第四章 点燃式内燃机低排放设计.ppt

南昌大学机电学院 第四章点燃式内燃机低排放设计 曲轴箱排放物的控制蒸发排放物的控制冷起动 暖机和怠速排放控制低排放供给系统低排放点火系统低排放燃烧系统排气再循环其他低排放技术 南昌大学机电学院 4 1曲轴箱排放物的控制 窜气的定义 点燃式内燃机运转时 气缸内的高压可燃混合气和已燃气体 在压缩和膨胀过程会或多或少通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱空间内 称为窜气 blow bygas 若曲轴箱与大气相通 则窜气中的大量未燃碳氢化合物及其不完全燃烧产物会排入大气形成污染 车用汽油机采用曲轴箱强制通风装置 PCV PositiveCrankcaseVentilation 新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱 和箱内的窜气混合 经气缸盖罩 计量阀吸入进气管 实现窜气的再燃烧 一 曲轴箱强制通风装置 南昌大学机电学院 当进气管真空度大 如怠速或小负荷运转 时 阀芯被真空度吸引克服回位弹簧的弹力向右移动 a图 斜槽的有效流通断面积变小 避免通风量过大 以保护供油系统的小负荷加浓功能不受过大干扰 系统保证曲轴箱中的压力永远不超过大气压力 二 计量曲轴箱强制通风量的PCV阀 PCV阀实质是流通断面积随阀两端压差变化而变化的单向阀 根据弹簧力和进气管真空度的平衡情况开闭气体通路 当进气管真空度小 大负荷 时阀芯所受真空吸力减小 在回位弹簧作用下向左移动 b图 右端斜槽流通断面积变大 当阀芯退到接近阀座时 流通断面积又要减小 若发生进气管回火 压力突然升高会使PCV阀芯压紧阀座 防止波及曲轴箱引起爆炸事故 而右侧的缓冲弹簧能防止阀芯过分右移使斜槽完全关闭 同时避免阀芯卡死 南昌大学机电学院 4 1曲轴箱排放物的控制 三 发动机的窜气特性和PCV阀的流量特性 发动机的窜气流量一般随发动机负荷的加大而加大 因此进气管真空度越小 窜气量越大 PCV阀理想的流量特性应该与发动机的窜气量成正比且有一定余量 以保证发动机老化 窜气量增大后PCV系统仍能很好地工作 实际的PCV阀流量特性是对理想特性的近似 压燃式内燃机曲轴箱窜气中由于未燃HC很少 污染物浓度远低于汽油机 用不带PCV阀控制 柴油机对空燃比变化不如汽油机敏感 的闭式曲轴箱通风系统 南昌大学机电学院 4 2蒸发排放物的控制 一 燃油蒸发损失 车用汽油机燃油系统产生的蒸发排放物占总HC排放量的20 左右 蒸发排放的4个来源 1 运转损失 指汽车行驶时从发动机燃油系统逃逸出的燃油蒸气 一般正常情况下这种损失可忽略不计 2 热烤损失 指汽车停止行驶时 由于发动机周围失去风扇和迎面风的冷却 发动机的残余热量使燃油温度升高而造成的蒸发损失 它主要发生在汽车停车后1h或更短的时间内 化油器的热烤损失非常大 3 昼夜损失 指昼夜温度变化造成的燃油系统的燃油蒸发损失 燃油箱内的汽油蒸气因温度变化流出箱外现象 是构成昼夜损失的主要部分 4 加油损失 指汽车在加油过程所造成的汽油蒸发损失 包括加油时油箱中汽油蒸气的溢出 加油时燃油液滴飞溅和燃油的泄漏 这部分损失数量很大 需要对汽油营销分配系统的管理和技术设施进行改造 南昌大学机电学院 4 2蒸发排放物的控制 一 燃油蒸发损失 不同来源对HC排放量的贡献 汽油雷德蒸气压RVP 汽油挥发度表示方法的一种 指汽油在摄氏三十七点八度 华氏一百度 蒸气燃油体积比为四比一时之蒸气压 图中显示 HC排放与RVP的关系较小 但是加油损失 热烤损失 昼夜损失都随RVP的增大而明显增加 两图比较得出 汽油喷射发动机的热烤损失大大低于化油器式发动机 南昌大学机电学院 4 2蒸发排放物的控制 二 蒸发排放控制系统 燃油蒸发控制的方法 曲轴箱存储式 活性炭罐吸附式 曲轴箱存储式蒸发控制系统结构简单 应用曲轴箱空间存储燃油蒸气 通过PCV系统清除 但是效果较差 活性炭罐吸附式蒸发控制系统较复杂 但是控制效果好 已经得到广泛应用 为了防止汽油机排放的燃油蒸气扩散到空气中 常用活性炭罐作为汽油蒸气的暂存空间 实现对汽油蒸发排放物的控制 工作原理 当发动机不运转时 来自化油器 燃油箱的汽油蒸气进入活性炭罐中被吸附在活性炭上 当发动机运转时 利用进气管真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸气与进入炭罐的新鲜空气一起吸入发动机燃烧室烧掉 活性炭罐式汽油机蒸发排放控制系统 南昌大学机电学院 化油器式发动机用的活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统 4 2蒸发排放物的控制 二 蒸发排放控制系统 系统中化油器控制阀 4或b图 的作用 控制化油器浮子室3和平衡孔2的通道在适当的时候开闭 既保证化油器在运转时能正常工作 又保证浮子室内汽油蒸气不进入大气 停机时化油器控制阀使浮子室不通平衡孔 不会使浮子室中的汽油蒸气经平衡孔和空气滤清器1逸入大气 蒸气经开启的膜片阀 5或c图 进入活性炭罐9 膜片阀的作用 防止发动机运转时浮子室与大气相通 损害化油器工作性能 汽油喷射发动机喷油装置的运转蒸发损失和热烤蒸发损失比化油器式发动机少得多 其蒸发排放控制主要针对燃油箱的昼夜损失 控制系统较简单 南昌大学机电学院 4 2蒸发排放物的控制 三 活性炭罐 活性炭罐是整个控制系统的核心 炭罐设计的要点是避免吸附气流和清除气流短路 以保证活性炭填充量的充分利用 图中实线箭头表示清除空气的流动路线 虚线箭头表示含燃油蒸气的气体流动路线 所以活性炭能够得到充分利用 炭罐的结构使冷凝的燃油储存在下壳体4的底部 不致逸入大气 活性炭既要有很强的吸附HC能力 又要容易解吸进行清除或再生 一般用木材或坚果壳热解炭 并通过在500 用磷酸化学处理活性化 事实证明 化油器式轻型车用发动机安装活性炭罐式控制系统前 后测得的蒸发排放量分别为11 1g test和0 31g test 南昌大学机电学院 4 3冷起动 暖机和怠速排放控制 一 冷起动排放控制 汽油机冷起动时CO和HC排放明显高于正常运转 要改善冷起动排放问题 应该增大起动机的功率 提高起动转速 增大点火能量 以尽量缩短起动时间 化油器式发动机冷起动排放性能最差 进气管喷射汽油机由于燃油雾化较好 排放有较大改善 缸内直喷汽油机几乎不存在冷起动排放问题 冷起动试验结果表明 前50个循环中主要是部分燃烧工况 所以需要对发动机预热以促进缸内燃烧完全 化油器式发动机的化油器下面混合室底部安装冷起动电加热器 能够明显加速起动过程 减少冷起动排放 圆柱状散热刺可提高加热器对混合气的加热速率 加热元件采用正温度系数材料 其电阻随温度升高而增大 逐渐减少电能消耗 南昌大学机电学院 4 3冷起动 暖机和怠速排放控制 二 暖机期排放控制 点燃式内燃机冷起动后很长时间内冷却液和润滑油温度较低 导致进气系统和燃烧系统表面温度不高 混合气形成不均匀 燃烧不完全 造成HC和CO排放很高 要缩短暖机期间 关键是使可燃混合气尽快达到正常温度 如图所示采用进气自动加热系统 有助改善暖机期的混合气形成 当空气滤清器1的净气室温度低于某一预定值 如5 10 时 温度控制阀2堵住真空管路通气口 进气转换阀3的真空膜片室内受进气管真空度的作用 把转换阀提起 于是 经排气管周围空气加热罩4加热的空气被吸入空气滤清器1中 南昌大学机电学院 暖机期间采用进气自动加热系统使冷却水和机油热起来后 还要保证发动机起动后尽快达到正常的运转温度 以减少发动机在暖机和冷天小负荷运转时污染物的排放 机油冷却器应有自动控制温度的装置 在大负荷下使机油得到足够的冷却 又保证暖机时机油很快热起来 用节温器控制冷却液的循环 用温控硅油离合器风扇或温控电动风扇改善冷却系统对温度的适应性 4 3冷起动 暖机和怠速排放控制 二 暖机期排放控制 当温控阀2的温度高于40 时 它就打开真空管路通气口 转换阀3膜片室中无真空度 转换阀在回位弹簧作用下下降 让未经加热的新鲜空气进入空气滤清器1 节流量孔5使化油器6的配剂不大受温控阀2开闭的影响 南昌大学机电学院 4 3冷起动 暖机和怠速排放控制 三 怠速排放控制 怠速工况定义 在发动机无动力输出情况下以最低转速稳定运转的工况 这时冷却液和润滑油的温度已经达到正常的工作温度 点燃式内燃机怠速工况的排放 节气门关小 气缸内残余废气量很大 而很低的转速导致气流运动缓慢 使混合气形成不均匀 两个原因使混合气不得不加浓 最终导致CO和HC排放很高 但是NOx的排放很少 燃烧温度很低 降低怠速工况排放采取的措施 右图表示定转速 500r min 怠速 排气中CO和HC的体积分数随空燃比的变化 图中显示 降低怠速时的排放 要精确调整怠速混合比 当混合气很浓时 CO排放高 HC相对较低 反之调稀时 CO大幅度下降 但HC先下降后上升 南昌大学机电学院 4 3冷起动 暖机和怠速排放控制 三 怠速排放控制 怠速时转速对怠速排放的影响 右图表示CO和HC排放随怠速转速变化关系的实测结果 CO和HC排放随怠速转速的提高而下降 原因是空燃比增大 转速提高必须对应较大的节气门开度和较小的残余废气系数 传统的观点是怠速转速应尽可能低 以节约燃油消耗 怠运转速多在400 500r min之间 在这样的转速下 降低排放很困难 现代高速车用汽油机怠速转速多在800 1000r min之间 使怠速排放大大下降 同时较高怠速对驱动性 要求良好的瞬态响应 和附件驱动 车辆空调和动力转向系统等 也有利 南昌大学机电学院 4 3冷起动 暖机和怠速排放控制 三 怠速排放控制 发动机的点火定时对怠速排放的影响 右图表示怠速定转速 450r min CO和HC排放与点火定时的关系 CO排放 点火提前 CO排放下降 原因是燃烧过程时间延长 不完全燃烧的程度下降导致 HC排放 点火提前角过大时 HC排放急剧上升 主要是点火时可燃混合气温度较低 可能出现熄火现象 在点火提前角较小时 随点火迟后略有下降 原因是排气温度提高使HC的后期氧化加强 怠速HC排放与发动机配气相位的关系 试验结果表明 进排气门重叠开启角增大时 HC排放增加 主要是因为进排气门同时开启时 怠速状态进气管内存在较大真空度 排气管内的废气被吸入气缸与新鲜混合气混合 使燃烧温度降低 易造成失火现象 HC排放恶化 南昌大学机电学院 4 3冷起动 暖机和怠速排放控制 三 怠速排放控制 电控汽油喷射式发动机的怠速排放 进气道多点喷射的汽油机可以在热怠速时使用过量空气系数接近1 空燃比闭环控制 的混合气 而化油器式发动机 一般怠速时过量空气系数0 7 0 8 电控汽油喷射式发动机的怠速排放比化油器式发动机少 原因如下 1 汽油雾化 汽化的质量大大改善 2 各缸的空燃比均匀性好 3 空燃比的控制程度高且稳定 4 点火时刻的精确控制与点火能量的提高 南昌大学机电学院 4 4低排放供给系统 决定均匀燃烧点燃式内燃机性能和排放的关键因素 点燃式内燃机供给系统的功用 供给数量足够 品质优良 各缸间分配均质的可燃混合气 混合气形成的空燃比特性 保证较好的燃料经济性工况 汽车通常行驶的发动机中 小功率工况 用较化学计量比略稀的可燃混合气 空燃比约为16 过量空气系数约为1 1 保证较好的动力性工况 在汽车加速 上坡或迎风高速行驶等发动机大功率以至全负荷工况 用略浓的可燃混合气 空燃比为12 13 过量空气系数为0 8 0 9 理想的空燃比特性 在实施排放控制以前 决定空燃比的主要判据是发动机的动力性和燃料经济性 南昌大学机电学院 一 化油器的问题及其改进 4 4低排放供给系统 化油器依靠空气流过文杜里管时喉口中流速增加所产生的低压来抽取汽油与空气混合 空气的快速流动改善了汽油的雾化 空燃比决定于汽油与空气的流道截面和流动压差 传统化油器式汽油机用机械式化油器控制空燃比的原理 机械式化油器控制空燃比的缺陷 受流体力学流动规律的限制 空燃比的控制不可能很理想 很精确 对多缸机来说 各缸的空燃比也不可能很均匀 机械式化油器控制空燃比遇到的问题 过去 对早期汽油机的正常远行和工况比较固定的非车用少缸数汽油机 化油器仍将长期应用下去 现在 随着排放法规的逐步严格 需要用三效催化转化器来降低车用汽油机的排放 而三效催化转化器 只有在化学计量比混合气的燃气中才能有效地同时降低汽油机的三种主要排气污染物CO HC和NOx 传统的机械式化油器很难保证这样精确的空燃比 南昌大学机电学院 一 化油器的问题及其改进 曾经的解决办法 4 4低排放供给系统 20世纪80年代初开发的电子控制化油器没有获得推广的原因 性能价格比低于电控汽油喷射装置 德国HJS汽车技术公司开发的化油器闭环电控补气系统 为降低化油器汽油机的排放取得了良好的效果 传统化油器与现代汽油喷射装置之间的过渡技术的代表 化油器2本身要调整成浓混合气状态 在化油器的进出口之间加一个旁通空气通道 利用化油器中节气门节流产生的压力差 通过旁通气道对进气补充空气 补气量用电磁阀3控制 电控器9根据安装在三效催化转化器6前的排气氧传感器5的反馈信号 向电磁阀3发出相应占空比 方波高电平时间与周期的比例 的PWM PulseWidthModulation脉冲宽度调制 信号 调节化油器的旁通空气量 保证进入发动机的可燃混合气的过量空气系数为1 优点 试验证明使用这种电控补气系统化油器的汽油机 配上三效催化转化器 可以达到欧洲1排放标准 缺点 仍存在化油器发动机各缸混合气分配不均和动态响应缓慢等问题 燃料经济性有所恶化 南昌大学机电学院 二 进气道汽油喷射系统 单点喷射方案 4 4低排放供给系统 现代汽油机常用的供给系统 进气道汽油喷射系统 的优点 适应工况急剧变化 排放要求很严的车用汽油机 淘汰了化油器 早期采用的单点喷射方案 在原化油器位置设置一个节气门总成 用一个喷油器喷油 又称为节气门体喷射系统 优点 这种系统构造简单 控制方便 喷孔大 不易堵塞 因而可靠性好 从化油器式发动机改造成单点喷射发动机时的改动量最少 缺点 喷射点与各进气门相距较远 喷入的汽油有足够的时间与空气混合形成均匀的可燃混合气 因此对喷油的雾化质量要求不高 可采用较低的喷射压力 同时采用较大喷孔造成油雾较粗 部分汽油附着在进气管道壁面上形成油膜 不能均匀及时地进入气缸 各缸均匀性和动态性能较差 南昌大学机电学院 二 进气道汽油喷射系统 多点喷射方案 4 4低排放供给系统 定义 在每一气缸的进气门前用一个喷油器喷油 分类 同时喷射 为控制方便采用各喷油器同时喷油的方案 喷油时一些气缸的进气门处于开启状态 另一些气缸的进气门关闭 顺序喷射 为使各缸间的油气混合过程相同获得总体优化 按各缸发火次序喷射 要控制喷油量 只需要精确检测吸入发动机的空气流量 质量流量计 即可 图示为采用空燃比闭环控制 进气道多点顺序喷射 排气三效催化转化器的现代车用汽油机系统图 包括点火控制 无分电器单独点火 怠速控制 爆燃控制 燃油蒸发排放物控制 EGR控制和二次空气喷射控制 基本能满足世界现行严格的排放法规要求 南昌大学机电学院 二 进气道汽油喷射系统 解决冷起动暖机阶段的排放问题 4 4低排放供给系统 存在的严重问题 冷起动时HC排放高 原因 进气道喷射系统喷油压力较低 0 3MPa左右 燃油以较大的油滴 粒度150 300 m 喷向进气门的背部和气门口附近的进气道壁面上 只有少量汽油能在油滴到达壁面之前在空气中蒸发 大部分汽油蒸发 与空气混合主要依靠进气门和进气道壁面的高温以及在进气门打开时灼热废气的倒流和冲击 后果 这种油气混合模式在冷起动时油气混合不足 过量供油才使发动机可靠起动 造成大量未燃HC进入排气管中的催化转化器 同时冷起动催化剂未达到起燃温度 250 300 就造成很高的HC排放 冷起动阶段对起动初始空燃比标定的原则 以能顺利起动为原则 暖机阶段要提供较稀的混合气优点1 燃烧后产生的CO和未燃HC较少 优点2 排气温度较高 配合推迟点火 有利于催化转化器尽快达到起燃温度 缺点 可能产生暖机怠速不稳定问题 需要适当提高暖机转速 采取的措施 对开环控制的空燃比进行精确的标定 不要过量供给燃油 如右图示 当空燃比标定较浓时 实线 从发动机起动到冷却液温度达到65 需要11min时间 CO排放很高 当空燃比标定较稀时 虚线 暖机时间缩短为7min CO排放大量减少 未燃HC排放也有类似的变化趋势 南昌大学机电学院 二 进气道汽油喷射系统 4 4低排放供给系统 电控汽油喷射系统针对加速工况进行开环加速加浓控制 如过分加浓会使CO和HC排放大量增加 而加浓不足会使加速性能恶化 图示为发动机在三种不同的加速空燃比标定下的排放历程 对过浓加速 实线 和浓加速 虚线 过浓加速使CO和HC排放大量增加 驾驶员主观感觉加速性能基本一样 过浓加速性能无明显收益 稀加速 点线 则感觉明显的加速无力 加速性能恶化 加速过程中注意不能使空燃比稀于化学计量比 否则使NOx排放大大增加 解决加速阶段的排放问题 解决全转矩工况动力加浓的排放问题 电控汽油喷射系统对接近全转矩工况进行开环动力加浓控制 以保证最大的动力性 试验表明 动力加浓空燃比从14 0 过量空气系数 0 95 继续减小时 最大转矩不再有明显提高 而CO HC排放和油耗随混合气变浓而显著恶化 因此综合考虑性能和排放 动力加浓不能过量 达到过量空气系数0 95左右即可 南昌大学机电学院 三 缸内直接喷射系统 4 4低排放供给系统 采用缸内直接喷射的原因 用高压将汽油直接喷入气缸内可从原则上解决冷起动时油气混合不足的问题 因为缸内直喷时油气混合主要依靠燃油喷雾能量 喷雾的平均油滴直径可小到20 m 在200 空气中仅需要3ms就能完全蒸发 如发动机转速为1500r min 则对应30 CA 和缸内空气湍流动能 与温度高低关系不大 不用过量供油 采用缸内直接喷射的好处 1 冷起动时不需要过量供油 HC排放大为降低 2 油滴蒸发主要依靠从空气中吸热而不是从壁面吸热 混合气的温度下降 密度上升 充量系数提高 3 可燃混合气温度的降低使爆燃倾向大为降低 压缩比较进气道喷射汽油机提高1 2 在其他相同的条件下 南昌大学机电学院 三 缸内直接喷射系统 汽油机稀薄燃烧 4 4低排放供给系统 稀薄燃烧的定义 发动机混合气中的汽油含量低 空气与汽油之比可达25 1以上 20世纪70年代初 丰田及本田公司发明的燃烧方式从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失 稀混合气发动机对油耗的改进效果不明显 此后由通用 福特 丰田 本田 日产等汽车公司先后搞成的开口式燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄混合气燃烧 80年代中期 丰田正式使稀混合气发动机产品化 进入90年代 三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步 目前 各大公司都拥有自己的稀燃技术 其共同点都是利用缸内涡流运动 使聚集在火花塞附近的混合气最浓 先被点燃后迅速向外层推进燃烧 并有较高的压缩比 比较著名的三菱缸内直喷汽油机 GDI 可令混合比达到40 1它采用立式吸气口方式 从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流 这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流 在高压旋转喷油器的作用下 压缩过程后期燃料被直接喷进气缸内形成浓密的喷雾 喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化 这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近 在火花塞四周形成较浓的层状混和状态 这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄 但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布 因此能保证点火并实现稳定燃烧 充量分层稀薄燃烧 南昌大学机电学院 三 缸内直接喷射系统 汽油机稀薄燃烧 4 4低排放供给系统 部分负荷时 图4 19和图4 20a 利用立式进气道产生的缸内滚流运动以及弯曲顶面活塞的引导作用 将汽油蒸气送到火花塞附近 即使缸内表观空燃比很稀 但在火花塞附近始终有可以点燃的足够浓的混合气 实现分层稀燃 稀燃界限空燃比 缸内平均计算的表观空燃比 可达40 在大负荷时 图4 19和图4 20b 汽油在进气行程中喷入气缸 形成均匀的可燃混合气 实现常规的预混合燃烧 保证很高的动力性 南昌大学机电学院 三 缸内直接喷射系统 汽油机稀薄燃烧 4 4低排放供给系统 1 怠速时残余废气少 燃烧稳定 怠速转速可由进气道喷射时的750r min降低到600r min 怠速油耗下降40 2 由于部分负荷工况不需关小节气门来限制进气量 减小了换气过程的泵气损失 3 在高空燃比情况下 由于混合气物性的改变 绝热指数增大以及传热损失减少 发动机热效率可以进一步提高 汽油机采用缸内直喷分层稀燃的好处 1 在火花塞周围燃料浓度均匀递降的理想的 分层充量 很难形成 燃烧火焰会在汽油极稀的区域熄灭 造成大量未燃HC 同时影响燃烧效率 2 稀燃汽油机的NOx排放高于加三效催化的均燃汽油机 仍不能满足严格的排放法规 3 稀燃汽油机的排气后处理系统 NOx的富氧还原催化器 尚未成熟 且要求燃料含硫极低 4 分层稀燃加上大比例EGR使控制复杂 降低了系统的可靠性 缸内直喷汽油机分层燃烧存在的问题 目标 在美国等对排放标准极严的国家中 着重开发缸内直喷均匀混合气燃烧的汽油机 方案一是化学计量比均燃配三效催化 方案二是略稀均燃配高比例EGR 南昌大学机电学院 4 5低排放点火系统 为使点燃机高效节能 动力强劲 排放最低 要求点火可靠 定时优化 点火可靠要求点火系在任何情况下点着可燃混合气 点不着火造成气缸内的所有燃料进入排气管使发动机的HC排放出现很大的峰值 点火可靠性主要取决于点火能量 此外还要求火花塞工作可靠 对点火系统的要求 点火能量特性和点火定时特性 点火定时对经济性 燃油消耗率 的影响 如图示 车用汽油机在常用的部分负荷 过量空气系数大于1 1 下 点火越提前 油耗越低 在点火提前角50 CABTDC油耗最低 原因 增大点火提前角增加最高燃烧温度和循环效率 降低排气温度最低燃油消耗率 无论点火提前角大小 最低油耗均对应过量空气系数大约1 1左右 点火定时对NOx排放的影响 推迟点火使最高燃烧温度下降 使NOx排放减少 点火定时对未燃HC排放的影响 推迟点火使未燃HC排放下降 因为排气温度提高使未燃HC在排气行程和排气系统中后期氧化作用加强所致 在冷起动和暖机阶段 提高排温也是加速催化剂起燃的有效手段 点火定时对点燃式内燃机性能和排放的影响 南昌大学机电学院 4 5低排放点火系统 考虑各种情况和具体要求通过点火标定试验制定点火提前角的最优控制脉谱 实行细致的优化控制 下图是机械式和电子式点火定时调节器的点火定时脉谱实例对比 点火定时的优化 需要考虑多种因素 传统的触点式分电器点火系统 机械调节系统 在全负荷运转时 外特性 通过离心调节器使点火提前角随转速提高而增大 近似实现MBT MinimumSparkAdvancefortheBestTorque 最大转矩的最小点火提前角 特性 保证动力性的前提下提高排放性 部分负荷运转时 通过真空调节器使点火提前角随负荷减小而增大 保证燃油经济性 牺牲排放 电控点火系统 电控点火系统还可根据机体振动强度检测是否发生爆燃 对点火定时进行闭环反馈控制 爆燃发生点火系统即推迟点火 爆燃消失 点火定时即恢复爆燃前状态 使发动机总在临近最佳动力性与最佳经济性点上工作 南昌大学机电学院 4 6低排放燃烧系统 一 燃烧室形状 点燃式内燃机对燃烧室的要求是尽可能使燃烧室紧凑 面容比尽可能小 燃烧室形状越紧凑 散热损失越小 燃烧过程就完成得越快 则热效率越高紧凑的燃烧室火焰传播距离短 燃烧速率高 减少了不完全燃烧产物CO排放面容比减小使表面冷激淬熄效应减小 从而使未燃HC排放下降 紧凑燃烧室的快速燃烧使最高燃烧温度上升 导致NOx生成量增加 快速燃烧是采用EGR和推迟点火等降低NOx措施的前提 如果燃烧不加速 用EGR或推迟点火会使燃烧过于拖后 则发动机性能恶化 紧凑燃烧室的快速燃烧加上优化的EGR率和点火定时 可能给出动力性 经济性 NOx排放之间的最佳折衷 因此 圆盘形 浴盆形 楔形燃烧室让位于半球形 帐篷形等面容比小的紧凑燃烧室 南昌大学机电学院 4 6低排放燃烧系统 一 燃烧室形状 图4 23表示常用的楔形燃烧室 开式燃烧室及由楔形改进的紧凑燃烧室 楔形燃烧室在早期曾得到广泛应用 但其紧凑性已不足于适应现代发动机的要求 开式燃烧室形状比较紧凑 且火花塞靠近中心 对燃烧的快速完成比较有利 但研究发现 只要在楔形燃烧室基础上改动一下活塞顶面形状 增加一个凹坑 即可成为紧凑燃烧室 它可增大燃烧过程中的火焰面积 从而增加燃烧速率 南昌大学机电学院 图4 24是楔形燃烧室改进前后的质量燃烧规律的对比 楔形燃烧室改进后的最高质量燃烧速率增加了7 6 图4 25是楔形燃烧室改进前后己燃区湿润壁面积与体积变化规律的对比 改进后的燃烧室湿润面积较小 表示燃烧室较紧凑 4 6低排放燃烧系统 一 燃烧室形状 南昌大学机电学院 图4 26表示三种燃烧室的指示热效率与EGR率的关系 可以看到 在EGR率增大时MBT 最大转矩的最小点火提前角 指示热效率先是增加 由于稀释较严重 使燃烧速率下降 降低了充量燃烧温度定容比热容CV是单位质量某种气体在保持体积不变的情况下 温度升高1K时所需的热量 温度就是微观粒子的运动剧烈程度 即微观粒子运动的速度 按照爱因斯坦的相对论 粒子运动越快 把它加速所需要的能量就越多 因此应该是温度高 比热容会变大 温度降低导致CV减小所以比热容比增大 则指示热效率增加 一 燃烧室形状 比热容比值为 增加的原因 4 6低排放燃烧系统 南昌大学机电学院 当EGR率增大到一定程度时 过分稀释引起的火焰速度的降低超过比热容比的好处 所以效率急剧下降 图4 26表明 燃烧迅速的开式燃烧室 图4 23b 和改进型燃烧室 图4 23c 与作为基准的楔形燃烧空 图4 23a 相比 具有较高的指示热效率和较大的EGR稀释耐力 一 燃烧室形状 4 6低排放燃烧系统 南昌大学机电学院 4 6低排放燃烧系统 一 燃烧室形状 图4 26画有等NOx排放线族 对应排放指数EINOx 5 60g kg燃料 当EGR率一定时 可见开式燃烧室的效率较楔形燃烧室高 但NOx排放也较高 对比点A和B2 如果给开式燃烧室略为增大EGR率 即可把其NOx量降低到楔形燃烧室的水平 而保持在效率方面的优势 对比点A和C2 表明用较紧凑的开式燃烧室的内燃机可在NOx与热效率之间得到有利的折衷 南昌大学机电学院 4 6低排放燃烧系统 一 燃烧室形状 图4 26表明 楔形燃烧室在图示的运行条件下 兼顾效率的最大EGR率只能在0 05 0 15之间 NOx排放70 30g kg 对应开式和改进型燃烧室来说 最大EGR率达0 25左右 NOx排放降到10 15g kg 楔形燃烧室在EGR率较小时运行 NOx排放较高 点A 60g kg燃料 而在较大的EGR率下运行时效率下降 改进型燃烧室在EGR率较小时效率高 但是NOx排放较高 但是改进型燃烧室可以在较低NOx排放 点C1 40g kg燃料 下运行 此时EGR率为0 18 改进型燃烧室对充量的稀释有较高的耐力 且不损害效率 图示表明 楔形燃烧室经过小小的改动 排放性能有很大改善 保持较高的热效率 以上实例具体证实了紧凑的燃烧室对获得性能与排放之间的有利选择是重要的 传统圆盘形 浴盆形 楔形燃烧室让位于半球形 帐篷形等面容比小 火焰行程短的紧凑燃烧室 南昌大学机电学院 4 6低排放燃烧系统 二 压缩比 点燃式内燃机的压缩比是最重要的结构参数之一 一般都是在燃料辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比 以获得较好的功率和油耗指标 压缩比的选取原则 提高压缩比对排气净化不利影响 产生了性能与排放之间的矛盾 1 压缩比提高使燃烧室更扁平 面容比增大 导致未燃HC生成增加 2 压缩比提高使排气温度下降 未燃HC的后氧化减弱 使HC排放量增多 3 高压缩比发动机最高燃烧温度较高 使NOx生成量增加 热分解产生的CO也增多 1 传统的汽油机根据最易发生爆燃的工况 如最大转矩工况 MBT点火定时 选择压缩比 但是这样在常用的中小负荷工况 汽油抗爆性能没有得到充分利用 2 现代汽油机选择更加高的压缩比 在大部分工况下能正常燃烧 而在少数工况下发生爆燃时 通过爆燃传感器通知电控器 可适当推迟点火消除爆燃 解决的措施 为降低污染物排放是否要人为降低发动机的压缩比 电控点火系统的采用使任意控制点火定时成为可能 为高压缩比点燃机在性能与排放方面得到更好的折衷提供了很大的潜力 南昌大学机电学院 4 6低排放燃烧系统 三 气门布置和火花塞位置 为扫除废气以及避免爆震燃烧 每缸2气门的点燃式内燃机不得不把火花塞布置在燃烧室的一侧 靠近排气门处 这样使燃烧过程拖得较长 每缸3气门 2进1排 4气门 2进2排 5气门 3进2排 的点燃式内燃机 1 减小泵气损失 增加充量系数 从而改善发动机性能 降低污染物比排放量 2 可以把火花塞布置在气缸中央或接近中央位置 缩短火焰传播路程 加速燃烧过程 带来与紧凑燃烧室类似的优点 图4 28表示车用汽油机火花塞位置对部分负荷时燃油消耗率和HC排放的影响 4气门汽油机火花塞中置 可以用较高的压缩比 使燃油消耗率较低 4气门汽油机燃烧室紧凑 HC排放较低 南昌大学机电学院 4 6低排放燃烧系统 四 活塞组设计 措施1 图4 29布置得与活塞顶齐平的L形活塞环 可完全消除产生HC排放的缝隙 从而减少HC放 措施2 如果不能缩小火力岸与气缸间隙 则适当加大间隙 使燃烧火焰能够钻入间隙而不淬熄 也能够减少HC排放 图4 30表示4种火力岸结构简图 试验表明 如果结构1的HC排放为100 则结构4可减少22 活塞 活塞环与气缸壁之间形成的缝隙对汽油机的HC排放影响很大 在工作可靠的前提下尽量缩小火力岸 活塞头部 与气缸的间隙 尽量缩小顶环到活塞顶的距离 即减小火力岸的高度 为此要寻找热膨胀更小的活塞材料 例如碳纤维复合材料 和耐热性更好的活塞环材料以及合理的结构 解决措施 南昌大学机电学院 4 7排气再循环 小负荷下 从缸内压力变动率增大可以看到用EGR使燃烧不稳定 甚至导致缺火 使HC排放急增 中等负荷下 用0 1的EGR率 可使NOx排放下降50 70 效果明显 EGR率过大使燃烧恶化 燃油消耗率增大 HC排放上升 全负荷 追求最大动力性 即使NOx排放很高 也不能用EGR加以控制 以免动力性受害 第二章中已经指出 采用排气再循环 EGR 能有效降低点燃式内燃机的NOx排放 图2 9 用EGR控制NOx排放的缺陷 适当控制EGR率 使之在各种不同工况下得到各种性能 动力性 经济性 燃烧稳定性 HC排放 NOx排放等 的最佳折衷 实现NOx的控制目标 用EGR控制NOx排放的技术关键 南昌大学机电学院 4 7排气再循环 1 由于NOx排放量随发动机负荷增大而增加 排气回流量应随负荷增大而相应增加 2 发动机暖机过程中 冷却液温度和进气温度均较低 NOx排放不高 为防止排气回流破坏燃烧的稳定性 在发动机冷却液温度低于50度时不进行EGR 3 怠速和小负荷运行时 NOx排放不高 也不进行EGR 4 接近全负荷时 为使发动机保持足够的动力性能 即使NOx排放很高 也不允许进行EGR 5 为了实现EGR的最佳效果 要保证再循环的排气在各缸之间均匀分配 即保证各缸的EGR率一致 点燃式内燃机EGR系统的控制要点 车用汽油机典型的EGR系统 真空控制机械式EGR系统 设想 控制规律全靠进气管节气门后的真空度和真空驱动EGR阀1的构造保证 低温切断EGR靠温度控制阀5实现 这种EGR阀一般靠弹簧回位的膜片阀 作用在膜片上的真空度越大 EGR阀的开度也越大 实际的情况 由于进气管节气门后的真空度随着节气门开度的减小 即发动机负荷的减小 而加大 因而EGR阀的开度也随负荷减小而增大 违背了EGR的控制要求 为了修正这种特性 在EGR阀的具体设计上使用了排气背压控制阀的EGR阀 南昌大学机电学院 4 7排气再循环 带排气背压控制阀的EGR阀 发动机在怠速状态或小负荷运转时 排气背压很低 背压控制阀1在弹簧10作用下保持开启 图4 32a 于是环境空气从入口8经开启的控制阀1进入真空室2 驱动膜片9不升起 因而与其刚性相连的EGR阀15保持关闭 发动机在中等转速 中等负荷运转时 排气背压升高 背压控制阀13克服弹簧10的推力而关闭 进气管真空度经入口4 节流孔3进入真空室2 于是驱动膜片9克服回位弹簧11的推力而升起 EGR阀15开启 再循环的排气14进入进气系统 发动机大负荷运转时 虽然背压阀关闭 但进气管真空度很小 EGR阀关闭 以上证明 图中所示的带排气背压控制阀的EGR阀 可以满足EGR系统控制要求 这种完全靠进气管真空度控制的EGR系统 排气背压协助控制 无法得到理想的控制规律 缺陷 南昌大学机电学院 4 7排气再循环 车用汽油机典型的EGR系统 电控真空驱动EGR系统 右图所示的电控真空驱动EGR系统 用电控器7控制真空调节器6 真空调节器6控制供给真空驱动EGR阀1的真空度 这样 通过预先标定的EGR脉谱有可能针对不同工况实现EGR的优化控制 车用汽油机典型的EGR系统 闭环电控EGR系统 在实现全电控的现代汽油机中 应用右图所示的闭环电控EGR系统 这种系统一般应用带EGR阀位置传感器8的线性位移电磁式EGR阀9 由电控器7发出的PWM PulseWidthModulation脉冲宽度调制 信号驱动 传感器8发出的EGR阀位置信号反馈给电控器7 保证精确实现预定的控制脉谱 电控EGR系统的控制脉谱通过发动机的EGR标定试验确定 从最佳EGR率随发动机转速和负荷的关系 得出最佳EGR阀位移 或EGR的PWM信号占空比 随转速传感器信号和油门传感器信号的关系 再针对冷却液温度等参数进行修正 南昌大学机电学院 4 8其他低排放技术 传统汽油机一般采用每缸1进气门1排气门 以求结构简单 近年来高速车用汽油机越来越多采用每缸2进气门2排气门结构 少数发动机采用每缸2进气门1排气门或3进气门2排气门结构 采用多气门技术的优点 当发动机高速运行时 每缸4气门工作 保证较大的换气流通面积 可减少泵气损失 增大充量系数 多气门发动机可以把火花塞布置在气缸轴线上或接近这一位置 保证较高的质量燃烧速率 发动机低速运行时 可通过电控系统关闭其中一个进气道 使气缸内进气涡流加强 燃烧改善 较完全的燃烧有助于降低CO和HC排放 而快速燃烧有利于降低NOx与提高效率之间的折衷 一 多气门技术 化油器式汽油机很少采用涡轮增压 因为匹配上有困难 汽油喷射式发动机涡轮增压 不仅提高了发动机在大负荷工作时的动力性和经济性 而且降低发动机在中小负荷工作时的燃油消耗 原因 因为增压发动机在与不增压机同样的最大功率需求下可以减小发动机排量和零件尺寸 使发动机在实际使用中的负荷率提高 机械效