m s o 4 22 4 0 6一1 2o 1 lo 1 5 ( 2 0 ) 重量。碳 8 5 8 88 6 o3 7 55 2 2 7 5 08 1 805 2 2 重量，氢 1 2 1 51 4 01 2 51 3 o7 5 o1 8 21 0 01 3 o 重量，氧 o05 0 0 3 4 8oo03 4 8 1 液化石油气( l p g ) 7 1 1 8 1 | 9 1 f l o 】1 1 1 2 】 液化石油气是以丙烷和丁烷为主的低分子母碳氢化合物的混合物，主要来源 于油井气、石油加工的副产品和用煤制取液化燃料的副产品。表1 - 1 是内燃机常 用的代用燃料与汽油、柴油特性参数的比较。 作为车用的液化石油气，其主要成分有丙烷、丙烯、丁烷和丁烯，着火温度 为4 4 1 5 5 0 ，比车用汽油着火温度( 4 2 7 ) 高；辛烷值高达1 0 3 - - 1 0 5 ，故 抗爆性好，发动机动力性好。l p g 在常温下为气态，混合气的形成和分配优于燃 油；l p g 可延长润滑油的使用期，不存在润滑油稀释的问题；由于无积炭，可大 大延长发动机使用寿命。 由于l p g 具有热值高、抗爆性好，且不含铅和硫等特点，所以既可用于汽油 机也可用于柴油机。l p g 液体所需的压力较低，因而它的储运比天然气简单。发 动机燃用l p g 的特点是有害排放物低，在带有催化转化器汽油车和l p g 汽车相比， l p g 的n o x 仅相当于汽油车的9 0 ，c o 相当于7 0 ，h c 可以降为汽油车的5 0 ，c o 。 仅为汽油车的8 7 ，而且发动机造价低。这些优点决定了采用l p g 作为代用燃料 的可行性。 2 天然气 天然气主要成份是甲烷( c i l , ) 、少量的乙烷、丙烷、c 0 和n 2 等，甲烷含量约 为8 3 - 9 9 之间，其成份对发动机性能和排放影响很大【1 3 】【1 4 】。发动机燃用天然 气最早出现于2 0 世纪3 0 年代的意大利，经过几十年的发展天然气汽车在欧美日 等许多国家得到推广使用，天然气汽车技术日臻完善n 引。 目前，压缩天然气( c n g ) ，液化天然气( l n g ) 也在开始应用研究中。由于 天然气不含硫、苯、烯烃等有害成份，排气中无多环芳烃( p a h ) ，醛和1 - 3 位丁 二烯等有害物也极少，c 0 2 排出量比汽油、柴油低2 0 3 0 ，所以是一种清洁燃 料。但其着火温度高，火焰传播速度慢，一般需要高能点火系统。天然气的未燃 甲烷排放量高，且化学性质稳定，虽对人体无害，但其温室效应t l c 0 2 高2 4 - 3 2 倍【8 】；润滑性能较差，发动机机件磨损严重，而且热负荷大，排气温度高。 3 醇类燃料【8 】1 1 5 】1 1 6 】 第一章绪沦 醇类燃料主要包括甲醇和乙醇。可以从生物质原料、农业原料、木材和城乡 废料中制取乙醇，也可从化工原料天然气、煤炭提炼甲醇。现有发动机燃用醇类 燃料不需做较大的改动f l5 1 。醇类燃料辛烷值高，作为汽油机代用燃料可以采用 高压缩比来提高发动机的热效率。甲醇发动机具有良好的冷起动性，燃烧过程几 乎不生成碳烟和硫酸盐，热效率几乎和柴油机差不多。但由于醇类燃料的着火特 性较差，故需要采取高能点火、改质醇类等辅助手段改善其着火性能。 4 生物燃料f 1 7 1 【1 8 1 【1 9 】 生物燃料作为可再生能源近几年在国外比较重视，国内近几年也开展相关研 究。生物燃料可以从农作物或动物的脂肪中提取，与酒精反应，脱去甘油三酸脂 转变成甲酯( r m e ) 或乙基酯以后可以生成所谓的“生物柴油”( b i o d i e s e l ) 1 8 l 。 其十六烷值、燃料性质几乎与青柴油相同，可以在柴油机上使用。 5 二甲基醚 二甲基醚( d i e t h y le t h e r , d m e ) 是近年来开发的一种极有发展前途的柴油机 代用燃料，它的低热值高，着火性能好，能实现无碳烟运行，n o x 排放也可以显 著减小，是一种清洁的适合压燃式发动机的代用燃料【1 9 】。 二甲基醚由于自燃性好，在柴油机上的最早应用是作为醇类燃料的助燃剂 1 7 1 1 1 8 】，研究表明，柴油机燃用甲醇时，从进气管引入少量( 拘d m e 为助燃剂，柴油 机的性能和排放有了不同程度的改善，柴油机的冷起动性能和小负荷的稳定性有 明显的提高，总碳氢( t h c ) 排放大幅度降低。 近年来，d m e 作为柴油机代用燃料受到了国内外研究者的广泛关注，成为 柴油机的潜在替代燃料和燃料电池的一种燃料。d i e 的十六烷值高于5 5 ，就能够 实现柴油机高效、超低排放和柔和燃烧；与传统柴油机相比，燃烧噪声可降低 1 0 - 1 5 d b ；能够彻底消除柴油机的碳烟。 6 氢燃料【2 0 】f 2 1 】 氢燃料在能源和环保方面具有独特的优势，被认为是最具前景的未来汽车发 动机的主导燃料之一。由于氢燃料与石油燃料的物化特性明显不同，传统发动机 直接燃用氢气，将出现严重的早燃、回火及燃烧压力波动等异常燃烧，并产生较 多的n o x ( 氢燃料与石油燃料发动机的唯一有害排放物) ，因此，氢发动机的早 燃、回火等异常燃烧的控制以及对n o x 的抑制，是提高功率、改善燃烧效率，保 证发动机的正常燃烧所需要解决的关键技术。研究表明：以点火提前角、喷氢提 前角和喷氢量为基本控制变量的优化控制技术，是全面改进氢发动机性能的有效 手段。 1 2 1 其他石油类燃料的性质 煤油作为石油类燃料，人类使用已有久长时间，其广泛应用于军用、民用的 第一章绪论 各个领域。煤油和煤气一样是世界照明的主要资源，主要用于点灯冀 明，各种喷 灯、汽灯、汽化炉和煤油炉灯的燃料，也可用作机械零件的洗涤剂、橡胶和制药 工业溶剂、油墨稀释剂、有机化工裂解原料、玻璃陶瓷工业、铝板辗扎、金属表 面化学热处理灯工艺用油。航空煤油则主要用作喷气式发动机燃料，目前大型客 机均使用航空煤油。 煤油是一种无色透明的液体，比水轻。衡量煤油主要性能的指标有煤油的热 值、密度、燃烧性、低温性、润滑性及防静电性等。般的沸点为11 0 3 5 0 。 常温下为液体，略具臭味，不溶于水，易溶于醇和其他有机溶剂，易挥发，易燃。 与空气混合形成爆炸性的混合气，爆炸极限为2 - - - , 3 。 航空煤油，是由直馏馏分、加氢裂化和加氢精制等组分及必要的添加剂调和 而成的一种透明液体，成分主要由不同馏分的烃类化合物组成。分子式为 c h 3 ( c h 2 ) n c h 3 ( n 为8 1 6 ) ，只不过航空煤油更纯，差值含量微乎其微。我国生 产的航空煤油静热值每公斤不小于1 0 2 5 0 大卡，密度不低于0 7 7 5 9 c t a 3 。冰点不 得高于一5 5 一6 0 。 尽管汽油和煤油都是液体燃料，但它们的燃烧特性却有很大的不同。首先， 汽油的闪点为- 5 8 - 1 0 ，而煤油的闪点为2 8 4 5 ，室内的平均温度都大 大超过了汽油的闪点，却很少能达到煤油的闪点；其次，汽油的沸点为4 0 2 0 0 ，煤油却高达1 7 5 - 3 2 5 。这就是说在常温下，汽油的汽化速度比较快， 当温度达到4 0 以上时汽化的就更快了，而煤油在常温下汽化速度很慢，只有 到1 7 5 时汽化才比较快。 1 3 火花点火式发动机有害排放物控制技术 1 3 1 发动机有害排放物生成机理川 2 】f 3 】 作为火花点火式发动机的摩托车汽油机有害排放物主要来自燃烧过程产生 的c o 、h c 、n o x 、p m 等及发动机曲轴箱、燃料供给系统蒸发产生的碳氢化合物。 其生成机理与碳氢有机燃料的特性、混合气形成过程和燃烧过程等有紧密联系。 7 ( 1 ) 一氧化碳( c o ) 发动机燃烧过程产生的一氧化碳( c 0 ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 与混合气空燃比 有着密切关系。当过量空气系数o a 1 ) ，主要是c 0 2 分解为c o 和0 2 。c o 生成浓度受空燃比的影响更大。 ( 2 ) 氮氧化合物( n o x ) n o x 的生成取决于发动机燃烧过程中氧的浓度、发动机最高燃烧温度以及高 第一章绪论 温持续时间。从排气管排i l l 的氮氧化物有n o 、n 0 2 、n 2 0 等，以n o x 表示。n o x 的产生浓度随燃烧温度的升高而增加，发动机燃烧室中的最高燃烧温度可以达到 2 0 0 0 。c - 2 5 0 0 ，因而在燃烧过程中要控制n o x 的产生相当困难。 ( 3 ) 碳氢化合物( h c ) 与柴油机相比较，汽油机燃烧成分主要是由低碳原子数烷组成，不易产生碳 烟，所以相对来说微粒子的排出量极少。而排气中c o 的排出量主要取决于汽油 机的空燃比，较为固定。因此，未燃碳氢h c 就成为汽油机有害排放的主要研究 对象之一。 h c 排放主要来源于缸壁淬冷导致的未燃混合气或燃料不完全燃烧中间产 物。燃烧火焰受缸壁激冷作用而被冷却，使燃烧过程中连锁化学反应中断，从而 产生大量未燃混合气( h c ) 。而混合气浓度过浓或过稀均会产生不完全燃烧中间 产物，特别是过稀混合气使火焰传播不良，容易造成“失火”而排出大量未燃 h c 成份。 1 3 2 污染物对人体健康的影响 ( 1 ) 一氧化碳( c o ) 一氧化碳对人体健康的危害主要是降低血液运送氧气的能力。因为人体血液 中血红素和一氧化碳的亲和力大于血红素和氧的亲和力，约为2 0 0 多倍，故空气 中一氧化碳浓度高时，则血红素与一氧化碳结合成一氧化碳血红素( c o h b ) ， 而不和氧结合成氧血红素( m o ) ，影响血红素运送氧气的功能，迫使血液中含 氧量降低。而且会影响心脏血管系统和中枢神经系统，并易使心脏血管疾病加重、 恶化，以及神经及肺部系统受影响、运动功能受损。对于有心脏病患者，一氧化 碳会使其产生胸痛。 表1 - 2 一氧化碳与血红素亲和对人体健康的影响1 c o h b 饱和度症状 5 2 0 感觉不适、神经系统机能降低 2 0 5 0 头痛、晕眩、呕吐 5 0 6 0 虚脱、昏厥 6 0 0 , 6 以上意识丧失、甚至死亡 由表卜2 可知人体血液中一氧化碳血红素( c o h b ) 的饱和度对健康的影响， c o h b 达8 0 则会死亡。 ( 2 ) 碳氢化合物( h c ) 第一章绪论 碳氢化合物浓度低时对人体呼吸系统产生刺激，较高浓度则可能对巾枢神经 系统产生影响，甚至致癌。碳氢化合物还会与氮氧化物等起光化学反应，产生臭 氧、甲醛等，产生烟雾，造成人眼睛不适，咳嗽、胸部不适等。由光化学作用产 生的臭氧，会对肺产生刺激，造成呼吸系统疾病。 ( 3 ) 氮氧化物( n o x ) 由排气管排出的氮氧化物大都为一氧化氮，一氧化氮如果浓度高于5 0 p p m ， 在大气中会很快氧化成二氧化氮。一氧化氮和血红素结合的能力非常强，动物实 验表明约为一氧化碳的1 0 0 0 多倍，约是氧的3 0 万倍，故一氧化氮若与血红素结 合成n o h b ，使血液呈现暗褐色，使血红运送氧气的功能大卫降低，呼吸机能受 影响，而造成人体缺氧，中枢神经机能减退。一氧化氮在空气中逐渐氧化成二氧 化氮，二氧化氮为褐色有毒气体，不断影响视野，且对人体健康造成影响，会造 成呼吸方面的疾病及肺伤害。 1 3 3 摩托车排放污染不容忽视 对摩托车排放的研究和控制是从上世纪七十年代开始的，起初人们认为摩托 车排放量比汽车小的多，其排放引起的污染并不重要，而实际情况并不像人们想 象的那么乐观。清华大学环境工程系、中国环境科学院等单位联合调查研究了我 国机动车排放因子，见表1 - 3 所示【2 3 1 。其中摩托车与轿车相比：c o 是轿车的1 3 ， h c 是轿车的0 3 8 倍。考虑摩托车的保有量远远多于轿车，摩托车排放的总贡献 量已不容忽视。据统计，2 0 0 0 年，在市区道路行驶的摩托车的大气排放有害污 染物一氧化碳1 1 3 4 2 吨、氮氧化物2 3 8 0 吨、非甲烷烃2 0 4 4 吨，分别占市区道路 行驶的机动车排放总量的5 0 5 、3 2 4 和5 7 8 。 表1 - 3中国各种车型测试工况下的排放因子【2 5 】 平均排放因子 车种 单位 c oh c n o x 轿车咖 4 4 2 5 2 1 5 微型车 咖 2 4 74 42 2 吉普车咖3 4 55 5 3 2 中型车 咖 5 1 78 14 3 摩托车 g l ( 1 1 1 1 4 42 00 1 由于我国摩托车尚未普遍采用电喷技术及尾气后处理技术，所以本身排放不 是很好。随着摩托车保有量的增加，摩托车排放在车辆污染中所占的比例越来越 第一章绪论 人，也越来越受至0 人们的重视。我国摩托车产量的攀升令人吃惊，1 9 8 0 年摩托 车年产量仅有5 万辆，2 0 0 4 年达9 7 万辆，2 0 0 6 年超过1 0 0 0 万辆，其尾气排放 罱的增加也令人担忧。2 0 0 5 年国家摩托车质量监督检测中心的结果表明，6 0 的 国产摩托车排放未能达标，如果按工况法限值及每年每辆平均运行6 0 0 0 k m 进行 粗略估算，2 0 0 0 年生产的摩托车排放出c o 有害物为0 8 2 5 万吨，排出的h c 有 害物为0 2 6 万吨；2 0 0 5 年新生产的摩托车在2 0 0 6 年底排出c o 为4 1 3 万吨： 若考虑2 0 0 5 年底存用车为2 5 0 0 万量，则在2 0 0 6 年底排放总量：c o 为1 0 3 1 万 吨，h c 为3 2 8 万吨。摩托车如此严重的排放污染，必须引起人们的高度重视。 表i - 4 我国当前摩托车排放限值及执行日期f 2 7 】 地 测试循热，冷耐久性 排放( k m ) 年份机型或车型 备注 区环 起动( k i n )h c n o x c o 1 3 1 9 9 6 1 1 2 0 5 0 ， 二冲程四冲程 e c e 4 0 热 |2 1 | 新生产 3 0 6 0 1 0 1 4生 l o g b l 4 6 2 41 6 4 0 1 9 9 6 1 1 二冲程，四冲程 e c e 4 0 热 ， 1 5 ， 9 32 5 5 0 定型车 7 1 0 1 2 8 8 1 2 1 9 9 8 1 1 由 二冲程四冲程e c e 4 0热|，3 2 4 2 6定型车 17 5 3 5 国g b l 4 6 2 22 0 0 2 1 1 二冲程，四冲程 e c e 4 0 热 ，4 3o 1 o _ 38 1 3 2 0 0 0 实行 大g b l 8 1 7 62 2 1 1 全部 e c e 4 0 热 |3 0 ，6 0 6 1 2 2 0 0 0 实行 陆 g b l 4 6 2 22 0 0 4 。1 1 两轮摩托车 e c e 加热|1 2o 35 5 2 0 0 2 实行 g b l 8 1 7 62 0 0 5 1 1 两轮轻便 e c e 4 0 热 |1 2 1 o 2 0 0 2 实行 5 万或5 1 5 0 摩托车 u d c冷0 80 1 52 02 0 0 7 7 1 在 国 u d c +5 万或5 1 5 0 摩托车 冷o 3o 1 52 o 2 0 0 7 7 1 e u d c 年 注：u d c 为e c e 4 0 ( e u d ) 的基础上去除开始的4 0 s 怠速时间。 第一章绪论 表1 - 5我国台湾地区摩托车排放法规发展历程1 2 8 】 地 热冷耐久性 排放( g ，i m ) 年份机型或车型测试循环备注 区起动( k m )h c n o x c o 1 9 9 2 ( 台湾l i )全部c n s l l 3 8 6热6 0 0 03 o4 5法规 台 湾 目前( 台湾)全部c n s l l 3 8 6热 1 5 0 0 0 2 o3 5法规 地 1 q n 区2 0 0 3 ( 台湾i v )二冲程四冲程c n s l l 3 8 6冷1 5 0 1 o 2 0建议 o 表1 - 6 欧洲限值及日本最新摩托车排放限值 测试循热冷耐久性 排放( g k m 地年份机型或车型备注 环 起动 ( i o n ) h c n o x c o 区 e c e 4 0 目前欧i二冲程四冲程热，4 0 3 00 i 0 38 0 ，1 3 o法规 ( u d c ) 3 万或5 年 1 5 0 摩托车 u d c 熟 1 2o 35 5 已确定 ( 2 0 0 4 1 ) 欧 2 0 0 3 欧 3 万或5 年 盟1 5 0 摩托车u d c热1 oo 35 5已确定 ( 2 0 0 4 1 ) 地 2 0 0 6 欧i 1 5 0 摩托车叻c冷5 万或5 年o 80 1 52 o已确定 区 1 5 0 摩托车u d c + e 冷 5 万或5 年 o 3o 1 52 0 已确定 u d c 目前欧i 轻便摩托车 e c e 4 7热3 o6 o法规 2 0 0 2 欧 轻便摩托车e c e 4 7热 ，1 21 0 已确定 注：u d c 为e c e 4 0 ( u d c ) 的基础上去除开始的4 0 s 怠速时间 1 3 4 高技术、低排放摩托车是未来的发展方向 2 0 0 2 年2 月国家环保总局颁布了新的摩托车排放污染防治技术政策，明 确规定：2 0 0 4 年摩托车达到相当于欧i i 排放控制水平；2 0 0 6 年前后我国所有新 定型的摩托车排放应达到国际先进水平【2 8 】。我国当前执行的摩托车排放法规排 放限值见表1 - 4 所示，新的排放标准的实施将使我国摩托车和轻便摩托车排放控 第一章绪论 制水平实现与国际接轨，使摩托车的人气污染物排放最降至原来的1 3 1 2 。 欧美国家由于摩托车保有量少，且多为大排量摩托车，其排放问题并不严重，因 而相对于汽油来说欧美对摩托车排放的限制要松的多【2 5 1 。但是近几年随着人们 对环境污染的重视以及摩托车保有量的增加，欧美对摩托车的排放也越来越重 视，欧盟于2 0 0 6 年执行的欧i i i 法规就对摩托车提出了较为严格的限制【2 6 1 。目前 对摩托车排放物限制最严格的是我国的台湾地区，这是因为台湾地区摩托车比较 普及，所以其摩托车排放历来受到重视( 见表1 - 4 ) 。2 0 0 3 年6 月日本空气质量 委员会环境中心起草了2 0 0 6 年和2 0 0 7 年实施的全球最为严格的摩托车排放法 规，日本和欧i i i 排放法规关于摩托车排放限值对比见表1 - 5 、表1 - 6 。面对较高 的排放和日益严格的法规之间的矛盾，提高摩托车发动机的排放控制技术，改善 摩托车尾气排放已是刻不容缓。 1 4 汽油机冷起动排放研究的意义 汽油机冷起动的过程尽管很短，却是发动机燃烧性能最为恶劣的阶段。在排 放测试循环中，配备三元催化转化器的汽油机，根据美国环境保护署( e p a ) 的 f t p - 7 5 ( 联邦政府实验规程) 测试得知，将近8 0 的h c 、c o 产生于冷起动最初 的几分钟。冷起动及冷态循环时，机体温度较低，排气温度低。排气中含有大量 未完全燃烧的可燃混合气体，而三元催化转化装置在这个阶段温度较低，难于正 常工作，排出的有害气体绝大部分直接排放到大气中。由于发动机冷起动时转速 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表观上非常浓的混合气， 从而导致了大量的c o 和h c 排放产生。同时三元催化转化器没有起作用 4 1 1 1 4 2 】【4 3 1 l 【4 5 1 1 4 6 1 1 4 7 1 ，因此冷起动过程对点燃式发动机整车排放限值h c 和c o 的排 放贡献量极为突出，特别是欧i i i 、欧将要采用的测试循环和f t p - 7 5 都是从发 动机起动瞬时就开始采样，而5 0 - 8 0 的h c 和c o 排放是在冷起动过程中产生的 4 8 1 1 4 9 1 【5 0 1 【5 l 】【5 2 】【5 3 1 。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，围绕冷起动的燃烧与排放优化控制，已成为9 0 年代以来，特别 是近年来国外车用发动机研究领域的热点。 从目前可以查阅的资料来看，对于冷起动研究的不多，有些相关的研究，如 c h c n g ( 2 0 0 1 ) 、谭富太( 2 0 0 3 ) 所做的研究主要集中于考察对排气后处理采用加 装特定的设备对降低冷起动h c 排放的影响。而对于不同条件下，各因素对冷起 动排放的影响研究，目前相关资料较少。 排放措施的选择和排放装置的应用，首先应该建立在对汽车运行状况研究的 基础之上，必须充分的了解各参数对冷起动的影响，才可能在选择装置和手段时， 第一章绪沦 有的放矢，采取行之有效的方法；因此，为降低冷起动及冷态循环排放的措施提 供研究的理论基础和降低冷起动排放措施的选择提供依据，这就是本文研究的出 发点。 由于冷起动及冷态循环阶段主要有害排放是h c 和c o ，从欧i i 到欧i i i 对h c 和n o x 化合物的排放要求有了很人的提高，而对于c o 的排放限制并未显著减少， 所以在本文的研究中将冷起动与冷态循环快速燃烧及h c 的排放作为主要研究对 象，做冷起动及冷态循环过程排放的试验研究。 美国威恩州立大学的n a h e n e i n 教授等i s 4 1 对一六缸汽油机冷起动工况 前1 2 0 循环的h c 排放进行了循环分析，主要研究了起动时活塞和进排气门位置 对燃烧和排放的影响，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0 5 7 - - , 0 9 2 。普林斯顿大学的s k f u l c h c r 等【5 5 】则通过试验分析了燃 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。由此可见未来发动机燃烧与排放控 制方法，正在由传统宏观空燃比控制方法向微观的更为精确的基于循环控制的方 法转变。有关汽油机冷起动燃烧和h c 排放产生激励的研究还有环境温度对冷起动 h c 排放的影响【5 6 1 、进气相位对冷起动过程h c 排放的影响 4 4 1 、冷起动过程中气缸 壁油膜对h c 排放的影响【57 】以及快速反应火焰离子探测器、红外线数字摄像系统 在研究冷起动过程中的应用掣5 7 】【5 8 】。 围绕降低冷起动过程中的排放，许多研究结果也提出了建议和行之有效的方 法，如i g o ri n c y a c h e n k o1 5 2 1 根据油膜的蒸发，提出了一套冷起动混合气空燃比 的控制策略， f r a n kz i m m e r m a n n 等【4 3 】在喷油器内放置加热器，以促进燃油蒸 发，降低h c 排放，另外还有推迟点火。采用h c 收集装置、介质阻抗荷点法、向 排气管内喷射空气以加热三元催化转化器等【5 0 1 【6 0 1 【6 l 】【6 2 1 。 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，但多以冷起 动的可靠性和稳定性为研究目的，研究冷起动过程燃烧与排放的较少。已经开展 较深入研究的有，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 生成过程的研究【6 3 】和燃用含氧燃料的冷起动和怠速时未燃h c j q t 放 影响的试验研剜6 4 1 ，是国内已报道文献中最早涉及点燃式发动机冷起动h c 排放 的研究之一。清华大学程勇、王建听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【3 4 1 【3 5 1 【3 6 1 ，结合三元催化转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，更具有实际价值。同济大学周毅等也对三 元催化转换器冷起动特性进行了研列3 7 】。因此，我国在这一领域的研究，正在 与国际接轨。 第一章绪论 作为正在推广的代用燃料，l p g 同样面临着冷起动问题。相对于传统液态燃 料汽油来说，气体燃料l p g 易于混合，没有由于温度、转速低等因素造成的雾 化不好的影响。但随着l p g 车辆的广泛应用，排放法规和排放测试规程的日趋 严格，l p g 发动机也同样面临着如何进一步降低冷起动排放的问题。 综一卜所述，研究降低汽车冷起动排放的技术对我国日益扩大的汽车市场有广 泛的现实意义，对于车辆保有量日益增多的中国城市的大气环境保护有其重要的 意义。 1 5 论文研究内容和选题意义 本文提出了一种新的快速燃烧方法，在成功实现电喷发动机的基础上，围绕 排放、冷起动及怠速暖机等问题开展了多方面的研究，具有重要的理论意义和工 程应用价值。具体研究内容如下： 1 、 电喷发动机快速燃烧系统。研制电控高能双火花塞快速燃烧系统。 包括新缸头、两套独立的可变能量高能点火系统、电控单元e c u 及 其控制软件的研制等。双火花塞位置与燃烧室形状的配合。通过控 制策略的研究调整点火时刻与双火花塞点火相位差，利用双火花塞 的同步、异步可变点火时刻对燃烧过程进行修正，以期达到快速燃 烧。 2 、 多通道电控汽油机瞬态燃烧分析系统。该系统可以对发动机的运行 工况参数、排放等进行实时采集、图形化显示，实现了在现调整电 控发动机的控制参数，提高了试验精度和试验效率，同时可以实时 采集发动机燃烧压力数据进行示功图分析，为深入的发动机基础性 研究提供了有力的手段。 3 、 发动机冷起动特性分析。利用示功图、瞬时转速，结合h c 排放， 首先分析了发动机冷起动特性，然后对电控发动机冷起动循环的着 火及h c 排放影响因素进行了分析，最后提出了基于循环控制的电控 发动机冷起动控制策略； 4 、 发动机冷态循环燃烧稳定性分析。利用示功图、催化转化器入口排 气温度特性，结合h c 排放，分析不同点火模式对冷态循环燃烧稳 定行的影响，提出了高能双点火模式对冷态循环燃烧稳定有促进作 用。 5 、 不同燃料冷起动特性。对比汽油、天然气、煤油冷起动特性，并分 析产生这些现象的原因。 第二章电喷艇功机快速燃烧系统的设训 第二章电喷发动机快速燃烧系统的设计 2l 汽油发动机电控系统的功能设计 | 灞器 图2 一l 为研制的电控发动机喷射系统 hl z 曩 订r l 的结构框图。电控发动机喷射系统包弱塔萨整疆拦一le = 丑2 括信号输入装置、执行机构和控制单 笔弱蚕乒诤ii 同 元e c 【三部分。发动机的各种信号经信n 趸刁穗强最仃t 下i 号处理电路处理后变成单片机可以采譬釜 毒呈一ir i l l ；i藿tg元ecu$microchlip雌 制单元e c u 采用模块化设计，主要由五大模块构羞冀摆蕊盈翮蠢 成：微处理器模块( 主电路) 、输入调理模块、功_ 曩签疆垡_ 鼻! i ：i ， 率驱动模块、电源模块