缸内直喷分层燃烧方式PPT课件

2b 主编 2 缸内直喷分层燃烧方式 二 典型缸内直喷燃烧系统 2 0LEcoBoost发动机采用的是缸内直喷燃油喷射方式 在发动机进气行程 只有新鲜空气通过开启的进气门流入燃烧室 而高压燃油通过专门的喷油器被精确地喷射到气缸燃烧室内 通过活塞上的凹坑形成混合气 图2 18 喷油时刻发生在进气行程 与进气歧管多点喷射的发动机相比 燃油与空气的混合时间更短 为了提高燃油的雾化效果 缸内直喷发动机要求燃油有很高的压力 最大燃油压力可达到15MPa 2 0LEcoBoost发动机有均质和催化器加热两种喷射模式 当发动机在正常工作温度下工作时 喷射模式为均质模式 此时 燃油喷射量按照理论空燃比 14 7 1 精确计算 燃油在进气行程喷射 使得混合气有足够的时间混合均匀 当发动机温度较低时 喷射模式为催化器加热模式 采用两段喷射技术 将燃油分两次喷入气缸燃烧室 分别在进气和压缩行程喷射 以达到快速加热三元催化转化器的目的 第一次喷射与均质模式一样 在进气行程喷油 第二次喷射发生在压缩行程 在进气门关闭后 快速地喷射 以形成一个浓的油核 围绕在火花塞周围 点火时刻被推迟 使得尽可能多的燃烧余热进入排气管 从而快速加热三元催化转化器 以降低HC和NOx排放 2 0LEcoBoost发动机的燃油喷射系统如图2 19所示 它有低压和高压两部分 低压部分采用了无回流燃油供给系统 其结构如图2 20所示 燃油箱上安装了一个单独的油泵控制模块 FPDM 通过电子油泵控制线路控制低压油路的压力 PCM将所需要油压的控制信号传递给FPDM 该信号是一个低频的PWM信号 可变脉宽的脉冲信号 占空比为10 85 FPDM在收到PCM发送过来的所需油压的控制信号后 以高频信号驱动电子油泵 此时占空比为0 100 电子油泵根据该信号给高压油泵供油 而发动机不同工况所需的燃油量由PCM进行计算和控制 所以不存在回油的情况 低压管路的油压传感器把当前的低压管路油压值传送给PCM 这样就构成了闭环控制回路 第五节废气涡轮增压发动机第六节汽油机燃油喷射与点火系统电子控制第七节柴油机燃油喷射系统电子控制 图2 11横向分层燃烧系统 2 缸内直喷分层燃烧方式 燃油经济性提高 部分负荷经济性改善可达30 50 一般为20 由于燃油直接喷射到缸内 发动机瞬态响应改善 起动时间短 冷起动HC排放改善 由于稀混合气燃烧时N2和O2双原子分子增多 气体的比热容增大 大约由1 3增大到1 4 可使理论循环热效率有较大提高 由于燃油在缸内汽化吸热使压缩终点温度降低 因而爆燃可能性减少 压缩比可以提高 一般可由10提高到12 由此可使燃油消耗率减少5 以上 2 缸内直喷分层燃烧方式 由于燃烧放热速率提高等 可使燃油消耗率减少2 3 而怠速时减少10 以上 由于取消了进气节流阀 泵气损失可降低15 中小负荷时 周边区域参与燃烧的程度较小 气体温度降低 使传热损失减小 难以在所要求的运转范围内使燃烧室内混合气实现理想的分层 分层燃烧对燃油蒸气在气缸内的分布要求很高 通常喷油时刻 点火时刻 空气运动 喷雾特性和燃烧室形状配合必须控制得十分严格 否则很容易发生燃烧不稳定和失火 喷油器内置气缸内 喷孔自洁能力差 容易结垢 影响喷雾特性和喷油量 2 缸内直喷分层燃烧方式 低负荷时HC排放高 高负荷时NOx排放高 有炭烟生成 部分负荷时混合气稀于理论空燃比 三元催化转化器转化效率下降 需采用选择性催化转化NOx 气缸和供油系统磨损增加 燃油经济性提高 部分负荷经济性改善可达30 50 一般为20 由于燃油直接喷射到缸内 发动机瞬态响应改善 起动时间短 冷起动HC排放改善 由于稀混合气燃烧时N2和O2双原子分子增多 气体的比热容增大 大约由1 3增大到1 4 可使理论循环热效率有较大提高 由于燃油在缸内汽化吸热使压缩终点温度降低 因而爆燃可能性减少 压缩比可以提高 一般可由10提高到12 由此可使燃油消耗率减少5 以上 由于燃烧放热速率提高等 可使燃油消耗率减少2 3 而怠速时减少10 以上 由于取消了进气节流阀 泵气损失可降低15 中小负荷时 周边区域参与燃烧的程度较小 气体温度降低 使传热损失减小 难以在所要求的运转范围内使燃烧室内混合气实现理想的分层 分层燃烧对燃油蒸气在气缸内的分布要求很高 通常喷油时刻 点火时刻 空气运动 喷雾特性和燃烧室形状配合必须控制得十分严格 否则很容易发生燃烧不稳定和失火 喷油器内置气缸内 喷孔自洁能力差 容易结垢 影响喷雾特性和喷油量 低负荷时HC排放高 高负荷时NOx排放高 有炭烟生成 部分负荷时混合气稀于理论空燃比 三元催化转化器转化效率下降 需采用选择性催化转化NOx 气缸和供油系统磨损增加 图2 12三菱公司GDI发动机结构图 二 典型缸内直喷燃烧系统 1 三菱缸内直喷分层充量燃烧系统2 丰田缸内直喷分层燃烧系统3 福特EcoBoost缸内直喷发动机燃油喷射系统 1 三菱缸内直喷分层充量燃烧系统 表2 3GDI与传统型发动机相比主要设计参数 2 丰田缸内直喷分层燃烧系统 图2 13三菱公司GDI发动机性能改善效果 2 丰田缸内直喷分层燃烧系统 图2 14丰田D 4缸内直喷式稀燃汽油机 2 丰田缸内直喷分层燃烧系统 图2 15丰田D 4缸内混合气浓度分布 2 丰田缸内直喷分层燃烧系统 图2 16丰田D 4燃气混合过程 3 福特EcoBoost缸内直喷发动机燃油喷射系统 2 0LEcoBoost发动机采用的是缸内直喷燃油喷射方式 在发动机进气行程 只有新鲜空气通过开启的进气门流入燃烧室 而高压燃油通过专门的喷油器被精确地喷射到气缸燃烧室内 通过活塞上的凹坑形成混合气 图2 18 喷油时刻发生在进气行程 与进气歧管多点喷射的发动机相比 燃油与空气的混合时间更短 为了提高燃油的雾化效果 缸内直喷发动机要求燃油有很高的压力 最大燃油压力可达到15MPa 2 0LEcoBoost发动机有均质和催化器加热两种喷射模式 当发动机在正常工作温度下工作时 喷射模式为均质模式 此时 燃油喷射量按照理论空燃比 14 7 1 精确计算 燃油在进气行程喷射 使得混合气有足够的时间混合均匀 当发动机温度较低时 喷射模式为催化器加热模式 采用两段喷射技术 将燃油分两次喷入气缸燃烧室 分别在进气和压缩行程喷射 以达到快速加热三元催化转化器的目的 第一次喷射与均质模式一样 在进气行程喷油 第二次喷射发生在压缩行程 在进气门关闭后 快速地喷射 以形成一个浓的油核 围绕在火花塞周围 点火时刻被推迟 使得尽可能多的燃烧余热进入排气管 从而快速加热三元催化转化器 以降低HC和NOx排放 图2 17D 4稀燃发动机控制方法 2 0LEcoBoost发动机采用的是缸内直喷燃油喷射方式 在发动机进气行程 只有新鲜空气通过开启的进气门流入燃烧室 而高压燃油通过专门的喷油器被精确地喷射到气缸燃烧室内 通过活塞上的凹坑形成混合气 图2 18 喷油时刻发生在进气行程 与进气歧管多点喷射的发动机相比 燃油与空气的混合时间更短 为了提高燃油的雾化效果 缸内直喷发动机要求燃油有很高的压力 最大燃油压力可达到15MPa 2 0LEcoBoost发动机有均质和催化器加热两种喷射模式 当发动机在正常工作温度下工作时 喷射模式为均质模式 此时 燃油喷射量按照理论空燃比 14 7 1 精确计算 燃油在进气行程喷射 使得混合气有足够的时间混合均匀 当发动机温度较低时 喷射模式为催化器加热模式 采用两段喷射技术 将燃油分两次喷入气缸燃烧室 分别在进气和压缩行程喷射 以达到快速加热三元催化转化器的目的 第一次喷射与均质模式一样 在进气行程喷油 第二次喷射发生在压缩行程 在进气门关闭后 快速地喷射 以形成一个浓的油核 围绕在火花塞周围 点火时刻被推迟 使得尽可能多的燃烧余热进入排气管 从而快速加热三元催化转化器 以降低HC和NOx排放 图2 18混合气形成1 喷油器2 进气门3 火花塞4 排气门5 汽油喷雾团 2 0LEcoBoost发动机的燃油喷射系统如图2 19所示 它有低压和高压两部分 低压部分采用了无回流燃油供给系统 其结构如图2 20所示 燃油箱上安装了一个单独的油泵控制模块 FPDM 通过电子油泵控制线路控制低压油路的压力 PCM将所需要油压的控制信号传递给FPDM 该信号是一个低频的PWM信号 可变脉宽的脉冲信号 占空比为10 85 FPDM在收到PCM发送过来的所需油压的控制信号后 以高频信号驱动电子油泵 此时占空比为0 100 电子油泵根据该信号给高压油泵供油 而发动机不同工况所需的燃油量由PCM进行计算和控制 所以不存在回油的情况 低压管路的油压传感器把当前的低压管路油压值传送给PCM 这样就构成了闭环控制回路 吸油过程 泵柱塞向下运动 在燃油计量阀打开 断电 的情况下燃油通过进油阀流到高压油腔 泵油过程 在柱塞到达下止点后燃油计量阀仍然位于最初的开启位置 在设定的时间点 燃油计量阀通电 关闭低压燃油供给管路 高压腔里的燃油在泵柱塞的作用下增压 当高压腔里的油压超过高压管路里油轨的压力时 出油阀打开 这样燃油就被泵到油轨中 燃油计量阀再次断电后 燃油计量阀打开 高压油泵中的燃油经由燃油计量阀流回到进油侧 2 0LEcoBoost发动机的燃油喷射系统如图2 19所示 它有低压和高压两部分 低压部分采用了无回流燃油供给系统 其结构如图2 20所示 燃油箱上安装了一个单独的油泵控制模块 FPDM 通过电子油泵控制线路控制低压油路的压力 PCM将所需要油压的控制信号传递给FPDM 该信号是一个低频的PWM信号 可变脉宽的脉冲信号 占空比为10 85 FPDM在收到PCM发送过来的所需油压的控制信号后 以高频信号驱动电子油泵 此时占空比为0 100 电子油泵根据该信号给高压油泵供油 而发动机不同工况所需的燃油量由PCM进行计算和控制 所以不存在回油的情况 低压管路的油压传感器把当前的低压管路油压值传送给PCM 这样就构成了闭环控制回路 图2 19燃油喷射系统 2 0LEcoBoost发动机的燃油喷射系统如图2 19所示 它有低压和高压两部分 低压部分采用了无回流燃油供给系统 其结构如图2 20所示 燃油箱上安装了一个单独的油泵控制模块 FPDM 通过电子油泵控制线路控制低压油路的压力 PCM将所需要油压的控制信号传递给FPDM 该信号是一个低频的PWM信号 可变脉宽的脉冲信号 占空比为10 85 FPDM在收到PCM发送过来的所需油压的控制信号后 以高频信号驱动电子油泵 此时占空比为0 100 电子油泵根据该信号给高压油泵供油 而发动机不同工况所需的燃油量由PCM进行计算和控制 所以不存在回油的情况 低压管路的油压传感器把当前的低压管路油压值传送给PCM 这样就构成了闭环控制回路 图2 20低压部分的结构1 车身控制模块 GEM 2 油泵控制模块 FPDM 3 PCM4 低压油路油压传感器5 发动机6 高压油泵7 过压保护阀8 单向阀9 泄压阀10 电子油泵11 机械泵12 燃油滤清器 2 0LEcoBoost发动机的燃油喷射系统如图2 19所示 它有低压和高压两部分 低压部分采用了无回流燃油供给系统 其结构如图2 20所示 燃油箱上安装了一个单独的油泵控制模块 FPDM 通过电子油泵控制线路控制低压油路的压力 PCM将所需要油压的控制信号传递给FPDM 该信号是一个低频的PWM信号 可变脉宽的脉冲信号 占空比为10 85 FPDM在收到PCM发送过来的所需油压的控制信号后 以高频信号驱动电子油泵 此时占空比为0 100 电子油泵根据该信号给高压油泵供油 而发动机不同工况所需的燃油量由PCM进行计算和控制 所以不存在回油的情况 低压管路的油压传感器把当前的低压管路油压值传送给PCM 这样就构成了闭环控制回路 图2 21高压部分结构1 高压油泵2 燃油管路接头 低压燃油 3 高压燃油管路4 燃油压力传感器5 油轨6 喷油器 2 0LEcoBoost发动机的燃油喷射系统如图2 19所示 它有低压和高压两部分 低压部分采用了无回流燃油供给系统 其结构如图2 20所示 燃油箱上安装了一个单独的油泵控制模块 FPDM 通过电子油泵控制线路控制低压油路的压力 PCM将所需要油压的控制信号传递给FPDM 该信号是一个低频的PWM信号 可变脉宽的脉冲信号 占空比为10 85 FPDM在收到PCM发送过来的所需油压的控制信号后 以高频信号驱动电子油泵 此时占空比为0 100 电子油泵根据该信号给高压油泵供油 而发动机不同工况所需的燃油量由PCM进行计算和控制 所以不存在回油的情况 低压管路的油压传感器把当前的低压管路油压值传送给PCM 这样就构成了闭环控制回路 图2 22高压油泵结构 吸油过程 泵柱塞向下运动 在燃油计量阀打开 断电 的情况下燃油通过进油阀流到高压油腔 泵油过程 在柱塞到达下止点后燃油计量阀仍然位于最初的开启位置 在设定的时间点 燃油计量阀通电 关闭低压燃油供给管路 高压腔里的燃油在泵柱塞的作用下增压 当高压腔里的油压超过高压管路里油轨的压力时 出油阀打开 这样燃油就被泵到油轨中 燃油计量阀再次断电后 燃油计量阀打开 高压油泵中的燃油经由燃油计量阀流回到进油侧 图2 23高压油泵工作过程1 出油阀2 高压管路 去油轨 3 泵柱塞4 高压油腔5 进油阀6 电流减少阶段A 泵柱塞行程B 燃油计量阀工作C 吸油过程D 泵油过程a 燃油计量阀打开 断电 b 燃油计量阀关闭 通电 第五节废气涡轮增压发动机 一 概述二 涡轮增压器的基本构造和原理三 径流式涡轮的性能四 压气机的性能五 涡轮增压器和发动机的匹配六 涡轮增压器匹配的调节七 新型涡轮增压系统 一 概述 一 发动机增压的分类 二 车用发动机废气涡轮增压的特点 三 涡轮增压技术的发展方向 一 发动机增压的分类 1 废气涡轮增压2 机械增压3 复合增压4 气波增压 1 废气涡轮增压 2 机械增压 3 复合增压 4 气波增压 二 车用发动机废气涡轮增压的特点 1 增加有效功率在气缸容积一定的情况下 充气密度越大 新鲜空气的绝对量就越大 就可以有较多的燃料进行燃烧 从而发出更大的功率 2 提高发动机的经济性废气涡轮增压器压气机所消耗的功率完全由涡轮提供 同时增压后进气密度的提高使燃烧更加充分 有助于提高发动机的经济性 3 废气涡轮增压可以降低发动机的噪声增压发动机体积小 发射噪声的表面积小 同时涡轮也有消声的作用 排气可以在涡轮中获得进一步的膨胀 因此增压发动机的排放噪声有所降低 二 车用发动机废气涡轮增压的特点 4 降低排放涡轮增压可通过采用不同的增压度以及增压中冷的措施 使同一发动机形成不同的功率系列 各种排放水平呈现总体上的下降趋势 其中HC和CO由于空气充足而充分氧化 排放降低 中冷后NOx降低 5 功率自动补偿废气涡轮增压发动机在高原或高温地区工作时 比未增压的发动机功率下降要小得多 还能够自动补偿功率的损失 1 增加有效功率在气缸容积一定的情况下 充气密度越大 新鲜空气的绝对量就越大 就可以有较多的燃料进行燃烧 从而发出更大的功率 2 提高发动机的经济性废气涡轮增压器压气机所消耗的功率完全由涡轮提供 同时增压后进气密度的提高使燃烧更加充分 有助于提高发动机的经济性 3 废气涡轮增压可以降低发动机的噪声增压发动机体积小 发射噪声的表面积小 同时涡轮也有消声的作用 排气可以在涡轮中获得进一步的膨胀 因此增压发动机的排放噪声有所降低 4 降低排放涡轮增压可通过采用不同的增压度以及增压中冷的措施 使同一发动机形成不同的功率系列 各种排放水平呈现总体上的下降趋势 其中HC和CO由于空气充足而充分氧化 排放降低 中冷后NOx降低 5 功率自动补偿废气涡轮增压发动机在高原或高温地区工作时 比未增压的发动机功率下降要小得多 还能够自动补偿功率的损失 三 涡轮增压技术的发展方向 1 混流式涡轮2 可变几何截面涡轮增压器3 新型轴承系统设计4 减少机械损失 提高增压器总效率5 陶瓷涡轮的应用6 新型涡轮增压系统的研究 1 混流式涡轮 2 可变几何截面涡轮增压器 3 新型轴承系统设计 4 减少机械损失 提高增压器总效率 5 陶瓷涡轮的应用 6 新型涡轮增压系统的研究 二 涡轮增压器的基本构造和原理 一 车用涡轮增压器的总体布置 一 车用涡轮增压器的总体布置 燃气沿涡轮径向流动的涡轮增压器称为径流式涡轮增压器 主要运用在汽车 拖拉机和工程机械用发动机上 燃气沿涡轮轴向流动的涡轮增压器称为轴流式涡轮增压器 通常在大功率发动机上使用 涡轮叶轮和压气机叶轮背靠背式 图2 24a 但轴承外置 这种布置轴承的支承壳体设置在两个叶轮的出口处 使气体导流装置布置困难 同时加大了增压器的外形尺寸 加之涡轮将大量热量传给压气机 轴承也处于涡轮端传来的高温所包围的区域内 所以车用增压器一般不采用这种布置 一 车用涡轮增压器的总体布置 涡轮叶轮与压气机叶轮背靠背布置 图2 24b和c 轴承放在压气机一侧 这种布置方式 使轴承避免了涡轮端的高温 但是压气机叶轮和涡轮叶轮靠近 压气机受热较多 降低了压气机的等熵效率 因此较少采用 轴承内置 涡轮叶轮和压气机叶轮外置悬臂布置 图2 24d 这是车用涡轮增压器最典型的总体布置形式 这种布置轴承工作稳定性好 轴承支持壳不影响压气机和涡轮进口叶轮的导流装置的布置 气体流动阻力小 结构紧凑 体积小 重量轻 涡轮叶轮和压气机叶轮相距较远 涡轮的热量不易传导和辐射到压气机叶轮 有利于提高涡轮增压器效率 较好地满足了车用涡轮增压器的要求 一 车用涡轮增压器的总体布置 1 压气机由压气机壳1 压气机叶轮3 扩压器后板6 无叶扩压器 由压气机壳与扩压器后板形成的缝隙构成 组成 2 涡轮由涡轮叶轮 在小型涡轮增压器中 涡轮与轴焊接成一体 组成涡轮轴总成13 蜗壳14 无叶喷嘴环 由涡轮壳内径环形缝隙通道构成 组成 3 转子总成它是涡轮增压器中有动平衡要求的部件 4 轴承机构涡轮增压器转子上装有浮动轴承10 它的内孔与轴 外圆与中间体内孔具有规定的间隙 形成双层油膜润滑 使转子在高速旋转时自动定心和增强冷却效果 浮动轴承承受转子的径向载荷 一 车用涡轮增压器的总体布置 5 密封装置在涡轮轴和密封环支承的密封环槽上装有密封环11 它起油封和气封的双重作用 在与中间体接触的扩压器后板的环形槽内装有O形橡胶密封圈7 起油封作用 在扩压器后板外圆的环形槽内装有O形橡胶密封圈7 起气封作用 6 中间体中间体9是涡轮增压器的支承机构 用圆柱头内六角螺栓把扩压器后板固定在中间体上 用螺栓把压气机壳固定在扩压器后板上 转子的径向载荷和轴向载荷分别经浮动轴承和止推轴承最终传递给中间体 燃气沿涡轮径向流动的涡轮增压器称为径流式涡轮增压器 主要运用在汽车 拖拉机和工程机械用发动机上 燃气沿涡轮轴向流动的涡轮增压器称为轴流式涡轮增压器 通常在大功率发动机上使用 涡轮叶轮和压气机叶轮背靠背式 图2 24a 但轴承外置 这种布置轴承的支承壳体设置在两个叶轮的出口处 使气体导流装置布置困难 同时加大了增压器的外形尺寸 加之涡轮将大量热量传给压气机 轴承也处于涡轮端传来的高温所包围的区域内 所以车用增压器一般不采用这种布置 涡轮叶轮与压气机叶轮背靠背布置 图2 24b和c 轴承放在压气机一侧 这种布置方式 使轴承避免了涡轮端的高温 但是压气机叶轮和涡轮叶轮靠近 压气机受热较多 降低了压气机的等熵效率 因此较少采用 轴承内置 涡轮叶轮和压气机叶轮外置悬臂布置 图2 24d 这是车用涡轮增压器最典型的总体布置形式 这种布置轴承工作稳定性好 轴承支持壳不影响压气机和涡轮进口叶轮的导流装置的布置 气体流动阻力小 结构紧凑 体积小 重量轻 涡轮叶轮和压气机叶轮相距较远 涡轮的热量不易传导和辐射到压气机叶轮 有利于提高涡轮增压器效率 较好地满足了车用涡轮增压器的要求 图2 24涡轮轴承的布置 轴承内置 涡轮叶轮和压气机叶轮外置悬臂布置 图2 24d 这是车用涡轮增压器最典型的总体布置形式 这种布置轴承工作稳定性好 轴承支持壳不影响压气机和涡轮进口叶轮的导流装置的布置 气体流动阻力小 结构紧凑 体积小 重量轻 涡轮叶轮和压气机叶轮相距较远 涡轮的热量不易传导和辐射到压气机叶轮 有利于提高涡轮增压器效率 较好地满足了车用涡轮增压器的要求 图2 25涡轮增压器整体结构图1 压气机壳2 压气机端锁紧螺母3 压气机叶轮4 密封套5 挡油板6 扩压器后板7 O形橡胶密封圈8 止推轴承9 中间体10 浮动轴承11 密封环12 隔热板13 涡轮轴总成14 涡轮蜗壳15 放气阀套件 1 压气机由压气机壳1 压气机叶轮3 扩压器后板6 无叶扩压器 由压气机壳与扩压器后板形成的缝隙构成 组成 2 涡轮由涡轮叶轮 在小型涡轮增压器中 涡轮与轴焊接成一体 组成涡轮轴总成13 蜗壳14 无叶喷嘴环 由涡轮壳内径环形缝隙通道构成 组成 3 转子总成它是涡轮增压器中有动平衡要求的部件 4 轴承机构涡轮增压器转子上装有浮动轴承10 它的内孔与轴 外圆与中间体内孔具有规定的间隙 形成双层油膜润滑 使转子在高速旋转时自动定心和增强冷却效果 浮动轴承承受转子的径向载荷 5 密封装置在涡轮轴和密封环支承的密封环槽上装有密封环11 它起油封和气封的双重作用 在与中间体接触的扩压器后板的环形槽内装有O形橡胶密封圈7 起油封作用 在扩压器后板外圆的环形槽内装有O形橡胶密封圈7 起气封作用 6 中间体中间体9是涡轮增压器的支承机构 用圆柱头内六角螺栓把扩压器后板固定在中间体上 用螺栓把压气机壳固定在扩压器后板上 转子的径向载荷和轴向载荷分别经浮动轴承和止推轴承最终传递给中间体 三 径流式涡轮的性能 1 涡轮的流量特性2 涡轮的效率特性 三 径流式涡轮的性能 图2 26涡轮流量特性 1 涡轮的流量特性 2 涡轮的效率特性 图2 27涡轮效率特性曲线 四 压气机的性能 图2 28压气机性能曲线 五 涡轮增压器和发动机的匹配 一 发动机与压气机的匹配 二 发动机与涡轮的匹配 三 压气机与涡轮的匹配 一 发动机与压气机的匹配 压气机不但要求达到预定的压比 而且要具有高的效率 压气机效率越高 在同一压比时空气温度越低 从而所得到的增压空气密度就越高 增压效果也就越好 压气机特性具有宽广的流量范围 而且要有较宽的压气机高效率区 发动机的特性曲线应该穿过压气机的高效率区 而且最好是发动机的运行曲线与压气机高效率的等效率圈相平行 对于车用发动机 要求最大转矩点正好位于压气机最高效 发动机的耗气特性线应离开压气机喘振线有一定距离 压气机不但要求达到预定的压比 而且要具有高的效率 压气机效率越高 在同一压比时空气温度越低 从而所得到的增压空气密度就越高 增压效果也就越好 压气机特性具有宽广的流量范围 而且要有较宽的压气机高效率区 发动机的特性曲线应该穿过压气机的高效率区 而且最好是发动机的运行曲线与压气机高效率的等效率圈相平行 对于车用发动机 要求最大转矩点正好位于压气机最高效 图2 29发动机耗气特性与压气机特性的配合 发动机的耗气特性线应离开压气机喘振线有一定距离 二 发动机与涡轮的匹配 在发动机整个运行范围内涡轮具有较高的效率 试验证明 径流式涡轮本身具有较高的高效率区 加上在发动机按外特性工作时速比变化很小 故涡轮效率变化也较小 与压气机相比 涡轮较易满足要求 涡轮具有合适的通流能力 以保证提供给压气机所需的功率 在发动机整个运行范围内涡轮具有较高的效率 试验证明 径流式涡轮本身具有较高的高效率区 加上在发动机按外特性工作时速比变化很小 故涡轮效率变化也较小 与压气机相比 涡轮较易满足要求 涡轮具有合适的通流能力 以保证提供给压气机所需的功率 三 压气机与涡轮的匹配 发动机运行范围处于压气机高效率区 且离压气机喘振线有一定的裕度 发动机运行范围内不出现过高的排气温度 发动机运行范围内增压器转速不超过极限值 即不出现过高的增压压力 发动机负荷特性上进气压力与排气背压的交点位于低负荷区 且越低越好 增压发动机能达到预定的功率 经济性以及烟度等指标 特别是在万有特性上低油耗的区域应该宽广 在负荷特性上低负荷范围内不致出现太高的油耗 三 压气机与涡轮的匹配 图2 30发动机与涡轮 压气机的联合工作特性 发动机运行范围处于压气机高效率区 且离压气机喘振线有一定的裕度 发动机运行范围内不出现过高的排气温度 发动机运行范围内增压器转速不超过极限值 即不出现过高的增压压力 发动机负荷特性上进气压力与排气背压的交点位于低负荷区 且越低越好 增压发动机能达到预定的功率 经济性以及烟度等指标 特别是在万有特性上低油耗的区域应该宽广 在负荷特性上低负荷范围内不致出现太高的油耗 六 涡轮增压器匹配的调节 1 放气阀系统2 可变涡轮增压器 1 放气阀系统 图2 31涡轮增压器排气旁通原理图 1 放气阀系统 图2 32废气放气阀涡轮增压器实物图 1 放气阀系统 图2 33废气放气阀增压器与发动机匹配特性 2 可变涡轮增压器 图2 34可变截面涡轮增压器原理 2 可变涡轮增压器 图2 35可变截面涡轮增压器实物 2 可变涡轮增压器 图2 36可变截面涡轮增压器性能比较图注 1mmHg 133 322PaTC 涡轮增压器 七 新型涡轮增压系统 1 两级增压系统2 电辅助涡轮增压系统3 动力涡轮复合增压系统 1 两级增压系统 图2 37两级涡轮增压系统原理图 1 两级增压系统 图2 38两级涡轮增压系统实物图 2 电辅助涡轮增压系统 图2 39整体式电辅助涡轮增压系统原理图 2 电辅助涡轮增压系统 图2 40整体式电辅助涡轮增压系统实物图 2 电辅助涡轮增压系统 图2 41电驱动压气机系统布置方案 3 动力涡轮复合增压系统 由于在现代重型柴油机中20 25 的燃料能量被排出 在废气排出处加入一个动力涡轮 高达20 的废气能量能够重新利用 即被排出的25 的燃料能量的20 相当于总能量的5 提供了更好的瞬态响应和更高的为改善低速转矩所需要的增压压力 特别适合于高负荷运输车辆 对于长距离运输车辆估计能减少3 的燃料消耗 在小负荷条件下燃油消耗率的降低很小 还会有消极影响 非常好的发动机响应和驾驶性能 由于排气歧管的压力增加而高于进气歧管压力 能够更容易地获得高效的废气再循环流动 以降低氮氧化物的排放 3 动力涡轮复合增压系统 齿轮系 液力偶合器和动力涡轮增加了质量 复杂性 可靠性等相关性能 及其成本 如何在小负荷时使负面效率的增加达到最小 在废气再循环的冷却过程中由于一部分能量被冷却系统利用 排出的废气的能量减少 动力涡轮可利用的能量就会随之减少 对于废气再循环系统和涡轮增压器的安放 空间上会有更多的限制 增加了在设计 约束 服务上的复杂性 增加的废气冷却系统降低了废气后处理系统的效率 3 动力涡轮复合增压系统 图2 42动力涡轮原理结构图 由于在现代重型柴油机中20 25 的燃料能量被排出 在废气排出处加入一个动力涡轮 高达20 的废气能量能够重新利用 即被排出的25 的燃料能量的20 相当于总能量的5 提供了更好的瞬态响应和更高的为改善低速转矩所需要的增压压力 特别适合于高负荷运输车辆 对于长距离运输车辆估计能减少3 的燃料消耗 在小负荷条件下燃油消耗率的降低很小 还会有消极影响 非常好的发动机响应和驾驶性能 由于排气歧管的压力增加而高于进气歧管压力 能够更容易地获得高效的废气再循环流动 以降低氮氧化物的排放 齿轮系 液力偶合器和动力涡轮增加了质量 复杂性 可靠性等相关性能 及其成本 如何在小负荷时使负面效率的增加达到最小 在废气再循环的冷却过程中由于一部分能量被冷却系统利用 排出的废气的能量减少 动力涡轮可利用的能量就会随之减少 对于废气再循环系统和涡轮增压器的安放 空间上会有更多的限制 增加了在设计 约束 服务上的复杂性 增加的废气冷却系统降低了废气后处理系统的效率 第六节汽油机燃油喷射与点火系统电子控制 一 概述二 电子控制汽油喷射的基本概念三 微处理器控制的点火系统 一 概述 更为优越的燃油雾化性能 使油气混合更均匀 对气温和海拔变化的适应性好 与化油器供油方式相比 由于每个气缸都配备单独的喷油器 电子控制汽油喷射系统中的多点喷射方式还具有各缸混合气分配均匀的优点 取消了喉口的多点燃油喷射系统 可按照最大充气效率的目标改进进气系统的设计 从而使动力性进一步改善 电子控制汽油喷射系统各组成部件的安装适应性好 从而给汽油机的总体设计带来更大的灵活性 更为优越的燃油雾化性能 使油气混合更均匀 对气温和海拔变化的适应性好 与化油器供油方式相比 由于每个气缸都配备单独的喷油器 电子控制汽油喷射系统中的多点喷射方式还具有各缸混合气分配均匀的优点 取消了喉口的多点燃油喷射系统 可按照最大充气效率的目标改进进气系统的设计 从而使动力性进一步改善 电子控制汽油喷射系统各组成部件的安装适应性好 从而给汽油机的总体设计带来更大的灵活性 二 电子控制汽油喷射的基本概念 1 电子控制汽油喷射的类型2 控制方式3 电子控制汽油机各运转工况混合气浓度的控制目标4 空气量的检测方式 1 电子控制汽油喷射的类型 连续喷射是在发动机的运转过程中喷油器持续喷射 使燃料通路中燃料测量截面前后的压差一定 通过控制燃料测量截面积的大小变化 来改变供油量 连续喷射仅限于进气管喷射的情况 德国博世公司的K Jetronic系统即为连续喷射系统的应用实例 但其控制是利用机械装置实现的 间断喷射就是喷射仅在发动机工作循环中的某一段或几段时间内进行 通过控制每次喷射的持续时间来控制喷油量 间断喷射的油量控制方式除适用于进气管内喷射以外 还被所有缸内直接喷射的系统采用 1 电子控制汽油喷射的类型 图2 43单点喷射 SPI 多点喷射 MPI 与缸内直接喷射a 单点喷射b 多点喷射c 缸内直接喷射 连续喷射是在发动机的运转过程中喷油器持续喷射 使燃料通路中燃料测量截面前后的压差一定 通过控制燃料测量截面积的大小变化 来改变供油量 连续喷射仅限于进气管喷射的情况 德国博世公司的K Jetronic系统即为连续喷射系统的应用实例 但其控制是利用机械装置实现的 间断喷射就是喷射仅在发动机工作循环中的某一段或几段时间内进行 通过控制每次喷射的持续时间来控制喷油量 间断喷射的油量控制方式除适用于进气管内喷射以外 还被所有缸内直接喷射的系统采用 2 控制方式 开环控制是把根据实验确定的发动机各种运行工况的最佳供油参数事先存入计算机 发动机运行时 计算机根据系统中各个传感器的输入信号 判断发动机所处的运行工况 计算出最佳供油量 经功率放大器控制电磁喷油器的喷射时间 从而精确地控制混合气的空燃比 使发动机优化运行 因此 开环控制系统的特点是只受发动机运行工况参数变化的控制 并按事先设定在计算机中的控制规律工作 闭环控制是指在排气管内加装氧传感器 根据排气中含氧量的变化 对进入气缸内的可燃混合气的空燃比进行测定 并不断与设定值进行比较 根据比较的结果修正喷油量 最终使空燃比保持在设定值的附近 图2 44 开环控制是把根据实验确定的发动机各种运行工况的最佳供油参数事先存入计算机 发动机运行时 计算机根据系统中各个传感器的输入信号 判断发动机所处的运行工况 计算出最佳供油量 经功率放大器控制电磁喷油器的喷射时间 从而精确地控制混合气的空燃比 使发动机优化运行 因此 开环控制系统的特点是只受发动机运行工况参数变化的控制 并按事先设定在计算机中的控制规律工作 闭环控制是指在排气管内加装氧传感器 根据排气中含氧量的变化 对进入气缸内的可燃混合气的空燃比进行测定 并不断与设定值进行比较 根据比较的结果修正喷油量 最终使空燃比保持在设定值的附近 图2 44 图2 44闭环控制系统1 电子控制单元2 氧传感器3 喷油器4 三元催化转化器 3 电子控制汽油机各运转工况混合气浓度的控制目标 1 起动工况电子控制汽油喷射系统由于温度低 仍然有一小部分燃油不能蒸发 而是以油滴的形式进入气缸参与燃烧 从而导致混合气变稀 因此需要附加的混合气加浓 电子控制汽油喷射系统在起动工况的过量空气系数约为0 9 2 暖机工况当发动机温度低 排气温度不能保证三元催化转化器正常工作时 采用比理论混合气稍浓的混合气 以尽快结束暖机 3 加速工况为了提高车辆的加速性 采用比理论混合气稍浓的混合气 3 电子控制汽油机各运转工况混合气浓度的控制目标 4 满负荷工况在满负荷工况下 考虑到输出功率的需求 通常采用功率混合气 但是为了满足更为严格的排放法规的要求 有些发动机在满负荷工作时也采用理论混合气 功率需求的满足通过采用较大排量的发动机来实现 5 其他工况除上述工况以外 为了使得三元催化转化器的工作效率最高 均将过量空气系数严格控制为1 即采用理论空燃比 同时利用闭环控制达到精确的空燃比的控制目标 1 起动工况电子控制汽油喷射系统由于温度低 仍然有一小部分燃油不能蒸发 而是以油滴的形式进入气缸参与燃烧 从而导致混合气变稀 因此需要附加的混合气加浓 电子控制汽油喷射系统在起动工况的过量空气系数约为0 9 2 暖机工况当发动机温度低 排气温度不能保证三元催化转化器正常工作时 采用比理论混合气稍浓的混合气 以尽快结束暖机 3 加速工况为了提高车辆的加速性 采用比理论混合气稍浓的混合气 4 满负荷工况在满负荷工况下 考虑到输出功率的需求 通常采用功率混合气 但是为了满足更为严格的排放法规的要求 有些发动机在满负荷工作时也采用理论混合气 功率需求的满足通过采用较大排量的发动机来实现 5 其他工况除上述工况以外 为了使得三元催化转化器的工作效率最高 均将过量空气系数严格控制为1 即采用理论空燃比 同时利用闭环控制达到精确的空燃比的控制目标 4 空气量的检测方式 速度密度方式是利用发动机转速和进气管绝对压力 推算出每一循环吸入发动机的空气量 根据算出的空气量计算汽油的喷射量 如图2 45b所示 节气门速度方式是利用节气门开度和发动机转速 推算每一循环吸入发动机的空气量 根据推算的空气量计算汽油的喷射量 如图2 45c所示 该方法具有响应性好的特点 但用于开环控制系统测量精度相对较低 对批量生产中的产品差异及随时间推移而产生的磨损敏感 因此应用较少 4 空气量的检测方式 图2 45空气量的检测方式a 质量流量方式b 速度密度方式c 节气门速度方式 速度密度方式是利用发动机转速和进气管绝对压力 推算出每一循环吸入发动机的空气量 根据算出的空气量计算汽油的喷射量 如图2 45b所示 节气门速度方式是利用节气门开度和发动机转速 推算每一循环吸入发动机的空气量 根据推算的空气量计算汽油的喷射量 如图2 45c所示 该方法具有响应性好的特点 但用于开环控制系统测量精度相对较低 对批量生产中的产品差异及随时间推移而产生的磨损敏感 因此应用较少 三 微处理器控制的点火系统 一 有分电器的点火系统 二 无分电器点火系统 一 有分电器的点火系统 1 暖机修正当发动机冷却液温度低时 增加点火提前角可以改善发动机的驱动性能 而推迟点火则可以改善HC的排放 2 过热修正当发动机冷却液温度过高时 若处于怠速工况则加大点火提前角 避免发动机长期过热 但若是非怠速工况则应推迟点火 以避免发动机爆燃 3 怠速稳定性修正若发动机怠速转速低于目标转速应加大提前角 提高发动机指示