毕业论文-egr条件下过量空气系数对直喷汽油机性能和排放的影响

本科生学号吉林大学本科生毕业论文EGR条件下过量空气系数对直喷汽油机性能和排放的影响EFFECTSOFEXCESSAIRFACTORONTHEPERFORMANCEANDEMISSIONOFGASOLINEDIRECTINJECTIONENGINEINCONDITIONTHATOFEGR学生姓名学生班级学生学号学院专业导师姓名及职称年月摘要EGR条件下过量空气系数对直喷汽油机性能和排放影响能源的危机和环境的污染成为日益严重的问题，未来汽车发展的走势在这两个严峻的问题下也不得不面临着许多的改革。因此对于直喷汽油机开发出经济高效，排放清洁的要求也是愈来愈高。本文是在四缸直喷汽油基础上通过利用测功机氮氧化物检测仪，EGR截止阀，EGR冷却器等等实验设备搭建构成EGR技术，通过控制相应的参数，保证在EGR条件存在的时候下，控制过量空气系数变化来研究汽油机经济性，动力性，排放的氮氧化物，一氧化碳，碳氢等数据的变化，来找出他们间的变化规律。通过分析结论如下1对于EGR引入总体上对发动机动力性是提高的，而且对小工况的提高幅度很大，改变充量系数条件时，对于理想混合气的动力性提升明显。2EGR对于整体的经济性也是提高的，工况的变动对其影响变动不是很大，但是充量系数不同时，系数在1的时候消耗最少。3EGR技术采用对于氮氧化物排放浓度有着明显抑制作用，浓度在不断降低，最大的减低幅度可达883。4EGR技术会使碳氢的排放量增多，除过过量空气系数为1时比较不明显，其他状况时均会增加。5EGR技术对于一氧化碳增加影响并不大，而过量空气系数却影响明显，在过量空气系数较大时一氧化碳浓度排放相对少。关键词EGR，过量空气系数汽油机性能排放ABSTRACTEFFECTSOFEXCESSAIRFACTORONTHEPERFORMANCEANDEMISSIONOFGASOLINEDIRECTINJECTIONENGINEINCONDITIONTHATOFEGREMERGENCYOFRESOURCEANDENVIRONMENTSOLUTIONAREMOREANDMOREWORST,THEFUTUREOFVEHICLEMUSTTAKEACTIONTOAVOIDTROUBLESWITHFACINGTHATTWOPROBLEMS,WECANMAKEREVOLUTIONINTHEAUTOSOTHATTHEPERFORMANCEANDEMISSIONOFTHEGASOLINEDIRECTINJECTIONENGINEARENEEDINGHIGHLYEXPLORETHISARTICLEISBASINGONAFOURCYLINDEROFGASOLINEDIRECTINJECTIONENGINEUSINGPOWERENGINE,SHUTOFFVALVE,BOUNDARYCONDITIONS,EXPERIMENTALPLATFORMTOESTABLISHEDEGRSYSTEMINTHISEXPERIMENT,BOUNDARYCONDITIONS,HCASIGNITIONTIMINGENGINESPEED,ENGINELOADINJECTIONPULSEWIDTH,AIRFUELRATIOANDEGRRATE,CANBEADJUSTEDTOEXPLORETHEPRINCIPLETHATHOWEGRAFFECTSTHEPERFORMANCEANDEMISSIONSUNDERDIFFERENTCONDITIONSACCORDINGTOTHEANALYSISOFEXPERIMENTRESULT,THEFOLLOWINGCONCLUSIONCANBEOBTAINED1AFTERTHEEGRISINTRODUCEDONAGDIENGINE,ITCANIMPROVETHEPOWERPERFORMANCEESPECIALLY,ITCANIMPROVEPOWERPERFORMANCEHIGHLYONTHELOWLOADWHENTHEEXCESSAIRFACTORISHCCHANGETHEPOWERPERFORMANCEOFTHEEXCESSAIRCOEFFICIENTIS10CANBEIMPROVEDIMMEDIATELY2TOSOMEEXTENT,EGRCANIMPROVETHEFUELECONOMYOFGDIENGINEITISCORRESPONDINGWITHTHEPOWERPERFORMANCEASAWHOLE,ITCANREDUCETHEFUELECONOMYATLOWANDMEDIUMLOAD,EGRHASTHESAMEEFFECTONFUELECONOMYHOWEVER,FUELECONOMYVARIESWITHAIRFUELRATIOWHENTHEEXCESSAIRCOEFFICIENTIS10,ENGINEFUELECONOMYCANBEREDUCEDDEEPLY3THEINTRODUCTIONOFEGRCANRESTRAINNOXEMISSIONSOBVIOUSLYUNDERALLTHETESTCONDITIONS,THELARGESTEGRRATECANREDUCENOEMISSIONSMOSTUNDERTHEOPERATINGCONDITIONSOF2500R/MIN,7MSINJECTIONPULSEWIDTH,THEEXCESSAIRRATIOOF10,THEMOSTOBVIOUSINHIBITIONOFNOXEMISSIONSISUPTO8834HCEMISSIONSWILLINCREASEWITHEGRRATEHOWEVER,ITDOESNOTRISESIGNIFICANTLYATTHEMETRICRATIOATEACHCONDITION,HCEMISSIONSINCREASEWITHTHEEGRRATESIGNIFICANTLYWHENTHEEXCESSAIRCOEFFICIENTIS11,THEOPERATINGCONDITIONOFLEANGAS,LARGEEGRRATE,EARLYIGNITIONTIMINGWILLCAUSESIGNIFICANTCOMBUSTION,RESULTINGINALARGENUMBEROFDISCHARGEDHC5EGRCANHARDLYAFFECTTHECOEMISSIONSONGDIENGINEINTHEEXPERIMENT,COEMISSIONSONLYVARYFROMEXCESSAIRRATIOINTHECASEOFSMALLHCEMISSIONSINCREASE,WECANACHIEVEEFFECTIVECONTROLOFNOEMISSIONSFACINGWITHINCREASINGLYSERIOUSENERGYCRISISANDENVIRONMENTALPROBLEMS,EGRTECHNOLOGYHASGREATAPPLICATIONPROSPECTSONAGDIENGINEKEYWORDSEGREXCESSAIRFACTORGASOLINEENGINEFUNCTIONEMISSION目录第一章绪论111汽车排放尾气中氮氧化物污染212过量空气系数同EGR在直喷汽油机关系4121EGR技术的简介4122EGR技术的最新研究发展方向6123EGR的原理713直喷汽油机的混合气形成原理1014直喷汽油机的喷射系统技术简介1415小结16第二章发动机台架试验1721试验台架电控简介1722EGR试验中工作模式1923系统的搭建与细节选择20第三章实验结果分析2531EGR率对直喷汽油机动力性影响2532EGR率对燃油经济性影响27331EGR率对尾气排放的影响29332EGR率对碳氢排放的影响31333EGR率对一氧化碳排放影响3234过量空气系数对发动机的排放和性能的影响34341EGR下过量空气系数对发动机动力影响。34342EGR条件下过量空气系数对经济性影响36343EGR条件下过量空气系数对排放的影响37第四章全文总结43参考文献47致谢49第一章绪论11汽车排放尾气中氮氧化物污染工业文明的空前发展推动了人类社会的进步，同时也使得汽车的设计和制造的水平突飞猛进。随着大众生活的提高和人们消费的水平的提升，越来越多的汽车逐渐走入到我们的生活里，成为人们的交通工具。很短的一段时间内，汽车的保有量出现了爆炸式的增长，随着二十世纪七十年代，全世界的汽车数目大概每十五年增一倍就目前一直在工作的汽车数目而言保守也有十亿辆。随着时间推移，目前来看增长的势头还未消退。我国汽车持有数量仅次于美国，发展超过了日本，成为世界第二大汽车国家【1】。据统计，全世界每一千人平均汽车拥有为148辆，然而目前国内每一千人平均汽车保有量仅有58辆，与世界的平均水平去比较，这个差距还是明显很大的，但同时这个问题侧面反映出我们国内汽车这个行业它的发展潜力还是空前巨大的。我国汽车历年产值如图11图11我国历年车辆产值图但同时，随着汽车保有量的的提高，人们的生活和未来的发展也面临着越来越多的困扰。首当其冲的就是能源的问题。石油是一种不可再生型能源，随着汽车的数量不断的增的大，对石油的需求量也是在与日俱增。石油资源面临这即将枯竭的命运，根据目前的预测研究全世界的石油储量将在本世纪面临终结，这将对人类的未来发展产生重大的影响，随着国内经济在新世纪的不断腾飞和增长下，中国的工业取得了大的发展，但这背后对石油资源的需求量也是相当可观的，石油是工业发展的血液。就目前已知探明的石油资源也是有限的，同世界总石油资源相比较而言，我国石油资源处在匮乏的阶段【2】。使得石油供给不足的矛盾日益突出，对石油的进口量增大，进口占消耗的比重超过了50，这是历年我国石油进口和消耗的统计图表图12我国石油消耗统计图汽车日益增多的消耗已成为世界性的能源危机的问题，然而对于发动机的热效率优化和提升的空间就目前科学而言有研究的前景。世界汽车保有量的增高会带来第二个严峻的问题，那就是汽车排放的尾气中氮氧化物会严重污染大气，污染我们懒以生存的环境。什么是氮氧化物，氮氧化物含有多种化合物，有一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮、四氧化二氮,和五氧化二氮等。氮氧化物的特性是极不稳定，在光照湿热的环境下一氧化氮二氧化氮互变，是几种气体混合物，主要为一氧化氮和二氧化氮。氮氧化物有很强的毒性，对人动植物和建筑造成破坏，同时氮氧化物进入臭氧层与臭氧反应分解臭氧，在大气层形成臭氧空洞，导致紫外线辐射量增大，使得人们羅患皮肤癌的概率变大【3】。氮氧化物通过呼吸进入人体肺的深部,可引起支气管炎或肺气肿。氮氧化物还会和空气其他污染物质混合发生光化学反应，形成酸雨，腐蚀建筑物。这些氮氧化物的大量排放都来自于汽车的尾气，在发动机内部氮氧化物的生成机理一部分来自于发动机内部高温富氧的状态空气中的氮在高温下被氧化生成的,燃料中各种氮化物被分解氧化生成的氮氧化物。汽车尾气中除过氮氧化物外，还含有大量排放的碳氢，一氧化碳，PM,这些也同样是空气污染的罪魁祸首。我国机动车排放污染物大部分来自于汽车。特别在大中型城市，汽车尾气已成为城市最主要的污染来源。汽车未来发展方向受着排放技术的限制，由于日益严峻的环境下，不同的国家都对自己的汽车排放制定了相应的法规和标准。我国已近颁布相应的欧一，欧二的标准，目前执行欧四的标准，目前就一些发达的一线城市则会执行欧五的排放标准（见图13）。能源的短缺和环境排放污染的治理问题现在已摆在未来汽车发展的趋势里，未来汽车进步不是在于大产量的市场保有，而是在于不断优化内燃机的效率节约能源，不断地开发新的排放技术和措施，这都是未来汽车行业所要解决的问题，而同时这个问题同样会使得汽车技术的发展会不断地进步。图13欧五排放标准图12过量空气系数同EGR在直喷汽油机关系121EGR技术的简介EGR技术又简称排气再循环（EXHAUSTGASRECIRCULATION），将内燃机排出的尾气进行部分的收集然后导入进气通路与新鲜的工质相结合进行再度燃烧的技术。EGR主要是减少排放尾气中的氮氧化物，在一些特殊的负荷下反而提高燃油的利用率。它的原理就是发动机吸入的工质在燃烧后，通过排气管排出废气，这部分的废气是高温但是其中的氧含量的成分是非常低低的，当把这样的气体回输进行下一次的燃烧，会降低缸内燃烧的温度，这样会抑制氮氧化物的形成。同时燃烧温度的降低反过来会使得活塞汽缸壁面等一些部件的散热量会减少，同时工质因为高温条件下的裂解和碳化而消耗的能量也会随之而减少。【4】内燃机有部分负荷为汽缸内燃烧时内在非EGR情况下，为了得到等价的氧气含量，就需要将节气门的开度调大，造成的结果就是吸气时吸入油气损失较低，燃油的消耗率反而会上升。活塞在一次行程时进入的氧气量过低，会使得小排量的内燃机始终处于高负荷的状态，EGR的反向的吸入量要根据内燃机的实际燃烧情况，在吸气量中的最大含量为15，而在高负荷和怠速的状态则要停止吸入。重量较大的柴油机汽车其内燃机对外输出的扭矩不是很大，同时它的负荷也非常高，为了能使内燃机的排放达到规定的标准的范围内就要采用EGR技术【4】。EGR技术回输的废气存在着惰性性质这将会延缓缸内燃烧的进程，换句话说就是燃烧速度将会减慢，这样会使得燃烧室内形成高压力的进程也减慢，这就是为什么氮氧化合物会减少的主要原因之一。同样的，使用废气再循环的技术会使总排放的废气流量MASSFLOW减少，因此包含在废气当中的污染物的输出量将会相对减少。构建EGR系统的目的就是使废气再循环的量在每一个负荷下都达到最佳进行状况，从而控制燃烧保持在理想的条件下完成，从而保证排放物中的最终污染成份很低。但由于废气再循环的量会改变废气中不同的污染成份，反而可能产生反作用的影响，为了促使相关污染物总排放达到最佳的方案，最终最佳的状况是受各种因素相互制约的【5】。例如，尽管一味提高废气再循环率对减少氮氧化物的排放是有明显的效果,但是这样这也会造成颗粒物和其他污染成份的排放增加，反而产生消极的影响，未来法规下的排放（见图14）。图14未来排放法规图在增压中冷柴油机中，一般实现废气再循环有两种方式第一种将涡轮前的排气引入中冷器之后，叫高压废气反向。通常采用可变截面的涡轮增压器，使得废气再循环有效工作范围变大，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT）的排放，但油耗并不升高，这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最佳方式。第二种，便是将涡轮后的排气引入压气机之前，叫做低压废气再循环系统，对降低氮氧化物的排放有显著效果，同时废气循环工作范围也很大，与柴油机匹配发会有效挥其功能。但现在一般用得最广泛是低压废气再循环系统，其系统的主要部件是数控式EGR阀。数控式EGR阀安装在右排气歧管上，目的是独立地并且精确地控制再循环到发动机上的废气量，而不管歧管真空度的大小。EGR阀通过3个递增的孔径计量孔来控制从排气歧管流回进气歧管的废气量，为了产生7种不同流量的组合。每个计量孔由1个电磁阀和针阀组成，当电磁阀通电时，电枢便被磁铁吸向上方，会使计量孔开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时，具有良好密封性。122EGR技术的最新研究发展方向最新研究出新的EGR技术，如日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统。在柴油机进气过程中，排气门稍有提升，就会使部分高压废气回流到汽缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的形状和将废气再循环系统微升来实现的。在脉冲式废气再循环系统中，废气被重新送回气缸内，因此废气的压力应高到足以使气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时，从而利用废气的压力波才能实现，在该废气再循环系统中，废气压力“脉冲”被有效利用【6】。目前该技术还应用于其他领域,如船用EGR（见图3）,EGRHCAM（进气加湿,EGR两级增压中等强度MILLER循环,EGRWEF（燃油乳化,内部EGRDWI（缸内喷水等【7】。见图15图15EGR的新应用前沿123EGR的原理EGR从结构上划分，有内部EGR和外部EGR两种系统，但区别是废气是否通过进气系统进入缸内。先了解内部EGR技术，内部EGR技术结构简单，不用外部设备，一般情况下通过改变配气相位就可以实现，就如同提高缸内的残余废气系数。但是缸内的气流运动一般复杂，随工况不同气流随之变化运动，所以这种实现废气再循环的方式很难控制EGR率；而去直接这样引入，未冷却的废气会提高混合气温度，氮氧化物的排放效果下降。用两种方法即可实现内部EGR，废气残余法和废气再吸法【8】。两种方法用同样的原理但是实践手段有区别。废气残余法是将排气门提前关闭，这样缸内保留一部分废气残余，在进气的时候完成残余废气与新鲜工质的混合，但是会产生相应压缩负功，推迟进气门开启时刻减少功率损失。废气再吸法又可以两种方法实现一是在进气冲程中再次开启排气门，这样活塞下行会重新吸收废气进入缸内；二是在排气冲程中开启进气门，这样活塞上行会将部分废气压入进气系统，在接下来的进气冲程中将带有废气的混合气一同吸入缸内，以上方案中不管怎样，都需要气门的重复开启，很难去实现。因此从实际操作看，废气残余法更方便同时易于实现。再次了解外部EGR的特点，外部EGR技术是在排气系统上插入废气再循环管路，从而将废气引导到进气系统中，在新鲜工质进入前就与废气混合。外部EGR比内部EGR要复杂，一般配有EGR阀门和冷却器，包含一些特殊管路还有控制单元，也是因为这样外部EGR才能对EGR率进行控制，使EGR发挥出本来有的效果。由于管路连接的不同，外部EGR也分许多种，下面简单介绍1一体增压式EGR系统图17一体式增压EGR在一体增压式EGR系统中将发动机尾气一分为二，一部分为增压气机提供动力而另一部分通过EGR阀进入到压气机中增压，之后同增压后的工质混合，进入不同的气缸。整套系统只有一个涡轮机，为两个压气机提供动力，两个压气机分别对新鲜空气和废气进行增压，是目前最新最先进的EGR技术。但是因为有两个压气机，在结构和增压匹配上难度大，同时产品成本随之变大。2进气节流式EGR系统图18进气节流EGR此技术方案利用节流阀的工作原理，让进气管的废气开口处产生负压，用压差的办法吸入废气。这种方法范围广，柴油机和汽油机都可用，但需要强调这个阀功能与发动机节气门不一样，它主要控制EGR率，也就是此系统应用在汽油机上时进气道上一共有两个节流装置。如果此时发动机工作在大负荷时，节流阀开度变大，EGR率较减小；如果此时发动机处在中小负荷工况时，节流阀开度也减小，以保证需求的EGR的率。该系统容易操控，结构较简单，控制上也不复杂，但是因为节流阀的存在，增加了进气阻力，使发动机的性能多少都会受到影响【9】。3低压EGR系统图19低压EGR系统此系统从涡轮机前或涡轮机后将废气导出，经过EGR阀和冷却器后在压气机前端将废气导入，由于气压始终高于外界大气压，用这种连接可以方便轻松的实现我们需要的。但是由于废气在压气机前就导入进气了，废气中的部分有害物可能会损伤压气机，这样会减低压气机的寿命，要解决这种问题必须给排放的管加装废气处理设备，但也大大提高了成本。因为易于实现，此项方案在实验研究中应用广泛，但是在工业产品中比较少见。4文丘里管式EGR系统图120文丘里管EGR根据文丘里管的工作原理，亚音速的气体通过文丘里管的时候先进行膨胀过程，之后会产生压缩过程，膨胀过程中气体的温度和压力都会下降，这样就会在文丘里管的喉口处会产生真空度，利用真空度，就可以顺利的将废气引入到进气系统中。在使用了文丘里管以后，便可以大大降低了废气的流动阻力，可以轻松的实现较高的EGR率，而且发动机的功率损失小，不怎么受影响，文丘里管技术成熟，使用简单，成本较低，目前该产品的应用比较广泛【10】。13直喷汽油机的混合气形成原理在内燃机的气缸中，新鲜的工质与空气混合过程可有两种办法实现，分别是均质充气和分层充气。通过供油正时，节气门开度和混合气的浓度这三个方面可以清楚的区分。分层充气可以使发动机获得良好的燃油经济性，就目前而言，这两种充气方法间相互转换关系尚不明确。一般在高负荷的状态下汽油机通常采用的是均质充气，这在效果上与多点喷射技术是异曲同工的，通常情况下燃油的吸入是在发动机进气门打开的时候，这样获得的冲入效果是理想的。然而发动机在运行到其他符合时候就需要分层充气方式，我们已知汽油的点火极限是15，如果燃油混合气浓度变得过稀，在这种情况下还要继续点燃混合气，那么我们就要想办法让火花塞跳火点燃时它周围混合气变得浓度大一些，气流、喷油和点火这三点必须要良好配合，条件允许可以开发特殊燃烧室进行配合。对于第一种均质充气的方法，研发这种直喷均质充气汽油机为了实现两种目标，一是汽车获得优良的动力特性和减低汽油机容易爆震的特点，二是使用三元催化转化技术来处理排放的尾气以达到规定的标准，这样可以节省昂贵的尾气后处理设备，从而大大降低汽车的成本【11】。均质充气工作的原理就是通过节气门调节进气量，来去控制喷油器的喷油量，从而控制发动机的功率输出，这一点在同化油器和多点喷射汽油机效果上是类似的，但他工作时充量系数恒定的。燃油在活塞往下至点运行时进入气缸，即使发动机运行速度特别快，也有足够的时间形成混合气，与分层充气方法比较这点还是较容易实现的，均质充气方法的工作原理如图。图121均质充气图原理由于分层充气的方法目前已在汽油机其他负荷下开始应用，但是碍于其原理和结构的复杂特点，如果想良好控制达到预期期望值还是难度很大，目前这种方法还需要大量试验和研究。由于直喷汽油机的燃油喷入直接进入气缸，这样燃油的温度不会被加高冷却的效果理想，也是爆震发生概率最小的汽油机。爆震倾向的降低就可以提高汽油机的压缩比，最终可以提高152，在这样地模拟工作状态下，可以对汽油机的燃油经济性进行适当的提高。将均质充气方式同发动机增压技术结合共同开发，通过增压可以提高发动机的比功率，这样会减少发动机的重量，减小摩阻的面积，减少摩擦损失，通过运用这些方法，就可以使汽油机在同等功率下提高近10的热效率【12】。需要强调的是要想在其他的负荷状况下提高发动机的燃油消耗率要采用分层充气方式，他的工作原理是燃油在活塞往上止点运行过程中被喷入，最极限的情况是当活塞运行到接近上止点时喷入，这样以确保混合气在火花塞附近的区域内的浓度几乎接近（1）能够被火花塞点燃，在距离火花塞末端较远距离处油气浓度不高但却可以正常燃烧，距离火花塞更远的末端混合气中燃油的雾化微颗粒油滴几乎为零。同普通汽油机比较，直喷汽油的分层充气工作方式大量提升了气缸里的等熵指数，使得其换热损失和传热损失到的下降，通过这样一些方法将汽油机热效率提高将近20【15】。不管发动机的转速和工况进行如何的变化，在分层充气方式里都要求在点火时刻火花塞附近的混合气浓度恰好是可以被点燃，从而发动机才可以正常的工作。只有通过发动机的各项参数进行良好配合的条件下才可以达到预期期望，需要强调的是进气流场，燃烧室的结构，火花塞及喷油器等的布置，凡是与喷油机有关的相关参数有关的都得仔细考虑。通过开发到目前阶段为止可以用三种方法实现分层充气的方式，以促使混合气的形成，三种方式的不同点是将燃油导向火花塞周围的方式，他们分别为壁面导向型、气流导向型与喷雾导向型。（见图122）图122几种类型充气燃烧室A由于燃烧室结构上喷油嘴和火花塞之间相距较远，混合气在燃油束和燃烧室的壁面互相作用下，存在火花塞附近。在燃油从喷油嘴到火花塞处利用了涡流汽和燃烧室的结构作用。供油时刻和活塞之间运动关系也变得不一样，从而影响发动机转速。但喷油嘴与火花塞距离很长，发动机在任何工况和转速下要保持气流运动，通过精确的一系列控制实现能够燃烧混合气。但是这种方式会导致残留燃油形成在壁面和活塞顶，从而使得这种方式并不能很好的发挥出直喷汽油机的工作效果。B这种方式中用气流传送燃油至火花塞处，这种方式的活塞顶会促进气流运动。既要避免燃油接触燃烧室还要充分混合气，需要好的挤气运动，保证进气性同时会影响充量系数。这仅仅是一种这种的办法，并没有解决喷油嘴与火花塞相距远的问题，但是却不会在壁面和活塞顶产生残留燃油。C这种方式可以最大限度展示出直喷汽油机力，也是最接近于柴油机的工作模式，这是理想的工作模式，但是这种方式下火花塞与喷油嘴的设计结构上较近，但会造成机械强度下降热负荷会增大。喷雾导向型燃烧方式形成混合气利用空气喷出燃油浓度中心很高周围很低的过渡带。部分燃油混合气可正常点燃。但是这个方式并不是完美的，热负荷增大和强度下降使得目前应用受限。气流运动的不稳定同时使的燃油不均匀。这种工作方式在未来还有很大的研究发展空间。14直喷汽油机的喷射系统技术简介直喷汽油机的喷射系统受到影响的因素是诸多的，打比方像燃烧室外形，喷油嘴与火花塞位置布置，挤气运动形成涡流运动等都是影响参数。设计的时候也要避免繁复过多的驱动件，以免造成功率的损耗。正是这些种种限制，使得研究设计上时很复杂的。但是不管怎么说，一个直喷汽油机的性能好坏最终取决于这个喷射系统的雾化程度。业界内有常用的两种方式实现直喷技术，分别是低压空气辅助技术和高压共轨技术。在九十年代初，ORBITAL公司在低压空气辅助喷射系统中取得较大的开发进步，研发出利用小的喷射压力，将极浓的燃油混合气化作极微小的油粒滴喷入燃烧室，当时的技术落后还没有高压的喷射系统。【13】到上世纪九十年代中期，在柴油机上高压共轨技术才逐渐崭露头角，这项技术同样也可以被直喷汽油机借鉴。先来说说低压空气辅助喷射系统，从硬件方面它组成有预混合室，喷油器。预混合室里有背压一般有05兆帕，又压缩机维持，燃油一般先进入混合室内部分与空气混合，之后再喷入燃烧室。这个原理来源于流体力学中液滴在高速得气流运动中，液滴会被破碎成更小的颗粒然后利于蒸发掉。同样在该系统里，燃油在预混使里和其中的空气发生上述的原理，油滴被快速气流分的细碎蒸发与空气混合，直到再次喷入燃烧室又会进一步的发生蒸发混合。有挤气运动的效应使得油气扩散均匀，火花塞跳火点燃。这种技术通常使用外张式喷嘴，喷油时刻即使很早也来得及形成良好的混合气。这种技术美中不足就是在较低压力下喷射，发动机的工况不断地变动，气流变化规律也是无序的这将导致点燃的混合气的稳定性降低。想维持压缩机的动力是必要消耗发动机的功，反而会使发动机功率下降。但是该技术易于实现，大多数汽车厂商都在使用。然而对于高压共轨技术来说，显然这个问题就要复杂许多，最初的设想是用于解决柴油机上的问题【14】。但由于之后个个厂商的技术买入和联合开发使得这个技术不断发展和创新，它的核心就是高雅供油轨道，之后用于汽油机中。该技术中使用的是共同油轨，目的存储由高压油泵直接提供的燃油，还有减少喷供油产生压力冲击。他的优点在于发动机的工况在变动油压也可以跟着变动，保持着稳变。硬件构成有高压低压油路组成，在低压油路中一边链接油箱另边连油泵，高压轨始于油泵终于油嘴。通过这些系统以保证喷油嘴的供油。喷油嘴采用电控控制避免以往机械控制带来的各种延时，使得喷油嘴及时喷油。由于电控措施的引入，通过调节个个参数，便可以简单方便的对燃油喷射进行电控，这些措施最终目的能保证发动机运行时有好的雾化混合气供给，使得发动机无论在个个工况下都可以达到最佳的运行状态。如下图高压共轨系统简图图123高压共轨简图15小结EGR技术很早就已经提出，同其他的技术结合集成于一体，目的在于提高汽油机的热效率同时减少污染排放的目的。EGR将废气同新鲜混合油气结合，以改变燃烧的特点，既节省油耗又减少排放，由于他的优点突出，现在已广泛的进行了应用。本研究内容工作如下1建立发动机监控系统。油路途径，冷却水，电控设计组装。2设计EGR试验系统。应用低压回路，装载EGR冷却器EGR阀门，用调节EGR率和废弃的引入。3研究EGR条件下过量空气系数对发动机性能的影响。在不同转速、负荷、空燃比条件下调节EGR率，根据测试发动机扭矩、比油耗及主要排物的变化规律，并分析原因。第二章发动机台架试验21试验台架电控简介要想研究在EGR条件下过量空气系数对发动机性能的影响我们必须组建一个试验平台去测试。我们实验做要用的最主要核心发动机是18L排量，并拥有涡轮增压功能。是直列四缸机，并且具备良好的稳定性和抗疲劳性质。采用缸内直喷，每缸包含四个气门，拥有VVT技术。为了保证实验数据的准确对发动机的机械部件不能修改。由于本实验引入的参数较多，在发动机不同工况的变化下，会对实验数据会有变动的影响，因此用电控设计单元控制实验整个的参数数据会有利于试验准确性【15】。通过向电控单元发出指令反馈作用与试验调节。由测功机对发动机实验数据进行采集。控制的参数也是多因素的，有喷油正时，喷油脉宽，节气门开度等。废气排出物有相应的监测设备。原理图简介如下图21发动机的台架布置主要试验仪器有测功机、测功机控制系统、废气分析仪、宽带氧传感器和油耗仪。简单说说测功机及其控制系，本电磁涡流测功机有应变传感装置，转速用电磁脉冲测试，特点是精确髙。其控制系统也是该公司一体设计，通过该公司不断努力的改进和研究，使得整个操作采集数据由繁化简，使得平台在测试实验中性能变得出色。尾气分析装置采用国外的五气分析装置，可以对一氧化碳、二氧化碳、未燃碳氢、残留氧气和氮氧化物进行精确的测量。由于系统的响应速度很快，我们可以对尾气中的个个气体的数据进行实时监测和掌控。尾气通常会被分层两个部分去检测，一部分利用化学法监测氮氧化物，另一部分采用红外分析仪监测二氧化碳，一氧化碳和碳氢气体含量。我们引入宽带氧传感仪目的适用于监测混合气的值，该仪器是由美国ETAS公司生产的，要想得到精确的数据，我们通常将该检测设备放在发动机的排气管道的总口处，已使得能够检测每缸的平均氧含量浓度。采用日本小野公司生产的油耗仪（见图），因为他体积轻巧，测量精准，安装简便，可以进行不同类别的监测。它对应于不同燃料会自动读取相应燃料密度，通过自身传感器进气实际修正。可测平均流量和定时流量，测量精度可以达到001G/S。图22油耗检测仪简单的来说，这个控制系统硬件上也是有三部分组成的。包括信号处理模块，单片机系统模块和执行器驱动模块。信号处理模块负责接送发动机发送来的运转参数，既有数字信号又有模拟信号，将其分配给两部分处理。曲轴相位和凸轮相位是数字信号，其余均为模拟信号。ECU的核心是单片系统模块，他接收信号运算处理过后，然后对外发出相应指令以保证试验运行。单片机利用RS232串口协议与上位机实现通讯，执行器驱动模块收到单片机系统模块的指令后，按照一定的优先级执行各项指令。执行器驱动模块里又有燃料供给系统的驱动电路，点火系统的驱动电路和节气门位置驱动电路等，点火驱动，和喷油驱动都是利用相应的电路回馈实现。此外该系统还具有电源管理功能，反接保护功能，过载保护功能，这些功能保证整个系统的安全和稳定性。上位机与ECU的通讯通过串口实现，发动机的控制程序通过CODEWARRIORIDE软件编写，在经过线下调试完成后，利用BDM将控制程序导入单片机中。控制程序由底层、上层和应用层三部分组成，底层软件是通讯及数据转换驱动程序，上层软件是对底层软件采集的数据集中处理，应用层软件主要针对执行机构。控制参数主要包括点火正时、喷油正时、喷射脉宽和节气门开度等，由串口通讯软件以十六进制数的形式发送给ECU，实现发动机的实时控制。（控制流程简图23）图23试验控制流程图22EGR试验中工作模式内燃机排放的氮氧化物来源于其内部高温富氧状态，空气中氮气和氧气在缸内发生复杂的化学反应，主要存在的是一氧化氮，但这之后大部分一氧化氮与氧气进步反应为二氧化氮。这个过程可以参考泽尔多维奇的链式反应理论，环境的高温使得氧分解为氧原子，随着浓度温度的持续增加，一氧化氮的含量会逐步上升，这个过程中高温富氧起了决定性做用。在发动机之后运行状态里一氧化氮的分解速率并不快，随着温度的降低逐渐在停止，之后的二氧化氮也会同氧气生成二氧化氮。这样一氧化氮与二氧化氮混合构成排除的氮氧化物。都说EGR可以减低氮氧化物的浓度，那么这个过程通过不停试验验证得以明确，在EGR中，CO2水蒸气两会是工质比热容增加，废气的进入使得氧气浓度下降，从而使得整个燃烧的进程得以减慢，这样反馈会是总的燃烧温度也会减低，从而在环境条件上抑制氮氧化物生成。由于汽油机通常采取量调节，引入EGR会使进气量增大，会减少低负荷的节流损失。废气重新进入燃烧会使得整个缸内环境改变，影响因素也是诸多的。但益处也是多多，减少发动机泵气损失功，减少传热损失，提高燃油经济特性【16】。但同时EGR率过高会延缓燃烧的时间，燃烧重心后移，混合气浓度的降低，会是燃烧变得不良无法进行，产生大量的碳氢积碳颗粒，使得油耗反而上升，使得发动机整体性能反而下降。23系统的搭建与细节选择EGR系统布置也是至关重要的，其布置结构见图，由于增压发动机的原因，低压回路的压降差性能会变得更好，从而实现容易控制EGR率。图24EGR的布置因为涡轮机前的排气系统布置紧密，由于试验要求又加装了大量传感器，已经没有可操作空间，所以废气由涡轮机后端引出，经过EGR冷却装置，然后通过EGR阀控制其流量，在压气机前端与进气混合，因为EGR阀是自制的，为避免其工作在较高温度下，将EGR阀安装在了冷却器后，同时为了保证废气与进气的充分混合，在压气机前端还增加了稳压箱。EGR流量控制阀门的选择也是至关重要的，应为发动机内部不同参数的变动使得燃烧性能反而一度下降，要想探索EGR条件下过空系数，对整体发动机性能影响，必须使得不同工况下的EGR率要变得精准，这个EGR阀门控制可以达到这点，一般使用的阀门类型有机械和电磁的两种【17】。一般机械式EGR流量控制阀有两部分组成，并且这种真空阀的构造并不简单，由真空转换和阀体装置构成。其原理利用真空压差形成动力，由于发动机工况不同，控制孔开启让真空度进入真空阀室里，以便开启阀体。真空度会影响阀门开启，存在着延时效应，再有膜片的疲劳耐久时间长也不好，都会造成EGR控制精度下降，影响整个实验结果。然而对于电磁式的流量控制阀，则会好的在许多，在性能上更是优越于机械式的那种，究其是利用了先进的电控技术，通过脉谱的反馈和调节使得我发动机在不同工况下，EGR率得到快速的变换响应和精确的控制【18】。当然这其中不同类型的电控阀也有许多种类，但目的不尽相同。（1）比例电磁铁式EGR流量控制阀,通常中小型发动机采用这种配置，由于电磁的应用，使得这个阀门采用的是电磁式那种作为驱动件，通过将驱动电压的有效值转换为调节驱动磁力的调节，通过利用磁力吸引杆件的位置的的变动来改变EGR的开度的大小，这个开度又可以控制EGR率不断地在改变。这种调节阀结构简单操作方便，同时它的响应速度也是非常灵敏的，百毫秒内的变动不会出现延迟。通常防止外界对阀体磁场产生干扰加装感应器形成闭合系统。由于其自身的优越性，普遍使用范围是很广的。（2）步进电机EGR流量控制阀这种流量控制阀利用的是步进电机，这可以将监测的参数变量转化为电机的启动和停止从而控制相位的变化和直线位移，从而来去控制，由于其不受外界的轻易影响，即使在没有闭合反馈调节系统的修正下，也可以对其EGR率进行精确的调节，并且它的稳定性强，不管在哪种工况下，由于它的体积小耐久性就比较强。但在这些调节阀中它的工作效率并不高，可调节的范围也通常是有限的。（3）直流电机EGR流量控制阀与步进电机相似的是，前者用步进电机作为驱动，而直流电机在这里是这个阀门的驱动力，外界参数的相信变化引起脉冲信号的变化，直流电机接受信号的变动发生相应的工作变化。但是这种流量的控制阀通常灵敏度非常好的原因得益于它的即时在转速的方向上进行快速的变化。但是这种控制阀门在结构和设计上更加的不简单，内部的控制和传感控制系统对实时监测的需求是很高的。所以该调节阀门的反馈响应是这几个中反应很快的，这样的优点使得他能够越来越多进行应用。同样实验里用的EGR控制阀对于阀门管径的要求也是需要通过计算的，EGR管径对整个实验验证的数据都是有影响的，因为这决定了控制EGR率准确性，从而得到可靠的实验数据【19】。这里我们可以利用流体力学的知识推出（式21）QVE回流体积单位立方米每秒SEGR废气循环管路面积单位平方米P两端压力差单位帕斯卡废气密度单位每千克立方米从而我们计算出有效面积（式22）考虑到实验中个个存在的因素，循环管路的有效循环面积同压力差与废气的密度的关系，通过公式解释出废气密度越低，压差越小对于理论上的有效面积都是扩展的，通过各种综合分析原因，管径试取取30毫米，参与完成实验。在实验中，同样考虑进气温度这个问题，EGR使得废气得以回流进气缸中，使得气缸中的温度变高，使得总的充气量下降【20】。同时高温还会使得EGR工作负担加重，影响EGR率使得实验数据变得不会给更加准确。回气温度要控制的合理，过低也会使得高温蒸汽冷凝，这样废气中的氮氧化物及一些酸性化合物都会溶解在其中，像腐蚀剂的效果一样，对EGR那部分的装置造成腐蚀，从而使得实验数据不准确。通常采用的冷却方式一般有两种，风冷却和水冷却，他们各有优点和缺点。EGR率的计算方法及测量它定义为进入废气同总进气量的比值，计算公式（式23）这种定义的计算方法在实际上是很难应用的，因为在实际实验操作过程中，它的参变量是非常多的，并且有些参量不是容易得到的，从而使得直接计算EGR率变得很困难，并且这种方法也不实用【21】。在实际计算EGR我们通常应用二氧化碳留迹法和空燃比法。空燃比法计算公式（式24）二氧化碳留迹法利用进排气的二氧化碳浓度比值确定公式（式25）EGR率均可通过上述两个公式来计算出来。第三章实验结果分析影响直喷汽油机动力性和排放的因素是许多的，但是我们通篇的文章主要着力去分析过量空气系数和EGR两者之间的关系是否存在相互的影响关系共同作用影响汽油机的整体性能，其他的变化参数影响也是存在的，但就研究而言并不是我们侧重的范围【22】。通过实验不断调节EGR率值和过量空气值得变化，然后观察实验关于汽油机运行的扭矩，燃油的燃油消耗量，以及尾气排放的成分变化，力求找出变化量同我们所要研究结果间的规律，从而明确我们已有的技术在解决目前内燃机关于热效率以及排放之间两者问题程度以及自身的局限性和弊端。设计这个试验我们采用中小负荷的运行状态，同时保证气缸内喷油混合较均匀，之后只改变几个主要的变量，如EGR率变化，充量系数，喷油脉宽等，以显示出他们同我们索要研究的目的之间关系。31EGR率对直喷汽油机动力性影响整个试验中我们关于喷射脉宽的频率只取两个值，7毫秒和10毫秒，调节节气门保证过量空气系数为1，出现如下的转581NM,626NM,635NM,636NM,63NM,701NM,705NM,70NM,712NM,732NM。然后通过EGR阀门的调节来调节EGR变化率。通过统计试验数据做出如下图图31喷油脉宽7MSEGR对转矩影响图32喷油脉宽10MS对转矩影响两种实验在进行的时候所选取的喷油脉宽的频率是不相同的，第一组是在7毫秒而第二组却取值10毫秒。通过实验数据图的分析，不难看出发动机在1800转每秒和2000转每秒的时候，我们EGR率进行增大的调整，这时候发动机的转矩也会随着整体上说是相应的增加，当然这其中有数据的变动起伏，这显然是特殊的情况，我们要具体特殊的分析。说明EGR率的提升总体效果上对发动机动力性的提高还是显著地，从第一个实验数据中我们看到转速在1800转每秒时，喷油脉宽处在七毫秒时，发动机扭矩的动态曲线增大，在EGR率处于4的时候扭矩值达到最大，之后有小幅度的减少之后基本变动不太大。在发动机运行的低速负荷下，EGR的引入提高了发动机的动力性能，由于低速工况下，通常我们将节气门开口调节的较小，使得进气量不足这个时候少量的气体涡流挤气的效果就不是很好，从而使得混合气的混合效果不好，影响燃烧的效果，而将排出的的废气部分的引入回输气缸内，在一定程度上使得气缸内的进气量得意短时间内得到较大的提升，改善了燃烧的的环境。但是通过曲线下降的现象我们看出，不是一味的提高EGR率就是好的，随着EGR率继续的升高，发动机的转矩会有所下降，之后增加的幅度不是很大了基本保持着持平，这就说明EGR率的增高的弊端，就是过分依赖EGR提高，将排放出的废气回输，由于废气的高温以及富含许多有碍燃烧的物质会使得缸内的充量系数会下降，在发动机小的工况下，就会使燃油混合气过浓，燃烧就会不充分在缸内各种零件的结构上会产生高温裂解的积碳，而这部分传热又会降低了发动机的热效率，燃烧的不充分，从而使发动机动力性下降，扭矩会出现讲的趋势。但是同样脉宽下，转速工作在不同的两个工况下，我们同时升高EGR率，然后实验数据反馈分析是，虽然两者曲线幅度升降基本类同，但是在低速工况时，转矩是在提升但是基本很平滑，比较与高转速工况下，增加幅度确实不是很大，而高速工况下幅度是明显的，同时显示出EGR率的增加和过分增加带来的弊端。这说明在低速工况时，EGR率对于动力性的提升并不是很明显，而对于高转速的工况下，这种提高是非常有意义的，所以通常小工况下没必要开启EGR辅助。同样喷油延时也是对与提高发动机性能也是提高的，在使得喷油时间迟后之后，数据显示高速和低速的转矩都同时增大，这是由于活塞从进气运行下止点时进行压缩过程时，喷油器喷油时刻延后原因，本来要在活塞刚要上行是喷射改为上行到大部分甚至接近于上止点在喷射，这使得缸内混合气的均质雾化程度变得好同时混合气温度提高，爆发压力得以充分利用，从而提高整体动力性。32EGR率对燃油经济性影响从如下得到的两个图进行实验数据分析，分析EGR率同燃油的消耗量关系图33喷油脉宽7MS下EGR率对燃油消耗率影响图34喷油脉宽10MS下EGR率对燃油消耗率影响该组的试验数分别是在1800转每秒和两千转每秒的转速下，喷油脉宽分别是七毫秒和十毫秒。四这组数据共同研究分析EGR率与油耗关系，从两个表格反映的总体的数据来看，随着EGR率的升高，发动机燃油的消耗量总趋势是下降的，虽然在高转速的工作条件下，燃油消耗有所提升，这是因为有他特殊原因的存在性。在同一个表的数据中，我们首先确保喷油脉宽是七毫秒，这样就说明我们供给燃油来那个是相等的，低转速工况下随着EGR率增加，燃油消耗率减少出现最小值2996G/KWH，而较高一些的转速工况下出现燃油消耗率最小值是2853G/KWH，同样的在喷油带宽为十毫秒时候二者出现燃油消耗率最低的值分别是2486G/KWH和2387G/KWH,。燃油消耗率降低源于EGR技术使得发动机在相应的工况下，转矩提高使得内部对于各种缸内的机械摩擦力和一些零件驱动摩擦力减少，同样的情况下不需要喷油泵提供过多地燃油量【23】。并且随着转速的升高发动机的燃油效率也是先减少最小值的范围，然后消耗率又会慢慢的上升。这其中燃油消耗率最小的出现的范围恰恰是发动机工作状况最稳定的中等的转速区域，也即是说发动机出在正常的运行状态下也是最经济省油的，同时在这些大部分工况的时候，发动机的转矩值也是较理想的。但是就同一喷油脉宽下比较而言，2000转每秒燃油消耗率小于1800转每秒的燃油消耗率，原因高速的负荷下，发动机内部一些机械摩擦和功耗会减少，机械损失掉的一部分功会达到热平衡的一种状态，这种状态下发动机的油耗会减少，整体损失功耗的那部分总体在不断降低，使得整体的热效率在不断提高，即使在高负荷时燃油消耗会增加，但是同等的去比较下低负荷下转速，低速时热效率并未平衡，燃油的消耗率同告诉的比反而消耗的要多。这也就是采用EGR技术来减少油耗，通过以上关于EGR率与试验所反馈的数据分析，证明