第六讲发动机节能技术与装置..ppt

2020 4 16 1 第六讲发动机节能技术与装置 一 稀薄燃烧与缸内直喷技术二 增压技术三 燃油掺水节油技术四 闭缸 断缸 节油技术五 电子控制技术六 火花塞二次空气导入环七 磁化节油器 2020 4 16 2 一 稀薄燃烧与缸内直喷技术 当今汽油机的主流技术 闭环电控燃油喷射系统加三效催化转化器 牺牲了燃油经济性 对汽油机的要求 降低排放和节约能源两者同时兼顾 措施 高压缩比 稀薄燃烧和快速燃烧 2020 4 16 3 1 稀燃汽油机分类 汽油机的燃烧系统可分为化油器式 进气道喷射式 缸内直接喷射式三种类型 2020 4 16 4 所谓稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念 只要 17 就可以称为稀薄燃烧汽油机 为了叙述方便 在此将稀燃汽油机分为两类 一类是 非直喷式汽油机 包括均质稀燃和分层稀燃式汽油机 即使采取一些特殊措施 一般只能在 25的范围内工作 另一类是 缸内直喷式汽油机 可在 25 50范围内稳定工作 注意 只是在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧 启动 怠速 加速和全负荷都不能实行稀薄燃烧 2020 4 16 5 2 不同燃烧方式的性能对比 如图所示 表示了传统 非直喷稀燃和直喷稀燃三种燃烧方式的排放特性和燃油经济性对比 2020 4 16 6 1 传统燃烧方式传统的汽油机在化学计量比附近工作 其燃油经济性较差 排放污染较高 通过采用高湍流和高能点火等技术 汽油机的稳定燃烧界限可超过 17 但是 随着 继续增大 均质混合气逐渐难以点燃并且燃烧速度也减慢 造成燃烧不稳定和HC排放回升 以致无法正常工作 2020 4 16 7 2 分层充气燃烧方式采用分层充气燃烧 可以提高燃烧界限 并保证即使在平均空燃比 20的条件下火花塞周围也能形成易于着火的浓混合气 而在周边区域是较稀混合气或空气 如图所示 分层燃烧的汽油机可稳定工作在 20 25的范围内 燃油消耗率降低13 左右 NOx也有显著降低 2020 4 16 8 3 缸内直喷式燃烧方式 是一种类似于柴油机的非均质混合气燃烧方式 在空燃比很稀时 可在接近点火的时刻才开始喷油 加上组织合理的混合气运动 使火花塞周围的浓混合气来不及变稀就被点燃 显然 这只能用缸内直接喷射方式才能实现 目前 已商品化的缸内直喷式汽油机可在 25 50范围内稳定工作 加之进气阻力的进一步减小 燃油消耗率较传统汽油机可改善20 以上 2020 4 16 9 3 非直喷式稀薄燃烧方式 实现汽油机稀薄燃烧的关健技术是使浓稀不同的混合气合理分层 分层住往是通过不同的气流运动和供油方法实现的 从70年代起 人们就开始在化油器式汽油机上进行分层稀薄燃烧的尝试 2020 4 16 10 1 CVCC燃烧系统 CompoundVoltexControlledCombustion 如图所示 是本田公司提出的CVCC燃烧系统 有主 副两个燃烧室 1和3 和两个化油器 副室通过火焰通道与主室相通 2020 4 16 11 工作原理 向主室供给 20 21 5的稀混合气 而通过辅助进气门5向副室供给少量浓混合气 在压缩过程中 浓稀混合适当混合 在副室内形成 12 5 13 5的易于着火的混合气 火花塞首先点燃副室中的混合气 由副室喷出的火焰点燃主室的稀混合气 2020 4 16 12 优点 NOx排放量较低 仅有一般汽油机的1 3 HC和CO的排放量也较低 缺点 燃油经济性不佳 并且结构和控制过于复杂 2020 4 16 13 CVCC实际上是一种分区燃烧方式 具有一定的代表性 围绕这种主 副燃烧室式稀燃系统的研究工作仍在进行 2020 4 16 14 2 轴向分层稀燃系统 涡流 2020 4 16 15 工作原理 首先通过进气造成强烈的进气涡流 进气过程后期 进气门开启接近最大升程时 通过安装在进气道上的喷油器将燃料喷入缸内 燃料在涡流的作用下 沿气缸轴向产生上浓下稀的分层 这种分层一直维持到压缩行程后期 以保证在火花塞附近存在较浓的混合气 2020 4 16 16 3 滚流分层稀燃系统 滚流 如图所示 是三菱公司在1991年开发成功的MVV燃烧系统 2020 4 16 17 工作原理 在进气道中设置一薄的垂直隔板2 使进气在气缸内形成三股独立的滚流 两侧的滚流全部是空气 中间的一股是浓混合气 这样可以防止它们彼此混合 使燃料和空气在压缩过程中维持分层 即使在 23 25时 也能保证在火花塞周围形成易点燃的较浓混合气 在汽车以40km h等速行驶时 比普通汽油机节油13 2020 4 16 18 4 缸内直喷式稀薄燃烧方式 汽油机的缸内直喷式燃烧 GDI GasolineDirectInjection 最早应用于航空发动机 从20世纪40年代开始 欧 美 日等国的一些汽车公司推出了一些各具特色的方案 但是 直到1995年以后 才使GDI稀燃系统实用化 2020 4 16 19 GDI燃烧系统的分类 通常GDI燃烧系统可根据主宰混合气生成的机理分成三类 油束控制燃烧系统壁面控制燃烧系统气流控制燃烧系统 2020 4 16 20 油束控制燃烧系统 在油束控制的燃烧系统中 喷油器安装在气缸中央 火花塞必须布置在喷油器附近 2020 4 16 21 壁面控制燃烧系统 在壁面控制的燃烧系统中 喷油器和火花塞相隔较远 喷油器将油束喷到活塞凹坑中 然后油气流将燃油送往火花塞 2020 4 16 22 气流控制燃烧系统 在气流控制的燃烧系统中 利用轮廓分明的缸内气流与油束相互作用 在发动机的大部分工况范围内都能实行恰当的充量分层和混合气均质化 2020 4 16 23 1 福特PROCO系统 PROCO系统 已有20年以上的历史 属于GDI稀燃方式中较早期的例子 如图所示 汽油经喷油器直接喷入燃烧室内 喷油器两侧各装有1只火花塞 利用涡流和滚流进行油气混合 2020 4 16 24 2 丰田D 4缸内直喷系统 如图所示 是丰田公司于1996年开发并商品化的D 4缸内直喷式稀燃发动机 2020 4 16 25 燃烧室为半球屋顶形 活塞顶部设有唇型深皿凹坑 与进气涡流旋向以及高精度的喷油时间和喷油方向控制相配合 在火花塞周围形成较浓的易点燃混合气区域 2020 4 16 26 灵活的电喷控制系统 可实现对不同的工况范围采用不同的燃烧方式 以保证所有工况下都能稳定燃烧 比同排量的传统汽油机节油35 2020 4 16 27 3 三菱4G系列缸内直喷稀燃发动机 如图所示 是三菱公司于1996年在世界上最先商品化的缸内直喷式稀燃发动机 2020 4 16 28 主要设计参数 2020 4 16 29 三菱公司GDI发动机相对于同系列的进气道喷射式汽油机的性能改善效果 2020 4 16 30 4 大众E111型缸内直喷发动机 大众公司1999年推出了E111型1 4升GDI发动机 其燃烧系统的特点是采用双滚流混合气形成方式 低负荷时 可燃混合气仅在进气门一侧的滚流区形成 中负荷时 喷油可到达包括排气门在内的区域 混合气在两个滚流区域都可生成 排气后处理系统中也采用了吸附还原型催化剂 并用NOx传感器来控制催化剂的还原反应时间 2020 4 16 31 5 二冲程缸内直喷稀燃发动机 二冲程汽油机低速转矩特性好 升功率高 可实现发动机的小型轻量化 但是 传统机型HC排放高 燃油经济性差 目前在汽车上应用很少 近年来 在混合气形成和燃烧方面的研究进展以及电控技术的进步 特别是缸内直喷稀燃技术的实现 使其能够适应当今节能与环保的要求 因此 二冲程汽油机作为车用发动机的可能性再次被提出 2020 4 16 32 如图所示 是澳大利亚奥必托公司开发的OCP 2型缸内直喷式二冲程稀燃汽油机 2020 4 16 33 OCP 2型二冲程汽油机的排放特性 这是排量为0 8L的三缸发动机在1500r min时的测试结果 2020 4 16 34 内燃机缸内的空气运动包括涡流 挤流 滚流和湍流 轴向分层稀燃系统 滚流分层稀燃系统 2020 4 16 35 二 增压技术 所谓内燃机增压就是利用增压器将空气或可燃混合气进行预压缩 再送入气缸的过程 车用发动机的增压方式很多 按实现增压所提供能量的方式可分为 一 机械增压 二 废气涡轮增压 三 复合增压 四 气波增压 2020 4 16 36 三 燃油掺水节油技术 20世纪初 为了减少汽油机的爆燃倾向和降低燃烧室平均温度 已经有人将水引入汽油机中 60年代初期 我国曾经采用过柴油掺水技术 但是没有收到明显的节油效果 70年代初期至1996年 人们对燃油乳化技术进行了更为深入的研究 取得了一些经验 并申请了500多项专利 却无法使乳化油稳定使用 2020 4 16 37 目前 法国埃尔夫公司研制出了一种特殊的乳化剂 可将柴油或汽油稳定混合乳化 称为Aquazole乳化燃料油 2020 4 16 38 成品微乳化油 拒水试验 加水后剧烈摇晃试验 加水5天后 2020 4 16 39 2020 4 16 40 1 掺水乳化节油原理 目前 人们普遍用原苏联B M 伊万诺夫的微爆理论来解释掺水乳化节油原理 燃油掺水乳化后 油为连续相 水为分散相 水以微小的颗粒分散地悬浮在油中 形成油包水 在化油器 或喷油器 中 被一次雾化 在气缸内中 水珠的微爆效应引起二次雾化 2020 4 16 41 2 掺水乳化方法 掺水乳化油的效果 取决于乳化的质量 即取决于油包水型粒径的大小 均匀度和稳定性 目前 常用的乳化方法有机械混合法 超声波法 乳化剂法 而大多采用超声波和乳化剂配合使用的方法生产乳化油 如日本研制的乳化油是掺25 的水 1 3 斯潘和0 2 特威温 2020 4 16 42 3 存在的问题 乳化油大面积推广还存在以下一些课题 在生产上水珠的进一步细化和均匀 延长稳定期 使用上对发动机的磨损 腐蚀及和发动机的最佳匹配还需要进行深入的研究 2020 4 16 43 4 柴油乳化工艺过程 2020 4 16 44 四 闭缸 断缸 节油技术 车用发动机大部分时间在部分负荷工况下工作 其比油耗显著增加 浪费了大量能源 为了提高发动机的负荷率 可以采用闭缸的方法 一部分气缸始终工作 另一部分气缸只在高负荷时工作 这样 发动机的排量将随负荷的大小而变化 既不影响汽车的动力性能 又能提高了整个发动机的工作效率 改善的燃油经济性 2020 4 16 45 闭缸节油装置的组成 由往复离合器式的气门挺杆 弹性离合选择器 组合气路驱动器和电子控制系统组成 2020 4 16 46 1 往复离合器式的气门挺杆 2020 4 16 47 2 弹性离合选择器 2020 4 16 48 3 三菱公司MD型发动机闭缸控制系统 通过传感器来检测发动机的工况 根据工况要求自动实现四缸工作与两缸工作之间的切换 2020 4 16 49 在三菱Mirage 型轿车上实验 在不改变动力性的情况下 按10工况行驶 平均节油20 国内也对闭缸节油技术进行了研究 对DJ2030汽车发动机采用闭缸方法后 通过试验得到 平均节油近10 闭缸技术是一种行之有效的节油效果较高的节油措施 其推广的关键在于设计一套能自动变换的转换装置 2020 4 16 50 五 电子控制技术 详细内容见 汽油机电子控制技术柴油机电子控制技术 2020 4 16 51 六 火花塞二次空气导入环 火花塞二次空气导入环简称节油环 使发动机气缸能第二次吸入空气 提高混合气的燃烧速度 使燃烧更加完全 具有增加发动机动力 节省燃油 减少污染等显著优点 2020 4 16 52 1 节油环的构造和工作原理 如图所示 节油环是套装在长螺纹火花塞上的环形体 由环体 钢球和卡环三个主要零件组成的 2020 4 16 53 在发动机的进气过程中 经过节油环 真空度 给气缸内增加5 10 的充量 这样就产生以下作用 1 提高了发动机在怠速和低负荷时的工作稳定性 改善了启动性能 2 汽油雾化更加完善 加快了火焰传播速度 延长了火花塞和气门的使用寿命 3 起动 加速 行驶和爬坡的能力加强 4 降低了爆燃倾向 5 改善了排放性能 2020 4 16 54 2 节油环的试验与应用 试验和应用的结果表明 1 采用三孔 孔径为0 8mm的节油环 装在长型火花塞上 进行台架试验 测得平均节油率为3 1 低效率时节油效果尤为显著 2 采用二孔 孔径为0 8mm的节油环 装在长型火花塞上 进行台架和道路试验 测得平均节油率为5 3 发动机装用节油环后 动力性无明显改变 有时略有提高 排气中CO含量有明显下降 2020 4 16 55 3 使用中需要注意的问题 1 节油环一定要配装在长型火花塞上 2 要定期清理火花塞螺纹间隙 3 必须经常进行拆卸 清洗等保养工作 2020 4 16 56 七 磁化节油器 磁化节油器的节油效果比较明显 经台架和道路试验测定 可平均节油6 7 以上 减少黑烟50 左右 提高发动机功率10 左右 磁化节油器安装使用方便 不损伤机体 汽油机 柴油机都可以安装使用 2020 4 16 57 1 工作原理 当燃油从磁化节油器内部的磁极中间通过时 燃油受到磁化处理 物理性能发生变化 变成磁化油 磁化油的颗粒之间同极相斥 在磁场的作用下定向运动 使大粒度变为小粒度 并改变了燃油分子的排布 使其密度减小 因此 燃油经磁化后 燃油粒度减小 与空气接触的面积变大 提高了雾化质量 促进了燃烧 减少了排气污染 达到了节能的目的 2020 4 16 58 磁化节油器就是靠磁性原理 改善燃油雾化