汽车新技术7(07年)废气再循环.ppt

汽油机废气再循环 概述 排放控制不仅要求控制有害物质的排放 而且要求限制CO2的排放 以便阻止全球气候变暖的趋势 这就要求降低油耗 提高发动机热效率 但是 通过优化燃烧过程提高热效率的方法通常会导致燃烧过程加速 最高燃烧温度升高 造成NOX排放放增加 为了既改善热效率又降低NOX排放 办法之一就是将一部分废气在节气门后面注入进气系统 送回气缸 这就是排气再循环 缩写为EGR 废气再循环分类 内部排气再循环 外部排气再循环 发动机从排气管引出一部分废气 通过进气门将这部分废气混入空气中送回气缸 这叫外部排气再循环 此时混入进气系统的废气是冷的 废气再循环对汽油机油耗和排放的影响 如图当过量空气系数保持恒定不变时 随着EGR率的增加 油耗先是略有下降 后又上升 HC排放增加 而NOX排放明显下降 从总体上看 EGR率对油耗和排放的影响趋势与过量空气系数的影响趋势相似 因为返回气缸的废气使得尚未完全氧化的可燃成分的反应几率减少 火焰激冷效应增强 其结果是HC和CO排放增加 有资料表明 排气再循环可使油耗和CO排放最多降低8 但若匹配不当 也可能增加达3 可使HC排放增加达8 可使NOx最多降低达40 见图 如前所述 二次空气法可降低HC和CO排放 而排气再循环可降低NOx排放 如果两者合并使用 则可谓优势互补 使汽油机排放在三元催化转化器之前就降低10 40 催化转化器只有当达到约2500C的工作温度后才对排放污染物具有催化转化作用 在400 8000C时转化率最大并可延长使用寿命 若稀薄燃烧 将还原和氧化催化转化器串接一起 构成 双床催化转化器 该装置在两转化器之间使用二次空气 不仅能控制NOX排放 还可限制HC和CO的排放 已被证明是排气后处理最有效的方法 前边讲过 高温后燃的排放控制能力极为有限 特别不能满足氮 氧化合物彻底排放的要求 但可用于催化转化器达到温度之前减少暖机工况的CH和CO的排放 两者结合使用 汽油机外部废气再循环电子控制系统 废气通过废气再循环阀8流入进气系统 再循环废气量在总的废气量中所占比例 通过改变废气再循环阀8的流通截面积加以控制 废气再循环阀利用由节气门后面的进气歧管提供的真空度控制开度 而这个真空度由电 气转换器6根据电子控制单元的信号加以控制 l 电子控制单元 2 负荷信号 3 转速信号 4 发动机温度信号 5 空气滤清器 6 电 气转换器 7 节气门位置传感器 8 排气再循环阀 带或不带位置传感器 9 排气再循环阀位置信号或阀杆位置传感器 选用 10 氧传感器 11 催化转化器 组成废气再循环系统各部件 1 废气再循环阀 阀的上部空腔内有膜片1将空腔分成上 下两部分 下部与排气相通 上部是控制压力 控制压力由电 气转换器控制 可为大气压力 也可小于大气压力 当控制压力小到一定程度时 下部的大气压力克服上部控制压力和弹簧压力的合力而将膜片连同阀杆升起 废气再循环阀开启 废气从废气管经进口3流入 又从出口4流向进气歧管 返回气缸 废气再循环阀的流通截面积由阀杆的升程决定 控制压力越低 阀杆升程越大 阀的流通截面积越大 再循环废气流量就越大 而控制压力的大小是由电 气转换器控制的 1 膜片 2 控制压力接口 3 废气进口 4 废气出口 电 气转换器 1 进气歧管接口 2 空气导管接口 3 电接头 4 EGR阀控制压力接口 汽油机可变配气相位 汽油机可变配气相位 其特性参数主要是三个 气门开启相位 气门开启持续角度 指气门保持升起持续的曲轴转角 和气门升程 这三个特性参数对发动机的性能 油耗和排放有重要影响 通常将气门开启相位和气门开启持续角度统称为气门正时 随着发动机负荷和转角的改变 这三个特性参数 特别是进气门开启相位和开启持续角度 的最佳选择是根本不同的 进气门开启相位提前 一方面为进气过程提供了较多的时间 特别有利于解决高转速时进气时间不足的问题 另一方面 气门叠开角增大 有更多的废气进入进气管 随后又同新鲜充量一起返回气缸 造成了较高的内部排气再循环率 可降低油耗和NOX排放 但同时也导致启动困难 怠速不稳定和低速工作粗暴 进气门关闭相位推迟 一方面在高转速时有利于利用高速气流的惯性提高体积效率 另一方面在低转速时又会将已经吸人气缸的新鲜充量重又推回到进气管中 气门升程增大 一方面在高负荷时有利于提高体积效率 另一方面在低负荷时又得不将节气门关得更小 造成更大的泵气损失和节流损失 综上所述可见 出于不同的考虑 对气门特性参数提出了不同要求 为了提高标定功率 要提早开启 推迟关闭进气门 并提高进气门升程 为了提高低速扭矩 要提早关闭进气门 为了改善启动性能并提高怠速稳定性 则要推迟开启进气门 减小气门叠开 显然 进气门特性参数对发动机的影响比排气门特性参数更大 进气门关闭相位的影响比开启相位大 由于环境保护和人类可持续发展的要求 低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展目标 要求发动机既要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的规定 在各种现代技术手段中 可变配气相位技术已成为新技术发展方向之一 1 无凸轮轴可变配气相位机构 电磁控制 该类机构没有凸轮轴 直接对气门进行控制 其优点是能对气门正时的所有因素进行控制 在各种工况下获取最佳气门正时 另外 还能关闭部分气缸的气门 实现可变排量 直接对气门控制是比较理想的状况 但该类控制机构操纵时需要消耗较高的能量 如何降低能量消耗是这类机构必须解决的问题 每对气门在不同工况由凸轮轴上 滞止凸轮 0 65mm最大升程 中速凸轮 7 3mm升程 高速凸轮 lOmm升程 分别控制 相应的凸轮推动的摇臂也有三个 主摇臂 中间摇臂 次摇臂 另外 还有两个转换柱塞协同转换驱动凸轮 低速时 如图1 93 a 所示 各个摇臂分离独立工作 主摇臂驱动主气门正常工作 次摇臂驱动次气门 最大升程为0 65mm 主要是产生最适当的涡流实现稀薄燃烧 变换凸轮型线的可变配气相位机构 1 凸轮轴 2 低速凸轮 3 高速凸轮 4 主摇臂 5 二中间摇臂 6 次摇臂 7 液压柱销A8 液压柱销B 9 止推销 10 空行程弹簧 11 排气门 12 进气门 可变式配气机构 随着发动机各缸采用多气门化 发动机的高速动力性有了很大的提高 同时却带来了中小负荷经济性变差和低速扭矩的降低 为了解决此矛盾 近来高性能轿车发动机广泛采用了可变配气相位与气门升程电子控制 VTEC 机构 从而使从高速到低速整个使用范围性能得到提高 气门定时和升程可变的可变进气系统 VTEC 装有VTEC机构的发动机每个气缸和常规的高速发动机一样配置有两个进气门和两个排气门 它的两个进气门有主次之分 即主进气门和次进气门 每个进气门均由单独的凸轮通过摇臂来驱动 驱动主次进气门的凸轮分别叫主 次凸轮 主 次摇臂 中间摇臂 不与任何气门接触 三摇臂并在一起 均可在摇臂轴上转 中间凸轮 升程最大 中间凸轮升程最大是按发动机双进双排气门工作最佳输出功率的要求而设计的 主凸轮升程小于中间凸轮 它是按发动机低速工作时单气门开闭要求设计的 次凸轮的升程最小 最高处只是稍微高于基圆 其作用只是在发动机怠速运行时 通过次摇臂稍微打开次气门 以免燃油集聚在次进气门口 中间摇臂的一端和中间凸轮接触 另一端在低速时可自由活动 三个摇臂在靠近气门一端均有一个油缸孔 油缸孔中都安置有活塞 由此可见 根据发动机转速 负荷 水温及车速信号 由ECM进行计算处理后将信号输出给电磁阀来控制油压 进而使不同配气定时和气门升程的凸轮工作 VTFC不工作时 正时活塞和主同步活塞位于主摇臂缸内 和中间摇臂等宽的中间同步活塞位于中间摇臂油缸内 次同步活塞和弹簧一起则位于次摇臂油缸内 正时活塞的一端和液力油道相通 液力油来自工作油泵 油道的开启由ECM通过VTEC电磁阀控制 在发动机低速运行时 ECM无指令 油道内无油压 活塞位于各自的油缸内 各摇臂均独自上下运动 于是主摇臂紧随主凸轮开闭主进气门 以供给低速运行时发动机所需混合气 次凸轮则迫使次摇臂微微起伏 微微开闭次进气门 中间摇臂虽然随着中间凸轮大幅度运动 但是它对于任何气门不起作用 此时发动机处于单进双排工作状态 吸人的混合气不到高速时的一半 由于仍然是所有气缸参与工作 所以运转十分平顺均衡 发动机高速运行 ECM就会向VTEC电磁阀供电开启工作油道 工作油道中的压力油就推动活塞移动 压缩弹簧 这样主摇臂 申间摇臂和次摇臂就被主同步活塞 中间同步活塞和次同步活塞串联为一体 成为一个同步活动的组合摇臂 由于中间凸轮的升程大于另两个凸轮 而中间凸轮角度提前 故组合摇臂随中间摇臂一起受中间凸轮驱动 主 次气门都大幅度地同步开闭 因此配气相位发生变化 吸人的混合气量增多满足了发动机大负荷时的进气要求 低速时 如图所示 各个摇臂分离独立工作 主摇臂驱动主气门正常工作 次摇臂驱动次气门 最大升程为0 65mm 主要是产生最适当的涡流实现稀薄燃烧 进一步改进 中速时如图所示 电脑控制中速油路开启 液压油驱动中速转换柱塞 使主 次摇臂联结在一起 中速凸轮开始起作用 驱动两个气门运转 高速时 如图所示 电脑控制打开高速油路 液压油推动高速转换柱塞 主 次摇臂与中间摇臂联结在一起 由高速凸轮驱动 当转速降低时 油路内油压降低 柱塞在回位弹簧的作用下推回 三根摇臂又依次分开 该机构使发动机根据自身转速和负荷自动改变气门的配气相位及气门升程 改变进气量 低速时 VTEC E开启一个气门实现稀燃 中速时 采用中速凸轮型线驱动两个进气门 确保中速扭矩 高速时 VTEC E加大进气量气门升程及延长开启时间 使增加 以输出更大功率 3 改变凸轮轴相角的可变配气相位机构 该类机构利用凸轮轴调相原理 凸轮型线是固定的而凸轮轴相对曲轴的转角是可变的 因为配气相位中影响发动机性能较大的是进气门关闭角和进排气重叠角 在多气门双顶置凸轮轴发动机上 单独控制进 排气凸轮轴 可以实现对这两个因素的控制 改善发动机性能 虽然这类机构不能改变气门升程和持续期 但是它机构原理简单 可以保持原发动机气门系不变 只用一套额外的机构来改变凸轮轴相角 对原机改动较小 便于采用 应用较广泛 以日本NISSAN公司开发的一种液压机构为例 用在双顶置凸轮轴发动机上 改变进气凸轮轴相角 实现配气相位可变 该机构采用螺旋花键轴式凸轮调相原理 主要由凸轮轴 带有斜齿的内轴套 斜齿活塞 正时带轮组成 正时带轮与活塞之间 活塞与内轴套之间分别有旋向相反的斜齿相啮合连结 正时带轮相对曲轴的相位是固定不变的 当控制阀打开时 活塞在高压油作用下向右移动 由于活塞内外为斜齿 从而引起内轴套带动凸轮轴相对于正时带轮发生相对角位移 当控制阀关闭时 活塞在回位弹簧的作用下左移 引起内轴套带动凸轮轴相对于正时带轮发生反向转动 该机构的高压油来自发动机润滑系 所以不需要另设一套机构提供高压油 改变凸轮与气门之间连接的可变配气相位机构 1 凸轮 2 挺柱 3 高压油腔 4 蓄压罐 5 电磁阀 6 气门 电控液压挺柱式可变配气相位机构原理如图所示 当电磁阀关闭时 凸轮推动第一挺柱 由于挺柱室内的液压油不能溢出 油压推动第二挺柱 使气门工作 当电磁阀打开 由于一部分液压油溢出到储油室 第二挺柱延缓推动气门 使气门晚开或早关 气门升程也可以减小 这种机构比较简单 它只需改变液力挺柱 当液压油溢出到储油室足够多 可以完全消除气门升程 实现可变排量 两用燃料发动机 两用燃料发动机是在汽油机的基础之上 对原来发动机不做过大的改动 保留原有的燃油供给系统 另外在添加一套气体燃料供给系统 这样既可以用原有的燃油供给系统 也可以用现有的气体燃料供给系统 发动机工作时只用一种燃料 现在需要弄清楚的是新添加的这套气体燃料供给系统 供气形式有两大类 缸外供气形式和缸内供气形式 缸外供气形式主要包括进气道混合器预混合供气和缸外进气阀处喷射供气 缸内供气形式主要有缸内高压喷射供气和低压喷射供气 供气控制由电子控制 其中 进气道混合器预混合供气方式由于供气方式具有明显的不足 天然气占据空气充量一般可达10 15 影响发动机的燃烧过程及其提升功率 虽然仍然广泛使用 但慢慢有减少使用的趋势 CNG 汽油两用燃料发动机的燃气供给系统根据CNG 天然气 汽油两用燃料汽车按燃气混合供给控制装置不同 可分为开环混合器供给系统 闭环带电控动力阀的混合器供给器系统 这两大类专用装置不同之处主要体现在对混合气的形成方式 对混合气浓度控制方式以及是单点喷气控制 还是多点顺序喷气控制等少数部件 其他装置基本相同 如下图为原车装电控燃油喷射燃油供系统的车辆改装为闭环两用燃料的CNG汽车的专用装置系统原理图 当我们需要使用天然气作燃料时 就将油气燃料转换电开关26 一般安置在驾驶室 扳到 气 的位置 此时 天然气电磁阀打开 汽油供给系统从而关闭 天然气从储气瓶 充满的储气瓶压力在2OMPa 中流出 通过气瓶阀1B 高压管路2进入减压调节器11减压 1A 充气阀 三通阀 通过减压调节器装置11对压缩天然气的逐级减压形成低压天然气 低压天然气通过低压管路进入电控调节阀10 并和经空气滤清器进入的空气混合 油气转换由控制系统根据发动机工况自由转换 并且从用油转到用气的延时过程 也由ECU自动控制 因而其油气转换开关只有两个挡位 另外 由于采取了闭环控制 因此图中还有附加的元件 27 CNG控制器 28 传感器 9 真空稳定器 10 电控调节阀 燃气空燃比的闭环随动控制就是由CNG控制器 传感器 电控调节阀来实现的 16 散热器17 热水入口 作用 气体燃料膨胀后温度会下降 故将冷系热水引入其中 提高温度适应燃烧要求 33 点火提前调节器甲烷在空气中的燃烧速度慢 要加大点火提前角 4 混合器 5 供气三通管 6 进气歧管 7 喷油器 8 真空管 9 真空稳定器 10 电控调节阀 11 减压器 12 天然气电磁阀 13 CNG进气口 14 CNG输出口 25 熔断器 自复式 俗称 保险丝 起过载保护作用 LPG 汽油两用燃料发动机的燃气供给系统 虽然液化石油气与天然气的物理 化学性不同 其储气瓶 减压阀 充气阀等元件结构有所差异 不过作为两用燃料闭环供给系统的工作原理与CNG 汽油闭环控制系统基本一致 如下图 1 LPG发动机着火特性和启动性能由于LPG的汽化潜热比汽油高30 那么在相同的压缩比下 燃用LPG的发动机在压缩终点附近的温度和压力比燃用汽油时有所下降 如果使用混合器式燃料供给系统 由于LPG占去一部分进气空间 这样就使得进入的空气量减少 因此LPG发动机气缸内压缩终点的温度会进一步降低 并且LPG辛烷值比汽油高 着火温度比汽油高约200度以上 这些都导至发动机着火性能显著变差 冷启动性能差 加速性能差 对于混合器式的LPG供给系统 由于LPG的沸点低 在进气管中已雾化好LPG占用进气道空间 使进气量减少 而汽油常压沸点130 150度 在进气管中基本不雾化 因此新鲜空气量较多 液化石油气 汽油两用燃料发动机的性能 2 LPG发动机的动力性和经济性发动机燃用LPG时 动力性较用汽油时有所下降 主要原因是 汽油在进气管中只有部分蒸发 进一步蒸发在气缸内完成 混合气温度低 密度大 而在燃用LPG时 燃料在进人混合器与空气混合前 己被预热汽化 以气态进人发动机 燃料所占的容积大 容积利用率低 混合气温度高 密度小 导致实际进入气缸的混合气质量小 输出功率小 3 LPG发动机的排气和噪声两用燃料发动机在燃用LPG时 标定工况发动机功率下降 最高燃烧温度下降 使NOX排放量下降 但值得注意的是中间工况 在相同输出功率时 由于燃用LPG时供应量会进一步增加